DE4422579A1 - Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge - Google Patents
Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für SchienenfahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für
Schienenfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Schienentriebfahrzeugen dienen Zug-Druck-Stangen z. B. zur Anlenkung des
Drehgestells am drehzapfenlosen Wagenkasten des Schienentriebfahrzeugs zwecks
Übertragung der im Fahrbetrieb auftretenden Zug- und Bremskräfte.
Derartige Zug-Druck-Stangen müssen sehr hohen Belastungen infolge Zug- und
Bremskräften, kurzzeitigen statischen und dynamischen Belastungen des Drehgestells
bis zu 5g ohne Schädigung standhalten. Im Fahrbetrieb ist die Zug-Druck-Stange beim
Durchfahren von Bögen, beim Befahren von Ablaufbergen sowie durch Nicken und
Wanken des Drehgestells radialen und kardanischen Auslenkungen zwischen
Drehgestell und Wagenkasten ausgesetzt, denen durch endseitige
Gelenkverbindungen der Zug-Druck-Stange Rechnung getragen wird.
Es ist bekannt, derartige Zug-Druck-Stangen überwiegend aus metallischen
Werkstoffen zu gestalten (DE 29 29 927 C2). In einer häufig verwendeten Bauform
trägt eine Verbindungsstange an ihren Enden angeflanschte Gelenkbauteile. Diese
Gelenkbauteile umgreifen paßgerecht an Bauteilen des Wagenkastens sowie am
Drehgestell befestigte, z. B. aus Stahlguß gefertigte Führungszapfen und sind mit
diesen über ein Gelenklager verbunden. Um bei Anfahr- und Bremsvorgängen
Kraftstöße zwischen Drehgestell und Wagenkasten zu verringern, muß die Anlenkung
durch eine elastische Verbindung erfolgen: Da die Verbindungsstange selbst starr ist,
wird häufig das Gelenklager als ein außen und innen mit je einer Führungshülse
zusammenvulkanisiertes Elastomerteil gestaltet.
Ein Problem dieser Lösung besteht darin, daß bei Leistungserhöhung des Schienen
triebfahrzeugs notwendige festigkeits- und stabilitätssteigernde Maßnahmen an den
Zug-Druck-Stangen zur Masseerhöhung führen, was die Gesamtmassebilanz des
Fahrzeugs negativ beeinflußt. Wünschenswert dagegen ist sogar, die Masse nach
Möglichkeit zu reduzieren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß für die Dimensio
nierung einer solchen verstärkten Zug-Druck-Stange und deren Einbau nur eine sehr
begrenzte Einbauhöhe zur Verfügung steht. Weiterhin ist von Nachteil, daß die mit
definierter Elastizität ausgestatteten Elastomerteile der üblichen Gelenke durch
Umwelteinflüsse, Öl, Reinigungsmittel und Oxidation ihre Eigenschaften verändern.
Andere standfeste Gelenkbauteile, wie z. B. Radiallager, sind nicht einsetzbar, da sie in
unvorteilhafter Weise die Elastizität der Verbindung zwischen Drehgestell und
Wagenkasten reduzieren. Eine hohe Elastizität dieser Anlenkung zwischen
Wagenkasten und Drehgestell ist jedoch wünschenswert, da damit die Anregung von
Biegeschwingungen im Wagenkasten vermindert werden kann, die daraus
resultierenden Vertikalbeschleunigungen und die dynamische Belastung der Bauteile
im Wagenkasten reduzierbar ist sowie der Fahrkomfort auf dem Führerstand erhöht
werden kann.
Lösungsansatz für diese Probleme ist der Versuch, eine Zug-Druck-Stange aus
Faserverbundwerkstoffen zu gestalten.
In der DE 29 51 111 A1 ist ein Verbundbauteil als Pleuel für Brennkraftmaschinen
beschrieben, bei dem ein Pleuelschaft zwischen zwei Lageraugen angeordnet ist. Um
diese Anordnung ist ein Gurt aus kunstharzgetränkten Fasersträngen gelegt. Der
Pleuelschaft besteht aus zwei mit dem Rücken zueinander liegenden U-Profile, die aus
faserverstärktem Kunststoff gepreßt sind und in die längs je ein Kern aus dem gleichen
Werkstoff eingelegt ist. Die gesamte Anordnung wird von senkrecht zur Längsachse
aufgewickelten kunstharzgetränkten Faserlagen umschlossen. Bei diesem
Schaftaufbau dienen die Kerne zur Aufnahme der Druckbelastungen, der Gurt zur
Aufnahme der Zugkräfte und die U-Profile zusammen mit der quer aufgebrachten
Wicklung als Schubverbund für die Aufnahme der Biegebelastung des Pleuels. Als
Fasern sollen wegen ihrer Festigkeit und des Elastizitätsmoduls insbesondere
Kohlenstoffasern, aber auch Glas oder Kunststoff verwendet werden.
