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Welches Problem soll gelöst werden
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In Deutschland gibt es ca. 18.000 ebenengleiche Bahnübergänge, davon sind ca. 11.000 Übergänge beschrankt. Es passiert mehrmals pro Jahr, dass ein bahnfremdes Fahrzeug – z. B. Tieflader, Militär-Lkw, Autotransporter, Reisebus, Pkw, Erntefahrzeug, Traktor – auf dem Übergang stehen bleibt. Häufig liegt es am höher gelegenen Scheitelpunkt als Ursache. Diese Pannen geschehen unabhängig davon, ob der Übergang beschrankt ist oder nicht. Manchmal ist die Vorwarnzeit für den heranfahrenden Zug zu kurz – es kommt zu einem Aufprall. Trotz der eingebauten Energieverzehrelemente kommt es auch zu Verletzungen bis hin zu tödlichen Verletzungen des Fahrzeugführers.
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Stand der Technik
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Der Stand der Technik ist einerseits in der
Norm EN 15227 zusammengefasst und wird bei Neufahrzeugen entsprechend umgesetzt und weiterentwickelt /
DE 10 2009 014 656 A1 ,
CN 105730509 A ,
WO 2015039670 A1 ,
WO 2009040309 A1 ,
EP 0 952 063 B1 /, andererseits gibt es verschiedene Patentanmeldungen, die nicht umgesetzt wurden. Neue Triebfahrzeuge haben der Norm entsprechend verschiedene Energieverzehrelemente, so dass
- • ein Zusammenstoß von einem Zug mit einem anderen Zug bei einer Geschwindigkeit bis 36 km/h zum Schutz des Lokomotivführers aufgefangen werden kann,
- • ein Aufprall auf ein schweres stehendes Hindernis (Lokomotive oder schwerer Lkw oder Kran oder Militärlaster oder Autotransporter) bei einer Geschwindigkeit bis 36 km/h zum Schutz des Lokomotivführers aufgefangen werden kann,
- • ein Aufprall auf ein „mittelschweres” Hindernis wie etwa ein Lkw bis 5 t sogar bis zu einer Geschwindigkeit bis zu 110 km/h bewältigt werden kann, wenn das Hindernis im Winkel von 45° zur Aufprallrichtung steht.
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Ein wesentlicher Teil des Schutzkonzeptes ist eine Verzögerungsstrecke von 2 m als „Knautschzone” – erreicht durch Energieverzehrelemente.
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Für den Zusammenstoß von Lokomotiven bzw. Triebwagen und Zügen untereinander gibt es weitere verschiedene Schutzkonzepte – z. B. den Aufbäum- oder Aufkletterschutz. Diese sind aber für den Aufprall auf Zug-fremde schwere Hindernisse nur bedingt geeignet.
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Was lediglich die Anmeldungen betrifft, so gibt es für Eisenbahn-fremde, eher leicht auszuräumende Hindernisse (z. B. Personen, Tiere) andere angemeldete Schutzvorrichtungen wie etwa verschiedene vor der Lokomotive schnell aufblasbare Luftkissen oder eine Art von Schneepflügen /
DE 20 2016 002 793 ,
DE 6980591 T2 ,
DE 10 2014 204 271 A1 ,
US 6623054 B1 /.
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Für viele Hindernisse des praktischen Betriebes ist aber ein zuverlässiger Verletzungsschutz und/oder Überlebensschutz bisher nicht vorstellbar – z. B. für einen Aufprall bei Geschwindigkeiten oberhalb 40 km/h auf einen großen Traktor, einen großen Lkw, eine Erntemaschine, einen Lkw-Tieflader oder Autotransporter-Tieflader, einen Militär-Lkw, einen Reisebus o. a. Entsprechende Unfälle werden mehrmals pro Jahr in der Tagespresse gemeldet.
