AT511291A1

AT511291A1 - Schienenfahrzeug mit angesetzter verformungszone

Info

Publication number: AT511291A1
Application number: ATA476/2011A
Authority: AT
Inventors: Richard Graf; Philipp Dr Heinzl; Markus Dr Seitzberger
Original assignee: Siemens Ag Oesterreich
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-10-15
Also published as: CA2831986C; RU2013149003A; CN103459230B; EP2694347A1; RU2587213C2; EP2694347B1; WO2012136500A1; US20140020596A1; DK2694347T3; CA2831986A1; CN103459230A; US9421985B2

Abstract

Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone, umfassend wenigstens einen in einem stirnseitigen Bereich vorgesehenen Endquerträger (EQT) und im Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem Endquerträger (EQT) ausgehende Endsäulen (ES), wobei eine Verformungszone (VZ) stirnseitig vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger (EQT) in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten Frontquerträger (FQT) und mindestens ein Kraftübertragungselement (KUE) umfasst, wobei zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) das mindestens eine Kraftübertragungselement (KUE) angeordnetist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei Überschreiten dieses bestimmten Werts versagt.

Description

* · · I · · · 201023301

Beschreibung

Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einer angesetzten Verformungszone.

Stand der Technik

Zulassungnormen für Schienenfahrzeuge fordern unter anderem den Nachweis bestimmter Festigkeitswerte des Wagenkastens. Diese Normen fordern beispielsweise den Nachweis, dass das Schienenfahrzeug einer bestimmten Längskraft (Kupplungsdruck, Pufferdruck, Druck auf Endquerträger) beschädigungsfrei widerstehen kann. Die für Europa gültige Norm UIC-566 fordert beispielsweise einen nachzuweisenden Kupplungsdruck von 20Q0kN, die für die USA gültige Norm fordert 3558kN (800kip). Gleichzeitig wird sehr oft gefordert, zur Steigerung der passiven Sicherheit der Passagiere, ein optimiertes Verformungsverhalten bei einem Zusammenstoß zu gewährleisten.

Dazu sind konstruktive Maßnahmen vorzusehen, welche es erlauben, die Aufprallenergie so aufzunehmen, dass definiert verformbare Knautschzonen diese Energie in Verformungsenergie wandeln und dabei die Belastungen für die Personen im Fahrzeug reduzieren.

Ebenso dürfen die Überlebensräume im Fahrzeug nicht zu stark verformt werden, um die Verletzungswahrscheinlichkeit für die 1 » · » · « * · * 201023301

Personen im Fahrzeug, insbesondere auch für das am Zuganfang befindliche Fahrpersonal, zu reduzieren. Dies ist insbesondere für Zugverbände mit Schublokomotiven bzw. Triebzüge von Bedeutung.

Gemäß dem Stand der Technik können Schienenfahrzeuge leicht auf bestimmte Kupplungs- bzw. Endquerträgerdrücke dimensioniert werden. Ebenso gelingt es, geeignete Crashmodule zur Aufnahme der Verformungsenergie vorzusehen. Eine Kombination der Forderungen nach einem hohen statischen Kupplungs- bzw. Endquerträgerdruck und nach einem Crashverhalten, welches die maximale Verzögerung des Fahrzeuges und damit auch die Belastungen der Fahrgäste im Crashfall reduzieren kann, ist für strukturell integrierte Verformungszonen noch nicht zufriedenstellend gelöst.

