DE3936645A1 - Schienenfahrzeugkopf mit minimiertem seiten-luftschwall - Google Patents

Description

Situation. Mit höher werdenden Fahrzeuggeschwindig­ keiten von Rad/Schienen-Fahrzeugen mit Magnetschie­ nenschwebebahnen ergeben sich Schwierigkeiten durch den am Fahrzeugkopf auftretenden Luftdruckschwall und -Sog. Dieser belastet besonders mit seinen seit­ lichen Komponenten die Fahrzeugseitenwände und die an der Strecke stehenden Bauten, Brückenpfeiler, Personen, sowie die Fahrzeuge selbst - besonders bei Begegnung zweier Züge - mit gefährlichen Kräften. Der seitliche Luftschwall trägt auch zur seitlichen Ausbreitung der Fahrgeräusche bei.

Erhebliche Kosten für Verstärkung der Fahrzeuge und der Streckenbauten, größere Gleisabstände und damit höherer Landverbrauch für die breite Trasse sind die Folge.

Zweck der Erfindung ist, den Seitenschwall zu minimieren und damit gleichzeitig den seitwärts ge­ richteten Schall zu mindern.

Stand der Technik und Vorschläge ist, z. B. die Front von Lok oder Triebköpfen etc. mit mäßi­ gen oder stärkeren Abschrägungen oder Rundungen nach allen Seiten zu versehen. Auch Flugzeugnasen­ form ähnliche Ausbildung des Kopfes ist im Trend. Auch nach oben führende Luftleitrippen, fest oder einziehbar auf konventionellen Formen von Wagen­ kästen werden vorgeschlagen. Diese Maßnahmen genü­ gen nicht um den Seitenschwall ausreichend zu min­ dern. Zum Teil wird bei diesen Bugformen der Seiten­ schwall noch begünstigt, besonders durch seitliche Abrundungen oder Anschrägungen. Parallel zur Lok­ front verlaufende Rippen bringen im oberen Teil eine zu geringe Tiefe für die Aufnahme des Luft­ staues und der Abströmung und damit energiezehrende Wirbel und Geräusche.

Um das Ziel eines praktisch auf Null gebrachten Seitenschwalles zu erreichen, muß der Zugkopf oder die Lokfront erfindungsgemäß im Ganzen für die aero­ dynamischen Bedingungen bei Hochgeschwindigkeit ge­ formt werden.

Erfindungsgemäß werden Bugformen mit seitlichen Abrundungen und Anschrägungen vermieden. Ausnahmen sind möglich unter Verlust eines Teiles des ange­ strebtes Effekts, wenn z. B. bei längeren Fahrzeugen für das Befahren von Kurven eine Anschrägung der Wagenkasten-Enden wegen Eingrenzung durch das Licht­ raumprofil nötig ist. Ausnahmen können auch eintre­ ten z. B. bei nachträglichem Anbau der erfindungsge­ mäßen Bauteile an vorhandene Fahrzeuge.

Erfindungsgemäß wird das Ziel erreicht

• a) für Rad/Schiene-Fahrzeuge
• b) für Magnet-Schwebezüge

mit im Prinzip gleichen, aber in wenigen Details abweichenden Mitteln mit Rücksicht auf die unter­ schiedlichen Bedingungen für

• a) Unterstützung des Raddrucks und Verminderung der Abhebetendenzen
• b) Unterstützung des Hebe-Effektes und somit Entlastung der Tragemagneten.

Es wird jedoch nicht ausgeschlossen, daß für Schwe­ befahrzeuge als typisch zweckmäßig vorgeschlagene Frontformen auch in Rad/Schiene-Fahrzeugen zur An­ wendung kommen. Dies z. B. dann, wenn durch das Ei­ gengewicht des Fahrzeugs schon ausreichende Rad­ drücke erzielt werden.

