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Die
Erfindung betrifft einen Rahmen für eine Fahrzeugkabine, insbesondere
einen Rahmen für
ein Schienenfahrzeug und ein diesen aufweisendes Schienenfahrzeug.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Herstellung eines Fahrzeugs
mit einem solchen Rahmen.
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Ein
Rahmen für
eine Kabine einer Eisenbahnlokomotive wird in
EP 0 802 100 B1 offenbart, wobei
die Rahmenkonstruktion eine Mehrzahl von Rahmenelementen umfasst,
die Front-, Boden-, Dach- und Seitenteile der Fahrzeugkabine und
mehrere energieabsorbierende Elemente definieren, die in den Längselementen
des Rahmens und in der Fahrgestellebene der Eisenbahnlokomotivenkabine positioniert
sind. Die energieabsorbierenden Elemente verformen sich in Längsrichtung
mit einem Knautsch- oder Ziehharmonikaeffekt, wodurch sie bei einem
Aufprall auf ein Hindernis einen Teil der Energie absorbieren, während der
Rahmen eine hohe Steifigkeit hat, um die Insassen der Eisenbahnlokomotivenkabine
vor Hochgeschwindigkeitskollisionen mit Hindernissen zu schützen.
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Der
genannte Rahmen für
eine Eisenbahnlokomotivenkabine absorbiert aber in dem Fall, in
dem eine Eisenbahnlokomotive mit hoher Geschwindigkeit mit einem
Hindernis kollidiert, nicht immer genug kinetische Energie. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn das Hindernis zum Beispiel
schwerer oder starrer als die Lokomotive ist oder eine unregelmäßige Form
hat. Wenn die energieabsorbierenden Längselemente verbraucht sind,
wird die restliche kinetische Energie nicht mehr absorbiert, und,
wenn das Hindernis die kinetische Energie für beispielsweise ein schweres
und/oder starreres Hindernis wie z. B. eine Eisenbahnlokomotive
oder die Ladung eines Fahrzeugs nicht absorbieren kann, dann kann
eine lokale Überbelastung
oder ein Bruch der Rahmenkonstruktion erfolgen. Dies kann zu einem
weiteren katastrophalen Schaden an der Struktur des Rahmens und
der Eisenbahnlokomotivenkabine führen und
stellt ein Risiko für
die Sicherheit der Insassen der Eisenbahnlokomotivenkabine dar.
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Insbesondere
sind Rahmen des Standes der Technik, die energieabsorbierende Elemente
oder Knautschzonen in den Längselementen
haben, für die Übertragung
von Stoßbelastungen
von einem Längselement
auf die anderen schlecht ausgelegt. Im Allgemeinen können Querträger bereitgestellt sein,
die die Längsrahmenelemente
miteinander verbinden. Sollte es in der Region eines Längselements zu
einer lokalisierten Stoßeinwirkung
kommen, übertragen
die Querträger
einen Teil der Kraft auf die anderen Längselemente. Wenn aber die
Querträger oder
ihre Verbindung mit den Längselementen
zu starr ist, besteht die Gefahr, dass sie abscheren und keine weitere
Kraftübertragung
erbringen. Desgleichen wird nicht genug Kraft übertragen, wenn sie oder ihre
Verbindungen zu flexibel sind.
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Wagenkästen von
Lokomotivenfahrzeugen mit konventioneller Gestaltung sind aufgrund
der hohen Betriebsbelastungen und der größeren Gewichskonzentration
auf Unterrahmenebene allgemein relativ starr und neigen dazu, bei
Kollisionen mit anderen schweren Schienenfahrzeugen unkontrolliert
einzuknicken. Endführerkabinen
haben vorne zwischen dem Unterrahmen und dem unteren Rand des Fensters
eine Konstruktion, die als Aufprallschutz verwendet wird und die
für spezifische
statische Beanspruchungen (300 kN nach EN 12663 und bei einigen
Eisenbahnen sogar 700 kN) ausgelegt sein muss. Diese gewährleistet
bei einer Kollision mit einem Hindernis schon umfassenden Schutz
für die
Insassen der Fahrerkabine. Stärkere(s)
Deformation und Einknicken des Aufprallschutzes kann aber im Fall
eines besonders schweren, starren, hohen Hindernisses stattfinden,
insbesondere dem Aufbau und der Ladung von schweren Straßenfahrzeugen,
das ein erhebliches Eindringen des Hindernisses in die Kabine und
schwere oder sogar tödliche
Verletzungen der Insassen der Fahrerkabine verursachen kann. Zu
sehr hohen Belastungen der Kabinenstruktur kommt es bei Kollisionen
mit derartigen hohen Hindernissen auf der ungefähren Höhe des Hindernisses, da die Biegebelastung
an diesem Punkt auf ihrem Höchstpunkt
ist. Das Problem wird durch einen Kniehebeleffekt verschlimmert,
der an demselben entscheidenden Punkt eventuell abrupte Zugspannungen
erzeugt. Das beinhaltet das Bruchrisiko in Verbindung mit einem
ausgeprägten
Verlust an Formbeständigkeit
und verringerter Energieabsorption (struktureller Zusammenbruch).
Das Hindernis kann dann tief in die Kabine eindringen. Für eine zusätzliche
Verstärkungs-
oder stoßabsorbierende
Konstruktion auf Höhe
der Behinderung ist der Platz begrenzt (Aufprallschutzelement, Bedienpult,
Lufteinlass, Scheibenwischer usw.). Daher werden Lösungen benötigt, die
ein günstiges,
d. h. hochenergetisches und glattes Verformungsverhalten ohne lokales
Bruchrisiko ergeben.
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Es
wurde versucht, das Problem einer Stoßeinwirkung auf Kabinenhöhe durch
Bereitstellen einer integralen, sehr starren Kabinenkonstruktion
mit einer massiven, ununterbrochenen Frontwand unter der Windschutzscheibe,
möglicherweise
ergänzt durch
energieabsorbierende Elemente, die an der genannten Frontwand montiert
sein können,
zu lösen.