Eine weitere Komplikation bei der Lösung dieser widersprüchlichen Forderung besteht in der Forderung nach senkrechten Wagenenden auch am Zuganfang und am Zugende, was besonders in den USA bevorzugt gewünscht wird. Dabei ist das Fahrpersonal besonderen Gefahren ausgesetzt, da nur sehr eingeschränkt Bauraum für Crasheleraente zur Verfügung steht. Eine Lösung gemäß dem Stand der Technik sieht vor, den Fahrerstand in Form einer steifen Zelle auszuführen, welche bei einem Zusammenstoß in das Fahrzeuginnere verschoben wird. Eine Reduzierung der Beschleunigung, die auf die im Fahrerstand befindlichen Personen wirkt, kann dadurch aber nicht erzielt werden. Eine weitere Schwierigkeit für eine verformungsoptimierte Konstruktion liegt in dem in den USA häufigen Mischbetrieb aus Personen- und Güterverkehr auch auf Nahverkehrstrecken, sodass als Kollisionsgegner eine Vielzahl an Fahrzeugen in Betracht kommt. Erschwerend ist dabei, das Güterwaggons und besonders die in den USA gebräuchlichen Lokomotiven praktisch keine energiedissipierenden Eigenschaften aufweisen. Diese Lokomotiven müssen durch ihren 2 201023301 massiven Aufbau als praktisch starr angesehen werden und stellen außerdem in aller Regel auf Grund ihrer größeren Bauhöhe geometrisch völlig inkompatible Kollisionsgegner für Waggons dar.

Einerseits dürfen die statischen Auslegungs- und Prüflasten zu keiner plastischen Verformung der Bauteile, insbesondere der Crashelemente führen, was zwangsläufig^zu sehr steifen

I

Untergestellkonstruktionen führt. Andererseits sollen im Crashfall speziell zum Energieabbau vorgesehene Crashelemente zusammen mit der an sich steifen Untergestellkonstruktion auch bei Zusammenstößen mit geometrisch inkompatiblen Unfallgegnern gezielt plastisch deformieren. Als geometrisch inkompatibel werden Kollisionsgegner angesehen, bei welchen ein Auftreffen an nicht für den Kollisionsfall vorgesehenen Stellen auftritt. Beispielsweise bei einem auf das Untergestell bezogen vertikal nach oben versetzten Aufprall, wie er bei einer Kollision eines Passagierwagens mit einer Lokomotive oder einem Güterwagen auftreten kann. Dies ist mit den Lösungen gemäß dem Stand der Technik nur sehr unzureichend möglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone anzugeben, welches einerseits sehr hohen axialen Druckkräften widerstehen kann, andererseits ein gutes Verformungsverhalten bei Unfällen insbesondere auch mit geometrisch inkompatiblen Gegnern aufweist und besonders für die Ausbildung senkrechter Wagenenden vorgesehen ist. 3 201023301

Die Aufgabe wird durch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone beschrieben, welches wenigstens einen in einem stirnseitigen Bereich vorgesehenen Endquerträger und im Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem Endquerträger ausgehende Endsäulen umfasst, und wobei eine Verformungszone stirnseitig vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten Frontquerträger und mindestens ein Kraftübertragungselement umfasst und wobei zwischen dem Endquerträger und dem Frontquerträger das mindestens eine Kraftübertragungselement angeordnet ist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem Endquerträger und dem Frontquerträger bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei Überschreiten dieses bestimmten Werts kollabiert oder versagt.

Eine vorteilhafte Fortbildung des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs umfasst Schrägsäulen, welche zwischen dem Frontquerträger und einer Endsäule angeordnet sind und welche die auf den Frontquerträger wirkenden Vertikalkräfte übertragen und in die Fahrzeugstruktur einleiten.

Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht vor, mindestens ein Verformungselement in der Verformungszone so anzuordnen, dass es an der Übertragung von Betriebslasten nicht teilnimmt, aber bei einem Zusammenstoß nach dem Kollabieren oder Versagen des Kraftübertragungselements in Wirkung tritt 4 k » t * » * « * » · « * ·«·*··· 201023301 • » · * · « · · · * * ****** | * « ·» 4* · t * « und die kinetische Energie des Zusamenstoßes wenigstens teilweise dissipiert.