Erfindungsgemäß zeigt die Gestaltung der Lokvorder und -Rückfront oder des Zugkopfes (Bild 1) im Prin­ zip ein kastenförmiges oder ringförmiges Einström­ teil (1) für den Fahrtwind. Die Vorderkanten (An­ strömkanten) des Kastens werden so ausgebildet, daß bei Fahrt ein herausschälen eines etwa dem Fahr­ zeug-Querschnitt entsprechenden Luftstranges aus der vor dem Zug anstehenden, noch runden Luftmas­ se erfolgt. Der Staudruck entwickelt sich ganz bzw. im wesentlichen erst im Inneren des Einströmteiles. Bild 1 ist die Prinzipdarstellung für Fall a), Rad/ Schiene, wobei die konkave Form der Luft-Aufgleit­ fläche (3) typisch ist. Im Einströmteil wird die Luft durch die anfangs noch waagerechte oder mit ge­ ringer Steigung angeordnete, im Längsschnitt kon­ kave Aufgleitfläche (3) geführt und mit derer zu­ nehmenden Steigung nach oben beschleunigt. Die Re­ aktionskraft (K 1) wirkt über den Hebelarm (L 1) auf den Drehzapfen und erhöht den Raddruck. Bild 2. Es entspräche auch dem erfindungsgemäßen Prinzip, wenn statt der konkaven Form von (3) eine plan ge­ streckte schräge Fläche angeordnet würde. Diese Form hat jedoch aerodynamische Nachteile, z. B. Energieverluste durch den Stoß-Effekt an Stelle der Umlenkung.

Im oberen Teil ist die Wölbung der Aufgleitfläche (3) konvex gestaltet und der Dachform des Wagenka­ stens angepaßt, so daß die Luft durch den Ausschnitt A in der Dachpartie glatt nach oben hin abströ­ men kann. Erfindungsgemäß können die Seiten- Wände (2) des Einlaufteiles vom Bereich der Dach­ fläche (5) an über die Dachkante nach oben im licht­ profilmäßig verfügbaren Raum weitergeführt und als Nachschalt-Leitflächen (4) auch zur seitlichen Eingrenzung der oben abströmenden Luft wirksam wer­ den.

Erfindungsgemäß kann die Dachpartie (5) des Ein­ strömteiles, wie im Prinzipbild 1 darstellt, eine Planfläche sein, die waagerecht oder schräg aufwärts angestellt ist. Vorteilhafter ist eine erfindungs­ gemäß strömungsprofilierte Dachfläche (7) Bild 2, deren Anstellung nach oben mit der Druckfläche (konkav) nach oben, Unterdruckfläche (konvex) unten eine Kraft (K 2) bewirkt, die über den Hebelarm (L 2) zu­ sätzlich den Raddruck verstärkt. Durch die Profilie­ rung der Fläche (7) werden die Strömungsverhält­ nisse gebessert und der Fahrtwiderstand gemindert. Erfindungsgemäß kann die Anstellung der Fläche (7) von Hand oder automatisch der Fahrgeschwindigkeit angepaßt und optimiert werden.

Die Gestaltung der Anströmkanten (2 a) der Seitenwän­ de kann erfindungsgemäß ausgerichtet sein auf ge­ ringen Luftwiderstand und größten einseitigen, nach Innen gerichteten Schäleffekt für die relativ anströmende Luft. Bild 3 zeigt den waagerechten Schnitt einer Seitenwand Vorderkante in Form eines symmetrischen Strömungsprofiles, vorzugsweise einer Parabel, deren Schenkel zügig an die vorzugsweise parallel verlaufenden Oberflächen der Seitenwand angeschlossen werden. Entsprechend wird die vor der Kante anstehende Luft etwa hälftig nach innen und außen verteilt. Da erfindungsgemäß die Seitenwand aus konstruktiven Gründen nicht nur als massive Platte, sondern auch aus einem hohl gebauten doppel­ wandigen System mit entsprechend größerer Gesamt­ wandstärke bestehen kann, ist die Menge des nach außen abgeleiteten noch erheblich. Soll dieser Rest-Seitenschwall noch abgebaut werden, so ist er­ findungsgemäß die Anströmkante einseitig auszubil­ den nach Bild 4, vorzugsweise mit Abrundung in Form einer halben Parabel. Einen noch vollkommeneren Trenn-Effekt ergibt die erfindungsgemäße Ausrüstung nach Bild 5 mit einer dünnen Trennfläche (Schälsteg) an der Außenseite vorn, die ein Teilabfließen des Druckstaues nach außen praktisch ganz unterbindet.

