WO2018146014A1 - Kopfmodul für schienenfahrzeug - Google Patents

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WO2018146014A1
WO2018146014A1 PCT/EP2018/052643 EP2018052643W WO2018146014A1 WO 2018146014 A1 WO2018146014 A1 WO 2018146014A1 EP 2018052643 W EP2018052643 W EP 2018052643W WO 2018146014 A1 WO2018146014 A1 WO 2018146014A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
head module
crash
module according
outer shell
ring anchor
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/052643
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yuanmu ZHONG
Hengkui LI
Xiangang Song
Lu JIN
Bingsong WANG
Qinfeng Wang
Werner Hufenbach
Andreas Ulbricht
Original Assignee
Crrc Qingdao Sifang Co., Ltd.
CG Rail - Chinesisch-Deutsches Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Dresden GmbH
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Publication date
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Priority to EP18704489.6A priority patent/EP3580106B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D15/00—Other railway vehicles, e.g. scaffold cars; Adaptations of vehicles for use on railways
    • B61D15/06—Buffer cars; Arrangements or construction of railway vehicles for protecting them in case of collisions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/005—Construction details of vehicle bodies with bodies characterised by use of plastics materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/043—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures connections between superstructure sub-units
    • B61D17/045—The sub-units being construction modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/06—End walls

Definitions

  • the subject of the present invention is a construction for a head module for a rail vehicle which is suitable for breaking down and distributing the occurring loads in the event of a crash.
  • the head module is a head module for commuter trains, especially subways. In such trains the head module is often integrated in the car.
  • the head module is also referred to as a cabin, wherein it does not necessarily form a separate compartment.
  • the subject of DE 197 25 905 is a connection method of a prefabricated head module made of fiber-reinforced plastic (FRP) with the base frame and the body module.
  • the side walls of the head module are preferably made as a sandwich structure of FKV with an intermediate core material.
  • Special reinforcement profiles are used here in the joining areas of the head module, which improve the power transmission between the undercarriage or the carriage module and the FKV walls of the head module.
  • a special design of the fiber guidance of the FKV reinforcement is not provided.
  • the reinforcing profiles are integrated into the core of the FKV walls of the head module and act as an abutment for the bolt connection between FKV walls of the head module and undercarriage or Wagenkastenmodul.
  • the disadvantage here is that the reinforcing fiber material between the reinforcing profile and the base is subjected to a compressive load and thus there is a risk of creeping damage to the FRP material in this area.
  • DE 10 2014 204 761 A1 deals with the problem of crash safety, in particular of the windshield, in the case of rail vehicle heads. It is envisaged that the frame of the windshield has a deformation element that can absorb energy and degrade by its deformation. Here, the windscreen should move as possible without the formation of fragments from the frame. This is realized in DE 10 2014 204 761 A1 by predetermined breaking points in the context of the windscreen or in its vicinity are provided. The predetermined breaking points are generated by the geometric design, the dimensioning of the deformation element or its material. In one embodiment, the deformation element is intended to extend partially or completely around the front pane.
  • the frame can also be formed by the vehicle body itself.
  • DE 60 2004009942 T2 deals with an impact energy absorption system for a light rail.
  • the described crash system is arranged predominantly in the lower region of the vehicle;
  • the passenger compartment is surrounded by a protective cage.
  • the subject of WO 2015/01 1 193 A1 is an energy dissipation device for rail vehicles.
  • the purpose of this device is to absorb part of the impact energy in the event of a crash and to convert it into material deformation.
  • a three-dimensionally shaped body made of FKV is used. This has layers with unidirectionally oriented fibers and layers with undirected (random fibers) arranged fibers.
  • the energy consumption is realized in particular by a counter element striking the energy dissipation element in the longitudinal direction, thereby destroying, in particular shredding, the layer or layers with random fibers.
  • the arrangement of the fibers without preferential direction ensures that the impact energy is converted when breaking the fibers and does not lead to a delamination of different fiber layers.
  • a self-supporting vehicle head which is constructed primarily of fiber composite material.
  • the vehicle head has structural elements that serve to dissipate energy in the event of a crash, as well as other structural elements that have no special function for energy reduction.
  • the energy-consuming structural elements should consist of fiber composite material.
  • a series of energy-dissipating structural elements successively contributes to the energy consumption or transmits corresponding forces.
  • the vehicle head has a central buffer coupling, which is due to the design in front of the front of the panel of the vehicle head. Therefore, the center buffer coupling is immediately followed by an energy dissipation element that is intended to absorb shocks applied to the center buffer coupling.
  • two lateral energy-absorbing elements are arranged in parallel, which are to act as Aufkletterschutz.
  • the parapet below the front window on at least one, preferably two energy-absorbing elements. From the parapet lead on each side of the headboard two strands for energy transmission in the substructure of the car part.
  • the two A-pillars are preceded by two energy-absorbing elements in the direction of movement.
  • the A-pillars are designed to direct kinetic energy into the roof structure and to remove any remaining impact energy in the event of a crash in a controlled manner. This is necessary because conventional car substructures do not have longitudinal members arranged in the roof area which could absorb parts of the impact energy.
  • the disadvantage here is that a force exerted on the parapet in conjunction with the two lateral strands for energy transfer can lead to a leverage effect on the roof structure, which puts them in a movement substantially perpendicular to the direction of movement of the vehicle. This can at least reduce the roof's ability to absorb residual impact energy. There is thus a disadvantageous coupling of security systems.
  • the head module must be able to be placed ahead of the corresponding car parts.
  • the structural features of these car parts are taken into account.
  • the sub-task of being able to mount the head module according to the invention to a car part which is characterized by corresponding interface components.
  • corresponding interface components are in particular: two longitudinal members of the undercarriage, which extend at the lower edges of the carriage part in the longitudinal direction and whose end faces are suitable for mounting the head module,
  • a underframe support to the driver's cab which runs between the two longitudinal members of the undercarriage and opens into the main cross member, which is stored in the bogie of the carriage part.
