DE102018207034A1

DE102018207034A1 - Schienenfahrzeug mit einem Energieverzehrelement sowie Schienenfahrzeugverbund

Info

Publication number: DE102018207034A1
Application number: DE102018207034.2A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Arras
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2019-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug (4, 6) mit einem Energieverzehrelement (22), welches in Fahrzeuglängsrichtung (24) gemäß einer konstruktiv gezielt eingestellten, monoton steigenden Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b) unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist. Um ein verbessertes Energieabsorptionsverhalten des Energieverzehrelements (22) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b) eine nichtlineare Kennlinie ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Schienenfahrzeugverbund (2a, 2b, 2c) mit zwei solchen Schienenfahrzeugen (4, 6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Energieverzehrelement, welches in Fahrzeuglängsrichtung gemäß einer konstruktiv gezielt eingestellten, monoton steigenden Kraft-Weg-Kennlinie unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Schienenfahrzeugverbund mit zwei solchen Schienenfahrzeugen.
Es ist bekannt, ein Schienenfahrzeug mit einem Energieverzehrelement (auch Crashelement genannt) auszustatten, um im Falle einer Kollision des Schienenfahrzeugs mit einem Hindernis Schäden am Schienenfahrzeug gering zu halten und Verletzungen von gegebenenfalls im Schienenfahrzeug befindlichen Personen zu vermeiden. Der Zweck eines Energieverzehrelements ist es, im Falle einer Kollision Aufprallenergie zu absorbieren, beispielweise durch eine irreversible Umwandlung zumindest eines Teils der Aufprallenergie in Verformungsenergie.
Aus der Patentanmeldung EP 1 927 524 A1 ist ein Schienenfahrzeugverbund bekannt, welcher mehrere miteinander gekoppelte Schienenfahrzeuge umfasst. Diese sind an ihren Stirnseiten mit Energieverzehrelementen ausgestattet, welche in Fahrzeuglängsrichtung unter einer irreversiblen Veränderung ihres Zustands komprimierbar sind. Bei den Energieverzehrelementen dieses Schienenfahrzeugverbunds nimmt der (fluktuationsbereinigte) Widerstand, den das jeweilige Energieverzehrelement seiner Kompression in Fahrzeuglängsrichtung entgegensetzt, linear mit dem Kompressionsweg zu.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art ein verbessertes Energieabsorptionsverhalten des Energieverzehrelements zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug umfasst ein Energieverzehrelement, welches in Fahrzeuglängsrichtung gemäß einer konstruktiv gezielt eingestellten, monoton steigenden Kraft-Weg-Kennlinie unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist. Bei der Erfindung ist die Kraft-Weg-Kennlinie eine nichtlineare Kennlinie. Mit anderen Worten, die Kraft-Weg-Kennlinie lässt sich nicht durch eine (einzelne) lineare Funktion wiedergeben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Energieabsorptionsverhalten des Energieverzehrelements vom Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie abhängig ist. Die Nichtlinearität der Kraft-Weg-Kennlinie ermöglicht es, dass das Energieverzehrelement für unterschiedlich starke Kollisionen unterschiedliche Energieabsorptionsverhalten zeigt. Insbesondere ermöglicht es die Nichtlinearität der Kraft-Weg-Kennlinie, dass das Energieverzehrelement bei einer schwachen Kollision (also einer Kollision, bei der eine geringe Energiemenge vom Energieverzehrelement irreversibel aufgenommen wird) ein anderes Energieabsorptionsverhalten zeigt als bei einer starken Kollision (also einer Kollision, bei der eine hohe Energiemenge vom Energieverzehrelement irreversibel aufgenommen wird).
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einer Kraft-Weg-Kennlinie eine fluktuationsbereinigte Kurve zu verstehen, die eine auf das Energieverzehrelement längs der Fahrzeuglängsrichtung wirkende Druckkraft als Funktion eines Kompressionswegs des Energieverzehrelement in Fahrzeuglängsrichtung darstellt. Die Kraft-Weg-Kennlinie gibt den tendenziellen Verlauf der tatsächlichen Reaktionskurve des Energieverzehrelements wieder. Vorliegend kann die Kraft-Weg-Kennlinie als eine Näherungskurve/-funktion aufgefasst werden, welche die tatsächliche Reaktionskurve approximiert. In bevorzugter Weise approximiert die Kraft-Weg-Kennlinie die tatsächliche Reaktionskurve derart, dass etwaige Fluktuationen der tatsächlichen Reaktionskurve eine Abweichung von höchstens 7,5% des Ordinatenabschnitts (auch y-Achsenabschnitt genannt) gegenüber der Kraft-Weg-Kennlinie aufweisen.
Als tatsächliche Reaktionskurve des Energieverzehrelements ist vorliegend eine Kurve zu verstehen, welchen den tatsächlichen Verlauf der auf das Energieverzehrelement längs der Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Druckkraft als Funktion des Kompressionswegs des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung darstellt. Die tatsächliche Reaktionskurve kann Fluktuationen umfassen, die zum Beispiel auf Materialeigenschaften des Energieverzehrelements zurückführbar sind und/oder fertigungstechnisch bedingt sind.