Soll die höhere Wandstärke von (2) nicht bis mög­ lichst weit nach vorn hin ausgesetzt werden, z. B. für Jalousie-Einbau, und soll auf höchste Windwider­ standsminderung verzichtet werden, so kann erfin­ dungsgemäß die Anschnittkante auch konkave Formen nach Bild 6 haben.

Das untere Querstück des Einströmteils bei Lokomo­ tiven ist vorzugsweise mit dem Pufferrahmen oder dem Waggon-Grundrahmen gemeinsam zu formen. Hierbei kann die Aufgleitfläche (3) nach Bild 7 im Längsschnitt gezeigt, den vorderen Rahmenholm (10) umfassen oder die Vorderseite des Holmes profilgemäß ausgebildet werden. Das Teil der luftstromleitenden unteren Fläche (3 u) kann unmittelbar unter dem Pufferrahmen oder tiefer weitergeführt werden, wie andere Bautei­ le, z. B. Schneefänger, Drehgestell etc. das zulassen.

Erfindungsgemäß kann die Anströmkante des unteren Querstücks sinngemäß auch geformt werden in der Art wie in Bild 3 bis 6 dargestellt.

Die Puffer sind, falls vorhanden, in ihrer traditio­ nellen Form in diesem Windleitsystem Störkörper. Um die Störung klein zu halten, werden die Puffer - vorzugsweise mit oben und unten abgeflachter Schei­ be - erfindungsgemäß mit einer Windhülse (11) ver­ sehen, die an den Umriß der Scheibe angepaßt und verbunden ist und freigängig in eine formentspre­ chende Öffnung der Nase von (3) hineinragt. Bild 8.

Für Fahrzeuge mit wechselnder Fahrtrichtung ent­ steht durch die dargestellten Ausführungen der Front­ partien auch eine unterschiedliche Raddruck-Belastung der Enden. Die an der Vorderfront erfindungsgemäß aerodynamisch bedingte Erhöhung der Radlast fehlt an der Rückfront. Eine derart ungleiche Verteilung der Radlast ist von Nachteil besonders dann, wenn die Friktion Rad/Schiene bis an ihre Grenzwerte für den Vortrieb ausgenutzt werden soll.

Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil weitgehend be­ hoben durch Verstellung der jeweils an der Rückfront befindlichen Fläche (7) derart, daß die Anstellung zu einem Spoiler-Effekt durch hochtreiben des Luft- Abstromes führt, Bild 9. Die Reaktionskraft wirkt raddrucksteigernd über den Hebelarm (L 2) analog Bild 3.

Die Fläche (7) kann erfindungsgemäß von den Außenkanten der Seitenflächen weg mehr im Inneren des Einströmteiles angeordnet werden. Bei solchen Positionen ergeben sich allseitige Überstände der Seitenwände an den Enden von (7), so daß Umströ­ mungen nach außen und somit induzierter Luft­ widerstand vermieden wird. Bild 2 und 12. In einer extrem inneren Position von (7) wird die energie­ sparende Wirkung eines Vorflügels erzielt, wie aus dem Flugzeugbau bekannt.

Die erfindungsgemäße Verstellbarkeit der Fläche (7) dient sowohl der Umstellung vorwärts/rückwärts als auch der optimalen Anstellung passend zur Ge­ schwindigkeit. Erfindungsgemäß wird die Verstellung bewirkt durch einen Stellmotor (25), Bild 11, der über ein Getriebe, z. B. Schneckentrieb (26), den Anstellwinkel von (7) einstellt. Der Stellmotor wird gesteuert abhängig von Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder der strömenden Luft oder Vor/Zurück- Befehl. Für Rangierfahrt erfolgt Blockierung.

Der Luftkanal zwischen Fläche (7) und dem Wagen­ kastendach kann erfindungsgemäß durch eine aus der Fläche (7) herausziehbare Anschlußflosse (15) - ähnlich bekannt bei Flugzeugflügeln als Landeklappe - überbrückt werden. Ist aus konstruktiven Gründen die Flosse (15) nicht lang genug machbar, so wird erfin­ dungsgemäß aus dem Wagendach heraus eine Anschluß­ platte (16) ausziehbar angeordnet, die mit der Flosse (15) oder der Fläche (7) direkt, Bild 10, formschlüs­ sig verbunden wird.

