DE3612176C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Biegeträger, insbesondere
für den Drehgestellrahmen eines Schienenfahrzeuges,
nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3.
Es sind Schienenfahrzeug-Drehgestellrahmen in Faserverbund
bauweise bekannt (DE-PS 29 52 182), bei denen die über
Querstreben miteinander verbundenen, die Radsätze lagernden
Längsträger neben der geforderten Tragfunktion auch die
Aufgabe der Primärfederung mitübernehmen und ein vorgege
benes Festigkeits- und sich in Längsrichtung änderndes,
von den relativ elastischen Längsträgerenden zur Träger
mitte hin zunehmend höhere Steifigkeitsverhalten und zu
gleich einen großen Torsionswidersand aufweisen müssen.
Bekannt sind weiterhin Biegefedern aus Faserverbund-Werk
stoff, die entweder aus einem unidirektionalen Faserstrang
mit in diese eingebetteten Fasereinlagen bestehen (DE-OS
31 19 856) oder mehrschichtig mit einem oberen und einem
unteren Unidirektional-Gurt und einer dazwischenliegenden
Faserverbund-Abstandsschicht ausgebildet sind, welche mit
seitlich vorstehenden Krafteinleitungs-Laschen versehen
ist (DE-PS 32 38 099). Derartige Biegefeldern sind natur
gemäß nicht als Biegeträger zu verwenden und haben im
Vergleich zu diesen ein, bezogen auf ihre Biege- und
Torsionssteifigkeit, sehr hohes Eigengewicht.
Ferner ist aus den EP-OSn 00 77 727 und 01 42 396 ein
Biegeträger bekannt, der ein an den Biegeträger-Endab
schnitten erhöhtes Steifigkeitsverhalten besitzt und auf
die eingangs genannte, im Oberbegriff der Ansprüche 1 bis
3 angegebene Art in der Weise ausgebildet ist, daß die
Faserverbund-Schubstege randseitig an den sich über die
gesamte Biegeträgerlänge erstreckenden, unidirektionalen
Fasersträngen enden und mit diesen über in Hohlkammern
eingesetzte, schaumstoffgefüllte Faserverbund-Wickelkästen
und über zusätzlich im Träger-Endbereich zwischen die
Schubstege an die durchlaufenden Faserstränge anlaminierte
Unidirektional-Faserlagen verkoppelt sind. Eine solche
Schubsteg-Anbindung durch gesonderte Wickelkästen und
ein die durchlaufenden Faserstränge örtlich aufdickendes
Zusatzlaminat im Trägerendbereich ist mit einem
erhöhten Fertigungs- und Gewichtsaufwand verbunden und
hat außerdem zur Folge, daß das für den Biegeträger der
beanspruchten Art im Endbereich geforderte, elastische
Biegeverhalten beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Biegeträger
der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf
faserverbundge
rechte Weise eine große Lastsicherheit und vor allem eine
hochgradig sichere Verbundwirkung im Schubsteg-Gurtbereich
gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Biegeträger durch die
jeweils in der kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bis 3 angegebenen Merkmale
gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Biegeträger wird aufgrund der
Einbeziehung der Schubstege in die durchlaufenden Faser
stränge eine sehr großflächige Direktverklebung der
Schubsteg-Anordnung mit den oberen und unteren unidirektionalen Fasersträngen
und eine wirksame Sicherung dieser Faser
stränge gegen ein Aufplatzen unter Last erzielt und
zugleich werden Delaminationserscheinungen, die an den
durch die Schubstege begrenzten, durchlaufenden Faser-
Teilsträngen durch eine Querschrumpfung der Harzmatrix
während des Härtungszyklus oder durch Querzugspannungen
auftreten können, dadurch wirksam unterbunden, daß ent
weder gemäß Anspruch 1 zwischen
diese Faser-Teilstränge und die randseitigen Schubsteg-
Seitenflächen eine querelastische Zwischenschicht in Form
eines Folienklebers eingelegt wird, durch die eine
schrumpfungs- oder lastbedingte Querkontraktion der
durchlaufenden Faser-Teilstränge ausgeglichen wird, oder gemäß Anspruch 2
in den Teilsträngen zwischen den Schubstegen die
zusätzlichen, der erwähnten Querkonstraktion der Ober- und
Untergurte entgegenwirkenden Gewebestreifen
angeordnet oder gemäß Anspruch 3
zum Querkontraktions-Ausgleich Längs
schlitze in den Schubsteg-Randbereichen ausgebildet
werden.