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Seit Einführung der Norm EN 15227 gibt es fortschreitende Verbesserungen bei der passiven Sicherheit. Dieser Zuwachs kann zukünftig nur noch gering sein. Denn die kinetische Energie nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu. Beherrscht man derzeit einen Aufprall auf ein festes Hindernis bzw. sehr schweres Hindernis bis zu ca. 40 km/h, so nimmt bei 60 km/h die kinetische Energie um das 2,25-fache zu – was bei heutigem Stand der Technik für einen passiven Schutz nicht realisierbar erscheint.
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Beschreibung
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Es wird eine halboffene Kapsel mit der besonderen Kombination von verformungsstabiler Kontur und einem besonderen U-Boot-Stahl angemeldet. Der U-Boot-Stahl W. Nr. 1.4565 S hat eine der größten Bruchenergien, so dass praktisch jedes Hindernis bei einem Aufprall in die Brüche geht. Die Kapsel wird schräg hinter dem Cockpit-Sitz des Triebwagenführers oder Lokführers eingebaut, um die Betriebsabläufe nicht zu behindern. Beim Anblick eines Aufprallhindernisses leitet der Lokführer die Notbremsung ein und kann sich innerhalb von zwei Sekunden in die Kapsel retten. Sie bietet dem Lokomotivführer beim Aufprall Schutz und kann optional bei hohen Geschwindigkeiten sich aus der Verankerung lösen und in das Hindernis hineinschießen, wobei sie gebremst wird. Dabei entsteht ein verlängerter Verzögerungsweg, so dass die Verzögerungs-Belastung für den Lokomotivführer – auch wegen der Belastungsdauer im Zehntelsekundenbereich – ertragbar wird.
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1 zeigt in einer Schnittzeichnung die Kapsel 1 mit ovaler Kontur. Der Schutzschild zeigt in Fahrtrichtung F und ist rückwärtig offen. Die Kapsel ist aus einem speziellen U-Boot-Stahl – W. Nr. 1.4565 S. Die Verbindung zum Wagengehäuse und der Bodenplatte geschieht formschlüssig über Doppelkonus-Segmente 2, die mit Hilfe eines Reaktionslotes 3 eingelötet werden. In der Kapsel ist ein mit Federn nachgiebiges Kettennetz 4 befestigt, das einen Schaumstoffprofilkörper 5 im Falle eines Stoßes auffängt. Der Schaumstoffkörper 5 ist aus verschiedenen, unterschiedlich harten Lagen zusammengesetzt. Der Raum 6 kann für die Optimierung der Verzögerung genutzt werden – entweder zur Schaumstoffauffüllung oder für Airbags. Damit die Kapsel nicht so hohen Bauraum in dem Fahrzeug beansprucht, sind der Boden und die Decke mit den Ebenen 7 abgeflacht.
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2 ist die Schnittbildansicht in der Ebene A-A aus 1 von oben. Der Pfeil F zeigt in Fahrt- und Bremsrichtung. Beim Schaumstoff 5 sieht man die Profilrillen 5a für die Beine und die Profilrillen 5b für die Arme.
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3 stellt schematisch die Kapsel mit Blick auf den Menschen in Fahrtrichtung dar.
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4 zeigt eine andere Ausführungsform: nämlich eine in jedem Querschnitt elliptische Form.
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5 stellt schematisch die Verankerungsstreben 8 der Kapsel mit dem Fahrzeugrahmen dar. An Montagestellen 12 des Fahrzeugrahmens im oberen und unteren Bereich des Fahrzeuges werden die Streben 8 verbunden. Am anderen Ende der Streben 8 sind oben und unten an der Bodenplatte Halterungen 9, die in sich die Verbindungszapfen 2 formschlüssig einschließen.
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6 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Form der Verankerungsstreben der Kapsel mit dem Fahrzeugrahmen. Die Verankerungsstreben 10 sind durch Windungen so ausgeformt, dass sie beim Aufprall in ausgeprägter Weise als Verzehrelemente wirken und den Verzögerungsweg verlängern.
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7 zeigt zwei Schräganblicke auf die Details des Formschlusszapfens 2 in 1. Die konischen Lötflächen 3 zeigen überwiegend in Fahrtrichtung. Entgegengesetzt – also auf der Rückseite – steht die rückwärtige Lötfläche 11 senkrecht oder sogar in konkaver Form über.