Dadurch ist der Vorteil erzielbar, ein Schienenfahrzeug realisieren zu können, welches bestimmten Längskräften (Kupplungsdruck, Pufferdruck, Endquerträgerdruck) sicher zu widerstehen vermag, andererseits ein energiedissipierendes Verformungsverhalten aufweist, welches die auf die Passagiere wirkenden Kräfte bei einem Zusammenstoß vermindert.

Das Kraftübertragungselement und gegebenenfalls die Schrägsäulen der erfindungsgemäßen Verformungszone sind so auszulegen, dass sie eine hinreichende Festigkeit aufweisen, um alle Betriebs- und Prüfkräfte sicher zwischen dem Frontquerträger und dem Endquerträger bzw. der Endsäulen übertragen zu können. Die wesentliche Eigenschaft des Kraftübertragungselements ist, dass es so dimensioniert ist, dass, sobald die Versagenslast überschritten ist, dieses Kraftübertragungselement so kollabiert oder versagt, dass es der weiteren Verformung keinen wesentlichen Widerstand mehr entgegensteilt.

Dieses Verhalten kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass festigkeitsgebende Bauteile im Versagensfall ausknicken, da für eine Knickverformung eine wesentlich niedrigere Kraft erforderlich ist als für eine Druck- oder Zugverformung. Ebenso lässt sich ein gleichwertiges Verhalten auch dadurch erreichen, dass festigkeitsgebende Bauteile mit einer Verbindungsart verbunden sind, welche bei einer definierten Überlast versagt, z.B. eine überlappende Verbindung mit Nieten, die bei einer bestimmten Auslegungslast abscheren. Dadurch nimmt das Kraftübertragungselement nach seinem Versagen an der darauffolgenden Energiedissipation nur mehr 5 • * 201023301 gering oder gar nicht teil. Diese Energiedissipation kann daher in den dafür vorgesehenen Verformungselementen erfolgen.

Es empfiehlt sich, das Kraftübertragungselement durch eine im Wesentlichen X-förmige Anordnung von Platten zu gestalten, wobei die Krafteinbringung über jeweils gegenüberliegende Seiten dieser X-förmigen Plattenanordnung erfolgt. Es ist wesentlich, dass die Schnittlinie der Platten quer zur Kraftrichtung angeordnet ist, da solcherart ein sicheres Ausknicken der Platten erfolgt. Die Anordnung der Schnittlinie in Kraftrichtung würde hingegen zu einem Bauteil führen, dessen Kraft - Weg Diagramm bei plastischer Verformung über den gesamten Verformungsweg ein sehr hohes Kraftniveau aufweist und für gegenständliche Erfindung nicht als Kraftübertragungselement eingesetzt werden kann.

Tritt der Fall ein, dass ein geometrisch inkompatibler Unfallgegner zuerst auf die Schrägsäulen und das Verformungselement trifft, reagiert die X-förmige Anordnung von Platten ausreichend empfindlich und kollabiert durch die stark außermittige Belastung, die durch die anzunehmende darauf folgende plastische Verformung der Schrägsäulen auch eher verformungsgetriebenen Charakter hat, sodass auch in einem solchen Fall das Kraftübertragungselement nur noch äußerst gering an der Energiedissipation teilnimmt.

Eine Ausführungsform des Kraftübertragungselements sieht vor, die einzelnen Platten, welche das im Wesentlichen X-förmige Kraftübertragungselement bilden, mit jeweils unterschiedlicher Dicke auszuführen. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, die Versagenslast und die Richtung des Ausknickens 6 201023301 » «»cs I ΐ I · der Platten genau einstellen zu können. Eine solche Anordnung kann mit computerunterstützer Simulation in Bezug auf ihre Festigkeit (Versagenslast) sowie ihres plastisches Verformungsverhalten gut ausgelegt werden.

Weiters ist es empfehlenswert, eine Platte dieser X-förmigen Anordnung einstückig und mit einer größeren Dicke auszuführen als die beiden anderen Platten. Dadurch kann die Versagenslast genauer eingestellt werden.