Dadurch wird die Formbeständigkeit
der Kabine erhöht
und ein größerer Anteil
der Kollisionsenergie vom Hindernis absorbiert (größere Deformation
des Hindernisses, geringere Deformation des Schienenfahrzeugs),
wodurch die Insassen der Kabine in den Entwurfskollisionsszenarien
besser geschützt
werden als durch eine konventionell gestaltete Fahrzeugkonstruktion.
Dieses „Crashbeständigkeitskonzept" löst aber
einige spezifische Probleme konventioneller Gestaltungen nicht und
es gibt sogar noch zusätzliche
Nachteile.
- 1) Sollte es zu einer Kollision
mit einem schweren und im Vergleich mit einer integralen Kabinenkonstruktion
starreren Hindernis kommen und sollte das Energieabsorptionspotenzial
vor der Frontwand dann nicht ausreichen, um die proportionale Kollisionsenergie
zu absorbieren, kommt es trotz dieses Crashbeständigkeitskonzepts zu einem unkontrollierten
Einknicken der Lokomotivenaufbaukonstruktion.
- 2) Bei einem Zusammenstoß mit
einem anderen Schienenfahrzeug, bei dem die proportionale Kollisionsenergie
das Entwurfsszenario übersteigt, hemmt
die starre Kabinenkonstruktion die weitere fortschreitende Energieabsorption.
Es kommt dann auch in diesem Fall zu einem unkontrollierten Einknicken
der Konstruktion des Lokomotivenaufbaus.
- 3) Der in Fall 1) und 2) stattfindende strukturelle Zusammenbruch
garantiert keinen Schutz für
die Insassen des Schienenfahrzeugs in derartigen schweren Unfällen, wenn
sie im hinter der Kabine befindlichen Maschinenraum Zuflucht suchen.
- 4) Aufgrund der Behinderung des Fortschreitens der Deformation
in Fall 1) und Fall 2) steigt der für die eventuell mögliche Reparatur
des Fahrzeugs erforderliche Aufwand.
- 5) Die Konstruktion mit einer starren integralen Kabine mit
angebauten vorderen Energieabsorptionsmittel hat eine größere Gesamtlänge (Ausladung)
und ein größeres Fahrzeuggewicht
zur Folge. Beide Faktoren stellen im normalen Lokomotivenbetrieb
(z. B. Erhaltung von Spurhaltungskräften, zulässige Betriebskräfte im Nachschiebebetrieb,
Energieabsorption, Abnutzung usw.) beträchtliche Nachteile dar.
- 6) Eigenschaften (Geometrie, Gewicht, Verformbarkeit usw.) des
Hindernisses haben dann einen entscheidenden Einfluss auf die Kräfte, die
auf die Konstruktion, die Beschleunigung und indirekt auf die notwendige
Konstruktionsmasse (erforderliche Festigkeit/Steifigkeit der Überlebensbereiche)
einwirken. Bei Konstruktionen des Standes der Technik gibt es daher
keine Garantie für
den Schutz der Insassen der Eisenbahnlokomotivenkabine, selbst wenn
sie in anderen Teilen der Eisenbahnlokomotive Zuflucht nehmen, wie
dem Hauptwagenkasten oder dem mittleren Abschnitt, z. B. wenn der
mittlere Abschnitt ein Maschinenraum ist, der das Triebwerk der
Eisenbahnlokomotive umfasst. Außerdem
haben die möglichen Eigenschaften
eines Hindernisses, wie z. B. Form, Gewicht und Verformbarkeit,
um nur einige zu nennen, einen entscheidenden Einfluss auf die Kräfte, die
bei einer Kollision auf den Rahmen und die Eisenbahnlokomotivenkabine
einwirken. Beim Stand der Technik ist es wegen der Steifigkeit des Rahmens
der Eisenbahnlokomotivenkabine offensichtlich, dass diese nicht
umfassend bedacht wurden. Schließlich erhöhen der katastrophale strukturelle
Zusammenbruch der Eisenbahnlokomotivenkabine und somit des Schienenfahrzeugs die
zum Reparieren oder Bergen der Eisenbahnlokomotive, falls überhaupt
möglich,
erforderlichen Bemühungen
und Kosten. Diese Probleme sind in der Bauweise von Schienenfahrzeugen besonders
offensichtlich, bei der in der Vergangenheit die Absorption eines
symmetrischen Frontalaufpralls in der Pufferregion stark betont wurde
und dem Schutz des Fahrers im Fall von Zusammenstößen mit
weniger konventionellen Objekten nicht genug Aufmerksamkeit gewidmet wurde.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf an einem Rahmen, der so viel kinetische Energie
einer Kollision wie möglich
absorbiert und ferner die kinetische Energie von den Insassen der
Fahrzeugkabine weg ablenkt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Rahmen für
eine Fahrzeugkabine vorgesehen, der eine Mehrzahl von Rahmenelementen
umfasst, die Front-, Boden-, Dach- und seitliche Teile der Fahrzeugkabine
definieren, wobei der Rahmen eine Mehrzahl von nachgiebigen Regionen,
die auf die Rahmenelemente verteilt sind, einschließlich einer zentralen
gelenkig beweglich nachgiebigen Region in den den Frontteil definierenden
Rahmenelementen, die allgemein zentral an einem Punkt zwischen dem Bodenteil
und dem Dachteil angeordnet ist, eine Mehrzahl von nachgiebigen
Regionen, die sich in einem oder mehreren den Dachteil definierenden
Rahmenelement(en) befinden, und eine Mehrzahl von nachgiebigen Regionen,
die sich in einem oder mehreren den Bodenteil definierenden Rahmenelement(en)
befinden, umfasst, wodurch bei einer Kollision mit einem hoch konturierten
Hindernis, das an einer zentral zwischen den Dach- und Bodenteilen (66, 64)
liegenden Höhe
aufprallt, die nachgiebigen Regionen kooperieren, um sich an die
Konturen des Hindernisses anzupassen und die kinetische Energie der
Stoßeinwirkung
zu absorbieren.
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Das
Einbinden nachgiebiger Regionen in den Frontteil der Rahmenkonstruktion
ist vorteilhaft, weil Stoßeinwirkungen
in den meisten Fällen
im Frontteil des Rahmens und somit in der Fahrzeugkabine erfolgen.