  • the main crossbeam is resisted in the two longitudinal members of the undercarriage.
  • the underframe support for the driver's cab and the main cross member are preferably made of steel.
  • two longitudinal members of the car roof which extend at the upper edges of the carriage part in the longitudinal direction and whose end faces are suitable for mounting the head module.
  • the longitudinal members are preferably made of fiber composite material. All interface components have corresponding mounting options for the corresponding components of the cabin. These are preferably detachable fasteners, very particularly preferably screwed connections.
  • the head module according to the invention has three systems that convert the impact energy by irreversible deformation in the event of a crash. These systems are constructed largely independently of each other and can thus act advantageously successively or simultaneously, without the crash-related destruction of one system could affect the other in its effectiveness.
  • the systems are essentially made of fiber composite material.
  • the three systems are:
  • UD straps are components reinforced with unidirectional, in the direction of the load, or reinforced areas in components
  • a lower crash-passing element which is equipped with a crash box and also passes the remaining impact energy into the underframe support.
  • the three crash systems thus initiate the remaining impact forces into different components of the following carriage part, which in turn optionally have energy dissipation elements.
  • the driver's cab is preferably designed as a double-shell construction.
  • the outer shell is connected to the three systems that convert the impact energy into deformation in the event of a crash.
  • the inner shell dresses the actual, usable by humans, interior.
  • Both shells are designed as fiber composite structures, which provide no significant contribution to crash resistance.
  • the outer shell ensures the necessary rigidity of the construction by being realized as a multilayer fiber composite structure, optionally with cores lying between the fiber layers. Laid, wound or braided fiber structures can be used in the fiber layers.
  • U D fiber strands (unidirectional fiber strands) are also possible. It is advantageous that the A-pillars of the outer cabin no special reinforcements for power transmission in the event of a crash.
  • the A-pillars of the outer cabin are designed for carrying electrical lines.
  • the outer car shell is preferably constructed of fibrous webs which are subsequently impregnated and consolidated with a matrix material. The construction of already impregnated with matrix material fiber layers is possible.
  • a compound of the outer and the inner shell is preferably carried out in the region of the front and side windows. Here, the two shells are screwed together, glued or connected in any other way in combination of different methods.
  • the windshield is preferably glued in the outer shell.
  • predetermined breaking points are provided, which ensure that the windscreen in the event of a crash is released from the frame and get no or only a few fragments in the interior.
  • the front screen has its own frame, with which it is fastened in the outer shell. Again, predetermined breaking points are preferred
  • the ring anchor has a U-shape in which the two ends of the ring anchor are attached to the upper side members of the following carriage part.
  • the end face of the ring anchor (corresponds to the lower curve of the U-shape) is arranged on the inside of the upper end face of the outer cabin shell.
  • the ring anchor is preferably designed as a fiber composite component.
  • UD fiber layers which extend over the entire length of the ring anchor, from an attachment point on an upper side member of the following car part to the other attachment point on the other upper side member of the following car part used.
  • These UD fiber layers can be used alternately with fiber layers which may have different fiber orientations. Preference is given to layers of semifinished fiber products such as woven or laid.
  • the ring anchor is manufactured together with the outer shell car.
  • a ring anchor molding that already has the fiber reinforcement structure of the ring anchor inserted into the mold in which the outer shell car is made.
  • the fiber layers of the ring anchor and the outer cabin shell are soaked together with matrix material and this then consolidated (the matrix material cured).
  • the matrix material cured It is also possible to impregnate the ring anchor molding already with matrix material and then insert it into the mold or place it on a support structure on which then the other fiber layers of the outer shell, also as pre-impregnated fiber layers (eg. As prepregs) are placed.
  • a further preferred embodiment provides to manufacture the outer car shell and the ring anchor as independent components and to introduce the consolidated ring anchor in the consolidated outer car shell and fix there, preferably glued.
  • the parapet reinforcement is also designed as a fiber-reinforced component. It is located below the windscreen and above the crash box of the head module. It extends over the entire width of the front of the cabin below the window and above the crash box of the lower crash-passing element.
  • the parapet reinforcement can be interrupted in the middle or made in a lower material thickness.
  • Sideways extending in the outer shell of the cabin from the lateral ends of the parapet reinforcement oblique UD belts, which introduce a portion of the crash energy in the lower side members of the carriage part.
  • Both the parapet reinforcement and the UD straps are made of fiber-reinforced material. They are inserted and consolidated analogously to the procedure for the ring anchor as prefabricated components in the manufacture of the inner cabin shell.
  • the parapet reinforcement is completely integrated into the inner shell. Since, contrary to the solution from WO 2010/029188 A1, the A-pillar of the present construction plays no special role in the event of a crash and in particular is not reinforced, an impact on the parapet reinforcement can not adversely affect the ring anchor in the roof area since the A-pillar Column can transmit no greater forces in this direction.
  • the head module has a flat nose, which effectively avoids force components in the vertical direction that cause it to climb up, and this approach is advantageous since only identical train units can be found below the parapet reinforcement and above the central buffer coupling
  • It is made of fiber-reinforced plastic, which extends across the entire width of the front of the cab, with the option of narrower versions, which are thickened in the central part of the panel in front of the crash box the crash box and the lower crash transmission element a safety system that derives the forces still occurring behind the crash box in the undercarriage support of the following car.In the event of a collision, the thickened part is broken out of the plate (consumes a portion of the energy) and the further movement is from the crash B ox, which transforms them into deformation energy.
  • the crash box has a construction known from the prior art. In particular, it preferably consists of metal foam, which is compressed in the crash while absorbing energy.
  • the lower crash-passing element is curved so that it runs in the region of the inner shell under the cabin floor and only in the interface area to Underframe support rises to its level to allow for mounting. This is also done here preferably with releasable metallic compounds, preferably screw.
  • the crash transmission element is constructed twice angled. It runs from the crash box, which is located below the parapet and above the central buffer coupling, obliquely down to below the bottom of the inner shell. There is a change in direction in the horizontal to approximately the end of the bottom of the inner shell. Here it rises diagonally up to the connection interface to the underframe support.