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8 stellt die besondere Eigenschaft des U-Boot-Stahles W. Nr. 1.4565 S heraus: Dargestellt ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Vergleich zu einem mittelfesten Turbinenstahl (W. Nr. 1.4313). Aufgetragen ist über der technischen Dehnung die wahre Spannung (gemäß dem Algorithmus σ = σ0(1 + ε0)). Im Gegensatz zum technischen Spannungs-Dehnungs-Diagramm stellt es die reale Werkstoffbeanspruchung und die Reaktion des Werkstoffes dar (Ausnahme: Rundungsfehler beim Übertragen aus dem Messdiagramm in der Nähe vom Bruch). Der Flächeninhalt stellt die Brucharbeit dar. Es zeigt sich, dass die Brucharbeit des speziellen U-Boot-Stahles um ein Vielfaches höher ist gegenüber einem Turbinenstahl, der als Beispiel für viele andere Stähle genommen wurde.
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Nicht gezeichnet ist, dass ein Sicherheitsgurtsystem am Kapselrand angebracht ist – für den Fall, dass noch Zeit für den Fahrer bliebe, um sich anzuschnallen.
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Nicht gezeichnet ist, dass eine alternative Ausführung darin besteht, den U-Boot-Stahl mit einem härtbaren Stahl zu plattieren. Als Plattierprozess kommen eine Flächenlötung vor dem Heißschmieden in frage oder ein Sprengplattieren vor dem Heißschmieden oder ein Walzplattieren. Durch diese Werkstoffkombination wird das Prinzip des Samurai-Schwertes umgesetzt, so dass bei einem Aufprall die Formstabilität durch die Geometrie und durch die Schockresistenz des U-Boot-Stahles (= extrem hohe Bruchenergie) gewährt wird und der gehärtete Stahl außen den U-Boot-Stahl vor allzu tiefen Kratzspuren schützt.
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Ausführung und Wirkungsweise
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Die Kapsel 1 aus U-Boot-Stahl wird durch Heißumformen hergestellt. Die Wanddicke beträgt je nach Ort 18 bis 30 mm. Oben und unten sind je ein Zapfen 2 als Verbindungsglied zu den Halterungen 9, die lokomotivseitig kommen. Die Zapfen werden verkupfert und dann in die Kapsel 1 eingelegt. Die Herstellung der Lötung erfolgt vorzugsweise mit den Reaktionslotfolien „Nanofoils”® der Firma Indium:
Zunächst werden die Formschlusszapfen 2 verkupfert. Dann legt man in die vergrößerten Toleranzspalten 3 beim Formschluss Reaktionslotfolien „Nanofoils”® ein. Diese Folien bestehen aus einer reaktionsfreudigen Nanopartikellegierung aus NiAl. Man zündet mit dem Feuerzeug die Folie an Luft an; dann schießt eine Feuerfront entlang der Folie und dadurch werden die Metallpartner innerhalb von weniger als einer 1/10 Sekunde verlötet. Diese Lötung geschieht also bei Raumtemperatur der Bauteile! Die Lötverbindung als solche und in Kombination mit der schrägen, Konus-ähnlichen Verbindungsoberfläche 3 wirkt ab einer bestimmten Aufprallenergie als Sollbruchstelle. Lokomotiv-seitig werden an den Verankerungsstellen 12 Energieverzehrelemente 8 oder 10 angebracht, um bei einem Aufprall noch eine Verzögerungsstrecke von 0,4 m bis 0,8 m zu erhalten, damit sich die g-Belastung auf die Person in der Kapsel 1 verringert. Die Verzehrelemene halten am anderen Ende die Halterung 9, die formschlüssig die Zapfen 2 einfassen – ebenfalls durch eine Reaktionslötung. In der Kapsel 1 selber ist als weitere Verzögerungsstrecke ein Schaumstoff eingebaut, der als Oberfläche Formschalen bzw. Profile aufweist, die die entsprechenden Körperteile mit einer größtmöglichen Oberfläche auffangen. Der Schaumstoff besteht aus optimierten Lagen verschiedener Zusammendrückbarkeit. – Dies bedeutet einerseits eine Verzögerungsstrecke je nach Aufprallgeschwindigkeit von 0,3 m bis 0,4 m und andererseits werden Spitzenbelastungen im g-Zeit-Verlauf geglättet bzw. abgemildert. Ein weiteres Nachgiebigkeitselement stellt das mit Federn versehene Stahlgitter dar, das den Stoßimpuls von der Person und vom Schaumstoff aufnimmt. Die Auffangposition der Person auf deren Rückseite ist die medizinisch beste Position, um hohe und sehr hohe g-Belastungen auszuhalten. – Wenn die Andruckkraft des Lokführers vollflächig auf die Körperrückseite wirkt – auf den ganzen Rücken, Kopf, Rückseite der Arme und Beine –, dann ist es aus Sicht der Medizin die beste und schonendste Belastungsmethode. (Quelle: http://www.ds.mpg.de/131983/18/)
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Eine besondere Alternativform der Kapsel kann ein Oloid sein, dessen „Schwertseite” nach vorne zeigt und somit garantiert jedes Hindernis aufspaltet.