Die Formulierung, dass die Kraft-Weg-Kennlinie konstruktiv gezielt eingestellt ist, ist dahingehend zu verstehen, dass die Kraft-Weg-Kennlinie durch die konkrete konstruktive Ausgestaltung des Energieverzehrelements, insbesondere im Hinblick auf dessen Materialeigenschaften und/oder dessen Geometrie, vorgegeben ist.
Des Weiteren ist die Formulierung, dass das Energieverzehrelement in Fahrzeuglängsrichtung komprimierbar ist, so zu verstehen, dass die Abmessung des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung verringerbar ist. Die Formulierung, dass das Energieverzehrelement in Fahrzeuglängsrichtung komprimierbar ist, ist jedoch nicht als Einschränkung auf die Art der Energieumsetzung durch das Energieverzehrelement zu verstehen.
Vorzugsweise findet bei einer Kompression des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung eine irreversible Zustandsänderung nur dann statt, wenn die längs der Fahrzeuglängsrichtung auf das Energieverzehrelement wirkende Druckkraft einen konstruktiv vorgegebenen Kraftschwellwert überschreitet. Ist die längs der Fahrzeuglängsrichtung auf das Energieverzehrelement wirkende Druckkraft kleiner als der konstruktiv vorgegebene Kraftschwellwert, wird das Energieverzehrelement vorzugsweise (nur) elastisch komprimiert.
Die Kraft-Weg-Kennlinie bezieht sich auf eine irreversible Zustandsänderung des Energieverzehrelements nach einer Überschreitung des Kraftschwellwerts. Mit anderen Worten, die Kraft-Weg-Kennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen der längs der Fahrzeuglängsrichtung auf das Energieverzehrelement wirkenden Druckkraft und dem Kompressionsweg des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung bei einer irreversiblen Zustandsänderung des Energieverzehrelements.
Das Energieverzehrelement kann beispielsweise als sogenanntes Verformungsrohr ausgebildet sein. Ein Verformungsrohr umfasst typischerweise ein inneres Rohrteil und äußeres Rohrteil mit einem größeren Außendurchmesser als das innere Rohrteil. Zudem weist das äußere Rohrteil üblicherweise einen Abschnitt auf, in den (im unverformten Ausgangszustand des Energieverzehrelements) ein Abschnitt des inneren Rohrteils eingesetzt ist. Mittels eines Verformungsrohrs lässt sich Aufprallenergie irreversibel in Verformungsenergie umwandeln, indem unter Einwirkung einer Kraft das innere Rohrteil in Fahrzeuglängsrichtung (weiter) in das äußere Rohrteil geschoben wird und dadurch das äußere Rohrteil irreversibel aufgeweitet wird. Bei einer solchen Ausführung des Energieverzehrelements erfolgt eine Kompression des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung durch ein Einschieben des inneren Rohrteils in das äußere Rohrteil. Eine irreversible Zustandsänderung des Energieverzehrelements ist in diesem Fall die Aufweitung des äußeren Rohrteils.
Bei einer anderen Ausführungsvariante des Energieverzehrelements kann eine Absorption von Aufprallenergie beispielsweise durch ein Abschälen eines Spans von einem Bauteil, insbesondere von einem stangenförmigen Bauteil, erfolgen.
Des Weiteren kann das Energieverzehrelement bis zu einem konstruktiv vorgegebenen Maximalkompressionswert gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie komprimierbar sein. Als Maximalkompressionswert ist vorliegend der maximal mögliche Kompressionsweg des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung zu verstehen. Im Falle einer Ausgestaltung des Energieverzehrelements als Verformungsrohr ist der maximal mögliche Kompressionsweg zum Beispiel erreicht, wenn sich das innere Rohrteil nicht weiter in das äußere Rohrteil einschieben lässt, insbesondere wenn das innere Rohrteil über die ganze Länge des äußeren Rohrteils in das äußere Rohrteil eingeschoben ist.
Vorzugsweise bezieht sich die Kraft-Weg-Kennlinie auf den gesamten Bereich der irreversiblen Zustandsänderung des Energieverzehrelements (vom Einsetzen der irreversiblen Zustandsänderung bei einer Überschreitung des vorgegebenen Kraftschwellwerts) bis zum Maximalkompressionswert.
Eine Nichtlinearität der Kraft-Weg-Kennlinie lässt sich beispielsweise erreichen, indem für einen die Kennlinie beeinflussenden Parameter des Energieverzehrelements ein geeigneter Verlauf in Fahrzeuglängsrichtung gewählt wird. Im Falle einer Ausgestaltung des Energieverzehrelements als Verformungsrohr kann ein solcher Parameter zum Beispiel der Innendurchmesser bzw. die Wandungsstärke des äußeren Rohrteils sein.
Das Schienenfahrzeug weist - bezogen auf die Fahrzeuglängsrichtung - ein vorderes sowie ein hinteres Fahrzeugende auf. Das Energieverzehrelement kann beispielsweise am vorderen Fahrzeugende oder am hinteren Fahrzeugende angeordnet sein.