  • the included angles between the horizontal and the angled parts of the crash-passing element are preferably in the range between 30 ° and 60 °.
  • the lower crash-passing element is preferably made of fiber composite material. It has a downwardly open U-shaped (or rectangular, open at the bottom) cross-section. This ensures a particularly high rigidity even in the event of a crash.
  • the center buffer clutch is disposed at the lower crash passing member. This is preferably done via a metallic mounting element that is attached to the downwardly facing legs of the U-shaped cross-section, preferably by means of bolt or screw connection. On the mounting element, the central buffer coupling is attached.
  • the central buffer coupling is constructed telescopic. It can be moved from a rest position, in which it is located behind a flap in the front of the head part, in a working position in which the coupling of other train parts is possible.
  • the central buffer coupling also has an energy dissipation element according to the prior art. This energy dissipation element converts some of the impact energy in the event of a crash into deformation work when the collision occurs while the center buffer coupling is in the working position.
  • the preferred materials used for the cabin shells and the three systems for the crash case fiber composites. Fasteners, etc. can be advantageously made of metal.
  • the fiber composite materials are preferably plastics reinforced with carbon fibers, glass fibers or basalt fibers, preferably resins, particularly preferably epoxy resins or phenolic resin systems.
  • the construction of the cabin and the design of the systems are preferably carried out using computer-aided simulation methods which allow the design to be carried out in accordance with the applicable regulations.
  • the simulation methods and computer-aided design tools are known to those skilled in the art.
  • the following figures illustrate a preferred embodiment of the inventively designed head module for a rail vehicle.
  • Fig. 1 shows schematically a side view of the cab according to the invention without the outer shell.
  • the central buffer coupling has also been omitted for reasons of clarity.
  • the inner shell 701 is made in two parts. The division takes place in a horizontal plane above the parapet reinforcement 71 1.
  • the upper part of the inner shell 701 has the opening 704 for the windscreen and the side windows 703. The window openings are separated by the A-pillar 705.
  • the ring anchor 720 is shown above the upper part of the inner shell. This is attached via the fastening device 721 releasably attached to the upper side members of the following carriage part (not shown).
  • the ring anchor 720 is permanently connected to the outer shell (not shown).
  • the parapet reinforcement 71 1 and the UD straps 710 are integrated, which transfer the force from the parapet reinforcement 71 1 to the entry points 712 into the lower side members of the following carriage part.
  • the lower crash passage member 730 Below the lower part of the inner shell extends the lower crash passage member 730. At the front of the cabin, the plate 734 is shown. This is followed by the crash box 733. In the event of a crash, the impact occurs on the plate 734, which transmits the force to the crash box 733 where it degrades as far as possible. Remaining impact energy is forwarded to the lower crash-passing element 730 and transferred there at the attachment point 732 in the underframe support of the subsequent carriage part. In the horizontal part of the lower crash-passing element 730, the openings 731 for fixing the central buffer coupling can be seen.
  • Fig. 2 shows schematically the front view of the cabin without the outer shell.
  • the cover flap of the central buffer coupling is additionally provided with the reference numeral 706, which fits into a corresponding opening of the outer shell.
  • FIG. 3 shows schematically the rear view of the inner shell of the cabin. It is the side with which the cab is mounted on the following car part.
  • the assembly is preferably carried out on the two upper longitudinal members of the following carriage part by means of the fastening elements 721 of the upper ring anchor, by means of fasteners at the points of introduction 712 of the UD straps of the parapet reinforcement and by means of the fastening device 712 (only one shown, a second is symmetrical on the arranged on the right side) of the lower crash element on the underframe support.
  • FIG. 4 schematically shows the outer shell 702 in a three-dimensional view. In particular, it can be seen how the upper ring anchor 720 with its fastening elements 721 fits into the outer shell 702. The opening for the cover flap 706 of the central buffer coupling is also shown.
  • Fig. 5 shows schematically how the inner shell 701 is fitted in the outer shell and exemplifies how the internals 707 can be arranged.
  • FIG. 6 schematically shows the crash transmission element 730 in a side view.
  • the crash passing member has a descending portion 7301 in which it extends from the crash box (not shown) to the horizontal portion 7302. With the rising part 7303, the crash passage member extends from the horizontal part to the connection point to the center buffer clutch (not shown).
  • FIG. 7 schematically shows the crash transmission element 730 from FIG. 6 in a 3D view.

Abstract

Kopfmodul für ein Schienenfahrzeug, das geeignet ist, ohne zusätzliches Untergestell an der Stirnfläche eines nachfolgenden Wagenteils lösbar befestigt zu werden. Das Kopfmodul ist aus einer inneren und einer äußeren Schale (701, 702) aufgebaut und weist drei Systeme auf, die weitgehend unabhängig voneinander im Crash-Falle nacheinander oder zeitgleich die Stoßenergie in Verformung umwandeln.

Description

Kopfmodul für Schienenfahrzeug
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Konstruktion für ein Kopfmodul für ein Schienenfahrzeug, das geeignet ist, im Crash-Fall die auftretenden Lasten abzubauen und zu verteilen.
Insbesondere handelt es sich um ein Kopfmodul für Nahverkehrszüge, insbesondere U- Bahnen. Bei derartigen Zügen ist das Kopfmodul häufig in den Wagen integriert. Das Kopfmodul wird im Weiteren auch als Kabine bezeichnet, wobei es nicht zwangsweise ein eigenes Abteil bildet.
Im Interesse der Material- und Energieeffizienz hat sich in den letzten Jahren der Einsatz leichter Materialien und der Prinzipien des Leichtbaus im Schienenfahrzeugbau immer weiter durchgesetzt. Insbesondere die Verwendung von Faserverbundmaterialien nimmt immer mehr zu. Auch für die Gestaltung der Kopfmodule von Schienenfahrzeugen trifft dies zu.
