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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrmotor zur querliegenden Montage in einem Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einem Motorgehäuse und einer Motorwelle, wobei die Motorwelle im eingebauten Zustand in einer Querrichtung des Fahrwerks ausgerichtet ist und sich das Motorgehäuse in der Querrichtung des Fahrwerks über eine Gehäusebreite erstreckt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrwerk mit einem derartigen Fahrmotor sowie ein Fahrzeug mit einem derartigen Fahrwerk.
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Bei modernen Schienenfahrzeugen, die mit vergleichsweise hohen Nennbetriebsgeschwindigkeiten betrieben werden, besteht in der Regel das Problem, dass es an bestimmten Stellen im Bereich der Fahrwerke, an denen sich die Strömung von den dort angeordneten Fahrzeugkomponenten ablöst, zu Strömungsverhältnissen kommt, die gerade bei hohen Geschwindigkeiten zu einer erheblichen Erhöhung des Strömungswiderstandes sowie zu erheblichen Geräuschemissionen führen. Dies liegt unter anderem daran, dass stromabwärts des Ablösepunktes eine sich kontinuierlich aufweitende Scherschicht entsteht. Je weiter sich diese Scherschicht aufweitet, desto größer wird der damit einhergehende Strömungswiderstand. Weiterhin kommt es in dieser Scherschicht in der Regel zur periodischen Ausbildung von ausgeprägten Wirbeln (so genannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität) und der damit einhergehenden Schallemission.
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Trifft diese Scherschicht auf Fahrwerkskomponenten, wie beispielsweise auf die Unterseite eines herkömmlichen querliegend eingebauten zylindrischen Fahrmotors, der die Radsatzwelle in nach unten überragt, so werden hier weitere Verwirbelungen induziert, die zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes und der Geräuschemissionen führen
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Fahrrotor, ein Fahrwerk sowie ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welcher bzw. welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße mit sich bringt und insbesondere auf einfache Weise eine Reduktion des Strömungswiderstandes und der Schallemission ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Fahrmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass man auf einfache Weise eine Reduktion der Schallemission im Bereich des Fahrwerks sowie eine Reduktion des Strömungswiderstandes des Fahrzeugs erzielt, wenn das Motorgehäuse im eingebauten Zustand an seiner Unterseite einen abgeflachten Bereich aufweist, der sich ausreichend weit in der Querrichtung des Fahrwerks erstreckt und in wenigstens einem seiner beiden Randbereiche eine in der Querrichtung verlaufende Kante ausbildet. Der abgeflachte Bereich hat hierbei gegenüber konventionellen im Wesentlichen zylindrisch gestalteten Motorgehäusen den Vorteil, dass sich die auftreffende Luftströmung wegen der Abflachung wieder unter Ausbildung einer Grenzschicht an das Motorgehäuse anlegen kann, während die in der Querrichtung verlaufende Kante im Randbereich eine erneute saubere Ablösung der Strömung bewirkt, wenn sie im Fahrbetrieb am nachlaufenden Ende der Abflachung angeordnet ist.
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Durch das Wiederanlegen und erneute saubere Ablösen der Strömung wird erreicht, dass sich im Bereich des Motors eine Scherschicht erst wieder (in Fahrtrichtung) hinter dem Motor ausbildet und dann auch dort erst wieder aufweiten kann, sodass über den Fahrwerksbereich insgesamt eine Reduzierung der Aufwertung der Scherschicht erzielt wird. Dies hat eine verminderte Schallemission sowie einen verminderten Strömungswiderstand zur Folge.
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Hierbei versteht es sich, dass im Strömungsverlauf nachfolgende Komponenten des Fahrwerks im Bereich ihrer Unterseite ebenfalls derart gestaltet sein können, dass sich die Strömung dort wieder anlegt, sodass es insgesamt zu einer deutlichen Reduktion der Schallemission und des Strömungswiderstands kommt.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung daher einen Fahrmotor zur querliegenden Montage in einem Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs mit einem Motorgehäuse und einer Motorwelle, wobei die Motorwelle im eingebauten Zustand in einer Querrichtung des Fahrwerks ausgerichtet ist und sich das Motorgehäuse in der Querrichtung des Fahrwerks über eine Gehäusebreite erstreckt. Das Motorgehäuse weist an seiner Unterseite einen abgeflachten Bereich auf, wobei sich der abgeflachte Bereich über wenigstens 50% der Gehäusebreite erstreckt und der abgeflachte Bereich in wenigstens einem Randbereich eine in der Querrichtung verlaufende Kante ausbildet.