In weiterer Ausgestaltung wird gemäß den Ansprüchen 4 und
5
ein noch besserer
Schutz gegen querkontraktionsbedingte Delaminations
erscheinungen im Schubsteg-Gurtbereich erzielt, wobei in
dieser Hinsicht die im Anspruch 4 angegebene Kombination
aus querelastischem Folienkleber und querstabilisierenden
Gewebeeinlagen besonders bevorzugt wird.
Aus Gründen eines verbesserten Lastaufnahmeverhaltens
haben die Schubstege gemäß den Ansprüchen 6 und 7 vorzugs
weise einen quasiisotropen Faserlagenaufbau, d. h. sie
besitzen in allen Richtungen der jeweiligen Schubsteg-
Ebene annähernd gleiche Festigkeits- und Steifigkeits-
Eigenschaften.
Für eine besonders einfache und lastsichere Krafteinleitung
empfiehlt es sich gemäß Anspruch 8, die jeweiligen
Lastanschlußstellen des Biegeträgers zwischen den oberen
und unteren Fasersträngen an den Schubstegen in der Weise
auszubilden, daß die Schubstege örtlich durch an diesen
verklebte, die Hohlkammern durchsetzende Faserverbund-
Einsatzstücke verstärkt sind. Im Hinblick auf eine insbe
sondere für eine Schraubbolzenbefestigung ausreichend
verspannungssichere Ausbildung der Einsatzstücke haben
diese gemäß Anspruch 9 zweckmäßigerweise eine quer zur
Trägerlängsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Flächen
erstreckung der Schubstege verlaufende Faserorientierung.
Um dem Biegeträger auf sehr einfache gewichtssparende
Weise ein vorgegebenes, sich in Längsrichtung änderndes
Elastizitätsverhalten mit der geforderten, relativ hohen
Biegesteifigkeit im Bereich der Biegeträgermitte zu ver
leihen, besitzt die Steganordnung gemäß Anspruch 10 vorzugs
weise eine dementsprechend ungleichförmige, sich zu den
Biegeträgerenden hin verringernde Steghöhe, während die
oberen und unteren unidirektionalen Faserstränge eine
über die gesamte Biegeträgerlänge im wesentlichen kon
stante Querschnittskonfiguration aufweisen, so daß sich
ein in Biegeträger-Längsrichtung nahezu gleichförmiger
Biegespannungsverlauf ergibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
bestehen die Stützkörper gemäß Anspruch 11 aus
mit den Schubstegen direktverklebten
Schaumstoffteilen, wodurch der Biegeträger im Schub
stegbereich auf herstellungsmäßig einfache Weise nach
Art einer in Breitenrichtung des Biegeträgers vielfach
geschichteten Sandwichstruktur ausgebildet und das Last
aufnahmeverhalten des Biegeträgers ohne nennenswerte
Gewichtserhöhung deutlich verbessert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 Die Aufsicht eines Drehgestellrahmens in
Faserverbundbauweise;
Fig. 2 Die Seitenansicht eines Biegeträgers des
Drehgestellrahmens gemäß Fig. 1;
Fig. 3 Einen Schnitt des Biegeträgers längs der
Linie III-III der Fig. 2;
Fig. 4 Einen vergrößerten Teilschnitt der Fig. 3
im Bereich des oberen unidirektionalen
Faserstrangs;
Fig. 5 Einen Teilschnitt des Biegeträgers längs
der Linie V-V der Fig. 2;
Fig. 6 Einen Teilschnitt längs der Linie VI-VI
der Fig. 5.
Der in Fig. 1 gezeigte Drehgestellrahmen 2 aus Faserver
bundwerkstoff besteht aus zwei, durch Querträger 4 mit
einander verbundenen Biegeträgern 6, die an ihren Enden
die (nicht gezeigten) Radsatzachsen lagern und in der
Biegeträgermitte mit Lasteinleitungsstellen in Form von
Durchgangsbohrungen 8 (Fig. 2) versehen sind, an denen
die aus der Wagenkastenabstützung und -anlenkung resul
tierenden Lasten z. B. über ebenfalls nicht gezeigte
Metallbeschläge und Spannbolzen in den Biegeträger 6
eingeleitet werden. Von den Biegeträgern 6 wird neben der
Tragfunktion zusätzlich auch die Aufgabe der Primärfede
rung mitübernommen, d. h. sie müssen außer einem vorge
gebenen Festigkeits- auch ein definiertes Steifigkeits
verhalten besitzen, nämlich hochgradig torsionssteif und
in der Ebene des Drehgestellrahmens 2 biegesteif sein und
zugleich in Vertikalrichtung, als senkrecht zur Dreh
gestellebene, ein sich über die Länge des Biegeträgers 6
in vorgegebener Weise änderndes Elastizitätsverhalten
aufweisen, derart, daß sie an den Biegeträgerenden
relativ biegeelastisch, im Bereich der Biegeträgermitte
hingegen sehr biegesteif ausgebildet sind.