Die Einleitung der Kräfte und die Beanspruchungsbedingungen für ein Pleuel einer
Kraftmaschine weichen jedoch erheblich von dem beschriebenen Einsatzfall einer
Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge ab, so daß eine einfache Übernahme des
Aufbaus und Höherdimensionierung dieses bekannten Verbundbauteils nicht in
Betracht kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktionslösung für ein Verbundbauteil der
eingangs genannten Art vorzulegen, mit dem die Anforderungen für eine Zug-Druck-
Stange, die Zug- und Bremskräfte zwischen dem Drehgestell eines
Schienentriebfahrzeugs und seinem Wagenkasten übertragen kann und eine definierte
Elastizität aufweist, erfüllt werden und das mit einem einfachen Verfahren herstellbar
ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1
herausgestellten Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens
sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und nachstehend
im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 die Draufsicht und ein teilweises Schnittbild eines Verbundbauteils,
Fig. 2 ein Schnittbild der Seitenansicht des Verbundbauteils nach Fig. 1 und
Fig. 3 zum Vergleich eine Zug-Druck-Stange herkömmlicher Bauweise sowie die
Einbaulage einer Zug-Druck-Stange im Schienentriebfahrzeug.
Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
aufgebauten Verbundbauteils nimmt ein stabförmiges Strukturelement 7 die von den
Anschlußelementen 8 aus Drehgestellrahmen 1 und Wagenkastenquerträger 2
abgeleiteten Druckkräfte auf und eine das gesamte Verbundbauteil 6 umschlingende
Faserverbundwicklung 12 die Zugkräfte.
Am Strukturelement 7 sind stirnseitig metallische Anschlußelemente 8 mit gerundetem
Kopf angeordnet, die über ein Krafteinleitungsauge 9 zur nachträglichen Aufnahme
von Gelenkbauteilen verfügen. Diese Konstruktion ermöglicht, die
Krafteinleitungsaugen sicher in einer Montage- und Wickeleinrichtung einzuspannen
und ihren axialen Abstand voneinander präzise zu kalibrieren.
Das stabförmige, die Druckkräfte von den Anschlußelementen 8 aufnehmende
Strukturelement 7 wird aus einer Sandwich-Struktur gebildet, die aus einem Kern 13
und zwei schubsteifen Häuten 14 zusammengefügt ist. Der Kern 13 mit rechteckigem
Querschnitt besteht gemäß Ausführungsbeispiel aus Hartschaum. Die in ihrer
Längsrichtung drucksteifen Häute 14 sind aus in einer ausgehärteten Kunstharzmatrix
eingebetteten achsparallel unidirektionalen Glasfasern hergestellt und unter Druck auf
zwei gegenüberliegenden Längsseiten des Kerns 13 aufgeklebt. Diese Häute 14
können aus Vormaterial zugeschnitten oder aus Prepregs gelegt, im Autoklaven
konsolidiert und verfestigt und dann zugeschnitten sein.
Die Einleitung der Druckkräfte in das Verbundbauteil 6 erfolgt über die senkrecht zu
seiner Längsachse angeordneten Berührungsflächen zwischen dem Kern 13 und den
in Längsrichtung drucksteifen Häuten 14 mit den Anschlußelementen 8. Um die
Knickgefahr zu verringern, sind die Häute 14 im Krafteinleitungsbereich durch eine U-förmige
Stütznut 11 der Anschlußelemente 8 zweiseitig formschlüssig umfaßt und
damit gegen Ausknicken gestützt.
Der Kern 13 kann je nach Beanspruchungsbedingungen auch aus anderen
Materialien, wie sie beispielhaft in Anspruch 2 genannt sind, bestehen.