Weiters ist es vorteilhaft, diese X-förmige Anordnung von Platten aus mehreren, insbesondere aus drei Platten zusammenzusetzen. Solcherart können die Versagenslast und das Knickverhalten besonders genau eingestellt werden.

Es ist empfehlenswert, die Platten an der Schnittlinie der Platten zu verbinden, wobei eine Schweißverbindung besonders vorteilhaft ist.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante ist es auch möglich, das Kraftübertragungselement als kombiniertes Kraftübertragungs- und Energieabsorptionselement auszuführen, welches nach Überschreiten einer definierten Versagenslast durch Deformation Energie dissipiert.

Dies kann auf mehrere Arten erfolgen, die dem Stand der Technik im Schienenfahrzeugbau entsprechen. Als konkrete mögliche Ausführungsformen seien hier röhrenförmige Crashelemente erwähnt, die bei Überschreiten einer Spitzenkraft progressiv beulen, formschlüssig gehaltene festigkeitsgebende Bauteile, die bei Überschreiten einer Auslösekraft durch den Formschluss spanend bearbeitet werden sowie röhrenförmige Crashelemente, die nach Überschreiten 7 201023301

einer Auslösekraft aufgeweitet, verengt oder abgeschält werden.

Mit der hier dargestellten Erfindung gelingt es, ein Schienenfahrzeug mit einer Verforntungszone anzugeben, deren Festigkeitsauslegung für statische Lasten und die Crashtauglichkeitsauslegung für Unfalllasten (mit großen plastischen Verformungen) praktisch und im Wesentlichen getrennt durchführbar ist und die auch für Kollisionen mit geometrisch inkompatiblen Unfallgegnern und insbesondere auch für Fahrzeuge mit vertikalen Wagenenden mit Türöffnung geeignet ist. Eine erfindungsgemäße Verformungszone kann aber prinzipiell an allen gebräuchlichen Schienenfahrzeugtypen vorgesehen werden. Als geometrisch inkompatible Unfallgegner werden insbesondere Lokomotiven und Güterwaggons angesehen.

Als Verformungselement können alle gebräuchlichen Verformungselemente eingesetzt werden, insbesondere auch solche aus röhrenförmigen Profilen. Ebenso sind Verformungselemente aus einer Aluminiumwabenkonstruktion oder aus einem Metallschaum einsetzbar.

Gegenständliche Erfindung ist besonders gut für Schienenfahrzeuge geeignet, welche in den USA zugelassen werden sollen, da die relevanten Normen das Einbringen der Prüflängskräfte über die Endquerträger vorsehen und somit keine an das Wagenende aufgesetzten Verformungselemente vorgesehen werden können, da diese den Prüfkräften nicht widerstehen können. 8 201023301

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen beispielhaft:

Fig.l Ein Schienenfahrzeug mit senkrechtem Wagenende gemäß dem Stand der Technik - Seitenansicht.

Fig.2 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzer Verformungszone -Seitenansicht.

Fig.3 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone - *

Aufsicht.

Fig.4 Ein Kraftübertragungselement in Seitenansicht.

Fig.5 Ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone und innerem Verformungselement - Seitenansicht.

Fig.6 Ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Verformungselements.

Fig.7 Ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Kraftübertragungselements.

Fig.8 Zusammenstoß Computersimulation - Seitenansicht 1.

Fig.9 Zusammenstoß Computersimulation - Seitenansicht 2. Fig.10 Zusammenstoß Computersimulation - Seitenansicht 3 Fig.ll Zusammenstoß Computersimulation - Seitenansicht 4. Fig.12 Zusammenstoß Computersimulation - Seitenansicht 5. Fig.13 Zusammenstoß Computersimulation - Schrägansicht 1. Fig.14 Zusammenstoß Computersimulation - Schrägansicht 2. Fig.15 Zusammenstoß Computersimulation - Schrägansicht 3. Fig.16 Zusammenstoß Computersimulation - Schrägansicht 4. Fig.17 Zusammenstoß Computersimulation - Schrägansicht 5.