Grundsätzlich kann das Schienenfahrzeug an jedem der beiden Fahrzeugenden ein Energieverzehrelement der zuvor beschriebenen Art aufweisen. Der Einfachheit halber beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung auf ein einzelnes Energieverzehrelement des Schienenfahrzeugs. Weist das Schienenfahrzeug an beiden Fahrzeugenden jeweils ein solches Energieverzehrelement auf, so gelten die nachfolgenden Ausführungen vorzugsweise für jedes dieser Energieverzehrelemente (also sowohl für das Energieverzehrelement am vorderen Fahrzeugende als auch für das Energieverzehrelement am hinteren Fahrzeugende).
Vorteilhafterweise ist besagte Kraft-Weg-Kennlinie streng monoton steigend. Mit anderen Worten, die Kraft-Weg-Kennlinie hat vorteilhafterweise keinen Abschnitt, in dem die Kraft-Weg-Kennlinie konstant ist bzw. ihre Steigung gleich Null ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Widerstand, den das Energieverzehrelement bei einer irreversiblen Zustandsänderung seiner Kompression in Fahrzeuglängsrichtung entgegensetzt, mit zunehmendem Kompressionsweg zunimmt.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Schienenfahrzeug in einem Schienenfahrzeugverbund mit einem anderen Schienenfahrzeug gekoppelt ist, welches ebenfalls ein Energieverzehrelement aufweist, das in Fahrzeuglängsrichtung gemäß einer streng monoton steigenden Kraft-Weg-Kennlinie unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist. Wenn die Energieverzehrelemente zu geringfügig unterschiedlichen Zeitpunkten auf die Kollision „reagieren“ (d. h. zu geringfügig unterschiedlichen Zeitpunkten anfangen, sich unter einer irreversiblen Zustandsänderung zu komprimieren), kann durch den mit dem Kompressionsweg zunehmenden Widerstand, den das jeweilige Energieverzehrelement bei einer irreversiblen Zustandsänderung seiner Kompression in Fahrzeuglängsrichtung entgegensetzt, vermieden werden, dass sich zunächst eines der Energieverzehrelemente bis zu seinem Maximalkompressionswert komprimiert und erst dann das andere Energieverzehrelement anfängt, sich zu komprimieren. Hierdurch kann zum Beispiel erreicht werden, dass ein mittig zwischen den Schienenfahrzeugen angeordnetes, massebehaftetes Zwischenelement im Falle einer Kollision (im Wesentlichen) mittig zwischen den Schienenfahrzeugen positioniert verbleibt, wodurch im Fall der Kollision Beschädigungen am Zwischenelement vermieden werden können.
Bei einer möglichen Ausführungsvariante der Erfindung weist die Kraft-Weg-Kennlinie mindestens einen Knick auf. Oder mathematisch ausgedrückt, die Kraft-Weg-Kennlinie kann eine nicht differenzierbare Funktion sein. Alternativ kann die Kraft-Weg-Kennlinie eine differenzierbare Funktion sein, d. h. einen Verlauf ohne Knick aufweisen.
Ein Knick der Kraft-Weg-Kennlinie kann zum Beispiel erreicht werden, indem für einen die Kennlinie beeinflussenden Parameter des Energieverzehrelements ein Verlauf in Fahrzeuglängsrichtung gewählt wird, bei dem sich dieser Parameter in Fahrzeuglängsrichtung sprunghaft verändert. Im Falle einer Ausgestaltung des Energieverzehrelements als Verformungsrohr kann ein Knick der Kraft-Weg-Kennlinie zum Beispiel erreicht werden, indem sich der Innendurchmesser bzw. die Wandungsstärke des äußeren Rohrteils in Fahrzeuglängsrichtung sprunghaft verändert.
Die Kraft-Weg-Kennlinie kann sich beispielsweise aus mehreren stetig ineinander übergehenden linearen Funktionen unterschiedlicher Steigung, insbesondere aus genau zwei stetig ineinander übergehenden linearen Funktionen unterschiedlicher Steigung, zusammensetzen. Eine solche Kraft-Weg-Kennlinie lässt sich mit geringem konstruktiven Aufwand realisieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weist die Kraft-Weg-Kennlinie genau zwei unterschiedliche Steigungen auf.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Kraft-Weg-Kennlinie zumindest abschnittsweise einer Polynomfunktion mindestens zweiten Grades entspricht. Anders formuliert, die Kraft-Weg-Kennlinie kann mindestens einen Abschnitt aufweisen, in welchem sie einer Polynomfunktion mindestens zweiten Grades entspricht.
Es ist bevorzugt, wenn die Kraft-Weg-Kennlinie in einem ersten Bereich eine erste Steigung aufweist und in einem zweiten Bereich eine zweite Steigung aufweist, die größer ist als die erste Steigung. Der zweite Bereich repräsentiert hierbei stärkere Kompressionen des Energieverzehrelements als der erste Bereich. Das heißt, bei einer Kompression des Energieverzehrelements wird der zweite Bereich - sofern dieser erreicht wird - in einer zeitlich späteren Kompressionsphase durchlaufen als der erste Bereich.
Durch eine geringe Steigung im ersten Bereich der Kraft-Weg-Kennlinie kann erreicht werden, dass bei einer schwachen Kollision (beispielsweise bei einer Rangierfahrt) Aufprallenergie im Wesentlichen durch das Energieverzehrelement absorbiert wird und nur eine geringe Kraft in andere Teile des Schienenfahrzeugs, insbesondere in dessen Wagenkasten, geleitet wird. Hierdurch lassen sich Beschädigungen an den anderen Fahrzeugteilen, insbesondere am Wagenkasten, bei einer schwachen Kollision zuverlässig vermeiden.