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Wirkungsweise der Kapsel
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- 1. Die Kapsel wirkt bei einem Aufprall mit einem bahnfremden Hindernis als Schutz vor herumfliegenden Teilen.
- 2. Die Kapsel wirkt mit einem zusätzlichen Beitrag in verschiedenen Etappen zu einer Steigerung der Sanftheit beim Bremsweg. Diese Verzögerung in m/s2 oder in der Einheit g = 9,81 m/s2 (Erdbeschleunigung) kommt
– immer von dem Schaumstoff 5 und dem nachgebendem Stahlgitter 4 – mit einem Verzögerungsweg von 0,3 m bis 0.4 m (hängt von der Aufprallgeschwindigkeit ab), und
– fallweise von der Aufhängung in den Verzehrelementen 8 oder 10 und/oder
– fallweise von dem Ausklinken aus der Aufhängung 9 (Wirkung der Sollbruchstelle 3) und vom einem freien Bremsflug in das Hindernis hinein.
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Die Verzögerung berechnet sich näherungsweise nach dem Algorithmus a = v2/(2w) (Algor. 1) wobei v die Aufprallgeschwindigkeit in m/s ist, w ist der Verzögerungsweg in Meter, a ist die Verzögerung, die auf den Menschen wirkt, in m/s2. Dividiert man a durch die Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2, dann erhält man eine Orientierung für die Belastung des menschlichen Organismus mit dem Ausdruck n × g.
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Algor. 1 gilt zwar nur bei linearer Verzögerung; da aber Spitzenbelastungen durch den Schaumstoff 5 aufgefangen werden, wird des Weiteren zur Nährungsbetrachtung der Algor. 1 verwendet.
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Aufprallgeschwindigkeitsbereich bis 40 km/h bei theoretisch starrem Fahrzeugkörper
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Nimmt man einen schlagartigen Stopp des Wagens bei 40 km/h an und die Kapsel wäre absolut fest eingebaut, dann würden nur die 0,4 m des Schaumstoffes die Verzögerung bewerkstelligen. Gemäß der Formel Algor. 1 ist dann die Verzögerung 154 m/s2 bzw. 15,7 × g. Verzögerungen von 10 bis 60 g können zu Verletzungen des Menschen führen, wegen der kurzen Dauer von unter 0,2 s sind diese Verzögerungen sehr wahrscheinlich nicht lebensbedrohend und führen ungünstigenfalls zur Bildung von Hämatomen.
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Aufprallgeschwindigkeitsbereich bis 40 km/h mit Stand der Technik
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Nach dem Stand der Technik (2016) kann eine Aufprallgeschwindigkeit von 36 km/h reversibel oder sanft aufgefangen werden. Der Verfasser nimmt an, dass ein Verzögerungsweg von 1,5 m stattfindet. Die Gesamtverzögerungsstrecke ergibt sich dann aus 1,5 m plus 0,3 m aus dem Schaumstoff = 1,8 m (wegen der nur klein erwarteten Verzögerung wurden nur 0,3 m vom Schaumstoff angenommen). Gemäß Algor. 1 erfährt der Mensch eine Belastung von 34,3 m/s2 bzw. 3,5 × g.
