EP0831005B1

EP0831005B1 - Untergestellvorbau und Deformationselement an Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: EP0831005B1
Application number: EP97250196A
Authority: EP
Inventors: Marc Erdmann; Karsten Dipl.-Ing. Heidgen; Steffen Dipl.-Ing. Scharf
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: DE19638739A1; DE19654993A1; PL184369B1; SK283988B6; DE19638739C2; SK122197A3; ATE506240T1; EP0831005A3; EP0831005A2; PL321505A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Stirnseite in einem Untergestell eines Fahrzeuges, insbesondere Schienenfahrzeug sowie auf ein Deformationselement, das beispielsweise an dem Untergestellvorbau angebaut werden kann.
Es ist bekannt, dass Betreiber von Schienenfahrzeugen neben der Vervollkommnung der hohen aktiven Systemsicherheit in zunehmendem Maß eine Verbesserung der passiven Fahrzeugsicherheit fordern.
Eine Möglichkeit sicherheitsorientierter Strukturauslegung ist die Schaffung von Deformationszonen. Diese werden vorzugsweise außerhalb der eigentlichen Tragstruktur angeordnet, um eine kostengünstige Instandsetzung zu ermöglichen und Fahrzeug und Insassen vor den Auswirkungen unfallbedingter Stöße zu schützen. Einrichtung, die diesen Erfordernissen entsprechen, sind als Stauchrohre, die bei Überlastung gefaltet werden, als Aufweitungsrohre mit wandernden plastischen Gelenken sowie als Absorberpatronen mit Aluminiumwaben bekannt.
Aus der EP 0 264 605 ist eine Pufferstöß-Energieverzehreinrichtung mit einer primären, in eine Mittelpufferkupplung integrierten Energieverzehreinrichtung sowie einer sekundären, die aus überhöhten Auflaufstößen resultierende Aufstoßenergie absorbierenden Energieverzehreinrichtung bekannt. Ein horizontaler Kupplungsquerträger ist längsverschieblich im Fahrzeug-Kopfstück angeordnet. Am Querträger sind in Fahrzeug-Längsachse gelenkig die Mittelpufferkupplung und seitlich nahe seinen Querenden die sekundäre Energieverzehreinrichtung angebracht. Die äußeren Längsträger des Untergestellrahmens des Schienenfahrzeugs sind an ihren Längsenden mit zur Fahrzeuglängsmitte weisenden Konsolen ausgestattet, die auf ihrer zum Kopfende des Schienenfahrzeugs weisenden Seite die sekundäre Energieverzehreinrichtung und auf ihrer zur Fahrzeugquermitte weisenden Seite den Kupplungsquerträger tragen. Hierbei besteht die sekundäre Energieverzehreinrichtung aus über das Kopfende des Schienenfahrzeugs ragenden seitenpufferähnlichen Stoßelementen mit stirnseitigen Kletterschutzeinrichtungen sowie aus an den Konsolen abgestützten mechanischen, hydraulischen oder elastomeren Arbeitsgliedern, wobei die Stoßelemente in Führungen der Konsolen geführt mit dem Kupplungsquerträger kraftschlüssig verbunden sind.
Aus der AT-B-237 675 ist ferner eine Stoßvorrichtung bekannt, bei welcher den äußeren elastisch arbeitenden Puffern je eine auswechselbare Deformationseinrichtung nachgeschaltet ist, die rohrförmige, metallische Deformationsglieder aufweist, welche unter dem Druck abnormal starker Stöße plastisch verformbar sind. Die äußeren Puffer weisen je eine Pufferhülse auf, welche an einer mit den rohrförmigen Deformationsgliedern fest verbundenen, in einer Aussparung des Fahrzeugkopfträgers geführten Stützplatte befestigt und abgestützt ist. Die Puffer besitzen eine Geradführung mittels einer in den Kopfträger hineinragenden Verlängerung.
In der EP 0621416 A1 wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die beim doppelstöckigen TGV der SNCF verwirklicht ist und auf einer konsequenten Einteilung des Fahrzeugkastens in kontrolliert deformierbare Bereiche und demgegenüber widerstandsfähige Sicherheitsbereiche beruht. Die kontrollierte Deformation wird durch ein in verschiedenen Varianten ausgebildetes Hohlprofil erreicht.
Das Energieabsorptionsvermögen des Profils lässt sich mit dem von Stahlkästen vergleichen, wobei Energieabsorption und Deformationsstabilität durch einen gegenüber einem bloßen Hohlkasten besonderen Querschnitt verbessert werden.
Zur Bewertung derartiger energieabsorbierender Bauteile werden verschiedene Effektivitätskenngrößen nach folgendem Schema verwendet:
Darin bedeuten:

F: Stauchkraft
F: peak Spitzenwert der Stauchkraft
F avg: Mittelwert der Stauchkraft
A.E.: Cruch Force Efficiency = Ausnutzungsgrad
E = FdS: Verformungsarbeit
Emax theor: theoretische (ideale) Verformungsarbeit
S: Stauchweg
S max: maximaler Stauchweg
S.E.: Stroke Efficiency = Stauchungsgrad
ls: Schlauchlänge
lo: Ausgangslänge

Gewünscht sind folgende Eigenschaften:
- hoher Ausnutzungsgrad A.E.
- hoher Stauchungsgrad S.E.
- Widerstandsvermögen gegen vertikale Belastungen (Tragvermögen, Deformationsstabilität und Aufkletterschutz);
- geringer Raumbedarf (Einbauraum);
- geringe Masse;
- minimale Kosten /Fertigungsaufwand/ Unterhaltungsawand.