Darüber
hinaus ermöglichen
es derartige nachgiebige Regionen, dass sich der Rahmen an die Form,
das Gewicht und die Position des Hindernisses anpasst, um so viel
kinetische Energie einer Kollision wie möglich zu absorbieren. Es wurde
auch festgestellt, dass diese Rahmenkonstruktion das Gewicht des
Fahrzeugs auf ein Mindestmaß bringt,
da weniger Bedarf für
den Einbau weiterer energieabsorbierender Elemente besteht. Ferner
minimiert diese Konstruktion die Entgleisungsmöglichkeit, da der Rahmen sich
an eine Reihe von Aufprallbedingungen anpassen kann, einschließlich, aber
nicht darauf begrenzt, Frontal- und Schrägaufprall.
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Die
Konstruktion des Rahmens kann Rahmenelemente umfassen, einschließlich Träger, Hohlkastenträger, Tragebalken,
Streben, Energieabsorptionsstreben, strukturelle Baugruppen, energieabsorbierende
Elemente und/oder Bauteile, aber nicht darauf begrenzt. Die Rahmenelemente
können,
ohne darauf begrenzt zu sein, aus Stahl, unlegierten Stählen, Glasfaser,
Aluminium, Kohlenstofffaser, Schichtstoffen aus diesen oder jede(s)
beliebige andere derartige Material, Baugruppe oder Bauteil sein,
das/die für
den Zweck des Rahmens geeignet ist.
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Eine
nachgiebige Region ist ein Teil eines Rahmenelements mit einem niedrigeren
Verformungswiderstand verglichen mit dem Rest des Rahmenelements,
so dass die nachgiebige Region die Deformation des Rahmenelements
bei Stoßeinwirkung
lokalisiert. Die nachgiebigen Regionen können so gestaltet sein, dass
sie ein so genanntes plastisches Gelenk bereitstellen, d. h. die
nachgiebige Region hat eine Plastizität, innerhalb derer sie sich durch
Biegen, Knicken oder Falten ohne Rissbildung verformen kann, so
dass die nachgiebige Region wie ein Gelenk, alternativ als eine
gelenkig bewegliche nachgiebige Region bezeichnet, wirkt, das die
Drehung der Teile des Rahmenelementes einer Stoßeinwirkung entsprechend ermöglicht.
Dies kann durch eine Änderung
des Querschnitts des jeweiligen Rahmenelements oder durch eine Änderung
seiner Materialeigenschaften erreicht werden. Beispiele für Querschnittsänderungen
können
einen Wechsel von Kastenprofil zu flachem Streifen oder massivem
Stab sein und Änderungen
der Materialeigenschaften können Änderungen
des Werkstoffs, z. B. Übergang
von Stahl zu Kohlenstofffaser, oder Änderungen der Eigenschaften
des Materials selbst, z. B. von Stahl mit hohem zu Stahl mit niedrigem
Modul infolge von Wärmebehandlung,
einschließen.
Diese Änderungen können lokal
und abrupt oder ausgedehnt und/oder schrittweise sein. Nachgiebige
Regionen speziell zum Absorbieren von Verdrehungs- oder Biegekräften zwischen
zwei Elementen können
auch durch Streben oder Stege zwischen den zwei Elementen vorgesehen
werden, wobei die Streben oder Stege zum kontrollierten Einknicken
gestaltet sind, wodurch Energie absorbiert wird.
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Dank
der einen oder den mehreren nachgiebigen Region(en) in den Rahmenelementen,
die den Frontteil definieren und allgemein zentral an einem Punkt
zwischen dem Boden- und dem Dachteil angeordnet sind, können die
Rahmenelemente im Frontteil nachgeben, wobei zum Beispiel die nachgiebige Region
bei Aufprall auf ein Hindernis wie ein plastisches Gelenk wirkt,
wobei das Hindernis anfänglich mit
relativ geringem Widerstand in die Fahrzeugkabine eindringen darf.
Die nachgiebige Region wird in Richtung auf das Innere der Fahrzeugkabine
abgelenkt und es wurde festgestellt, dass die Berührungsfläche zwischen
dem Hindernis und dem (der) sich anpassenden und/oder verformenden
Rahmen (und Fahrzeugkabine) zunehmend größer und eben wird. Dies ermöglicht bessere
Energieabsorption, die lokale Überbeanspruchungen
und Rissbildung im Rahmen weiter reduziert. Ein weiterer Vorteil
ist, dass sich das Entgleisungsrisiko beim Aufprall als niedriger
erweist, wenn die Deformation zentral im Frontteil im Gegensatz
zu Seiten-, Boden- oder Dachteil(en) stattfindet. Durch Anwenden
der vorliegenden Erfindung kann eine schlanke, platzsparende Schutzkombination
in der Nähe
des mittleren Querträgers
konstruiert werden, die gute Verträglichkeit zwischen dem Crashbeständigkeitskonzept
und einer praktischen Anordnung funktioneller Bauteile wie z. B.
dem Aufprallschutzelement, dem Lufteinlass, den Scheibenwischern,
dem Bedienpult usw. erzeugt.
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Vorzugsweise
ist/sind ein oder mehrere Rahmenelement(e) im Frontteil zwischen
einem oder mehreren die Dach- und/oder Bodenteile definierenden
Element(en) verbunden. Die restliche kinetische Energie der Stoßeinwirkung
kann von den Insassen der Fahrzeugkabine weg, z. B. um die Insassen
herum, übertragen
werden, was durch Verbinden des Frontteils mit dem Dachteil oder
Bodenteil oder beiden erreicht werden kann.
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Dank
der Mehrzahl von nachgiebigen Regionen, die sich in einem oder mehreren
den Dachteil definierenden Rahmenelement(en) befinden, übertragen
die Rahmenelemente die restliche kinetische Energie einer Kollision
durch den Dachteil, was die kinetische Energie weiter absorbieren
kann. So viel der restlichen kinetischen Energie wie möglich wird
in der Fahrzeugkabine absorbiert und nicht auf den Rest der Konstruktion
des Fahrzeugs wie den mittleren Abschnitt des Fahrzeugs übertragen.
Ferner kann der Dachteil Stoßeinwirkungen
von hohen Hindernissen absorbieren.