Eine größere Steigung im zweiten Bereich der Kraft-Weg-Kennlinie wiederum ist vorteilhaft, um sicherzustellen, dass das Energieverzehrelement zumindest bei einer stärkeren Kollision seiner Kompression einen hinreichend großen Widerstand entgegensetzt und ausreichend viel Energie umgesetzt wird. Dadurch kann dem oben erwähnten Problem, dass die einzelnen Energieverzehrelemente eines Schienenfahrzeugverbunds zu geringfügig unterschiedlichen Zeitpunkten auf eine Kollision „reagieren“ können, entgegengewirkt werden.
Die zweite Steigung kann beispielweise mindestens 15%, insbesondere mindestens 50%, größer sein als die erste Steigung.
Bei dem Schienenfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein für den Personentransport eingerichtetes Schienenfahrzeug. Das Schienenfahrzeug kann zum Beispiel ein Triebwagen sein. Alternativ kann das Schienenfahrzeug ein Laufwagen, also ein Wagen ohne eigenen Antrieb, sein.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Schienenfahrzeug eine Kupplungsvorrichtung aufweist, über welche das Schienenfahrzeug mit einem anderen Schienenfahrzeug mittel- oder unmittelbar verbindbar ist. Zweckmäßigerweise ist die Kupplungsvorrichtung am Wagenkasten des Schienenfahrzeugs befestigt.
In bevorzugter Weise ist das Energieverzehrelement des Schienenfahrzeugs ein Bestandteil der Kupplungsvorrichtung des Schienenfahrzeugs. Mit anderen Worten, das Energieverzehrelement ist vorzugsweise in die Kupplungsvorrichtung des Schienenfahrzeugs integriert.
Die Kupplungsvorrichtung des Schienenfahrzeugs kann unter anderem eine Kupplungsstange umfassen. Vorteilhafterweise umfasst die Kupplungsvorrichtung ein Kupplungsgelenk. Letzteres ermöglicht es, die Kupplungsstange gelenkig am Wagenkasten zu befestigen. Das Kupplungsgelenk kann insbesondere wie eine der in der Patentanmeldung EP 3 072 773 A1 beschriebenen Ausführungsformen der „Vorrichtung zur gelenkigen Anbindung einer Kupplungsstange“ ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Energieverzehrelement mit der Kupplungsstange in Reihe angeordnet. Dadurch kann erreicht werden, dass zu jeder Zeit eine Übertragung von Druckkräften über die Kupplungsstange auf das Energieverzehrelement möglich ist, anders als bei der in EP 1 927 524 A1 offenbarten Parallelanordnung von Kupplungsstange und Energieverzehrelement, bei welcher das Energieverzehrelement erst nach einem Abriss der Kupplungsstange Druckkräfte aufnimmt.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn das Energieverzehrelement mit der Kupplungsstange verbunden, insbesondere mit der Kupplungsstange verschraubt, ist. Das Energieverzehrelement kann beispielsweise am Kupplungsgelenk oder am gelenkfernen Ende der Kupplungsstange angeordnet sein.
Die Kupplungsstange der Kupplungsvorrichtung kann ein erstes Stangenteil sowie ein zweites Stangenteil aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die beiden Stangenteile in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet. Vorzugsweise ist das Energieverzehrelement zwischen den beiden Stangenteilen angeordnet. Weiter ist es zweckmäßig, wenn das Energieverzehrelement mit den beiden Stangenteilen verbunden, insbesondere mit den beiden Stangenteilen verschraubt, ist.
Die Kupplungsvorrichtung des Schienenfahrzeugs ist vorteilhafterweise derart ausgelegt ist, dass die Kupplungsvorrichtung unter Einwirkung einer in Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Kraft, welche so groß ist wie das z-fache eines Maximalkraftwerts der Kraft-Weg-Kennlinie, ausknicksicher und/oder abreißsicher ist. Mit anderen Worten, die Kupplungsvorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die Kupplungsvorrichtung, insbesondere deren Kupplungsstange und/oder deren Kupplungsgelenk, unter Einwirkung einer in Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Kraft besagter Größe nicht ausknickt und/oder abreißt. Hierbei ist z eine Zahl, die gleich 1 oder größer als 1 ist. Vorzugsweise beträgt z mindestens 1,05, besonders bevorzugt mindestens 1,075.
Als Maximalkraftwert der Kraft-Weg-Kennlinie ist vorliegend ein Kraftwert zu verstehen, welcher in der Kraft-Weg-Kennlinie dem zuvor erwähnten Maximalkompressionswert zugeordnet ist. Der Maximalkraftwert entspricht der höchsten auftretenden Druckraft bei einer Kompression des Energieverzehrelements in Fahrzeuglängsrichtung.
Wie eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung unter anderem einen Schienenfahrzeugverbund.
Der erfindungsgemäße Schienenfahrzeugverbund umfasst ein erstes erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug sowie ein zweites erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug. Diese beiden Schienenfahrzeuge sind miteinander gekoppelt und weisen jeweils ein vorderes und ein hinteres Fahrzeugende auf. Das Energieverzehrelement des ersten Schienenfahrzeugs ist an dessen vorderem Fahrzeugende angeordnet und das Energieverzehrelement des zweiten Schienenfahrzeugs ist an dessen hinterem Fahrzeugende angeordnet. Zudem sind diese beiden Energieverzehrelemente miteinander verbunden.