Um diesen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen auf
faserverbundgerechte, gewichtssparende Weise zu entsprechen,
haben die Biegeträger 6 den im einzelnen in den
Fig. 3-6 gezeigten Innenaufbau. Sie enthalten jeweils
einen Ober- und einen Untergurt in Form eines sich
mit konstantem Querschnitt und unidirektionaler Faser
orientierung über die gesamte Biegeträgerlänge erstreckenden
Faserstrangs 10 bzw. 12 sowie eine die Faserstränge 10, 12 auf
Abstand haltende Schubsteganordnung 14, die aus einer
Vielzahl von lamellenartig über die Breite des Biege
trägers 6 verteilten, aufrecht stehenden, durchgehend
zwischen den Biegeträgerenden verlaufenden, dünnwandigen einzelnen
Schubstegen 16 besteht, welche jeweils einen quasiiso
tropen Faserlagenaufbau, also etwa die in Fig. 4 in
Kreuzschraffur angedeutete 0°-, 90°-, und +45°-Faser
orientierung besitzen.
Entsprechend dem gewünschten Elastizitätsverhalten des
Biegeträgers 6 ändert sich die Höhe der Steganordnung 14
in Biegeträgerlängsrichtung, d. h. die Schubstege 16
haben eine sich zu den Biegeträgerenden hin verringernde
Steghöhe, wobei die oberen und unteren Randbereiche der
Schubstege 16 sich durch die unidirektionalen Faserstränge 10,
12 bis zum Gurtaußenrand erstrecken und mit diesen flächig
verklebt sind, um eine gute Verbindung der Schub
steg-Anordnung 14 zu den Fasersträngen 10, 12 und einen
wirksamen Schutz dieser Faserstränge 10, 12 gegen ein
Aufplatzen unter Last zu erreichen. Die von den Schubstegen 16
begrenzten Kammern 18 sind mit Schaumstoffteilen 20,
z. B. aus warmfesten Polyimid-Schaum, ausgefüllt.
Zur weiteren Erhöhung der Torsionssteifigkeit des Biege
trägers 6 sind die Faserstränge 10, 12 und die Schubsteg-
Anordnung 14 von einer auf die Biegeträger-Außenseite
aufgebrachten, torsionsversteifenden Faserverbund-Deckhaut
22 umschlossen, die aus einem oberen und einem unteren
U-förmigen Schalenteil 24, 26 und zwischen diesen einge
schäfteten, seitlichen Torsionshautteilen 28 besteht, in
welche die Fasern im Hinblick auf eine gezielte auf
Torsionsbeanspruchungen abgestimmte Verseifungswirkung
eine sich bezüglich der Biegeträger-Längsachse unter
±45° kreuzende Faserorientierung aufweisen, wie dies in
Fig. 4 wiederum durch die zugeordnete Kreuzschraffur
angedeutet ist.
Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, sind die Lasteinleitungs
bohrungen 8 an den Schubstegen 16 im Bereich der
Kammern 18 bzw. Schaumstoffteile 20 ausgebildet, wobei
zur örtlichen Verstärkung der Schubstege 16 Faserver
bund-Einsatzstücke 30 vorgesehen sind, die die Kammern
18 und Schaumstoffteile 20 durchsetzen und beidseitig
mit den zugeordneten Schubstegen 16 verklebt sind.
Der Lagenaufbau der Einsatzstücke 30 ist so gewählt, daß
sie Druckkräfte, die durch das Anschrauben der Lastein
leitungsbeschläge entstehen, aufnehmen. Zu diesem Zweck
haben die Einsatzstücke 30 die in Fig. 5 angedeutete,
senkrecht zur Flächenerstreckung der Schubstege 16 ver
laufende Faserorientierung.