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Es
wurde festgestellt, dass die Mehrzahl von nachgiebigen Regionen,
die sich in einem oder mehreren den Bodenteil definierenden Rahmenelement(en)
befinden, nicht nur für
zusätzliche
Energieabsorption und das Umlenken der kinetischen Energie sorgt,
sondern auch für
eine das Aufklettern hemmende Funktion für das Fahrzeug und die Verhinderung
eines Verdrehens des Querkopfstücks.
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Vorzugsweise
wird/werden eine oder mehrere nachgiebige Region(en) in den Rahmenelementen von
einem oder mehreren reduzierten Teil(en) der Rahmenelemente gebildet.
Das kontrollierte und vorhersagbare Einknicken kann von einer oder
mehreren nachgiebigen Region(en) in den Rahmenelementen durch die
Verringerung von wenigstens einem Teil eines Rahmenelements bewerkstelligt
werden. Die reduzierten Teile oder die Verringerung von wenigstens
einem Teil eines Rahmenelements betreffen, ohne darauf begrenzt
zu sein, das Entfernen eines Abschnitts oder Teils des Rahmenelements,
das Anbringen von Löchern
oder Schlitzen im Rahmenelement, das Verringern der Dicke des Rahmenelements
und/oder jede beliebige andere Methode zum Verringern und/oder Ändern des
Materials eines Teils des Rahmenelements. Vorzugsweise wird/werden der
eine oder die mehreren reduzierte(n) Teil(e) von einem Loch oder
mehreren Löchern
in den Rahmenelementen definiert. Der Vorteil der Aufnahme von Löchern im
Rahmenelement verleiht der nachgiebigen Region zahllose Zwecke,
einschließlich,
aber nicht darauf begrenzt, dem Zerknautschen in einer Längsrichtung
entlang dem Rahmenelement und/oder dem Wirken als plastisches Gelenk,
wobei das Gelenk zwischen Löchern
lokalisiert ist.
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Vorzugsweise
umfasst/umfassen die eine oder mehrere nachgiebige Region(en) ein
oder mehrere mechanische(s) Gelenk(e). Die mechanischen Gelenke
können
eine Drehung, einschließlich
in der Aufprallrichtung, aber nicht darauf begrenzt, zulassen. Dies
kann für
kontrollierte Deformation in einer oder mehreren Richtung(en) sorgen,
während
in anderen Richtungen eine hohe strukturelle Steifigkeit aufrecht
erhalten wird. Auf diese Weise kann der Frontteil sich anfänglich mit
geringer Energieabsorption der Form des aufprallenden Objekts anpassen und
danach kann eine erhöhte
Energieabsorption erfolgen.
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Vorzugsweise
umfasst/umfassen aber die eine oder mehreren nachgiebige(n) Region(en)
ein oder mehrere Kollisionsenergieabsorptionselement(e). Es wurde
festgestellt, dass andere Mechanismen für die Energieabsorption, wie
Kollisionsenergieabsorptionselemente, angewendet und leicht repariert
und ersetzt werden können.
Es ist auch vorteilhaft, zusätzliche
energieabsorbierende Elemente bereitzustellen, da dies die Wahrscheinlichkeit
weiterer Schäden
am mittleren Abschnitt des Fahrzeugs, der mit der Fahrzeugkabine
verbunden ist, reduziert.
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Vorzugsweise
ist wenigstens eines der Rahmenelemente eine Energieabsorptionsstrebe.
Die Energieabsorptionsstrebe kann die fortschreitende Umlenkung
der kinetischen Energie einer Stoßeinwirkung und zusätzliche
Energieabsorption zwischen Rahmenelementen bereitstellen und den
Deformationsgrad, den Rahmenelemente durchlaufen, in verschiedenen
Teilen des Rahmens bereitstellen.
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Vorzugsweise
sind drei Rahmenelemente in einem Dreieck angeordnet, das durch
Einfügen
wenigstens einer Energieabsorptionsstrebe zwischen zwei Rahmenelementen
gebildet wird. Dies ist vorteilhaft, weil die Stoßenergie
von den Insassen der Fahrzeugkabine weg übertragen werden kann. Vorzugsweise
erstreckt sich eines der im Dreieck angeordneten Rahmenelemente
vom Dreieck eine gewisse Entfernung bis zu einer gelenkig beweglichen nachgiebigen
Region, wobei das genannte Rahmenelement sich beim Aufprall an der
gelenkig beweglichen nachgiebigen Region verformt, was Energieabsorption
in der Energieabsorptionsstrebe ermöglicht. Dies bestimmt die Drehverformung
des verformten Rahmenelements, während
die restliche Stoßenergie
durch die anderen Rahmenelemente übertragen wird und von der
Energieabsorptionsstrebe absorbiert wird.
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Vorzugsweise
ist das Dreieck durch Anschließen
der Energieabsorptionsstrebe zwischen einem oder mehreren Rahmenelement(en)
im Frontteil und einem oder mehreren Rahmenelement(en) im Bodenteil
gebildet. Es wurde festgestellt, dass eine auf diese Weise positionierte
Energieabsorptionsstrebe die Drehverformung des Rahmenelements im Frontteil
vorteilhaft kontrollieren und die restliche kinetische Stoßenergie
in Richtung auf das Rahmenelement im Bodenteil übertragen kann. Die Energieabsorptionsstrebe
kann ferner Energieabsorption durch Zusammendrücken bei Stoßeinwirkung
bereitstellen.
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Vorzugsweise
befindet sich ein verformbarer Teil und ein nichtverformbarer Sicherheitskasten
in der Richtung der erwarteten Stoßeinwirkung hinter dem verformbaren
Teil. Der Rahmen kann ferner in Teile unterteilt sein, wie einen
verformbaren Teil, der die kinetische Energie der Stoßeinwirkung
vorteilhaft absorbiert und umlenkt, z. B. kann eine mögliche Variation
des Rahmens ein Rahmen mit verformbaren Front-, Dach-, und Bodenteilen
sein. Ferner kann ein nicht verformbarer Teil (der Sicherheitskasten)
die Insassen während
einer Kollision schützen,
besonders wenn sich dieser nicht verformbare Teil hinter dem verformbaren
Teil befindet.