Vorzugsweise sind die beiden besagten Schienenfahrzeuge des Schienenfahrzeugverbunds über ihre Kupplungsvorrichtungen miteinander gekoppelt. Die Kupplungsvorrichtungen können mittelbar, d. h. unter Zwischenpositionierung eines weiteren Bauteils, oder unmittelbar miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Energieverzehrelemente der beiden Schienenfahrzeuge miteinander verschraubt sein, gegebenenfalls unter Zwischenpositionierung eines weiteren Bauteils.
Vorteilhafterweise ist das Energieverzehrelement des ersten Schienenfahrzeugs baugleich zu dem Energieverzehrelement des zweiten Schienenfahrzeugs ausgebildet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass beide Energieverzehrelemente das gleiche Energieabsorptionsverhalten haben. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Elemente der Kupplungsvorrichtung des ersten Schienenfahrzeugs baugleich zu den entsprechenden Elementen der Kupplungsvorrichtung des zweiten Schienenfahrzeugs ausgebildet sind. Der Ausdruck „baugleich“ ist vorliegend im Sinne von „strukturell identisch“ zu verstehen.
Des Weiteren kann der Schienenfahrzeugverbund ein Zwischenelement umfassen, welches zwischen den beiden Schienenfahrzeugen, insbesondere mittig zwischen den beiden Schienenfahrzeugen, angeordnet ist. Das Zwischenelement kann beispielsweise ein ein- oder mehrteiliger Rahmen, insbesondere zum Verbinden zweier Falten-/Wellenbalge, sein.
Die Kupplungsvorrichtung des ersten Schienenfahrzeugs und die Kupplungsvorrichtung des zweiten Schienenfahrzeugs können zum Beispiel jeweils mit dem Zwischenelement verbunden, insbesondere mit dem Zwischenelement verschraubt, sein. Über das Zwischenelement können die beiden Kupplungsvorrichtungen mittelbar miteinander verbunden sein.
Alternativ können die beiden Kupplungsvorrichtungen ohne Zwischenschaltung des Zwischenelements miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann das Zwischenelement beispielsweise eine Öffnung aufweisen, in welche jede der beiden Kupplungsvorrichtungen teilweise hineinragt. Hierbei können die Kupplungsvorrichtungen innerhalb der Öffnung miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschraubt, sein.
Die bisher gegebene Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen abhängigen Patentansprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug und dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugverbund kombinierbar.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsvariante eines Schienenfahrzeugverbunds, der zwei miteinander gekoppelte Schienenfahrzeuge umfasst, deren Kupplungsvorrichtungen jeweils ein Energieverzehrelement aufweisen;
2 ein Diagramm mit einer Kraft-Weg-Kennlinie des jeweiligen Energieverzehrelements;
3 eine zweite Ausführungsvariante eines Schienenfahrzeugverbunds;
4 eine dritte Ausführungsvariante eines Schienenfahrzeugverbunds; und
5 ein weiteres Diagramm mit einer möglichen Kraft-Weg-Kennlinie eines Energieverzehrelements.

1 zeigt schematisch einen Schienenfahrzeugverbund 2a für den Personentransport. Der Schienenfahrzeugverbund 2a umfasst ein erstes Schienenfahrzeug 4 sowie ein zweites Schienenfahrzeug 6, wobei das erste und das zweite Schienenfahrzeug 4, 6 in 1 jeweils nur teilweise abgebildet sind. Zusätzlich zu diesen beiden Schienenfahrzeugen 4, 6 kann der Schienenfahrzeugverbund 2a ein oder mehrere weitere Schienenfahrzeuge aufweisen, welche figürlich nicht dargestellt sind.
An seinem vorderen Fahrzeugende 8 weist das erste Schienenfahrzeug 4 eine Kupplungsvorrichtung 10 auf. Das zweite Schienenfahrzeug 6 weist an seinem hinteren Fahrzeugende 12 ebenfalls eine Kupplungsvorrichtung 14 auf. Mithilfe dieser beiden Kupplungsvorrichtungen 10, 14 sind das erste und das zweite Schienenfahrzeug 4, 6 miteinander gekoppelt. Die Kupplungsvorrichtung 10, 14 des jeweiligen Schienenfahrzeugs 4, 6 ist an dessen Wagenkasten 16 befestigt.
Beide Kupplungsvorrichtungen 10, 14 umfassen jeweils eine Kupplungsstange 18 sowie ein Kupplungsgelenk 20. Die Kupplungsvorrichtung 10 des ersten Schienenfahrzeugs 4 ist mit deren Kupplungsgelenk 20 gelenkig am Wagenkasten 16 des ersten Schienenfahrzeugs 4 befestigt. Entsprechend ist die Kupplungsvorrichtung 14 des zweiten Schienenfahrzeugs 6 mit deren Kupplungsgelenk 20 gelenkig am Wagenkasten 16 des zweiten Schienenfahrzeugs 6 befestigt.