Das Gebilde aus stabförmigem Strukturelement 7 und endseitigen Anschlußelemente
8 ist in axialer Richtung von einer Faserverbundwicklung 12 aus einer definierten
Anzahl harzimprägnierter Glasrovingfäden umschlungen, die entlang den nicht die
schubsteifen Häute 14 tragenden Längsseiten des Kerns 13 verlaufen und die nach
dem Umwickeln seitlich auf den Kern 13 kalt aufgepreßt, gehärtet und dann unter
Wärmeeinwirkung getempert wurden. Diese Faserverbundwicklung nimmt die in die
Zug-Druck-Stange 4 eingeleiteten Zugkräfte auf. Die Anzahl der Umschlingungen der
Glasrovingfäden bestimmt sich aus der höchsten aufzunehmenden
Zugbeanspruchung; die Vorspannung beim Wickeln ist so gewählt, daß die
Glasrovingfäden selbst bei größter Druckbeanspruchung der Zug-Druck-Stange 4 und
höchster Wärmedehnung innerhalb der Faserverbundwicklung 12 auf Zug
beansprucht bleiben.
Damit die Windungen der Faserverbundwicklung bei der Herstellung wie auch unter
Belastung nicht seitlich vom Kopf der Anschlußelemente 8 herabgleiten oder kriechen,
sind diese an den Rändern mit einer seitlichen Schulter 10 versehen.
Zur weiteren Massereduzierung bei gleicher Stabilität sind sowohl für die Häute 14 als
auch für die Faserverbundwicklung 12 anstelle von Glasfasern Materialien wie
Kohlenstoff- oder Aramidfasern (einzeln oder im Hybridverbund, uni- oder
multidirektional) einsetzbar. Anstelle einer Kunstharzmatrix kann auch
thermoplastisches Matrixmaterial verwendet werden.
Wenn das Verbundbauteil 6 als Zug-Druck-Stange 4 zur Anlenkung an
Führungszapfen 3 in seinen Gelenken 6 mit Gelenkbauteilen herkömmlicher, eingangs
beschriebener Bauweise ausgestattet würde, müßte die Dimensionierung des
stabförmigen Strukturelements 7 und der Faserverbundwicklung 12 berücksichtigen,
daß bei kardanischer Auslenkung zwischen Drehgestellrahmen 1 und
Wagenkastenquerträger 2 die in den Gelenken 5 eingesetzten Elastomerbauteile
verformt würden und daraus eine Drehmomentenbeanspruchung resultierte, die die
Zug-Druck-Stange 4 zu verdrehen und/oder zu verbiegen suchte.
Die dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil eigene Längselastizität erlaubt es
jedoch, in dem Krafteinleitungsauge 9 des Anschlußelements 8 Radialgelenklager
anzuordnen, so daß eine nahezu momentenfreie, nur aus Axialkräften bestehende
Beanspruchung des Verbundbauteils 6 erreicht und eine hinsichtlich Raumbedarf und
Masse optimale Dimensionierung des Verbundbauteils realisiert werden kann, wobei
die wartungsfreien Radialgelenklager nicht den Eigenschaftsveränderungen durch
Verschmutzung und Beanspruchung wie die Elastomerteile herkömmlicher Lager
unterliegen.
Untersuchungen haben bestätigt, daß die dem Verbundbauteil 6 eigene
Längselastizität spürbaren Einfluß auf die Veränderung des Schwingungs- und
Fahrverhaltens eines Schienentriebfahrzeugs hat: Die gegenüber herkömmlichen Zug-
Druck-Stangen aus metallischen Werkstoffen wesentlich verringerte Steifigkeit des
Verbundbauteils 6 reduziert die im Wagenkasten des Schienentriebfahrzeugs
angeregten Biegeschwingungen derart, daß die im Wagenkasten wirkenden
Vertikalbeschleunigungen vermindert werden, auf die im Wagenkasten
untergebrachten Baugruppen und Bauteile geringere dynamische Belastungen wirken
und der Fahrkomfort auf dem Führerstand des Schienentriebfahrzeugs deutlich
verbessert wird.