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Vorzugsweise
umfasst der nicht verformbare Sicherheitskasten zwei oder mehr starre
Rahmenelemente in den Seitenteilen, die mit einem oder mehreren
Rahmenelement(en) in den Dach- und Bodenteilen verbunden sind. Dies
ist bezüglich
dem Schutz der Insassen vor seitlichen Stoßeinwirkungen vorteilhaft und
kann den nicht verformbaren Sicherheitskasten verstärken und
das Zusammendrücken
des nicht verformbaren Sicherheitskastens bei Frontalaufprall vermeiden.
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Vorzugsweise
umfasst der nichtverformbare Sicherheitskasten ein oder mehrere
starre Rahmenelemente im Dachteil, die mit einem oder mehreren Rahmenelement(en)
in den Seitenteilen verbunden ist/sind. Dies schützt die Insassen der Fahrzeugkabeine
ferner vor hohen Stoßeinwirkungen
auf den Dachteil und stärkt
den nicht verformbaren Sicherheitskasten gegenüber Frontalaufprall.
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Vorzugsweise
umfassen die starren Rahmenelemente des nichtverformbaren Sicherheitskastens
einen Türrahmen
für einen
Notausgang. Dies ist vorteilhaft, da die Notausgänge, zu denen Türen oder Fenster
zählen
können,
ohne darauf begrenzt zu sein, die Insassen nach einem Aufprall nicht
nur entkommen lassen, sondern es auch Rettungs- und/oder anderem
Personal ermöglichen,
Insassen bei Bedarf zu Hilfe zu kommen. Außerdem sollten die Notausgänge auch
dergestalt sein, dass sie für
Insassen und Retter leicht zugänglich
sind. Es ist ferner vorteilhaft, zahlreiche Notausgänge zu haben,
die sich eventuell sogar in den Dachteilen und/oder Bodenteilen
befinden, falls Trümmer
Notausgänge
in den Seitenteilen blockieren sollten.
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Vorzugsweise
ist jede hierin beschriebene Variation des Rahmens zur Verwendung
in einem Schienenfahrzeug. Jedem beliebigen Schienenfahrzeug würde verbesserte
Sicherheit während
einer Kollision und bessere Wartungs- und Reparaturkosten nach einer Kollision
zugute kommen. Der Rahmen kann sich in der Fahrerkabine für ein Schienenfahrzeug
und/oder Teil der strukturellen Endabschnitte eines Schienenfahrzeugs
und/oder Reisezugwagens befinden. Das Fahrzeug kann der Triebwagen, z.
B. eine Zuglokomotive, sein, da die meisten Stoßeinwirkungen gewöhnlich auf
das vorderste Schienenfahrzeug eines Zugs erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Modifizieren
eines Schienenfahrzeugs vor, das den Einbau jeder beliebigen hierin
beschriebenen Variation des Rahmens umfasst. Die Einbauverfahren
können
vom Einbauen eines hierin beschriebenen Rahmens zum Zeitpunkt der
Herstellung für
eine Fahrzeugkabine reichen. Die Fahrzeugkabine kann mit wenigstens
einem Ende des mittleren Abschnitts des Fahrzeugs verbunden werden, wobei
der mittlere Abschnitt einen Fahrgastraum, einen Maschinenraum oder
einen Frachtraum aufweisen kann, aber nicht darauf begrenzt ist.
Alternativ können
die oben erwähnten
Komponenten, d. h. Komponenten des Rahmens, nachträglich in
ein vorhandenes Fahrzeug eingebaut werden, um beispielsweise eine
kostengünstige
Lösung
für die
Betreiber aktueller Fahrzeugflotten zu bieten, so dass ihnen die verbesserte
Wartung, Reparatur und Sicherheit eines modifizierten Schienenfahrzeugs
zugute kommen können.
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Andere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden
Beschreibung einer spezifischen Ausgestaltung der Erfindung offensichtlicher,
die als nicht begrenzendes Beispiel nur mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
erfolgt, in denen:
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1a eine
Längsschnittansicht
einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;
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1b eine
vertikale Schnittansicht der ersten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist;
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1c eine
horizontale Teilansicht der ersten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist;
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1d eine
perspektivische Ansicht einer nachgiebigen Region in einem Tragelement
der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung bietet, die eine Kollision mit einem Hindernis mit glatter
Stirnseite darstellt;
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3a eine
Querschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist, welche die Anfangsstadien einer Kollision mit einem Hindernis
mit hohen Konturen darstellt;
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3b eine
Querschnittansicht einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist, welche ein fortgeschrittenes Stadium einer Kollision mit
einem Hindernis mit hohen Konturen darstellt.
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In 1a, 1b, 1c und 1d,
auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein Schienenfahrzeug abgebildet,
das allgemein als 2 indiziert wird. 1a, 1b und 1c zeigen
verschiedene Ansichten des Schienenfahrzeugs 2, wobei ein
mittlerer Abschnitt 10 mit einer Fahrzeugkabine 12 verbunden ist. 1d stellt
eine perspektivische Ansicht einer nachgiebigen Region 36 dar,
die sich in der Vorderseite der Fahrzeugkabine 12 befindet,
wie in 1a zu sehen ist.
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Das
Schienenfahrzeug 2 von 1a, b
und c hat ein(en) Fahrgestell oder Fahrzeugboden 4, das/der
auf einem oder mehreren Drehgestellen (nicht abgebildet) gelagert
ist. Der Fahrzeugboden 4 trägt einen eine Längsrichtung
definierenden mittleren Abschnitt 10, der zum Dach 8 verlaufende
Hauptwände 6 aufweist
(im Längsquerschnitt
von 1a ist nur eine Wand abgebildet). Eine Fahrzeugkabine 12 ist
mit wenigstens einem Ende des mittleren Abschnitts 10 in
der Längsrichtung
verbunden.
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Eine
nachgiebige Region ist als eine Region der Rahmenelemente (26, 32, 30, 34, 20, 40, 44)
definiert und hat eine niedrigere Verformungsbeständigkeit
als der Rest des jeweiligen Rahmenelements (26, 32, 30, 34, 20, 40, 44),
so dass die nachgiebige Region die Deformation der Rahmenelemente
(26, 32, 30, 34, 20, 40, 44)
bei Stoßeinwirkung
lokalisiert, um für
ein kontrolliertes Einknicken der Fahrzeugkabine 12 zu
sorgen.