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Diese „geringe” Belastung von 3,5 × g ist typisch für heftige Jahrmarktkarussellfahrten und somit nicht gesundheitsgefährdend.
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Aufprallgeschwindigkeitsbereich von 40 km/h bis 70 km/h auf ein schweres Hindernis
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Beträgt die Aufprallgeschwindigkeit zwischen 40 und 70 km/h, dann ist die kinet. Energie der 0,9 bis 1 t schweren Kapsel so groß, dass die Verzehrelemente 8 oder 10 zum Wirken kommen und die Kapsel eine Relativ-Bewegung innerhalb der Lokomotive von ca. 0,4 m macht. Jetzt wirkt die Kapsel auch als Splitterschutz. Die Verzögerungswirkung setzt sich zusammen aus ca. 0,4 m vom Schaumstoff, aus 0,4 m von den Verzögerungselementen und 1,5 m aus der „Knautschzone” des Fahrzeuges. Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 70 km/h und dem Verzögerungsweg in Summe von 2,3 m ergibt sich gemäß Algor. 1 eine Belastung für den Menschen von 82,2 m/s2 bzw. 8,4 × g. Dabei ist eine Verlängerung der Verzögerung durch das „Voranschieben” des Hindernisses durch die Lokomotive oder den Triebwagen noch gar nicht berücksichtigt. Würde man dies berücksichtigen, wäre die Belastung für den Menschen noch geringer als 8,4 × g. Mit 8,4 × g liegt aufgrund der kurzen Einwirkungszeit eine Lebensbedrohung also nicht vor.
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Aufprallgeschwindigkeitsbereich oberhalb von 70 km/h
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Bei Aufprallgeschwindigkeiten oberhalb 70 km/h kommt die Besonderheit der eingelöteten Formschlusszapfen 2 zum Tragen.
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Sollte die Lokomotive oder der Triebwagen mehr oder weniger relativ abrupt zum Stehen kommen, dann kann sich aufgrund der hohen kinetischen Energie der Kapsel diese sich zunächst nach vorne in Richtung F schieben. Dabei nimmt sie die Halterungen 10 oder 8 mit, bis diese am Ende der Verzehrwirkung angelangt sind. Dann wird sich die Kapsel 1 aus der Halterung 9 lösen. Denn in der gelöteten Schicht 3 ist die Schlagzähigkeit naturgemäß im Vergleich zu dem U-Boot-Stahl vermindert und die Lötschicht 3 wirkt somit als Sollbruchstelle. Aufgrund des schrägen Winkels der Lötschicht 3 am Zapfen 2 kann die obere Halterung 9 leicht nach oben abspringen und die Kapsel kann auch leicht aus der unteren Halterung 9 heraus gleiten. Die spezielle Geometrie, der besondere Werkstoff 1.4565 S mit seiner weltrekordverdächtigen Brucharbeit und die Wanddicke von 18 bis örtlich 30 mm bewirken, dass die Kapsel ohne große Deformation in das Hindernis hineindringt (z. B. Kran, Tieflader, Reisebus, Mähdrescher) und dadurch zum Stehen kommt. Die Gesamtgestalt bleibt erhalten.
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Beispiele:
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Nimmt man konservativ einen „Bremsweg” von 3 m bis zum Stillstand an, und nimmt 80 km/h als Aufprallgeschwindigkeit an, und nimmt noch 1,5 m als „Knautschzone” noch dazu (Summe des Verzögerungsweges: 3 m + 1,5 m + 0,4 m = 4,9 m), dann folgt nach Algor. 1 eine Belastung für den Menschen in der Kapsel von 50,4 m/s2 bzw. 5,3 × g. Nimmt man eine Aufprallgeschwindigkeit von 120 km/h an und einen Bremsweg der Kapsel von 5 m an (also konservativ kurz) – es wäre der Fall, dass die Kapsel z. B. in einen Kran oder Autotransporttieflader hineinschießt –, dann folgt nach Algor. 1 eine Belastung für den Menschen in der Kapsel von 102,9 m/s2 bzw. 10,5 × g. Beide Belastungen führen beim Menschen wegen der kurzen Zeit höchstens zu Hämatomen.