Insbesondere Wabenstrukturen zeichnen sich durch nahezu ideale Ausnutzungsparameter (A.E.,S.E.) sowie geringe Masse aus, können aber selbst keine tragenden Funktionen wahrnehmen. Aluminiumwaben werden deshalb in Verbindung mit einer teleskopartigen Führung als Absorberpatronen angeboten. Profile, wie beispielsweise Hohlkästen, können konventionelle Lasten aufnehmen, weisen aber im allgemeinen schlechtere Ausnutzungsgrade bzw. ein ungünstiges Verhältnis zwischen Arbeitshub und Baulänge (Stauchungsgrad) auf. Das Masse-Leistungs-Verhältnis ist oft unbefriedigend.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Untergestellvorbau mit einer Deformationszone sowie ein für derartige Deformationszonen leicht austauschbares Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei durch die Kombination günstiger Eigenschaften die Nachteile bekannter Lösungen überwunden werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Vorteile der Erfindung gegenüber den bekannten Einrichtungen sind günstige Ausnutzungs- und Stauchungsgrade sowie ein günstiges Masse-Leistungs-Verhältnis. Die Einrichtung kann einfach aus DIN-Halbzeugen mit geringen Kosten hergestellt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 bis Fig.3: verschiedene Mantelformvarianten,
Fig. 4 bis Fig.6: verschiedene Querschnittsvarianten,
Fig. 7: die Draufsicht auf das Kopfende eines Untergestells,
Fig. 8: eine Seitenansicht des Deformationselements mit Trigger und Stegen,
Fig. 9: einen Schnitt durch das Deformationselement mit Kern und Zwischenlagen,
Fig.10: einen Schnitt durch das Deformationselement mit Montageplatte.

Gemäss Fig. 1 bis 3 können Kerne 3 mit unterschiedlichen bekannten Mantelformen umhüllt sein. Die Querschnitte der Kerne 3 können ebenfalls unterschiedlich in bekannter Weise ausgebildet sein (Fig. 4 bis 6). Der Mantel 2 kann aus unterschiedlichen Teilen bestehen, die in bekannter Weise verbunden sind. Bei der Anordnung nach Fig. 7 soll nach der Erschöpfung des Hubes einer Kupplung 10, dem Versagen von Abrisselementen 11 und dem Zurückweichen der Kupplung 10 in einen Kupplungsschacht 12 die Lasteinleitung über zwei seitlich an einem Untergestell 4 in Pufferposition angeordnete Deformationselemente 1 erfolgen. Das Untergestell 4 ist gegenüber der Kuppelebene um den Hub der Kupplung 10 und die Länge der Deformationselemente 1 zurückgesetzt. An der Front dieser Deformationselemente 1 befinden sich die Profilplatten 13, um während der Kollision vertikale Verschiebungen der Fahrzeuge gegeneinander zu vermeiden.
Die gesamte Einrichtung befindet sich hinter einer Verkleidung 14, die lediglich eine Öffnung 15 für die Kupplung 10 besitzt. Die Deformationselemente 1 gemäss Fig. 8 bis 10 bestehen entsprechend aus U-förmig abgekanteten Blechen, die mit Hilfe eines dazwischengesetzten Blechstreifens 7 zu einem Mantel 2 in Form eines Hohlkastens verschweißt sind. Der Blechstreifen 7 verbessert gleichzeitig die Verformungsarbeit E, den Ausnutzungsgrad A.E. und das vertikale Lastaufnahmevermögen. Die Vorderseite ist mit einer aufgeschweißten Platte 16 verschlossen, die Bohrungen 17 zum Befestigen der Profilplatte 13 besitzt. Am hinteren Ende ist der Mantel 2 mit einer Montageplatte 18 zur Befestigung an dem Untergestell 4 versehen.
Zur Verbesserung des Ausnutzungsgrades A. E. wird der Mantel 2 am angestoßenen Ende mit zwei gegenüberliegenden geometrischen Triggern 6 versehen. Dafür wird ein trapezförmiger Teil der Blechfläche durch ein von außen aufgeschweißtes Blech etwa der halben Blechdicke des Mantels 2 ersetzt. Die Trapezform ermöglicht durch die nach hinten wieder zunehmende Querschnittsfläche des Mantels 2 eine gegenüber dem rechteckförmigen oder quadratischen Trigger gleichmäßigere Stauchkurve. Quer zur Lastrichtung aufgeschweißte Stege 8 unterstützen eine gleichmäßige Faltung. Bei Aufstoßen verformt sich der Mantel 2 über seinen gesamten Querschnitt in einem für Hohlkästen dieser Dimension typischen Rautenbeulmodus. Zur Verbesserung der Ausnutzungsgrades A.E. befindet sich im Inneren des Mantels 2 ein Kern 3 aus Polycarbonat-Tubuswabenblöcken. Dieser zeichnet sich gegenüber gebräuchlichen Aluminium-Hexwabenstrukturen durch einen wesentlich günstigeren Beschaffungspreis, hohe Altersbeständigkeit und Korrosionsfreiheit aus. Die EA-Parameter sind vergleichbar. Die Höhe der einzelnen Blöcke entspricht etwa der Wellenlänge der Faltung. Zwischenlagen 9 als Druckplatten aus Hartgewebe verhindern unerwünschte Versagensmodi im Stossbereich der Blöcke.
Der Ausnutzungsgrad (A.E.) des Deformationselementes 1 liegt bei ca. 80 %, der maximale Stauchungsgrad bei ca. 70 %.
Es ist denkbar und im Sinne der Erfindung das Deformationselement auch in anderen Bereichen als dem des beschriebenen Untergestellvorbau zu verwenden.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Deformationselement
2 Mantel
3 Kern
4 Untergestell
6 Trigger
7 Blechstreifen
8 Steg
9 Zwischenlage
10 Kupplung
11 Abrisselement
12 Kupplungsschacht
13 Profilplatte
14 Verkleidung
15 Öffnung
16 Platte
17 Bohrung
18 Montageplatte