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Die
Fahrzeugkabine 12 umfasst einen Rahmen, der in Teile unterteilt
ist, nämlich
den Frontteil 62, den Bodenteil 64, den Dachteil 66 und
seitliche Teile 68, wie in den 1a, 1b und 1c zu sehen
ist. Der Bodenteil 64 weist wenigstens ein Bodenrahmenelement 20 auf,
das an dem Punkt, an dem die Fahrzeugkabine 12 an den mittleren
Abschnitt 10 angefügt
ist, mit dem Fahrzeugunterteil 4 verbunden ist und längs zum
Frontteil 62 verläuft.
Im Bodenrahmenelement 20 ist wenigstens eine nachgiebige
Bodenregion 22 positioniert, wobei die nachgiebige Bodenregion 22 dadurch
definiert ist, dass aus dem Bodenrahmenelement 20 ein länglich geformter
Abschnitt 24 entfernt wurde.
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Neben
und vor der nachgiebigen Bodenregion 22 ist der Frontteil 62 angefügt, der über ein
Kopfstückrahmenelement 26 mit
der nachgiebigen Bodenregion 22 verbunden ist. Zu weiteren
Baugruppen (nicht gezeigt), die vom Kopfstückrahmenelement 26 getragen
werden können,
können,
ohne darauf begrenzt zu sein, Puffer (nicht gezeigt), Kupplungen (nicht
gezeigt), Schienenräumer
(nicht gezeigt), Frontschutzbügel
(nicht gezeigt), Aufkletterschutzvorrichtungen (nicht gezeigt) zählen. Das
Kopfstückrahmenelement 26 verläuft in der
seitlichen Dimension zwischen den zwei Seitenteilen 68.
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Auf
und neben dem Kopfstückrahmenelement 26 ist
wenigstens ein unteres Rahmenelement 30 angefügt, das
in Richtung auf die Vorderseite der Fahrzeugkabine 12 geneigt
ist, wobei das obere Ende des unteren Rahmenelements 30 mittig
in einer Entfernung zwischen den Dach- und Bodenteilen 64 und 66 angeordnet
ist. Ein mittleres Rahmenelement 32 ist mit dem unteren
Rahmenelement 30 verbunden. Das mittlere Rahmenelement 32 verläuft in der seitlichen
Dimension zwischen den zwei Seitenteilen 68. Am unteren
Ende des unteren Rahmenelements 30 befindet sich wenigstens
eine untere nachgiebige Region 31. Die untere nachgiebige
Region 31 kann eine Energieabsorptionsstrebe aufweisen,
ist aber nicht darauf begrenzt.
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Ferner
schließt
an das obere Ende des unteren Rahmenelements 30 ein oberes
Rahmenelement 34 an. Das untere und das obere Rahmenelement 30 und 34 können in
der Tat auch aus einem Stück
eines Rahmenelements hergestellt sein, das vom Boden- zum Dachteil
verläuft.
Im Wesentlichen nahe der Anstoßregion
des oberen Rahmenelements 34 und des unteren Rahmenelements 30 befindet
sich eine mittlere nachgiebige Region 36, von der eine
Perspektive auch in 1d zu sehen ist. In diesem Fall
befindet sich die mittlere nachgiebige Region 36 über der
Verbindung zwischen dem mittleren Rahmenelement 32 und
dem unteren Rahmenelement 30. Wie in den 1a und 1d zu
sehen ist, umfasst die mittlere nachgiebige Region 36 aus
zwei einander im Wesentlichen entgegengesetzten, sich nicht schneidenden
halbkreisförmigen
Teilen, die aus dem unteren und/oder oberen Rahmenelement 30 und 34 entfernt wurden.
Dies ergibt ein plastisches Gelenk oder eine gelenkig bewegliche
nachgiebige Region, die bei einer Kollision eine kontrollierte Drehung
des unteren und oberen Rahmenelements 30 und 34 zulässt. Das obere
Rahmenelement 34 kann sich aus einem Material mit einer
hohen Steifigkeit zusammensetzen.
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Entweder
neben dem oberen Ende des oberen Rahmenelements 34 oder
im oberen Ende des oberen Rahmenelements 34 befindet sich
wenigstens eine obere nachgiebige Region 38. Der Dachteil 66 ist
an das obere Rahmenelement 34 und/oder die obere nachgiebige
Region 38 angrenzend angefügt. Die Verbindung mit dem
Frontteil 62 des Dachteils 66 wird von wenigstens
einem ersten Dachelement 40 gebildet. Eine erste nachgiebige
Dachregion 42 befindet sich nahe dem Ende des ersten Dachrahmenelements 40,
das an das obere Rahmenelement 34 oder die obere nachgiebige
Region 38 angrenzt.
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Außerdem ist
wenigstens ein zweites Dachrahmenelement 44 neben und über dem
ersten Dachrahmenelement 40 angeordnet. Das zweite Dachrahmenelement 44 ist
auch mit dem oberen Rahmenelement 34 und/oder mit der oberen
nachgiebigen Region 38 verbunden. Eine zweite nachgiebige
Dachregion 46 ist im Wesentlichen nahe dem Ende (in Richtung
auf den Frontteil 62) des zweiten Dachrahmenelements 44 positioniert
und befindet sich neben der ersten nachgiebigen Dachregion 42.
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Die
erste nachgiebige Dachregion 42 weist wenigstens zwei Löcher auf,
die längs
entlang dem ersten Dachrahmenelement 40 mit Zwischenraum zueinander
angeordnet sind. Dies wirkt als plastisches Gelenk, wobei das Gelenk
zwischen den zwei Löchern
positioniert ist, sowie zur Energieabsorption in Längsrichtung
in der Form von Zerknautschen oder Einknicken. Die zweite nachgiebige
Dachregion 46 hat halbkreisförmige Wellungen in den oberen
und unteren Rändern
und/oder Oberflächen
des zweiten Dachrahmenelements 44, wobei die zweite nachgiebige
Dachregion 46 Energieabsorption durch Zusammendrücken durchführt.