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Der Grad der Reduktion der Schallemission und des Strömungswiderstands richtet sich zum einen nach der Breite des abgeflachten Bereichs (also seiner Abmessung in der Querrichtung). Bevorzugt erstreck sich der abgeflachte Bereich daher über wenigstens 70% der Gehäusebreite, vorzugsweise über wenigstens 80% der Gehäusebreite, weiter vorzugsweise über wenigstens 95% der Gehäusebreite.
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Bei besonders günstigen Gestaltungen erstreckt sich der abgeflachte Bereich über im Wesentlichen die gesamte Gehäusebreite. Es versteht sich jedoch, dass der abgeflachte Bereich bei anderen Varianten der Erfindung nicht notwendigerweise durchgehend gestaltet sein muss. Vielmehr kann der der abgeflachte Bereich in separate abgeflachte Sektionen bzw. Teilbereiche unterteilt sein. Bei bestimmten Varianten der Erfindung weist der abgeflachte Bereich daher eine Mehrzahl von abgeflachten Teilbereichen auf, die in der Querrichtung beabstandet sind.
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Bevorzugt bildet der abgeflachte Bereich in einem in einer Fahrtrichtung des Fahrwerks nachlaufenden Randbereich eine in der Querrichtung verlaufende Kante aus. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der abgeflachte Bereich in einem in einer Fahrtrichtung des Fahrwerks vorlaufenden Randbereich eine in der Querrichtung verlaufende Kante ausbildet. Sind beide Randbereiche mit einer solchen Kante versehen ist die definierte Strömungsablösung natürlich unabhängig von der Fahrtrichtung gewährleistet.
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Die jeweilige Kante ist bevorzugt als ausreichend scharfe Strömungsabrisskante gestaltet, die eine zuverlässige, definierte Strömungsablösung gewährleistet. Bevorzugt weist das Motorgehäuse im Bereich der in der Querrichtung verlaufenden Kante in einer zur Querrichtung senkrecht verlaufenden Schnittebene einen Krümmungsradius von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 5 mm, weiter vorzugsweise weniger als 2 mm, auf.
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Die weiteren Abmessungen des abgeflachten Bereichs können insbesondere in Abhängigkeit von der Nennbetriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs gewählt werden. Bei bevorzugten Varianten der Erfindung definiert das Motorgehäuse eine Umfangsrichtung und eine Mittenebene, die im eingebauten Zustand zu einer Höhenrichtung und der Querrichtung des Fahrwerks parallel verläuft. Der abgeflachte Bereich erstreckt sich dann in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel von 20° bis 90°, vorzugsweise von 30° bis 80°, weiter vorzugsweise von 40° bis 60°. Zusätzlich oder alternativ kann sich der abgeflachte Bereich in der Umfangsrichtung zu beiden Seiten der Mittenebene über im Wesentlichen denselben Umfangswinkel erstrecken. Insbesondere kann hierbei eine zur Mittenebene symmetrische Gestaltung vorgesehen sein.
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Vorzugsweise grenzt an den abgeflachten Bereich im Bereich der in der Querrichtung verlaufenden Kante ein Anschlussbereich an, der so zum abgeflachten Bereich angeordnet bzw. ausgerichtet ist, dass er ein sanftes Wiederanlegen der Strömung bzw. ein definiertes erneutes Abreißen der Strömung gewährleistet. Bevorzugt erstreckt sich der Anschlussbereich daher in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel von 15° bis 35°, vorzugsweise von 20° bis 30°, weiter vorzugsweise von 25° bis 30°.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Anschlussbereich im Wesentlichen tangential zu einem anschließenden Außenumfang des Motorgehäuses verlaufen, wodurch eine besonders günstige Gehäusegestaltung ergibt. Zusätzlich oder alternativ kann der Anschlussbereich als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet sein, wodurch sich ebenfalls eine besonders günstige Gehäusegestaltung ergibt.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Anschlussbereich schließlich unter einem Neigungswinkel von 20° bis 60°, vorzugsweise von 30° bis 50°, weiter vorzugsweise von 40° bis 45°, zum abgeflachten Bereich geneigt verlaufen, wodurch ein besonders sanftes Wiederanlegen der Strömung bzw. ein präzise definiertes erneutes Abreißen der Strömung gewährleistet ist.