Es kann bei bestimmten Einsatzfällen zweckmäßig sein, die Schubsteifigkeit des
Verbundbauteils 6 zu erhöhen, indem zumindest über einen Teil der Länge des
stabförmigen Strukturelements 7 eine zusätzliche (in den Zeichnungen nicht
dargestellte) Umhüllung aufgebracht wird. Diese Umhüllung kann z. B. aus einem
harzgetränkten Gewebeschlauch oder einer (an sich bekannten) senkrecht zur
Längsachse aufgebrachten Umwicklung aus harzgetränkten Verstärkungsfasern
bestehen, die anschließend gepreßt und ausgehärtet werden. Zum Schutz vor
Umwelteinflüssen und mechanischer Beschädigung kann es erforderlich sein, daß auf
dem Verbundbauteil 6 eine zusätzliche Umhüllung oder Beschichtung (z. B. aus einem
hochdämpfenden Elastomer; in den Zeichnungen nicht dargestellt) aufgebracht ist. Zur
Verbesserung des Brandverhaltens ist es zweckmäßig, daß die Umhüllung oder
Beschichtung mit geeigneten flammwidrigen Harzsystemen, vorzugsweise Phenolharz,
getränkt ist.
Der Einsatz eines Verbundbauteils der beschriebenen Art ist auch bei anderen
Einsatzfällen insbesondere bei Schienenfahrzeugen denkbar, wo die elastische
Übertragung von Zug- und Druckkräften erforderlich ist.
Bezugszeichenliste
1 Drehgestellrahmen
2 Wagenkastenquerträger
3 Führungszapfen
4 Zug-Druck-Stange
5 Gelenk
6 Verbundbauteil
7 Stabförmiges Strukturelement
8 Anschlußelement
9 Lagerauge
10 Schulter
11 Stütznut
12 Faserverbundwicklung
13 Kern
14 Haut
2 Wagenkastenquerträger
3 Führungszapfen
4 Zug-Druck-Stange
5 Gelenk
6 Verbundbauteil
7 Stabförmiges Strukturelement
8 Anschlußelement
9 Lagerauge
10 Schulter
11 Stütznut
12 Faserverbundwicklung
13 Kern
14 Haut
Claims (6)
1. Verbundbauteil als Zug-Druck-Stange für Schienenfahrzeuge mit endseitigen
Anschlußelementen zur axialen Einleitung von Druck- und Zugkräften, mit einem für
die Aufnahme und Übertragung von Druckkräften ausgebildeten stabförmigen
Strukturelement und mit einer für die Aufnahme von Zugkräften in Längsrichtung des
stabförmigen Strukturelements aufgebrachten und über die Anschlußelemente
verlaufenden vorgespannten Faserverbundwicklung, die aus einer definierten Anzahl
von Umschlingungen eines oder mehrerer Verstärkungsfasern besteht, die in einem
gehärteten Matrixmaterial eingebettet sind, gekennzeichnet dadurch, daß das
stabförmige Strukturelement (7) als Sandwich-Verbundkonstruktion ausgeführt ist, die
aus einem längsverlaufenden Kern (13) und zwei auf gegenüberliegenden, von der
Faserverbundwicklung (12) freien Längsseiten des Kerns (13) angeordneten, in ihrer
Längsrichtung drucksteifen Häuten (14) besteht.
2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kern (13)
aus einem Hartschaum, einem Wabenmaterial, thermoplastischen Formteilen,
gepreßten oder pultrudierten Profilen, einer uni- oder multidirektionalen Mono- oder
Hybrid-Faserverbundkonstruktion oder aus Holz besteht.
3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die
drucksteifen Häute (14) aus in einem gehärteten Matrixmaterial eingebetteten
unidirektional und achsparallel angeordneten Verstärkungsfasern bestehen und mit
dem Kern (13) verklebt sind.
4. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch,
daß die Anschlußelemente (8) zur Übertragung der Druckkräfte in das stabförmige
Strukturelement (7) auf den axialen Stirnseiten des Kerns (13) und der Häute (14)
flächig abgestützt sind und die Häute (14) im Krafteinleitungsbereich durch eine
schlitzförmige Stütznut (11) zweiseitig formschlüssig umfaßt sind.
5. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch,
daß die Anschlußelemente (8) jeweils ein quer zur Längsachse des Verbundbauteils
liegendes Lagerauge (9) aufweisen, das für das Einpressen eines Gummigelenk- oder
Radialgelenklagers ausgebildet ist.
6. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch,
daß das von der Faserverbundwicklung (12) umschlungene stabförmige
Strukturelement (7) eine zusätzliche äußere, seine Druckstabilität erhöhende
Umhüllung und/oder einen gegen Umwelteinflüsse und Beschädigung wirksamen
schlauch- oder schichtförmigen Schutz, der schlagzäh und/oder flammhemmend
ausgestattet sein kann, trägt.
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