Ausführung der Erfindung

Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit senkrechten Wagenenden gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht. Es ist ein Fahrzeugende eines 9 201023301 * · · · ♦ · #

Schienenfahrzeugs dargestellt, welches an seinem Ende einen Endquerträger EQT aufweist.

An diesen Endquerträger EQT greifen die Längskräfte an, dazu ist dieser Endquerträger EQT entsprechend dimensioniert und gegebenenfalls mit Befestigungsmitteln zur Aufnahme von Puffern, Kupplungen, etc ausgestattet.

Senkrecht zu diesem Endquerträger EQT sind Endsäulen ES vorgesehen, welche sich vom Endquerträger EQT bis zum Dach des Schienenfahrzeugs erstrecken.

Die Verkleidung V dient im Wesentlichen üblichen Schutz- und Designzwecken und weist keine bei einem Zusammenstoß relevante Festigkeit auf. Ein Schienenfahrzeug gemäß Fig.l weist keine wesentlichen energedissipierenden Eigenschaften auf, bei einem Zusammstoß wirken hohe Kräfte auf die Passagiere.

Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone in einer Seitenansicht.

Es ist das Prinzip einer erfindungsgemäßen Verformungszone dargestellt, wobei das Schienenfahrzeug wie in dem in Fig.l gezeigten Beispiel zum Stand der Technik aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäße Verformungszone VZ ist stirnseitig auf das Schienenfahrzeug aufgesetzt und umfasst ein Kraftübertragungselement KUE, welches zwischen einem Endquerträger EQT und einem Frontquerträger FQT angeordnet ist, wobei der Frontquerträger FQT parallel zu dem Endquerträger EQT in Richtung des Wagenendes beabstandet angeordnet ist. Weiters sind Schrägsäulen SS vorgesehen, welche den Frontquerträger mit einer Ecksäule ES verbinden. Diese Bauteile der Verfomungszone VZ {Frontquerträger FQT, Kraftübertragungselement KUE und Schrägsäule SS) sind so gestaltet bzw. dimensioniert, dass diese alle Betriebs- und Prüfkräfte sicher zwischen dem Endquerträger 10 • · 201023301 EQT bzw. den Endsäulen ES bzw. Kollisionssäulen KS und dem Frontquerträger FQT übertragen.

Eine Schrägsäule SS kann auch vertikale Abschnitte umfassen. Das Kraftübertragungselement KUE weist bei Belastung ein Kraft-Weg Diagramm wie in Fig.7 dargestellt auf.

Weiters umfasst die Verformungszone VZ Verformungselemente VE, welche stirnseitig an den Endsäulen ES angeordnet sind und welche bei Belastung ein Kraft-Weg Diagramm wie a exemplarisch in Fig.6 dargestellt aufweisen, sich also zur Energiedissipation im plastischen Verformungsfall eignen. Diese Verformungselemente VE sind so angeordnet, dass sie an der Übertragung statischer Lasten nicht teilnehmen und erst nach dem Kollabieren oder Versagen des

Kraftübertragungselements KUE in Wirkung geraten. Weiters geraten die Verformungselemente VE bei einem Zusammenstoß mit einem geometrisch inkompatiblen Kollisionsgegner in Wirkung.

Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone in einer Aufsicht mit einem Kraftübertragungselement. Es ist das Schienenfahrzeug aus Fig.2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier senkrecht angeordnete, mit dem Endquerträger EQT verbundene Säulen vorgesehen. Zwei dieser vier Säulen, die Ecksäulen ES sind an der Wagenaußenseite des Endquerträgers EQT angeordnet, zwei weitere Säulen, die Kollisionssäulen KS sind von den Ecksäulen ES in Richtung der Wagenmitte beabstandet angeordnet. Die Schrägsäulen SS erstrecken sich zwischen dem Frontquerträger FQT und jeweils einer Kollisionssäule KS.