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Der abgeflachte Bereich kann grundsätzlich eine beliebige zumindest abschnittsweise gekrümmte und/oder Fahrmotor zumindest abschnittsweise polygonale Schnittkontur (in einer Ebene senkrecht zur Motorwelle) aufweisen, solange ein Wiederanlegen der Strömung gewährleistet ist. Bei besonders bevorzugten, weil nicht zuletzt einfach gestalteten Varianten ist der abgeflachte Bereich jedoch als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet.
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Bei bevorzugten Varianten der Erfindung grenzt an den abgeflachten Bereich im Bereich einer vorlaufenden Kante und im Bereich einer nachlaufenden Kante jeweils ein Anschlussbereich an, sodass die geschilderten Vorteile unabhängig von der Fahrtrichtung gegeben sind. Vorzugsweise verläuft der jeweilige Anschlussbereich im Wesentlichen tangential zu einem anschließenden Außenumfang des Motorgehäuses. Zusätzlich oder alternativ kann der jeweilige Anschlussbereich als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch hier vorgesehen sein, dass der jeweilige Anschlussbereich unter einem Neigungswinkel von 20° bis 60°, vorzugsweise von 30° bis 50°, weiter vorzugsweise von 40° bis 45°, zum abgeflachten Bereich geneigt verläuft.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrwerk mit einem erfindungsgemäßen Fahrmotor, der eine Radeinheit des Fahrwerks antreibt. Der Fahrmotor kann dabei grundsätzlich beliebig angeordnet sein, sodass seine Unterseite mit der Luftströmung unter dem Fahrzeug zusammenwirkt. Bei bevorzugten Varianten definiert die Radeinheit eine Radachse, die in einer Höhenrichtung des Fahrwerks auf einem ersten Höhenniveau angeordnet ist, und der abgeflachte Bereich auf einem zweiten Höhenniveau angeordnet ist, das unterhalb des ersten Höhenniveaus liegt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrwerk. Bevorzugt ist das Schienenfahrzeug für den Hochgeschwindigkeitsverkehr mit einer Nennbetriebsgeschwindigkeit oberhalb von 250 km/h, insbesondere oberhalb von 300 km/h, ausgebildet, da hier die beschriebenen Vorteile besonders stark zum Tragen kommen.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrwerks mit einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrmotors.;
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs 101 beschrieben. Bei dem Schienenfahrzeug 101 handelt es sich um einen Endwagen eines Triebzugs für den Hochgeschwindigkeitsverkehr, dessen Nennbetriebsgeschwindigkeit oberhalb von 250 km/h, nämlich bei vn = 300 km/h bis 380 km/h, liegt.
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Das Fahrzeug 101 umfasst einen (durch die Kontur 102 angedeuteten) Wagenkasten, der im Bereich seiner beiden Enden in herkömmlicher Weise jeweils auf einem Fahrwerk in Form eines Drehgestells 103 abgestützt ist. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen Konfigurationen eingesetzt werden kann, bei denen der Wagenkasten lediglich auf einem Fahrwerk abgestützt ist.
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Zum einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen ist in der 1 ein (durch die Radaufstandsebene des Drehgestells 103 vorgegebenes) Fahrzeug-Koordinatensystem x, y, z angegeben, in dem die x-Koordinate die Längsrichtung, die y-Koordinate die Querrichtung und die z-Koordinate die Höhenrichtung des Schienenfahrzeugs 101 bzw. des Drehgestells 102 bezeichnen.