Jede der beiden Kupplungsvorrichtungen 10, 14 umfasst ein Energieverzehrelement 22, welches in Längsrichtung 24 des jeweiligen Schienenfahrzeugs 4, 6 gemäß einer konstruktiv gezielt eingestellten Kraft-Weg-Kennlinie (vgl. 2) unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist. Mithilfe der Energieverzehrelemente 22 kann im Falle einer Kollision des Schienenfahrzeugverbunds 2a mit einem Hindernis, wie zum Beispiel einem anderen Schienenfahrzeug oder einem anderen Schienenfahrzeugverbund, Aufprallenergie absorbiert werden, insbesondere durch eine irreversible Umwandlung zumindest eines Teils der Aufprallenergie in Verformungsenergie.
Das Energieverzehrelement 22 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 ist mit deren Kupplungsstange 18 in Reihe angeordnet und mit dieser verschraubt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Energieverzehrelement 22 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 an deren Kupplungsgelenk 20 angeordnet.
Die beiden Kupplungsvorrichtungen 10, 14 sind baugleich zueinander ausgebildet, sodass die Energieverzehrelemente 22 beider Kupplungsvorrichtungen 10, 14 zueinander baugleich ausgeführt sind.
Ferner umfasst der Schienenfahrzeugverbund 2a ein mittig zwischen dem ersten und zweiten Schienenfahrzeug 4, 6 angeordnetes, massebehaftetes Zwischenelement 26, wie zum Beispiel einen Rahmen zum Verbinden zweier Falten-/Wellenbalge. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Kupplungsvorrichtungen 10, 14, genauer gesagt deren Kupplungsstangen 18, jeweils mit dem Zwischenelement 26 verbunden, insbesondere mit dem Zwischenelement 26 verschraubt.
2 zeigt ein Achsendiagramm mit einer Abszissenachse und einer Ordinatenachse.
In dem Achsendiagramm ist exemplarisch für eines der Energieverzehrelemente 22 des Schienenfahrzeugverbunds 2a aus 1 eine mögliche Kraft-Weg-Kennlinie 28a dargestellt, gemäß welcher dieses Energieverzehrelement 22 unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands in Längsrichtung 24 komprimierbar ist. Da das Energieverzehrelement 22 des ersten Schienenfahrzeugs 4 baugleich zu dem Energieverzehrelement 22 des zweiten Schienenfahrzeugs 6 ausgebildet ist, ist jedes dieser beiden Energieverzehrelemente 22 gemäß dieser Kraft-Weg-Kennlinie 28a in Längsrichtung 24 unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar. (Die nachfolgenden Erörterungen in Zusammenhang mit 2 beziehen sich der Einfachheit halber exemplarisch auf eines der Energieverzehrelemente 22, wobei diese Erörterungen entsprechend auch für das Energieverzehrelement 22 des jeweils anderen Schienenfahrzeugs 4, 6 gelten.)
Die Abszissenachse des Diagramms aus 2 repräsentiert einen Kompressionsweg x des Energieverzehrelements 22 in Längsrichtung 24 des jeweiligen Schienenfahrzeugs 4, 6 (vgl. 1), wobei der Wert x = 0 einem Ausgangszustand des Energieverzehrelements 22 entspricht, bei dem das Energieverzehrelement 22 nicht komprimiert ist. Die Ordinatenachse des Diagramms repräsentiert eine auf das Energieverzehrelement 22 längs der Längsrichtung 24 wirkende Druckkraft F.
Bei der in 2 abgebildeten Kraft-Weg-Kennlinie 28a handelt es sich um eine konstruktiv gezielt eingestellte, fluktuationsbereinigte Kurve, die eine auf das Energieverzehrelement 22 längs der Längsrichtung 24 wirkende Druckkraft F als Funktion des Kompressionswegs x des Energieverzehrelements 22 in Längsrichtung 24 bei einer irreversiblen Zustandsänderung des Energieverzehrelements 22 beschreibt.
Bei Kollisionen mit sehr geringer Aufprallenergie findet eine elastische Kompression des Energieverzehrelements 22 statt (vgl. strichpunktierte Kurve in 2). Ist die bei einer Kollision auf das Energieverzehrelement 22 in Längsrichtung 24 wirkende Druckkraft F kleiner als eine konstruktiv vorgegebene Losbrechkraft F_los , findet eine elastische Kompression des Energieverzehrelements 22 statt. Abhängig von der auf das Energieverzehrelement 22 in Längsrichtung 24 wirkenden Druckkraft liegt der Kompressionsweg x des Energieverzehrelements 22 in Längsrichtung 24 dabei im Bereich 0 ≤ x ≤ x₁.