Eine solche Bauweise entspricht dem in den USA häufig gewünschten Fahrzeugtyp, ein mittiger Durchgang zwischen den beiden Schrägsäulen SS ist einfach zu realiseren.

Ebenso eignet sich der Raum hinter dem Enquerträger EQT, insbesondere zwischen einer Endsäule ES und einer 11 201023301

Kollisionssäule KS gut für die Anordnung eines kollisionsgeschützten Fahrerstandes. Je nach gewünschter Fahrzeugform kann die Verkleidung V schräge, gerundete oder vertikale Fahrzeugenden formen.

Fig.4 zeigt beispielhaft und schematisch ein Kraftübertragungselement in Seitenansicht.

Es ist ein Kraftübertragungselement KUE dargestellt, welches einen Endquerträger EQT mit einem Frontquerträger FQT verbindet. Dieses Kraftübertragungselement KUE weist einen Kraft - Weg Zusammenhang auf, wie er in Fig.7 dargestellt ist. Zur Erzielung eines solchen Kraft - Weg Zusammenhangs ist es besonders vorteilhaft, das Kraftübertragungselement KUE aus x-förmig angeordneten Platten aufzubauen und die Schnittlinie der x-förmig angeordneten Platten des Kraftübertragungselements KUE quer zur Fahrzeuglängsrichtung anzuordnen. Durch diese Anordnung ist die Berechnung der Versagenslast gut möglich und diese Anordnung stellt nach dem Kollabieren bei Überschreitung der Versagenslast der weiteren Verformung nur einen sehr geringen Widerstand entgegen.

Fig.5 zeigt beispielhaft und schematisch ein Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone und innerem Verformungselement in einer Seitenansicht.

Es ist eine Fortbildung eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit angesetzter Verformungszone VZ, wie im Fig.2 und 3 gezeigt, dargestellt. Ein inneres Verformungselement IVE ist wagenmittig eines Endquerträgers angeordnet und unterstützt das vorteilhafte Verformungsverhalten eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs. Dieses innere Verformungselement IVE ist 12 201023301

so dimensioniert, dass es erst nach dem Versagen des

Kraftübertragungselements KUE und nach dem Aufzehren des

Verformungselements VE in Wirkung tritt. Ebenso verbessert das innere Verformungselement IVE das Verformungsverhalten des Schienenfahrzeugs bei Kollisionen mit geometrisch inkompatiblen Kollosionsgegnern, insbesondere bei der

Kollision mit flachen Güterwagen, bei welchen die

Verformungselemente VE in Extremfällen nur verspätet oder gar * nicht verformt werden.

Fig.6 zeigt beispielhaft und schematisch ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Verformungselements. Es ist ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines typischen Verformungselements VE bei plastischer Verformung dargestellt. Die waagrechte Achse stellt den Verformungsweg x dar, die senkrechte Achse stellt die auf das Verformungselement VE wirkende Kraft F dar. Der Verlauf der Kraft F zeigt einen stark ansteigenden Abschnitt und einen bei weiterer Verformung anschließenden waagrechten Abschnitt auf. Der Bereich dieses waagrechten Abschnitts, bei welchem eine weitere Verformung x bei konstanter Kraft F auftritt, stellt den für die Energiedissipation wesentlichen Bereich dar. Ist der konstruktiv vorgegebene maximale Verformungsweg aufgebraucht, das Verformungselement VE also komplett gestaucht, tritt ein sehr steiler Kraftanstieg auf und das Verformungselement VE weist keine wesentliche energiedissipierende Wirkung mehr auf.