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Das Drehgestell 103 ist in einem Fahrwerksausschnitt 104 des Wagenkastens 102 angeordnet, der an seinem vorlaufenden Ende durch eine vorlaufende Wand 102.1 begrenzt ist. Zu beiden Fahrwerksseiten wird der Fahrwerksausschnitt 104 durch Schürzen begrenzt.
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Das Drehgestell 103 weist in herkömmlicher Weise zwei Radeinheiten in Form von Radsätzen 103.1 auf, auf denen ein Drehgestellrahmen 103.2 abgestützt ist. Jeder Radsatz 103.1 wird über ein (nicht dargestelltes) Getriebe durch einen Fahrmotor 105 angetrieben, der querliegend (also mit in Fahrzeugquerrichtung verlaufender Motorwelle 105.1) am Drehgestellrahmen 103.2 befestigt ist.
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Der Motor 105 ist im vorliegenden Beispiel so eingebaut, dass die Motorwelle 105.1 auf einem Höhenniveau (d. h. in der z-Richtung) in der Nähe der Radsatzwelle 103.3 liegt. Das Motorgehäuse 105.2 überragt daher die Radsatzwelle 103.3 nach unten.
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Das Motorgehäuse 105.2 weist an seiner in den Luftstrom hineinragenden Unterseite einen abgeflachten Bereich in Form einer im Wesentlichen ebenen Fläche 105.3 auf. Der abgeflachte Bereich 105.3 bildet an seinem in der vorliegenden Fahrtrichtung (hier: die positive x-Richtung) vorlaufenden Rand eine in der Querrichtung (y-Richtung) verlaufende erste Kante 105.4 und an seinem in der vorliegenden Fahrtrichtung nachlaufenden Rand eine in der Querrichtung verlaufende zweite Kante 105.5 aus.
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An den abgeflachten Bereich 105.3 grenzt im Bereich der ersten Kante 105.4 ein vorlaufender erster Anschlussbereich 105.6 und im Bereich der zweiten Kante 105.5 ein nachlaufender zweiter Anschlussbereich 105.7 an. Der jeweilige Anschlussbereich ist ebenfalls als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet, die tangential in die im Übrigen im Wesentlichen zylindrische Außenkontur des Motorgehäuses 105.2 mündet.
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Es versteht sich jedoch, dass die außerhalb des abgeflachten Bereichs und der Anschlussbereiche liegende Außenkontur des Motorgehäuses bei anderen Varianten der Erfindung auch eine beliebige anderweitige Gestalt haben kann. So kann sie beispielsweise eine beliebige zumindest abschnittsweise gekrümmte und/oder zumindest abschnittsweise polygonale Schnittkontur (in einer Ebene senkrecht zur Motorwelle) aufweisen.
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Der abgeflachte Bereich 105.3 erstreckt sich im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen über die gesamte Gehäusebreite des Motorgehäuses 105.2 (in der Querrichtung). Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung ein geringerer Anteil der Gehäusebreite mit der Abflachung oder entsprechend abgeflachten Teilbereichen versehen sein kann.
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Die jeweilige Kante 105.4 bzw. 105.5 ist als ausreichend scharfe Strömungsabrisskante gestaltet, die (wie nachfolgend noch näher erläutert wird, eine zuverlässige, definierte Strömungsablösung gewährleistet. Hierzu weist das Motorgehäuse 105.2 im vorliegenden Beispiel im Bereich der jeweiligen Kante 105.4 bzw. 105.5 in einer zur Querrichtung senkrecht verlaufenden Schnittebene (xz-Ebene) einen Krümmungsradius von etwa 2 mm, auf.
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Das Motorgehäuse 105.2 definiert eine Umfangsrichtung und eine (die Achse der Motorwelle 105.1 enthaltende) Mittenebene 105.8, die im eingebauten Zustand zur Höhenrichtung und Querrichtung parallel verläuft. Der abgeflachte Bereich 105.3 erstreckt sich im vorliegenden Beispiel in der Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel von 40°, wobei er sich in der Umfangsrichtung zu beiden Seiten der Mittenebene 105.8 über im Wesentlichen denselben Umfangswinkel erstreckt. Mithin verläuft also der abgeflachte Bereich 105.3 parallel zur xy-Ebene (und damit im geraden ebenen Gleis parallel zur Radaufstandsebene).