Für Fall b), Magnetschwebebahn, zeigt Bild 12 das Prinzip. Der Unterschied zu Rad/Schiene liegt in der Luftführung. Diese ist erfindungsgemäß so zu gestalten, daß an den Stirnwand-Elementen Aufgleit­ fläche (23 m) und (23 s) und der strömungsprofilierten Fläche (7) die Unterdruck erzeugenden konvexen Flächen nach oben liegen, an Fläche (7) die vorzugs­ weise konkave Druckfläche nach unten. In der Luft­ beschelunigungszone (L) mit der gesamten Fahrzeugbrei­ te, und in der Kompressionszone (K), die sich nur auf den entsprechend der Spurweite breiten Mittelteil (23 m) erstreckt, und zum Teil an den beiden seitlich neben dem Gleiskörper herabragenden, die Aggregate­ gehäuse abdeckenden Aufgleitflächen (23 s) entwickeln sich formbedingt Auftriebskräfte, die die Tragema­ gnete entlasten. Auch die Fläche (7) wirkt bei ent­ sprechender Anstellung auftreibend. Ebenso wirkt die in den Kompressionsraum einströmende Luft als Schmierkeil zwischen Gleiskörper und dem unteren Teil von (23 m) auftreibend.

Die Seitenwände (2) können an den Vorderkanten von der Senkrechten abweichend nach hinten - wie dargestellt - oder nach vorn gezogen sein, z. B. um die Fläche (7) weiter nach vorn rücken zu können. Sie gehen im Bereich der Fläche (7) vorzugsweise in die Dachkantenlinie über. Wie bei a) kann auch eine Höherführung der Seitenwände in die Nach­ schaltleitfläche (4) erfolgen, sofern das Lichtpro­ fil Platz bietet.

Die Luftströmung über den Aufgleitflächen (23 m) und (23 s) wird erfindungsgemäß durch Anordnung zweier innerer Trennflächen (2 i) mindestens so lange getrennt geführt, bis im oberen Teil die 3 Aufgleit­ flächen ein gemeinsames Profil bilden, z. B. bis zum Punkt (B). Die Trennflächen (2 i) sind zur Verdeutli­ chung gestrichelt eingezeichnet.

Die inneren Trennflächen verhindern eine energie­ zehrende Verwirbelung der 3 Luftströme im unteren Bereich zwischen den seitlichen Aufströmbereichen und am Anfangsteil von (23 m) und dem Kompressions­ raum (K). Die inneren Trennflächen werden zweckmä­ ßig am Kompressionsraum entlang weiter nach hinten geführt, wie andere Bauteile es zulassen.

Die unteren Anfangsteile der Aufströmflächen (23 s) entwickeln wegen ihres noch relativ steilen Anstie­ ges die Neigung, zunächst einen kräftigen Luftstau anzusetzen. Erfindungsgemäß wird dieser Stau gemin­ dert durch Anordnung einer waagerechten Anströmkante z. B. nach Bild 13 Teil (24). Diese geht mit einem relativ kurzen Bogen (25) in das Teil (23 s) über, so daß sich nur eine kurzer Stau vor dem Anström- Halbprofil bildet, der von dem Schälsteg aufgefan­ gen wird. Nach Umlenkung der unten anströmenden, relativ geringen Luftmasse wird an (23 s) eine för­ derliche Aufwärtsströmung erreicht.

Für Betrieb mit wechselnder Fahrtrichtung ergibt sich für das Heckteil durch die erfindungsgemäße Umschwenkbarkeit der Fläche (7) - wie bei a) - die Möglichkeit, den Anstellwinkel für (7) in Heckpo­ sition so neutral zu wählen, daß nur der geringste Widerstand entsteht, oder durch eine gewisse Anstel­ lung eine nützliche Auftriebskraft zu erhalten.