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Mit
den Dachrahmenelementen 40 und/oder 42 in einem
geeigneten Abstand vom Frontteil 62 und vorzugsweise an
der Rückseite
der Fahrzeugkabine 12 verbunden oder an sie anstoßend ist
ein nicht verformbarer Sicherheitskasten 50. Der nicht
verformbare Sicherheitskasten 50 besteht aus im Wesentlichen parallelen
starren Rahmenelementen 52 in beiden Seitenteilen 68.
Diese starren Rahmenelemente 52 sind mit dem Bodenrahmenelement 20 des
Bodenteils 64 und dem ersten Dachrahmenelement 40 des Dachteils 66 verbunden.
Zwischen den im Wesentlichen parallelen starren Rahmenelementen 52 in
wenigstens einem Seitenteil 68 (am wahrscheinlichsten in
beiden Seitenteilen 68) befindet sich ein Türrahmen
für wenigstens
einen Notausgang 54. Der Notausgang 54 kann aus
den Eingangstüren
oder Fenstern bestehen, ist aber nicht darauf begrenzt, oder er kann
speziell als Notausgang 54 gebaut sein, der aus einem ähnlichen
starren Material wie die starren Rahmenelemente 52 hergestellt
ist.
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Im
Fall eines Aufpralls auf ein Hindernis vor der in 1a gezeigten
Fahrzeugkabine 12 des Schienenfahrzeugs 2 knickt
der Frontteil 62 kontrolliert ein, um kinetische Energie
der Stoßeinwirkung zu
absorbieren. In einer mittelstarken frontalen Kollision mit einem
Hindernis mit flacher Stirnseite verformen sich die unteren, mittleren,
oberen nachgiebigen Regionen, 31, 36 bzw. 38,
nicht vollständig,
da das Hindernis eine flache Stirnseite hat und nicht in die Fahrzeugkabine 12 eindringt.
Die nachgiebige Boden-, Dach- und zweite Dachregion, 22, 42 bzw. 46, absorbieren
die kinetische Energie der Stoßeinwirkung
im Allgemeinen durch Zerknautschen oder Einknicken in der Längsrichtung
des entsprechenden Rahmenelements.
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Bei
einer Kollision mit einem hoch konturierten Hindernis, das auf einer
Höhe aufprallt,
die mittig zwischen dem Dach- und dem Bodenteil 66 und 64 Regionen
liegt, kooperieren die nachgiebigen Regionen, um sich an die Konturen
des Hindernisses anzupassen und die kinetische Energie der Stoßeinwirkung
zu absorbieren. Die Boden- und Dachelemente 20, 40 und 44 durchlaufen
gewöhnlich
eine Dreh- oder Biegeverformung, so dass die Elemente sich einwärts in Richtung
auf das Innere der Fahrzeugkabine 12 um die nachgiebigen
Regionen 22, 42 und 46 drehen. Gleichzeitig
mit dem zentralen, was am wahrscheinlichsten ist, Aufprallen des
Hindernisses auf das obere Rahmenelement 34 wird die mittlere nachgiebige
Region 36 abgelenkt und durchläuft, wie ein plastisches Gelenk
wirkend, eine Dreh- und/oder Biegeverformung um die mittlere nachgiebige
Region 36. Das Hindernis schiebt die mittlere nachgiebige Region 36 weiter
in die Fahrzeugkabine 12. Das obere Rahmenelement 34 hindert
aber aufgrund seiner Steifigkeit das Hindernis am Eindringen und/oder Durchbohren
der Fahrzeugkabine 12. Hier beginnt der ganze Oberflächeninhalt
der Fahrzeugkabine 12 die kinetische Energie der Stoßeinwirkung
drastisch zu absorbieren und hält
schließlich
die Vorwärtstriebkraft
des Hindernisses an.
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Gleichzeitig
durchlaufen die nachgiebige obere, untere, erste Dach-, zweite Dach-
und Bodenregion 38, 31, 42, 46 bzw. 22 eine
weitere Drehverformung, die die Aufprallenergie weitmöglichst
absorbiert. Die übrige
Aufprallenergie wird auch durch das weitere Zusammendrücken der
unteren und oberen nachgiebigen Region 31 und 38 über die
untere und obere nachgiebige Region 31 und 38 in
Richtung auf die Boden- und Dachlängstragelemente 20, 40 und 44 übertragen.
Schließlich
wird diese Energie durch ein Zusammendrücken dieser Rahmenelemente
in Längsrichtung
in den nachgiebigen Boden- und Dachregionen 22, 42 und 46 abgeführt. Die
kinetische Energie der Stoßeinwirkung
wird effektiv von den Insassen der Fahrzeugkabine 12 weg übertragen.
Der Frontteil 62 passt sich an die Form des Hindernisses
an und absorbiert durch die Deformation der mittleren nachgiebigen
Region 36 und der anderen nachgiebigen Regionen so viel
kinetische Energie wie möglich.
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Während der
Stoßeinwirkung
können
die Insassen der Fahrzeugkabine 12 von dem sich verformenden
Frontteil 62 in den nicht verformbaren Sicherheitskasten 60 zurück geschoben
werden. Alternativ können
die Insassen vom Bedienpult, das sich im Frontteil 62 der
Fahrzeugkabine 12 befinden kann, in Richtung auf den nicht
verformbaren Sicherheitskasten 60 geschoben werden oder
sie können
in den nicht verformbaren Sicherheitskasten 60 flüchten.
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Nach
einer Kollision mit einem Hindernis sollte die verformte Fahrzeugkabine 12 das
meiste der kinetischen Energie des Aufpralls absorbiert haben, so
dass der mittlere Abschnitt 10 intakt geblieben ist. Die
Fahrzeugkabine 12 kann einfach entweder repariert oder
ersetzt werden, während
der mittlere Abschnitt 10 wiederverwendet wird. Dies bewirkt
eine verbesserte Einsparung von Wartungs- und Betriebskosten des
Schienenfahrzeugs.
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In 2,
auf die jetzt Bezug genommen wird, wird eine Querschnittansicht
einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und
das Schienenfahrzeug 2, das ähnlich wie in der Ausgestaltung
von 1a, 1b, 1c und/oder 1d beschrieben
sein kann, dargestellt.