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Die beiden ebenen Anschlussbereiche 105.6 und 105.7 erstrecken sich in der Umfangsrichtung jeweils über einen Umfangswinkel von 25°, wobei sie unter einem Neigungswinkel von 45° zum abgeflachten Bereich 105.3 geneigt verlaufen.
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Am unteren Ende der vorlaufenden Wand 102.1 bildet die Außenhaut des Wagenkastens 102 einen Ablösebereich in Form einer Strömungsabrisskante 102.2 aus, an der sich der (die Unterseite des Wagenkastens 102 vom freien Fahrzeugende zum Fahrwerksausschnitt 104 hin überstreichende) Luftstrom von der Außenhaut, also der Oberfläche des Wagenkastens 102 ablöst.
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Nach dem Ablösen des Luftstroms bildet sich infolge der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten im dem Fahrwerksausschnitt 104 und dem darunter liegenden Zwischenraum zum Gleisbett eine so genannte Scherschicht 106 aus. Die Strömungsverhältnisse innerhalb der Scherschicht 106 sind wegen der Geschwindigkeitsunterschiede stark instabil, sodass es neben einem Aufwerten der Scherschicht 106 in Fahrzeughöhenrichtung (z-Richtung) im weiteren Strömungsverlauf zu einem periodischen Aufrollen von Wirbeln kommt.
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Diese periodische Wirbelbildung bedingt bei herkömmlichen Fahrzeugen eine wesentliche Schallemission in diesem Fahrzeugbereich. Verstärkt wird dies noch durch das Auftreffen dieser Wirbel auf nachlaufende Fahrzeugkomponenten, insbesondere Komponenten des Drehgestells 103, wie unter anderem das Motorgehäuse 105.2. Diese Komponenten werden hierdurch zu Schwingungen und damit ebenfalls zur Schallemission angeregt. Weiterhin bedingt eine starke Aufweitung der Scherschicht 106 eine nennenswerte Erhöhung des Strömungswiderstandes des Fahrzeugs 101.
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Die oben beschriebene Gestaltung des Motorgehäuses 105.2 bewirkt, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, eine Reduktion der Schallemission und des Strömungswiderstands des Fahrzeugs 101.
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So bewirkt der (bei Fahrt in positiver x-Richtung) vorlaufende, nach vorne geneigte Anschlussbereich 105.6 zunächst ein sanftes Wiederanlegen der Strömung an das Motorgehäuse 105.2, wobei sich in dem anschließenden abgeflachten Bereich 105.3 Dank seiner abgeflachten Gestaltung erneut (unter Ausbildung einer Grenzschicht) eine widerstandsarme anliegende Strömung bildet.
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Erst an der nachlaufenden zweiten Kante 105.5 reißt die Strömung unter erneuter Ausbildung der Scherschicht ab, wobei die Neigung des nachlaufenden zweiten Anschlussbereichs 105.6 zum abgeflachten Bereich 105.3 verhindert, dass die Strömung dieser Richtungsänderung der Schnittkontur des Motorgehäuses 105.2 folgen kann. Hierdurch ist ein klar definiertes Abreißen der Strömung an der zweiten Kante 105.5 gewährleistet.
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Insgesamt wird durch das definierte Wiederanlegen an den abgeflachten Bereich 105.3 und das erneute definierte Abreißen der Strömung, mithin also durch die streckenweise Unterbrechung der Scherschicht, beispielsweise gegenüber herkömmlichen Gestaltungen mit zylindrischer Motorunterseite, die Aufweitung der Scherschicht 106 hinter dem Motor 105 und damit sowohl die Schallemission als auch der Strömungswiderstand deutlich reduziert.
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Die zur Mittenebene 105.8 des Motorgehäuses 105.2 symmetrische Gestaltung bringt dabei den Vorteil mit sich, dass das definierte Wiederanlegen an den abgeflachten Bereich 105.3 und das erneute definierte Abreißen der Strömung auch bei entgegengesetzter Fahrtrichtung gewährleistet ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand eines Fahrzeugs für Triebzüge im Hochgeschwindigkeitsverkehr beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch im Zusammenhang mit anderen Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommen kann.