Überschreitet bei einer Kollision die auf das Energieverzehrelement 22 in Längsrichtung 24 wirkende Druckkraft die Losbrechkraft F_los fällt die Druckkraft F sprunghaft (auf den Wert F₁ ) ab und es findet eine Kompression mit einer irreversiblen Zustandsänderung des Energieverzehrelements 22 statt. Bei der irreversiblen Zustandsänderung ist der Kompressionsweg x des Energieverzehrelements 22 in Längsrichtung 24 größer als x₁ .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kraft-Weg-Kennlinie 28a eine streng monoton steigende, nichtlineare Kennlinie, die sich aus zwei stetig ineinander übergehenden linearen Funktionen unterschiedlicher Steigung zusammensetzt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, weist die Kraft-Weg-Kennlinie 28a in einem ersten, geringe Kompressionswege x repräsentierenden Bereich I, der sich vom Wert x₁ bis zum Wert x₂ erstreckt, eine erste Steigung auf. Weiter ist aus 2 ersichtlich, dass die Kraft-Weg-Kennlinie 28a im Punkt (x₂ , F₂ ) einen Knick 30 aufweist. In einem zweiten, größere Kompressionswege x repräsentierenden Bereich II, der sich vom Wert x₂ bis zum Wert x_max erstreckt, weist die Kraft-Weg-Kennlinie 28a eine zweite Steigung auf, die größer ist als die erste Steigung. In 2 entspricht die zweite Steigung circa dem 3,4-fachen der ersten Steigung.
Der Wert x_max auf der Abszissenachse entspricht dem maximal möglichen Kompressionsweg in Längsrichtung 24 bei einer irreversiblen Zustandsänderung des Energieverzehrelements 22. Des Weiteren entspricht der Maximalkraftwert Fmax auf der Ordinatenachse, der dem Wert x_max zugeordnet ist, der höchsten auftretenden Druckraft F bei einer Kompression des Energieverzehrelements 22 in Längsrichtung 24. Diese beiden Werte sind durch die konkrete konstruktive Ausgestaltung des Energieverzehrelements 22 vorgegeben.
Die jeweilige Kupplungsvorrichtung 10, 14 des Schienenfahrzeugverbunds 2a (vgl. 1) ist vorliegend derart ausgelegt, dass die Kupplungsvorrichtung 10, 14 unter Einwirkung einer längs der Längsrichtung 24 des jeweiligen Schienenfahrzeugs 4, 6 wirkenden Kraft, welche so groß ist wie das 1,1-fache des Maximalkraftwerts Fmax, ausknick- und abreißsicher ist. Auf diese Weise wird ein Ausknicken und Abreißen der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 verhindert, solange bei einer Kollision die längs der Längsrichtung 24 auf die jeweilige Kupplungsvorrichtung 10, 14 wirkende Kraft kleiner ist als das 1,1-fache des Maximalkraftwerts F_max .
Kommt es zu einer Kollision des Schienenfahrzeugverbunds 2a aus 1 mit einem Hindernis, wird zumindest ein Teil der Aufprallenergie von den Energieverzehrelementen 22 absorbiert. Dadurch, dass die Energieverzehrelemente 22 gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2 komprimierbar sind, wird sichergestellt, dass das Zwischenelement 26 auch bei der Kollision mittig zwischen den beiden Schienenfahrzeugen 4, 6 positioniert bleibt.
Bei der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2 handelt es sich um eine beispielhafte Kraft-Weg-Kennlinie. Alternativ können die Energieverzehrelemente 22 des Schienenfahrzeugverbunds 2a gemäß einer anderen nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinie, wie zum Beispiel gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie aus 5, komprimier sein.
Die Beschreibungen der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschränken sich jeweils primär auf die Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel, auf das bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Gleiche und/oder einander entsprechende Elemente sind, soweit zweckdienlich, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben werden.
3 zeigt schematisch einen weiteren Schienenfahrzeugverbund 2b.
Dieser Schienenfahrzeugverbund 2b unterscheidet sich vom Schienenfahrzeugverbund 2a aus 1 dadurch, dass die Energieverzehrelemente 22 der beiden Kupplungsvorrichtungen 10, 14 nicht am jeweiligen Kupplungsgelenk 20, sondern am Zwischenelement 26 angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nicht die Kupplungsstangen 18 der Kupplungsvorrichtungen 10, 14, sondern deren Energieverzehrelemente 22 mit dem Zwischenelement 26 verbunden, insbesondere verschraubt.
Die Energieverzehrelemente 22 dieses Schienenfahrzeugverbunds 2b können gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2 komprimierbar sein. Alternativ können diese Energieverzehrelemente 22 gemäß einer anderen nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinie, beispielsweise gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie 28b aus 5, komprimierbar sein.
4 zeigt schematisch einen anderen Schienenfahrzeugverbund 2c.
Dieser Schienenfahrzeugverbund 2c unterscheidet sich vom Schienenfahrzeugverbund 2a aus 1 dadurch, dass die Kupplungsstange 18 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 ein erstes Stangenteil 32 sowie ein zweites Stangenteil 34 aufweist, die in Längsrichtung 24 des jeweiligen Schienenfahrzeugs 4, 6 hintereinander angeordnet sind.
Das Energieverzehrelement 22 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 ist zwischen deren beiden Stangenteilen 32, 34 angeordnet, wobei das erste Stangenteil 32 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 an deren Kupplungsgelenk 20 befestigt ist und das zweite Stangenteil 34 der jeweiligen Kupplungsvorrichtung 10, 14 am Zwischenelement 26 befestigt ist.
Die Energieverzehrelemente 22 dieses Schienenfahrzeugverbunds 2c können gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2 komprimierbar sein. Alternativ können diese Energieverzehrelemente 22 gemäß einer anderen nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinie, beispielsweise gemäß der Kraft-Weg-Kennlinie 28b aus 5, komprimierbar sein.