Bekannte Konstruktionen sehen hier vor, vorgefertigte Module auf die Unterkonstruktion, die den gesamten Wagen ohne Unterbrechung durchzieht, aufzusetzen.
So ist Gegenstand der DE 197 25 905 ein Verbindungsverfahren eines vorgefertigten Kopfmoduls aus faserverstärktem Kunststoff (FKV) mit dem Untergestell und dem Wagenkastenmodul. Die Seitenwände des Kopfmoduls sind vorzugsweise als Sandwichstruktur aus FKV mit einem zwischenliegenden Kernmaterial gefertigt. Zum Einsatz kommen hier spezielle Verstärkungsprofile in den Fügebereichen des Kopfmoduls, die die Kraftübertragung zwischen Untergestell bzw. Wagenmodul und den FKV-Wänden des Kopfmoduls verbessern. Eine spezielle Gestaltung der Faserführung der FKV-Verstärkung ist nicht vorgesehen. Die Verstärkungsprofile sind in den Kern der FKV-Wände des Kopfmoduls integriert und wirken als Widerlager für die Bolzenverbindung zwischen FKV-Wänden des Kopfmoduls und Untergestell bzw. Wagenkastenmodul. Nachteilig ist hierbei, dass die Verstärkungsfasermaterial zwischen dem Verstärkungsprofil und dem Untergestell einer Druckbelastung ausgesetzt ist und so die Gefahr einer kriechbedingten Schädigung des FKV- Materials in diesem Bereich besteht.
In der DE 10 2014 204 761 A1 wird das Problem der Crashsicherheit, insbesondere der Frontscheibe, bei den Schienenfahrzeugköpfen behandelt. Es ist vorgesehen, dass der Rahmen der Frontscheibe ein Verformungselement aufweist, das Energie aufnehmen und durch seine Verformung abbauen kann. Dabei soll sich die Frontscheibe möglichst ohne Entstehung von Bruchstücken aus dem Rahmen bewegen. Realisiert wird dies in der DE 10 2014 204 761 A1 indem Sollbruchstellen im Rahmen der Frontscheibe oder in dessen Nähe vorgesehen sind. Die Sollbruchstellen werden durch die geometrische Ausführung, die Dimensionierung des Verformungselementes oder dessen Material erzeugt. Das Verformungselement soll in einer Ausführungsform teilweise oder vollständig um die Frontscheibe herum verlaufen. Der Rahmen kann auch von der Fahrzeughülle selbst gebildet werden.
Die DE 60 2004009942 T2 behandelt ein Aufprallenergie-Absorptionssystem für eine Stadtbahn. Das beschriebene Crashsystem ist vorwiegend im unteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet; außerdem ist der Fahrgastraum mit einem Schutzkäfig umgeben.
Gegenstand der WO 2015/01 1 193 A1 ist eine Energieverzehrvorrichtung für Schienenfahrzeuge. Zweck dieser Vorrichtung ist es, im Crash-Falle einen Teil der Stoßenergie aufzunehmen und in Materialverformung umzuwandeln. Dazu wird ein dreidimensional geformter Körper aus FKV genutzt. Dieser weist Schichten mit unidirektional ausgerichteten Fasern und Schichten mit ungerichtet (Wirrfasern) angeordneten Fasern auf. Der Energieverzehr wird insbesondere dadurch realisiert, dass ein Gegenelement in Längsrichtung auf das Energieverzehrelement trifft und dabei die Lage bzw. die Lagen mit Wirrfasern zerstört, insbesondere zerfasert. Die Anordnung der Fasern ohne Vorzugsrichtung gewährleistet dabei, dass die Stoßenergie beim Bruch der Fasern umgesetzt wird und nicht zu einer Delaminierung verschiedener Faserschichten führt.
In der WO 2010/029188 A1 wird ein selbstragender Fahrzeugkopf offenbart, der vorrangig aus Faserverbundmaterial aufgebaut ist. Der Fahrzeugkopf weist Strukturelemente auf, die dem Energieverzehr im Crashfalle dienen sowie sonstige Strukturelemente, die keine spezielle Funktion zum Energieabbau haben. Insbesondere sollen auch die energieverzehrenden Strukturelemente aus Faserverbundwerkstoff bestehen. Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Reihe von energieabbauenden Strukturelementen nacheinander zum Energieverzehr beiträgt bzw. entsprechende Kräfte überträgt. Der Fahrzeugkopf weist eine Mittelpufferkupplung auf, die bauartbedingt vor der Front der Verkleidung des Fahrzeugkopfes liegt. Daher ist der Mittelpufferkupplung unmittelbar ein Energieverzehrelement nachgeordnet, dass auf die Mittelpufferkupplung ausgeübte Stöße absorbieren soll. Darüber hinaus sind parallel dazu zwei seitliche Energieverzehrelemente angeordnet, die als Aufkletterschutz wirken sollen. Des Weiteren weist die Brüstung unterhalb des Frontfensters mindestens ein, bevorzugt zwei Energieverzehrelemente auf. Von der Brüstung führen auf jeder Seite des Kopfteils zwei Stränge zur Energieübertragung in die Unterkonstruktion des Wagenteils. Darüber hinaus sind den beiden A-Säulen in Bewegungsrichtung zwei Energieverzehrelemente vorgelagert. Die A- Säulen sind dazu ausgestaltet, Bewegungsenergie in die Dachstruktur zu leiten und eventuell noch verbliebene Stoßenergie im Crash-Fall kontrolliert abzubauen. Dies ist notwendig, da konventionelle Wagenteilkonstruktionen keine im Dachbereich angeordneten Längsträger aufweisen, die Teile der Stoßenergie aufnehmen könnten. Nachteilig ist hierbei, dass eine auf die Brüstung ausgeübte Kraft in Verbindung mit den zwei seitlichen Strängen zur Energieübertragung zu einer Hebelwirkung auf die Dachkonstruktion führen kann, die diese in eine Bewegung, im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, versetzt. Dies kann die Fähigkeit der Dachkonstruktion, verbliebene Stoßenergie aufzunehmen zumindest reduzieren. Es liegt somit eine nachteilige Kopplung von Sicherheitssystemen vor.