Fig.7 zeigt beispielhaft und schematisch ein idealisiertes Kraft - Weg Diagramm eines Kraftübertragungselements. Es ist ein Kraft - Weg Diagramm eines typischen

Kraftübertragungselements KUE bei plastischer Verformung bzw. 13 201023301 * · -t « *

Instabilität dargestellt. Die waagrechte Achse stellt den

Verformungsweg x dar, die senkrechte Achse stellt die auf das

Kraftübertragungselement KUE wirkende Kraft F dar. Im

Gegensatz zu dem in Fig.6 gezeigten Kraft - Weg Diagramm eines Verformungselements VE zeigt der Kraft-Weg Verlauf eines Kraftübertragungselements KUE nach einem steilen

Kraftanstieg bei beginnender Verformung bis zu einem maximalen Wert der Kraft F keinen anschließenden waagrechten »

Kraftverlauf. Die wesentliche Eigenschaft eines Kraftübertragungselements KUE, einerseits eine bestimmte maximale Kraft sicher übertragen zu können, aber bei einem Überschreiten dieser maximalen Kraft (ggf. um einen bestimmten Sicherheitsfaktor erhöht) zu versagen und der weiteren Verformung keinen wesentlichen Widerstand mehr entgegenzusetzen, ist in Fig.7 dargestellt. Nach dem überschreiten einer bestimmten maximalen Kraft F erfolgt die weitere Verformung bei einem wesentlich niedrigeren, im Verhältnis zur maximalen Kraft F praktisch vernachlässigbaren Kraftniveau. Erst wenn der konstruktiv vorgegebene maximale Verformungsweg aufgebraucht ist, das Kraftübertragungselement KUE also komplett gestaucht ist, tritt ein sehr steiler Kraftanstieg auf.

Fig.8 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Seitenansicht, Stufe 1 - unverformt.

Es ist eine Simulation der Kollision eines Schienenfahrzeugs mit angesetzter Verformungszone wie in Fig.5 gezeigt mit einer Lokomotive L dargestellt. Die Lokomotive L stellt einen massiven, im Wesentlichen unverformbaren und geometrisch inkompatiblen Kollisionsgegner dar. Die Schrägsäulen SS weisen senkrechte Abschnitte auf. Die Lokomotive L trifft auf einem Punkt oberhalb des Frontquerträgers FQT auf, sodass die plastische Verformung an dieser Stelle beginnt. Dieses 14 201023301 * · • * * * • · ·

Ausführungsbeispiel zeigt ein anderes Kraftübertragungslement KUE als in Fig.4 dargestellt.

Fig.9 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Seitenansicht, Stufe 2 - erste Verformungen. Zur Verdeutlichung der Abläufe des Verfomungsvorgangs sind in den Fig.9 bis 12 alle Bezugszeichen entfallen. Die Verkleidung V stellt einer Verformung keinen r^nnenswerten Widerstand entgegen und ist bereits bei diesem geringen Verformungsweg zerstört. Die Schrägsäulen SS sind durch die Krafteinleitung an der Berührungsstelle mit der Lokomotive L teilweise gerade gerichtet, die Verformungselemente VE zeigen erste Verformungen und dissipieren die Verformungsenergie. Die Kraftübertragungselemente KUE sind noch formstabil.

Fig.10 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Seitenansicht, Stufe 3 - starke Verfomungen. Durch die fortschreitende Verformung sind die Schrägsäulen SS gerade gerichtet und die dahinterliegenden Verformungselemente VE fast komprimiert. Bei dieser Verformungsstufe sind die Kraftübertragungselemente KUE bereits kollabiert, es zeigen sich erste Verformungen der Ecksäulen ES.

Fig.ll zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Seitenansicht, Stufe 4 - sehr starke Verformungen. Die Verformungselemente VE sind vollständig aufgezehrt, es bilden sich starke Verformungen der Ecksäulen ES.

Fig.12 zeigt eine Zusammenstoß-ComputerSimulation in Seitenansicht, Stufe 5 - extreme Verformungen. In dieser Stufe sind die Ecksäulen stark in Richtung des Wageninneren gebogen, das innere Verformungselement hat angesprochen und ist aufgezehrt. 15 * · «**4 * • « · · · 201023301

Fig.13 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Schrägansicht, Stufe 1 - unverformt. Es ist das Szenario aus Fig.8 in einer Schrägansicht und in Längsrichtung mittig geschnitten dargestellt.