Zur Herstellung des Biegeträgers 6 werden zunächst die
einzelnen Schaumstoffteile 20 auf Kontur beschnitten
und auf Dicke bearbeitet und dann an den Krafteinlei
tungsstellen mit Aussparungen versehen, in die die zuvor
ausgehärteten und auf die Dicke der einzelnen Schaum
stoffteile 20 zugeschnittenen Einsatzstücke 30 eingefügt
werden. Anschließend werden die ebenfalls bereits aus
gehärteten und zugeschnittenen Schubstege 16 mit den
Schaumstoffteilen 20 und den in diesen angeordneten
Einsatzstücken 30 verklebt. Der so entstehende Teilzusam
menbau ist nach Art einer vielschichtigen Sandwichstruktur
gegliedert und bildet den Faserverbundkern des Biege
trägers 6, wobei die oberen und unteren Biegeträger-Rand
bereiche frei über den Faserverbundkern vorstehen.
Zwischen die frei vorstehenden Schubsteg-Randbereiche
werden dann die oberen und unteren unidirektionalen Fa
serstränge 10, 12 in noch ungehärtetem Zustand eingelegt
und anschließend wird die Torsionshaut 22 aus ebenfalls
noch ungehärtetem Faserverbundwerkstoff aufgebracht. Nach
dem gleichzeitigen Aushärten der Faserstränge 10, 12 und
der Torsionshaut 22 werden die Lasteinleitungsstellen
verbohrt, und zwar exzentrisch zur Mittelachse der Ein
satzstücke 30, um diese während des Bohrvorganges gegen
ein Verdrehen zu sichern.
Gemäß Fig. 4 sind in die unidirektionalen, durchlaufenden
Faserstränge 10 (und auch 12) in regelmäßigen Abständen
zueinander parallele, sich über die gesamte Länge der
Faserstränge 10, 12 querverlaufend zwischen den Schubstegen
16 erstreckende Gewebestreifen 32 eingelegt, die
gemeinsam mit den Fasersträngen 10, 12 ausgehärtet werden
und deren Verstärkungsfasern hauptsächlich senkrecht zur
Flächenerstreckung der Schubstege 16 gerichtet sind, wie
dies durch die in dieser Richtung höhere Faserdichte der
zugeordneten Kreuzschraffur in Fig. 4 angedeutet ist.
Durch diese Gewebestreifen 32 wird die Schrumpfung der
Harzmatrix, welche während des Härtungszyklus in den
durchlaufenden Fasersträngen 10, 12
senkrecht zu den bereits zuvor gehärteten, durch
die Schaumstoffteile 20 und die Einsatzstücke 30 in
festem Abstand zueinander gehaltenen Schubstegen 16
auftritt, sowie eine Querkontraktion der Faserstränge 10,
12 unter Last wirksam behindert und eine gute, großflächige,
delaminationsfreie, schubfeste Verklebung der
Schubsteg-Randbereiche mit den angrenzenden, durchlaufenden
Faser-Teilsträngen garantiert. Aus dem gleichen
Grund kann wahlweise oder - vor allem bei größeren Schub
stegabständen - auch zusätzlich zwischen die Schubsteg-
Randbereiche und die angrenzenden Faser-Teilstränge ein
Folienkleber 34 (Fig. 4) beigelegt werden, der im Be
reich der Schubsteg-Faserstrangverklebung eine in Quer
richtung der Schubstege 16 elastische Zwischenschicht
bildet, durch querkontraktionsbedingte Ablöseer
scheinungen verhindert werden, und/oder die Schubstege 16
können an ihren über die Schaumstoffteile 20 vorstehenden
Randbereichen zum Ausgleich der erwähnten Querkon
traktionen durch mittige, sich einseitig zu Stegober-
bzw. -unterkante öffnende Längsschlitze 36 in Steg-
Dickenrichtung nachgiebig ausgebildet sein.
Claims (11)
1. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen
eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest
in der Biegeträgermitte relativ biegesteifen, an
den Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten
Faserverbundenstruktur mit einem oberen und einem
unteren, als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in
Trägerlängsrichtung unidirekionaler Faserichtung
ausgebildeten und sich über die gesamte Biegeträger
länge erstreckenden Faserstrang und mit einem zwischen
den Fasersträngen als Abstandhalter angeordneten
Faserverbundkern, der aus lammellenartig über die
Biegeträgerbreite verteilten
Faserverbund-Schubstegen mit einer zur
Trägerlängsrichtung geneigten Faserorientierung sowie
aus zwischen den Schubstegen
angeordneten Stützkörpern zusammengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schubstege (16) randseitig über die gesamte
Schubsteg-Länge in den oberen und den unteren Faser
strang (10, 12) derart eingebettet
sind, daß die Schubsteg-Randbereiche mit
den Fasersträngen (10, 12) durch eine in Querrichtung der
Schubstege (16) elastische Klebstoffverbindung in Form
eines Folienklebers (34) verbunden sind.
2. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen
eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest
in der Biegeträgermitte relativ biegesteifen, an
den Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten
Faserverbundstruktur mit einem oberen und einem
unteren, als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in Träger
längsrichtung unidirektionaler Faserrichtung ausgebildeten
und sich über die gesamte Biegeträgerlänge er
streckenden Faserstrang und mit einem zwischen den
Fasersträngen als Abstandshalter angeordneten Faserver
bundkern, der aus lammellenartig über die Biegeträger
breite verteilten
Faserver
bund-Schubstegen mit einer zur Trägerlängsrichtung
geneigten Faserorientierung sowie aus zwischen den
Schubstegen angeordneten Stütz
körpern zusammengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schubstege (16) randseitig über die gesamte Schub
steglänge in den oberen und den unteren Faserstrang
(10, 12) eingebettet sind und
daß in die Faserstränge (10, 12) jeweils zueinander parallele,
sich über die Länge der Faserstränge (10, 12) quer verlaufend
zwischen den Schubstegen (16) erstreckenden Gewebestreifen
(32) mit zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) im
wesentlichen senkrechter Faserorientierung eingelegt
sind.
3. Biegeträger, insbesondere für den Drehgestellrahmen
eines Schienenfahrzeuges, bestehend aus einer zumindest
in der Biegeträgermitte relativ biegestiefen, an den
Biegeträger-Endabschnitten elastisch ausgebildeten
Faserverbundstruktur mit einem oberen und einem unteren,
als Ober- bzw. Untergurt mit jeweils in Trägerlängs
richtung unidirektionaler Faserrichtung ausgebildeten
und sich über die gesamte Biegeträgerlänge er
streckenden Faserstrang und mit einem zwischen den
Fasersträngen als Abstandshalter angeordneten Faserver
bundkern, der aus lamellenartig über die Biegeträger
breite verteilten Faser
verbund-Schubstegen mit einer Trägerlängsrichtung
geneigten Faserorientierung sowie aus zwischen den
Schubstegen angeordneten Stützkörpern
zusammengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schubstege (16) randseitig über die gesamte Schubsteglänge
in den oberen und den unteren Faserstrang (10,
12) eingebettet sind und daß
die Schubsteg-Randbereiche durch in diese mittig einge
brachte, sich einseitig zur Stegober- bzw -unterkante
öffnende Längsschlitze (36) in Steg-Dickenrichtung
nachgiebig ausgebildet sind.
4. Biegeträger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
in die Faserstränge (10, 12) jeweils zueinander parallele,
sich über die Länge der Faserstränge (10, 12) querverlaufend
zwischen den Schubstegen (16) erstreckende Gewebestreifen
(32) mit zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) im
wesentlichen senkrechter Faserorientierung eingelegt
sind.
5. Biegeträger nach Anspruch 1, 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schub
steg-Randbereiche durch in diese mittig eingebrachte,
sich einseitig zur Stegober- bzw. -unterkante öffnende
Längsschlitze (36) in Steg-Dickenrichtung nachgiebig
ausgebildet sind.
6. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schubstege (16) eine sich kreuzende, quasiisotrope
Faserorientierung aufweisen.
7. Biegeträger nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserorientierung der Schubstege (16) bezüglich der
Trägerlängsrichtung 0°, 90° und +45° beträgt.
8. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest einige als Durchgangsbohrungen (2) ausgebildete Lastanschlußstellen des Biegeträgers
(6) zwischen dem oberen und dem unteren Faser
strang (10, 12) an den Schubstegen (16) ausgebildet
sind, wobei die Schubstege (16) örtlich durch stetig
verklebte Faserver
bund-Einsatzstücke (30) verstärkt sind.
9. Biegeträger nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einsatzstücke (30) eine im wesentlichen senkrecht
zur Flächenerstreckung der Schubstege (16) verlaufende
Faserorientierung aufweisen.
10. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schubstege (16)
zur
Biegeträgermitte hin zunehmende Steghöhe besitzen.
11. Biegeträger nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützkörper durch
Schaumstoffteile (20) gebildet sind.
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