Bei den üblichen, lichtraumprofil-abhängigen Querschnittsformen der Wagenkästen ist damit zu rechnen, daß die Fläche (7) nicht zwischen zwei parallelen Seitenwänden, sondern im abgeschrägten oder abgerundeten Wandbereich liegt. Dadurch ent­ steht neben der rechtwinklig endenden Fläche (7) ein etwa dreieckiger Spalt zwischen den Enden von (7) und den Seitenwänden (2). Dieses Dreieck ändert seine Form mit dem Anstellwinkel von (7). Zur Ver­ meidung dieses schädlichen Spaltes wird erfindungs­ gemäß an den Seitenwänden innen im Bereich von (7) eine erhöhte Wange (8) angebracht, die parallel zu den Endflächen von (7) steht und die mit strömungs­ gerecht verlaufenden Übergängen an die Seitenwand (2) anschließt. Bild 15.

Eine Wange (8) bietet, evtl. zusammen mit der hohlen Seitenwand (2), Platz für Einbau des Stell- Antriebes für (7), Teil (25) und (26).

Bekanntes Patent: DE 29 10 584 (Nov. 84)

Claims (16)

1. Schienenfahrzeugkopf an einem Wagenkasten, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wagenkasten ein kastenrahmen- oder ringförmiges Einströmteil angeordnet ist, dessen Querschnittsform im wesent­ lichen dem Wagenkastenquerschnitt entspricht, und dessen Bodenteil konkav in die Front des Wagenka­ stens übergeht und weitergehend konvex in das Wagen­ kastendach einmündet, und dessen Seitenwände im vorderen Bereich mit einer kurzen Dachfläche ver­ bunden sind, zwischen deren Hinterkante und dem Wagenkastendach ein Abstand besteht.

2. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen nach oben über die Dachkantenlinie hinaus im Bereich des Lichtraumprofiles höhergezogen sind (4).

3. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 1 und 2, dessen Dachfläche einen strömungsprofilierten Quer­ schnitt nach Art eines Tragflügels aufweist. Bild 2 und 12, Fläche (7).

4. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (7) mit Ab­ stand hinter der Vorderkante und unter der Ober­ kante der Seitenwände angeordnet ist.

5. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (7) um eine waagerechte Querachse drehbar gelagert ist und über einen Stell- Antrieb über 360 Grad in jede Winkelstellung dreh­ bar ist.

6. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 5, dessen vordere Seitenkanten (2 a) und untere Querstück- Frontkante - Anströmkanten - im Querschnitt vorzugs­ weise eine konvexe Form aufweisen.

7. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 5, dessen Anströmkanten alle oder teilweise eine relativ dünne, einseitig nach vorn vorstehende Rippe - Schälsteg - aufweisen.

8. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Hinterkante der Fläche (7) eine Verlängerungsflosse (15) ausziehbar angeordnet ist. Bild 10.

9. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Wagendach herausschiebbar eine Anschlußplatte (16) angeordnet ist, die bis an die Hinterkante von (15) oder der Fläche (7) verschiebbar ist.

10. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 1 . . . 9, dessen die Rückseite des Einströmteils darstellenden Frontflächen des Wagenkastens konvexe Formen aufwei­ sen. Bild 12.

11. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 10, dessen konvexe Einströmteil-Rückseite im unteren Teil in Längsrichtung aufgeteilt ist in den Mittelteil (23 m) dessen Oberfläche nach unten hin über den Gleis­ körper zurückverläuft, und 2 Seitenteile (23 s), die bis unter den Gleiskörper hinabragen und vom (23 m) durch 2 innere, parallel zur Längsmitte stehende, vertikale Trennflächen (2 i) getrennt sind, und daß diese Trennflächen auch den Kompressionsraum (K) seit­ lich eingrenzen.

12. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 11, dessen seitliche Frontflächen (23 s) an der Unterkante eine waagerechte Anströmkante haben, deren Oberfläche in einem relativ kurzen Konkavbogen in die Konvexfläche von (23 s) übergeht. Bild 13.

13. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 6, der bei den Puffern 2 formpassende Ausschnitte in der unteren Anströmkante hat, in die die an die Außen­ kontur der Pufferscheiben angesetzten Windleithülsen freigängig hineinragen.

14. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 1 und 10, dessen gekrümmte Flächen die Form von Profilzylin­ dern oder Profilzylinder-Flächenteilen haben.

15. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 3 und 10, dessen gekrümmte, luftführende, feststehende Flä­ chen nach Parabelgesetzen gekrümmt sind.

16. Schienenfahrzeugkopf nach Anspruch 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (7) mit Wan­ gen (8) und Antrieb entfallen.