Die DE 60 2005 004 131 T2 beschreibt einen Rahmen für einen Fahrzeugkopf, in den mehrere nachgiebige Regionen verteilt sind. Die Druckschrift zeigt keinen selbsttragenden Fahrzeugkopf. Der Rahmen ist so ausgelegt, dass in dessen nachgiebigen Regionen ein möglichst umfassender Energieverzehr stattfindet. Die Dach- und Bodenteile des Rahmens sind daher nicht vorrangig dazu ausgebildet, Kräfte in den nachfolgenden Wagenkasten zu leiten.
Die genannten Lösungen sind für Züge geeignet, die einer Vielzahl unterschiedlicher Kollisionsgegner ausgesetzt sein können. Dementsprechend komplex sind die angewandten Lösungen. Es stellt sich somit die Aufgabe, ein System von Schutzvorrichtungen für ein Kopfmodul vorzuschlagen, das insbesondere für U-Bahnen und ähnliche Anwendungen, die auf getrennten Streckennetzen operieren und im Wesentlichen nur gleichartig aufgebauten Kollisionsgegner ausgesetzt sein können, geeignet sind. Insbesondere soll keine durchgehende Unterkonstruktion, die vom Wagenteil in das Kopfmodul reicht, notwendig sein.
Um diese Aufgabe zu erfüllen muss das Kopfmodul geeignet sein, den entsprechenden Wagenteilen voran gestellt werden zu können. Dazu sind die konstruktiven Merkmale dieser Wagenteile zu berücksichtigen.
Im vorliegenden Fall stellt sich die Unteraufgabe, das erfindungsgemäße Kopfmodul an ein Wagenteil montieren zu können, das sich durch entsprechende Schnittstellenbauteile auszeichnet. Dies sind insbesondere: zwei Längsträger des Untergestells, die sich an den Unterkanten des Wagenteils in Längsrichtung erstrecken und deren Stirnflächen zur Montage des Kopfmoduls geeignet sind,
eine Untergestellstütze zur Fahrerkabine, die zwischen den beiden Längsträgern des Untergestells verläuft und in den Hauptquerträger mündet, der in dem Drehgestell des Wagenteils lagert. Der Hauptquerträger ist in den beiden Längslrägern des Untergestells widergelagert. Die Untergestellstütze zur Fahrerkabine und der Hauptquerträger sind vorzugsweise aus Stahl gefertigt. zwei Längsträger des Wagendaches, die sich an den Oberkanten des Wagenteils in Längsrichtung erstrecken und deren Stirnflächen zur Montage des Kopfmoduls geeignet sind.
Die Längsträger sind vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff gefertigt. Alle Schnittstellenbauteile weisen entsprechende Befestigungsmöglichkeiten für die korrespondierenden Bauteile der Kabine auf. Bevorzugt sind dies lösbare Befestigungen, ganz besonders bevorzugt Schraubverbindungen.
Das erfindungsgemäße Kopfmodul weist drei Systeme auf, die im Crash-Falle die Stoßenergie durch irreversible Verformung umwandeln. Diese Systeme sind weitgehend unabhängig voneinander aufgebaut und können so vorteilhaft nacheinander oder zeitgleich wirken, ohne dass die Crash-bedingte Zerstörung eines Systems das andere in seiner Wirksamkeit beeinträchtigen könnte. Die Systeme sind im Wesentlichen aus Faserverbundmaterial gefertigt.
Bei den drei Systemen handelt es sich um:
1 . eine als Ringanker ausgeführte Versteifung im Dachbereich der Kabine, die Kräfte in die oberen Längsträger des nachfolgenden Wagenteils leitet,
2. eine Brüstungsverstärkung, die über seitlich der Kabine verlaufende UD-Gurte Stoßkräfte in die unteren Längsträger des nachfolgenden Wagenteils leitet (bei UD- Gurten handelt es sich um besonders mit unidirektional, in Richtung der Belastung verlaufenden Fasern verstärkte Bauteile oder verstärkte Bereiche in Bauteilen),
3. ein unteres Crash-Durchleitungselement, das mit einer Crash-Box ausgestattet ist und darüber hinaus die verbliebene Stoßenergie in die Untergestellstütze leitet.
Die drei Crash-Systeme leiten somit die verbliebenen Stoßkräfte in unterschiedliche Bauteile des nachfolgenden Wagenteils ein, die optional ihrerseits Energieverzehrelemente aufweisen.