Claims

Untergestellanordnung für Schienenfahrzeuge zur Aufnahme der kinetischen Energie bei Zusammenstößen, wobei zwei vorrangig arbeitsaufnehmende Deformationselemente (1) seitlich an einem vorrangig tragfähigen Untergestell (4) angeordnet und mit dem Untergestell (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Deformationselemente aus einem in sich geschlossenen mit einem in definierter Stoßrichtung wirkenden energieabsorbierenden Material als Kern (3) gefüllten tragfähigen verformbaren Mantel (2) bestehen.
Untergestellanordnung nach Anspruch 1, wobei der Mantel aus Metall besteht.
Untergestellanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorderseite des Mantels mit einer Platte (16) verschlossen ist.
Untergestellanordnung nach Anspruch 3, wobei der Kern (3) aus miteinander verbundenen Längsröhren gebildet wird.
Untergestellanordnung nach Anspruch 2, wobei der metallische Mantel (2) in der Form eines Hohlkastens aus U-förmig abgekanteten Blechen besteht, die mit einem Blechstreifen (7) zusammengefügt sind.
Untergestellanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Mantel (2) im vorderen Bereich Trigger (6) aufweist.
Untergestellanordnung nach Anspruch 6, wobei der Mantel (2) mit Stegen (8) versehen ist.
Untergestellanordnung nach Anspruch 7, wobei die Stege (8) quer zur Lastrichtung aufgeschweißt sind.
Untergestellanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Kern (3) aus mindestens einem Block besteht
Untergestellanordnung nach Anspruch 9, wobei der Kern (3) aus mehreren Blöcken besteht, die durch Zwischenlagen (9) als wirkende Druckplatten getrennt werden.
Untergestellanordnung nach Anspruch 8, wobei die Höhe der einzelnen Blöcke etwa der Wellenlänge der Faltung entspricht und im Stoßbereich der Blöcke die Zwischenlagen (9) aus Hartgewebe bestehen.
Untergestellanordnung nach einem der Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (10) durch Abrisselemente (11) an dem Untergestell (4) befestigt ist.
Untergestellanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationselemente (1) so angeordnet sind, dass bei Erschöpfung des Hubes der Kupplung (10), Versagen der Abrisselemente (11) und Zurückweichen der Kupplung (10) in einen Kupplungsschacht (12) die Lasteinleitung über die Deformationselemente (1) erfolgt.
Untergestellanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkleidung (14) dem Untergestell (4) vorgebaut ist, wobei die Verkleidung (14) nur eine Öffnung (15) für die Kupplung (10) aufweist, und an der Verkleidung (14) im Bereich der Platten (16) außen Profilplatten (13) angeordnet sind.
Verfahren zur Aufnahme der Kinetischen Energie bei Zusammenstößen an einer Untergestellanordnung für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erschöpfung des Hubes einer Kupplung (10), dem Versagen von Abrisselemente (11) und dem Zurückweichen der Kupplung (10) in einen Kupplungsschacht (12) die Lasteinleitung über zwei aus einem in sich geschlossenen mit einem in definierter Stoßrichtung wirkenden energieabsorbierenden Material als Kern (3) gefüllten tragfähigen verformbaren Mantel (2) bestehende Deformationselemente (1) erfolgt.