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2 illustriert
die Funktionsweise der nachgiebigen Regionen, nämlich der Boden-, unteren, mittleren,
oberen, Dach- und zweiten Dachregion 22, 31, 36, 38, 46 bzw. 42 bei
einer mittleren Frontalkollision mit einem Hindernis mit flacher
Stirnseite 60. Wie zu sehen ist, verformen sich die untere,
mittlere, obere Region 31, 36 bzw. 38 nicht
völlig,
da das Hindernis eine flache Stirnseite hat und nicht in die Fahrzeugkabine 12 eindringt.
Die nachgiebige Boden-, Dach- und
zweite Dachregion 22, 46 bzw. 42 absorbieren
die kinetische Energie des Aufpralls in der Längsrichtung durch Zusammendrücken des
Boden-, ersten Dach- und zweiten Dachrahmenelements 20, 40 bzw. 42 in
Längsrichtung.
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In
den 3a und 3b, auf
die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Querschnittansicht einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt, die
eine Kollision mit einem Hindernis mit hohen Konturen illustriert,
wobei das Schienenfahrzeug 2 ähnlich dem in der Ausgestaltung
von 1a, 1b, 1c und/oder 1d beschriebenen
ist.
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3a illustriert
eine Kollision der Fahrzeugkabine 12 im Anfangsstadium
des Aufpralls und 3b illustriert ein fortgeschrittenes
Stadium der Kollision der Fahrzeugkabine 12. Es wird die
Kooperation der nachgiebigen Regionen, nämlich der Boden-, unteren,
mittleren, oberen, Dach- und zweiten Dachregion 22, 31, 36, 38, 46 bzw. 42,
gegenüber
einem hohen Hindernis 62 gezeigt.
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In 3a führen die
Dach- und Bodenrahmenelemente 40, 44 und 20 beim
Auftreffen des Hindernisses über
der mittleren nachgiebigen Region 36 eine Drehverformung
durch. Weiter stößt in 3b das
Hindernis gegen das obere Rahmenelement 34, wobei die mittlere
nachgiebige Region 36 (auch als eine gelenkig bewegliche
nachgiebige Region bekannt) abgelenkt wird und in Bezug auf die unteren
und oberen Rahmenelemente 30, 34 eine Drehverformung
durchläuft,
als plastisches Gelenk wirkt. Das Hindernis schiebt die mittlere
nachgiebige Region 36 weiter in die Fahrzeugkabine 12 hinein. Die
oberen Rahmenelemente 34 sind aber aus einem starren Material
und hindern das Hindernis daran, die Fahrzeugkabine 12 wirklich
zu durchdringen. Hier nun beginnt der ganze Oberflächeninhalt
der Fahrzeugkabine 12 die kinetische Energie der Stoßeinwirkung
drastisch zu absorbieren und hält
schließlich
die Vorwärtstriebkraft
des Hindernisses an.
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Gleichzeitig
durchlaufen die nachgiebige obere, untere, Dach-, zweite Dach- und
Bodenregion (38, 31, 46, 42 bzw. 22)
eine Drehverformung, die die Aufprallenergie weitmöglichst
absorbiert. Die Aufprallenergie wird ferner durch ein weiteres Zusammendrücken des
unteren und oberen schwachen Elements 31 und 38 über die
untere und obere nachgiebige Region 31 und 38 in
Richtung auf die Boden- und Dachlängstragelemente 20, 40 und 44 übertragen.
Schließlich
wird diese Energie in den nachgiebigen Boden- und Dachregionen 22, 46 bzw. 42 abgeführt, indem
diese jeweiligen nachgiebigen Regionen weiter weitmöglichst
zusammengedrückt
werden und möglichst
viel kinetische Energie absorbiert wird. Die kinetische Energie
der Stoßeinwirkung
wird effektiv von den Insassen der Fahrzeugkabine 12 weg
umgeleitet. Der Frontteil passt sich außerdem an die Form des Hindernisses
an und absorbiert durch die Deformation der mittleren nachgiebigen
Region 36 so viel kinetische Energie wie möglich.
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Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung allgemein und mittels
spezifischer Aspekte und Ausgestaltungen ein Mittel bereitstellt,
durch welches die Fahrzeugkabine eines Fahrzeugs so viel kinetische
Energie einer Kollision wie möglich
kontrolliert und vorhersagbar absorbieren kann, indem mehrere nachgiebige
Regionen verwendet werden, die im Wesentlichen in den vorderen,
Dach-, Boden- und Seitenteilen strategisch positioniert sind, und
die kinetische Energie weiter von den Insassen der Fahrzeugkabine
weg umgeleitet wird. In dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung
einen bedeutenden Vorteil gegenüber
eingeführten
und konventionellen Formen der Energieabsorption für eine Fahrzeugkabine
eines Fahrzeugs dar, die aufgrund ihrer Beschaffenheit die Sicherheit,
Reparatur und Wiederverwendung der Fahrzeugkonstruktion nicht verbessern.
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In
der vorliegenden Beschreibung wurde zwar auf Schienenfahrzeuge Bezug
genommen, es gilt aber auch, dass die Lehre der vorliegenden Erfindung
gleichermaßen
auf andere Fahrzeuge angewendet werden kann. Von daher darf die
Bezugnahme auf „Fahrzeug" oder „Fahrzeuge" nicht auf einen bestimmten
Verkehrsmitteltyp begrenzt verstanden werden, sondern ist als alle Fahrzeugtypen
umfassend auszulegen, einschließlich
Schienenfahrzeuge, Züge,
Reisezugwagen, Güterwagen,
Lokomotiven, zwangsgeführte
Fahrzeuge und Verkehrsmittel, Busse, Flugzeuge, Kastenwagen, Wohnmobile,
Wohnwagen, Lastkraftwagen, Straßentankwagen,
Anhänger
und dergleichen. Die Begriffe „Fahrzeug" und „Fahrzeuge" werden hierin verwendet,
um diese generische Gruppe von Objekten zu bezeichnen, sofern nicht
anderweitig angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zwar mit Bezug auf spezielle veranschaulichende
Ausgestaltungen gezeigt und beschrieben, fachkundige Personen werden
aber verstehen, dass diverse Änderungen
in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
gemäß ihrer Beschreibung
in den angehängten
Ansprüchen
abzuweichen.