Die Fahrerkabine ist vorzugsweise als zweischalige Konstruktion ausgebildet. Die äußere Schale ist mit den drei Systemen, die im Crash-Falle die Stoßenergie in Verformung umwandeln, verbunden. Die innere Schale kleidet den eigentlichen, von Menschen nutzbaren, Innenraum aus. Beide Schalen sind als Faserverbundstrukturen ausgebildet, die keine wesentlichen Beiträge zur Crash-Resistenz liefern. Die äußere Schale gewährleistet die notwendige Steifigkeit der Konstruktion, indem sie als mehrlagige Faserverbundstruktur, optional mit zwischen den Faserschichten liegenden Kernen, realisiert ist. In den Faserschichten können gelegte, gewickelte oder geflochtene Fasergebilde eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Steifigkeit sind auch U D-Faserstränge (unidirektionale Faserstränge) möglich. Vorteilhaft ist, dass die A-Säulen der äußeren Kabine keine speziellen Verstärkungen für die Kraftübertragung im Crash-Falle aufweisen. Dies verhindert, dass im Crash-Fall eine nachteilige Kraftübertragung auf den Ringanker erfolgt bzw. diese zumindest begrenzt wird. Bevorzugt sind die A-Säulen der äußeren Kabine zur Durchführung elektrischer Leitungen ausgestaltet. Die äußere Kabinenschale wird vorzugsweise aus Fasergelegen aufgebaut, die anschließend mit einem Matrixwerkstoff getränkt und konsolidiert werden. Auch der Aufbau aus bereits mit Matrixwerkstoff getränkten Fasergelegen ist möglich. Eine Verbindung der äußeren mit der inneren Schale erfolgt bevorzugt im Bereich der Front- und Seitenscheibe. Hier sind die beiden Schalen miteinander verschraubt, verklebt oder in sonstiger Weise auch in Kombination von verschiedenen Verfahren verbunden. Die Frontscheibe ist vorzugsweise in der äußeren Schale eingeklebt. Vorzugsweise sind Sollbruchstellen vorgesehen, die gewährleisten, dass die Frontscheibe im Crash-Falle sich aus dem Rahmen löst und keine bzw. nur wenige Bruchstücke in den Innenraum gelangen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Frontscheibe einen eigenen Rahmen auf, mit dem sie in der äußeren Schale befestigt ist. Auch hier sind Sollbruchstellen bevorzugt
Der Ringankerweist eine U-Form auf, bei der die beiden Enden des Ringankers an den oberen Längsträgern des nachfolgenden Wagenteils befestigt sind. Die Stirnfläche des Ringankers (entspricht der unteren Krümmung der U-Form) ist an der Innenseite der oberen Stirnseite der äußeren Kabinenschale angeordnet. Der Ringanker ist bevorzugt als Faserverbundbauteil ausgeführt. Dabei werden für den Ringanker UD-Faserlagen, die über die gesamte Länge des Ringankers, von einem Befestigungspunkt an einem oberen Längsträger des nachfolgenden Wagenteils zum anderen Befestigungspunkt an dem anderen oberen Längsträger des nachfolgenden Wagenteils verlaufen, genutzt. Diese UD-Faserlagen können alternierend mit Faserlagen eingesetzt werden, die abweichende Faserorientierungen aufweisen können. Bevorzugt sind Lagen aus Faserhalbzeugen wie Geweben oder Gelegen. Insbesondere werden Faserlagen mit abweichenden Orientierungen bzw. Gewebe oder Geflechte genutzt, um die UD-Fasern vor dem Konsolidieren in ihrer Lage zu fixieren. Vorzugsweise wird der Ringanker gemeinsam mit der äußeren Kabinenschale gefertigt. Dabei wird ein Ringanker- Formteil, dass bereits die Faserverstärkungsstruktur des Ringankers aufweist, in die Form eingelegt, in der die äußere Kabinenschale gefertigt wird. Anschließend werden die Faserlagen des Ringankers und der äußeren Kabinenschale gemeinsam mit Matrixmaterial getränkt und dieses anschließend konsolidiert (das Matrixmaterial ausgehärtet). Es ist auch möglich, das Ringanker-Formteil bereits mit Matrixmaterial zu tränken und anschließend in die Form einzulegen bzw. auf eine Trägerkonstruktion aufzulegen, auf die dann die weiteren Faserlagen der äußeren Schale, ebenfalls als vorgetränkte Faserlagen (bspw. als Prepregs) aufgelegt werden. Auch hier wird anschließend konsolidiert. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die äußere Kabinenschale und den Ringanker als unabhängige Bauteile zu fertigen und den konsolidierten Ringanker in die konsolidierte äußere Kabinenschale einzubringen und dort zu fixieren, vorzugsweise einzukleben.
Die Brüstungsverstärkung ist ebenfalls als faserverstärktes Bauteil ausgeführt Sie ist unterhalb der Frontscheibe und oberhalb der Crash-Box des Kopfmoduls angeordnet. Sie zieht sich über die gesamte Breite der Front der Kabine unterhalb des Fensters und oberhalb der Crash-Box des unteren Crash-Durchleitungselementes. Optional kann die Brüstungsverstärkung mittig unterbrochen oder in geringerer Materialstärke ausgeführt sein. Seitlich verlaufen in der äußeren Schale der Kabine von den seitlichen Enden der Brüstungsverstärkung schräge UD-Gurte, die einen Teil der Crash-Energie in die unteren Längsträger des Wagenteils einleiten. Sowohl die Brüstungsverstärkung als auch die UD- Gurte sind aus faserverstärktem Material aufgebaut. Sie werden analog zur Vorgehensweise beim Ringanker als vorgefertigte Bauteile bei der Fertigung der inneren Kabinenschale mit eingelegt und konsolidiert. Auf diese Weise ist die Brüstungsverstärkung vollständig in die innere Schale integriert. Da entgegen der Lösung aus der WO 2010/029188 A1 die A-Säule der vorliegenden Konstruktion keine besondere Rolle im Crash-Fall spielt und insbesondere nicht verstärkt ist, kann ein Aufprall auf die Brüstungsverstärkung den Ringanker im Dachbereich nicht negativ beeinflussen, da die A-Säule keine größeren Kräfte in diese Richtung übertragen kann.
Das Kopfmodul weist eine flache Nase („flat nose") auf. Kraftkomponenten in vertikaler Richtung, die ein Aufklettern verursachen, werden dadurch wirksam vermieden. Dieser Ansatz ist vorteilhaft da sich ausschließlich identische Zugeinheiten treffen können. Unterhalb der Brüstungsverstärkung und oberhalb der Mittelpufferkupplung ist eine Platte aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet. Diese reicht im Wesentlichen über die gesamte Breite der Front der Kabine. Optional sind schmalere Ausführungen möglich. Im zentralen Teil der Platte ist diese an der Stelle verdickt, die vor der Crash-Box liegt. Die Platte bildet gemeinsam mit der Crash-Box und dem unteren Crash-Durchleitungselement ein Sicherheitssystem, das die hinter der Crash-Box noch auftretenden Kräfte in die Untergestellstütze des nachfolgenden Wagens ableitet. Im Kollisionsfall wird der verdickte Teil aus der Platte herausgebrochen (verzehrt dabei einen Teil der Energie) und die weitere Bewegung wird von der Crash-Box aufgenommen, die diese in Verformungsenergie umwandelt. Die Crash-Box weist einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau auf. Insbesondere besteht sie vorzugsweise aus Metallschaum, der beim Crash unter Energieaufnahme zusammengedrückt wird.