Fig.14 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Schrägansicht, Stufe 2- erste Verformungen.

Schrägansicht des in Fig.9 dargestellten Szenarios

Fig.15 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Schrägansicht, Stufe 3- starke Verfomungen.

Schrägansicht des in Fig.10 dargestellten Szenarios

Fig.16 zeigt eine Zusammenstoß-Computersimulation in Schrägansicht, Stufe 4- sehr starke Verformungen. Schrägansicht des in Fig.ll dargestellten Szenarios

Fig.17 zeigt eine Zusammenstoß-ComputerSimulation in Schrägansicht, Stufe 5- extreme Verformungen.

Schrägansicht des in Fig.12 dargestellten Szenarios 16 201023301 • »»*« » 201023301 • »»*« » * · * t « Μ I 4 * f · ······ · « • * * * * * « ψ f

Liste der Bezeichnungen EQT Endquerträger 5 ES Ecksäule V Verkleidung VZ Verformungszone FQT Frontquerträger SS Schrägsäule 10 VE Verformungselement KUE Kraftübertragungselement KS Kollisionssäule IVE Inneres Verformungselement F Kraft 15 X Verformungsweg L Lokomotive 17

Claims

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201023301 Patentan Sprüche 1. Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone, umfassend wenigstens einen in einem stirnseitigen Bereich vorgesehenen Endquerträger {EQT) und im Wesentlichen senkrecht angeordnete, von dem Endquerträger (EQT) ausgehende Endsäulen (ES), dadurch gekennzeichnet, dass eiife Verformungszone (VZ) stirnseitig vorgesehen ist, welche einen parallel zu dem Endquerträger (EQT) in stirnseitiger Richtung beabstandet angeordneten Frontquerträger (FQT) und mindestens ein Kraftübertragungselement (KÜE) umfasst, wobei zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) das mindestens eine Kraftübertragungselement (KUE) angeordnet ist, welches Längsdruckkräfte zwischen dem Endquerträger (EQT) und dem Frontquerträger (FQT) bis zu einem bestimmten Wert plastisch verformungsfrei überträgt und bei Überschreiten dieses bestimmten Werts versagt.
2. Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verformungselement (VE) vorgesehen ist, welches so angeordnet ist, dass die Verformung des mindestens einen Verformungselements (VE) erst nach dem Versagen des Kraftübertragungselements (KUE) eintritt.
3. Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schrägsäule (SS) zwischen dem Frontquerträger (FQT) und einer Ecksäule (ES) angeordnet ist. 18

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4. Schienenfahrzeug mit angesetzter Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Untergestell des Schienenfahrzeugs zwischen der Wagenmitte und einem Endquerträger (EQT) mit mindestens einem inneren Verformungselement (IVE) ausgestattet ist.
5. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem #der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftübertragungselement (KUE) aus x-förmig angeordneten Platten aufgebaut ist.
6. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinie der x-förmig angeordneten Platten des Kraftübertragungselements (KUE) quer zur Fahrzeuglängsrichtung angeordnet ist.
7. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkleidung (V) vorgesehen ist, welche die Bauteile der Verformungszone (VZ) verkleidet.
8. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung (V) aus einem Kunststoff gefertigt ist.
9. Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) als Aluminiumwabenkonstruktion ausgeführt ist. 19 201023301 * « · « · ι ««· ·«· «·*, • * * • ♦ ·
10.Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) aus Metallschaum ausgeführt ist.
11.Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verformungselement (VE) oder das mindestens eine innere Verformungselement (IVE) als rohrförmiges Profil ausgeführt ist.
12.Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement KÜE gleichzeitig als Verformungselement, welches nach Überschreiten seiner Auslösekraft durch Deformation Energie dissipiert ausgeführt ist
13.Schienenfahrzeug mit Verformungszone gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verformungszone (VZ) an beiden Stirnseiten des Schienenfahrzeugs vorgesehen ist. 20