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Extrembeispiel: 180 km/h
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Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 180 km/h und dem Erkennen eines Aufprallhindernisses in 250 m Entfernung bleiben dem Lokführer noch 5 Sekunden Zeit, um die Notbremsung einzuleiten und in die Kapsel sich hineinzustellen und ggfs. sich anzuschnallen. Nimmt man eine Aufprallgeschwindigkeit von 180 km/h an und einen Bremsweg der Kapsel von 7 m an, der aus der hohen kinetischen Energie der Kapsel resultiert, dann folgt nach Algor. 1 eine Belastung für den Menschen in der Kapsel von 179 m/s2 bzw. 18,2 × g. Diese Belastung kann zu Hämatomen führen und in den 0,3 Sekunden bis zum Stillstand zur kurzen Bewusstlosigkeit – ist aber sehr wahrscheinlich nicht lebensbedrohend.
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Unerwartete Stoßbelastung auf das Fahrzeug oder Rückwärtsstoß
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Für den Fall eines Rückwärtsstoßes – das Fahrzeug stößt in Fahrtrichtung auf ein Hindernis und am hinteren Ende ist auch ein Cockpit mit einer Kapsel – greifen die formschlüssigen Lötflächen 11 in die Halterung 9 voll ein und die Kapsel wird festgehalten. Damit wird vermieden, dass sie als Geschoß sich in den Fahrgastraum schiebt.
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Zusammenfassung der Vorteile
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Die Stoßaufnahme bei einem Aufprall auf die Körperrückseite des Fahrzeugführers, der sich im Stehen befindet, ist die günstigste Position für die körperliche Belastung. Die Kombination aus einer geometrischen Ei-Form mit U-Boot-Stahl sorgt für einen höchst stabilen Personenschutz und sie sorgt dafür, dass bei erhöhten Aufprallgeschwindigkeiten die Kapsel wie ein Geschoss jedes Hindernis (außer Panzer) aufspaltet oder zur Seite schiebt, denn die äußere Gestalt der Kapsel bleibt erhalten. Das „Ausklinken” aus der Befestigung zum Fahrzeugrahmen erfolgt über eine Sollbruchstelle, die durch eine sehr einfache Lötung erzeugt wird. Die Lötung besteht aus den preiswerten Nanofoils®.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hülle aus U-Boot-Stahl
- 2
- Zapfen für die formschlüssige Verbindung
- 3
- Lötfläche
- 4
- Stahlgitter mit Federelementen
- 5
- Schaumstoffpolsterschichten
- 5a
- Profilrille im Schaumstoff für Beine
- 5b
- Profilrille im Schaumstoff für Arme
- 6
- Zwischenraum, Reserveraum für Schaumstoff oder Airbags
- 7
- ebene Abflachungen vom Körper 1
- 8
- als Verzehrelemente gestalte Verbindungsstreben zum Fahrzeugrahmen
- 9
- Verbindungsblock für die formschlüssige Aufnahme von den Zapfen 2
- 10
- als Verzehrelemente gestalte Verbindungsstreben zum Fahrzeugrahmen
- 11
- ebene oder konkave rückwärtige Lötfläche
- 12
- symbolische Darstellung der Verbindungsstellen des Fahrzeugrahmens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014656 A1 [0002]
- CN 105730509 A [0002]
- WO 2015039670 A1 [0002]
- WO 2009040309 A1 [0002]
- EP 0952063 B1 [0002]
- DE 202016002793 [0005]
- DE 6980591 T2 [0005]
- DE 102014204271 A1 [0005]
- US 6623054 B1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 15227 [0002]
- Norm EN 15227 [0007]
- http://www.ds.mpg.de/131983/18/ [0019]