Das untere Crash-Durchleitungselement ist derart gekrümmt, dass es im Bereich der inneren Schale unter dem Kabinenboden verläuft und erst im Schnittstellenbereich zur Untergestellstütze auf deren Niveau ansteigt, um die Montage zu ermöglichen. Diese erfolgt auch hier bevorzugt mit lösbaren metallischen Verbindungen, vorzugsweise Schraubverbindungen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Crash- Durchleitungselement zweifach abgewinkelt aufgebaut. Es verläuft von der Crash-Box, die unterhalb der Brüstung und oberhalb der Mittelpufferkupplung angeordnet ist, schräg nach unten bis unterhalb des Bodens der inneren Schale. Dort erfolgt eine Richtungsänderung in die Horizontale bis annähernd zum Ende des Bodens der inneren Schale. Hier steigt es schräg bis zur Verbindungsschnittstelle zur Untergestellstütze an. Die eingeschlossenen Winkel zwischen der Horizontalen und den abgewinkelten Teilen des Crash-Durchleitungselements liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 30° und 60°. Das untere Crash- Durchleitungselement ist bevorzugt aus Faserverbundmaterial gefertigt. Es weist einen nach unten geöffneten U-förmigen (bzw. rechtwinklig, nach unten offenen) Querschnitt auf. Dies gewährleistet eine besonders hohe Steifigkeit auch im Crash-Fall. An dem unteren Crash- Durchleitungselement ist nach der ersten Krümmung (nach dem Teil, der von der Crash-Box zum horizontalen Teil des unteren Crash-Durchleitungselements führt) die Mittelpufferkupplung angeordnet. Dies erfolgt vorzugsweise über ein metallisches Montageelement, dass an den nach unten weisenden Schenkeln des U-förmige Querschnitts, vorzugsweise mittels Bolzen- oder Schraubverbindung, befestigt ist. An dem Montageelement ist die Mittelpufferkupplung befestigt.
Die Mittelpufferkupplung ist teleskopierbar aufgebaut. Sie kann aus einer Ruhelage, in der Sie hinter einer Klappe in der Frontseite des Kopfteils untergebracht ist, in eine Arbeitslage bewegt werden, in der das Ankoppeln weiterer Zugteile möglich ist. Die Mittelpufferkupplung weist darüber hinaus ein Energieverzehrelement nach dem Stand der Technik auf. Dieses Energieverzehrelement wandelt einen Teil der Stoßenergie im Crash-Falle in Verformungsarbeit um, wenn der Zusammenstoß erfolgt, während die Mittelpufferkupplung sich in Arbeitslage befindet.
Als bevorzugte Materialien kommen für die Kabinenschalen und die drei Systeme für den Crash-Fall Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Befestigungselemente etc. können vorteilhaft aus Metall gefertigt sein. Bevorzugt handelt es sich bei den Faserverbundwerkstoffen um mit Kohlefasern, Glasfasern oder Basaltfasern verstärkte Kunststoffe, bevorzugt Harze, besonders bevorzugt Epoxidharze oder phenolische Harzsysteme.
Die Konstruktion der Kabine und die Auslegung der Systeme erfolgen bevorzugt mit computergestützten Simulationsverfahren, die es gestatten, die Auslegung entsprechend den gültigen Vorschriften vorzunehmen. Die Simulationsverfahren und computergestützten Gestaltungswerkzeuge sind dem Fachmann bekannt. Die folgenden Figuren erläutern eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß gestalteten Kopfmoduls für ein Schienenfahrzeug.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kabine ohne die äußere Schale. Auch die Mittelpufferkupplung wurde aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Die innere Schale 701 ist zweiteilig ausgeführt. Die Teilung erfolgt in horizontaler Ebene oberhalb der Brüstungsverstärkung 71 1 . Der obere Teil der inneren Schale 701 weist die Öffnung 704 für die Frontscheibe und die Seitenscheiben 703 auf. Die Fensteröffnungen sind durch die A- Säule 705 voneinander getrennt. Oberhalb des oberen Teils der inneren Schale ist der Ringanker 720 dargestellt. Dieser wird über die Befestigungsvorrichtung 721 lösbar an den oberen Längsträgern des nachfolgenden Wagenteils (nicht dargestellt) befestigt. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Ringanker 720 unlösbar mit der äußeren Schale (hier nicht dargestellt) verbunden.
In den unteren Teil der inneren Schale sind die Brüstungsverstärkung 71 1 und die UD-Gurte 710 integriert, die die Kraft von der Brüstungsverstärkung 71 1 auf die Einleitpunkte 712 in die unteren Längsträger des nachfolgenden Wagenteils übertragen.
Unterhalb des unteren Teils der inneren Schale verläuft das untere Crash- Durchleitungselement 730. An der Frontseite der Kabine ist die Platte 734 dargestellt. Dieser nachgeordnet ist die Crash-Box 733. Im Crash-Falle erfolgt der Aufprall auf der Platte 734, die die Kraft an die Crash-Box 733 weitergibt und dort weitestgehend abbaut. Verbliebene Stoßenergie wird in das untere Crash-Durchleitungselement 730 weitergeleitet und dort am Befestigungspunkt 732 in die Untergestellstütze des nachfolgenden Wagenteils übergeben. Im horizontalen Teil des unteren Crash-Durchleitungselementes 730 sind die Öffnungen 731 zur Befestigung der Mittelpufferkupplung erkennbar.
Fig. 2 zeigt schematisch die Frontansicht der Kabine ohne die äußere Schale. Gegenüber der Seitenansicht aus Fig. 1 ist zusätzlich die Abdeckklappe der Mittelpufferkupplung mit dem Bezugszeichen 706 versehen, die sich in eine korrespondierende Öffnung der äußeren Schale einfügt.