5 zeigt ein weiteres Achsendiagramm mit einer Abszissenachse und einer Ordinatenachse.
In diesem Achsendiagramm ist eine weitere mögliche Kraft-Weg-Kennlinie 28b für eines der Energieverzehrelemente 22 dargestellt, gemäß welcher das Energieverzehrelement 22 unter einer irreversiblen Änderung seines Zustands in Längsrichtung 24 irreversibel komprimierbar ist.
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich primär auf die Unterschiede zu der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2.
Die Kraft-Weg-Kennlinie 28b aus 5 ist eine streng monoton steigende, nichtlineare Kennlinie ohne Knick. Im vorliegenden Fall entspricht die Kraft-Weg-Kennlinie 28b einer Polynomfunktion zweiten Grades. Ihre Steigung nimmt mit zunehmendem Kompressionsweg x linear zu. Mithilfe dieser Kraft-Weg-Kennlinie 28b lassen sich die gleichen Vorteile erreichen wie mit der Kraft-Weg-Kennlinie 28a aus 2.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1927524 A1 [0003, 0037]
EP 3072773 A1 [0036]

Claims

Schienenfahrzeug (4, 6) mit einem Energieverzehrelement (22), welches in Fahrzeuglängsrichtung (24) gemäß einer konstruktiv gezielt eingestellten, monoton steigenden Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b) unter einer irreversiblen Veränderung seines Zustands komprimierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b) eine nichtlineare Kennlinie ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b) streng monoton steigend ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28a) mindestens einen Knick (30) aufweist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kraft-Weg-Kennlinie (28a) aus mehreren stetig ineinander übergehenden linearen Funktionen unterschiedlicher Steigung, insbesondere aus genau zwei stetig ineinander übergehenden linearen Funktionen unterschiedlicher Steigung, zusammensetzt.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28b) zumindest abschnittsweise einer Polynomfunktion mindestens zweiten Grades entspricht.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie (28a) in einem ersten Bereich (I) eine erste Steigung aufweist und in einem zweiten Bereich (II) eine zweite Steigung aufweist, die größer ist als die erste Steigung, wobei der zweite Bereich (II) größere Kompressionen des Energieverzehrelements (22) repräsentiert als der erste Bereich (I).
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steigung mindestens 15%, insbesondere mindestens 50%, größer ist als die erste Steigung.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Wagenkasten (16) und eine am Wagenkasten (16) befestigte Kupplungsvorrichtung (10, 14), über welche das Schienenfahrzeug (4, 6) mit einem anderen Schienenfahrzeug (4, 6) verbindbar ist, wobei das Energieverzehrelement (22) ein Bestandteil der Kupplungsvorrichtung (10, 14) ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (10, 14) eine Kupplungsstange (18) sowie ein Kupplungsgelenk (20) aufweist, wobei die Kupplungsstange (18) mittels des Kupplungsgelenks (20) gelenkig am Wagenkasten (16) befestigt ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieverzehrelement (22) mit der Kupplungsstange (18) in Reihe angeordnet ist, wobei das Energieverzehrelement (22) am Kupplungsgelenk (20) oder am gelenkfernen Ende der Kupplungsstange (18) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsstange (18) ein erstes Stangenteil (32) sowie ein zweites Stangenteil (34) aufweist, wobei die beiden Stangenteile (32, 34) in Fahrzeuglängsrichtung (24) hintereinander angeordnet sind und das Energieverzehrelement (22) zwischen den beiden Stangenteilen (32, 34) angeordnet ist.
Schienenfahrzeug (4, 6) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (10, 14) derart ausgelegt ist, dass die Kupplungsvorrichtung (10, 14) unter Einwirkung einer in Fahrzeuglängsrichtung (24) wirkenden Kraft, welche so groß ist wie das z-fache eines Maximalkraftwerts (F_max) der Kraft-Weg-Kennlinie (28a, 28b), ausknick- und/oder abreißsicher ist, wobei z eine Zahl ist, die gleich 1 oder größer als 1 ist.
Schienenfahrzeugverbund (2a, 2b, 2c), umfassend ein erstes Schienenfahrzeug (4) nach einem der voranstehenden Ansprüche sowie ein zweites Schienenfahrzeug (6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die miteinander gekoppelt sind und jeweils ein vorderes und ein hinteres Fahrzeugende aufweisen, wobei das Energieverzehrelement (22) des ersten Schienenfahrzeugs (4) an dessen vorderem Fahrzeugende (8) angeordnet ist, das Energieverzehrelement (22) des zweiten Schienenfahrzeugs (6) an dessen hinterem Fahrzeugende (12) angeordnet ist und diese beiden Energieverzehrelemente (22) miteinander verbunden sind.
Schienenfahrzeugverbund (2a, 2b, 2c) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieverzehrelement (22) des ersten Schienenfahrzeugs (4) baugleich zu dem Energieverzehrelement (22) des zweiten Schienenfahrzeugs (6) ausgebildet ist.
Schienenfahrzeugverbund (2a, 2b, 2c) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch ein Zwischenelement (26), welches zwischen den beiden Schienenfahrzeugen (4, 6), insbesondere mittig zwischen den beiden Schienenfahrzeugen (4, 6), angeordnet ist.