Fig. 3 zeigt schematisch die Rückansicht der inneren Schale der Kabine. Es handelt sich um die Seite, mit der die Kabine am nachfolgenden Wagenteil montiert ist. Die Montage erfolgt bevorzugt an den beiden oberen Längsträgern des nachfolgenden Wagenteils mittels der Befestigungselemente 721 des oberen Ringankers, mittels der Befestigungselemente an den Einleitpunkten 712 der UD-Gurte von der Brüstungsverstärkung und mittels der Befestigungsvorrichtung 712 (nur eine dargestellt, eine zweite ist symmetrisch auf der rechten Seite angeordnet) des unteren Crash-Elements an der Untergestellstütze. Fig. 4 zeigt schematisch in einer dreidimensionalen Ansicht die äußere Schale 702. Insbesondere ist zu erkennen, wie sich der obere Ringanker 720 mit seinen Befestigungselementen 721 in die äußere Schale 702 einfügt. Auch die Öffnung für die Abdeckklappe 706 der Mittelpufferkupplung ist dargestellt.
Fig. 5 zeigt schematisch, wie die innere Schale 701 in die äußere Schale eingepasst ist und beispielhaft, wie die Inneneinbauten 707 angeordnet sein können.
Fig. 6 zeigt schematisch das Crash-Durchleitungselement 730 in einer seitlichen Ansicht. Das Crash-Durchleitungselement weist einen absteigenden Bereich 7301 auf, in dem es von der Crash-Box (nicht dargestellt) zum horizontalen Teil 7302 verläuft. Mit dem ansteigenden Teil 7303 verläuft das Crash-Durchleitungselement vom horizontalen Teil zum Anbindungspunkt an die Mittelpufferkupplung (nicht dargestellt).
Fig. 7 zeigt schematisch das Crash-Durchleitungselement 730 aus Fig. 6 in einer 3D-Ansicht.
Bezugszeichenliste
701 innere Schale
702 äußere Schale
703 Seitenfensteröffnung
704 Frontfensteröffnung
705 A-Säule
706 Abdeckklappe der Mittelpufferkupplung
707 Inneneinbauten
710 UD-Gurt der Brüstungsverstärkung
71 1 Brüstungsverstärkung
712 Einleitpunkt der Kräfte von der Brüstungsverstärkung in den unteren
Längsträger des nachfolgenden Wagens
720 Ringanker
721 Befestigungsvorrichtung des Ringankers an den oberen Längsträger des nachfolgenden Wagens
730 unteres Crash-Durchleitungselement
7301 Abschnitt des Crash-Durchleitungselement von der Crash-Box zum
horizontalen Teil
7302 horizontaler Teil
7303 Abschnitt des Crash-Durchleitungselement vom horizontalen Teil zum
Befestigungselement an der Untergestellstütze
731 Bohrungen zur Befestigung der Mittelpufferkupplung
732 Befestigungsvorrichtung des unteren Crash-Durchleitungselements an der Untergestellstütze
733 Crash-Box
734 Platte

Claims

Patentansprüche
1 . Kopfmodul für ein Schienenfahrzeug, das geeignet ist, ohne zusätzliches Untergestell an der Stirnfläche eines nachfolgenden Wagenteils lösbar befestigt zu werden, wobei die Stirnfläche des Wagenteils die folgenden Montageschnittstellen aufweist:
zwei Längsträger des Untergestells, die sich an den Unterkanten des Wagenteils in Längsrichtung erstrecken und deren Stirnflächen zur Montage des Kopfmoduls geeignet sind,
eine Untergestellstütze, die zwischen den beiden Längsträgern des Untergestells verläuft und in den Hauptquerträger mündet, der in dem Drehgestell des Wagenteils lagert, wobei die Stirnfläche der Untergestellstütze zur Montage des Kopfmoduls geeignet ist,
zwei Längsträger des Wagendaches, die sich an den Oberkanten des Wagenteils in Längsrichtung erstrecken und deren Stirnflächen zur Montage des Kopfmoduls geeignet sind, und das Kopfmodul aus einer inneren und einer äußeren Schale aufgebaut ist und die folgenden drei Systeme aufweist, die weitgehend unabhängig voneinander im Crash- Falle nacheinander oder zeitgleich die Stoßenergie in Verformung umwandeln: eine als Ringanker ausgeführte Versteifung im Dachbereich der Kabine, die Kräfte in die oberen Längsträger des nachfolgenden Wagenteils leitet,
eine Brüstungsverstärkung, die über seitlich der Kabine verlaufende UD-Gurte
Stoßkräfte in die unteren Längsträger des nachfolgenden Wagenteils leitet, ein unteres Crash-Durchleitungselement, das mit einer Crash-Box ausgestattet ist und darüber hinaus die verbliebene Stoßenergie in die Untergestellstütze leitet.
2. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schale einteilig und die innere Schale mehrteilig ausgeführt ist.
3. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schale, die äußere Schale, der Ringanker, die Brüstungsverstärkung und die UD-Gurte sowie das untere Crash-Durchleitungselement aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sind.
4. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ringanker an seinen Enden metallische Befestigungsvorrichtungen zur Fixierung an den oberen Längsträger des nachfolgenden Wagens aufweist.
5. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ringanker im oberen Teil der äußeren Schale, oberhalb der inneren Schale angeordnet ist
6. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die UD-Gurte in einen unteren Teil der inneren Schale integriert sind.
7. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Bewegungsrichtung des Kopfmoduls vor der Crash-Box des unteren Crash-Durchleitungselements eine Platte aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff angeordnet ist, die im Crash-Fall einen Teil der Stoßenergie aufnimmt.
8. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das untere Crash- Durchleitungselement von der Crash-Box absteigend in Richtung eines unterhalb des Kabinenbodens verlaufenden horizontalen Teil und hinter dem horizontalen Teil aufsteigend zu der Befestigungsvorrichtung des unteren Crash-Elements an der Untergestellstütze verläuft.
9. Kopfmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das untere Crash- Durchleitungselement einen nach unten geöffneten U-förmigen Querschnitt aufweist.
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