Leichtbau im Schienenfahrzeugbau. Braunschweig,

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Nele Rosenberg
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1 Leichtbau im Schienenfahrzeugbau Braunschweig,

2 Leichtbau bei Voith Turbo Scharfenberg Leichtbau Faserverbund-Bauteile sind seit mehr als 12 Jahren wichtiger Bestandteil bei Scharfenberg Frontend-Systemen Unsere Entwicklungskompetenz bei Faserverbund-Strukturbauteilen fließt auch in sicherheitsrelevante Bauteile, wie GFK-Energieabsorber und CFK-Übergangskupplung ein Montage Engineering FEM-Berechnung Composite Fertigung 2002 Extern Voith Turbo Scharfenberg Talgo 350 I CRH-3 Zefiro 380 CFK ÜK Galea ICx GFK Energieabsorber 2

Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Lösungen Crashstruktur verwendbar für

3 Entwicklungsprojekt GALEA Fahrzeugkopf Faserverbund Fahrzeugkopf, Erfüllung der Europäischen Crashnorm Substitution von Metallkomponenten durch Faserverbundkunststoff Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Lösungen Crashstruktur verwendbar für verschiedene Außenkonturen Elektrokupplung IP65 DESIRO Russland SOTCHI Variables Außendesign Integrierte Crashstruktur 3

4 Motivation Leichtbau Fahrzeugkopf Masse CO 2 -Ausstoß Stahlbau Entwicklung Leichtbau Weiterentwicklung Crash-Leichtbau Leichtbau 1990 Vision 2015: Leicht und sicher! Crash-Sicherheit 4

Crash Szenarios, gemäß DIN EN 15227 Szenario 3 Vc- 50 110 km/h 15 t Obere Crashebene Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 36 km/h 0 km/h 36 km/h 0 km/h Vc- 50 110

5 Crash Szenarios, gemäß DIN EN Szenario 3 Vc km/h 15 t Obere Crashebene Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 36 km/h 0 km/h 36 km/h 0 km/h Vc km/h 15 t 80 t Haupt-Crash- Ebene (Puffer / Kupplung) Szenario 4 statisch Druckkraft 300 kn Untere-Crash Ebene (Bahnräumer) F Energieabsorbtion Überlebensraum S 5

6 Dimensionierung und Verifizierung nach Crash Szenario 2 gemäß DIN EN Schritt: Dimensionierung mit dynamischen FEA (Finite-Elemente-Analyse) 2. Schritt: Validation mit dynamischem Crashtest 6

7 Dimensionierung und Verifizierung nach Crash Szenario 3 gemäß DIN EN Dimensionierung und Validation mit dynamischem FEA 7

8 Crashtest gemäß Scenario 2 80 t Güterwaggon 36 km/h 95 t Testwaggon mit GALEA Fahrzeugkopf vor dem Test nach dem Test 8

9 Fahrzeugkopf GALEA Crashtest-Video (Echtzeit <0,35s) 9

10 Hauptkomponenten GALEA Starre A-Säule (GFK) Aluminum honeycomb Crashelement Stirnwand(GFK) Bodenplatte (GFK) Unterbodenstruktur (Stahl) Seitliche Crashenergieabsorber (GFK) GFRP Automatische Kupplung mit Energieverzehr 10

11 Maximale Flexibilität (individuelles äußeres Design) Die selbe Crashstruktur kann mit verschiedenen Außendesigns realisiert werden je nach Kundenanforderung C-Band" Helm" Crash I" Crash II" Jet" 11

Modulkonzept, optionale Komponenten (Lieferumfang kann leicht erweitert werden) Scheibenwischer Wisch-Wasch-System Innenverkleidung inklusive Lüftungs-

12 Modulkonzept, optionale Komponenten (Lieferumfang kann leicht erweitert werden) Scheibenwischer Wisch-Wasch-System Innenverkleidung inklusive Lüftungs- und Kabelkanälen Scheinwerfersystem mit Stirnlicht Signal Horn Fahrerpult (inklusive elektrischer Installation) Fahrersitz Elektrische Schaltschränke 12

Technische Informationen der A-Säulen - GFK Sandwichstruktur - Statische Kompressionskraft von 3.200kN für beide A- Säulen.

13 Einzelkomponenten GALEA A-Säulen mit Stirnwand und Honeycomb Crashelemente Kundenvorteil - Sicherstellen des Überlebensraumes für den Fahrer bei allen Kollisionsszenarios nach EN - Höchste Sicherheit bei kleinem Gewicht. Technische Informationen der A-Säulen - GFK Sandwichstruktur - Statische Kompressionskraft von 3.200kN für beide A- Säulen. - Gewicht der GFK-A-Säulen ohne Metallschnittstellen 520kg Honeycomp Crashelemente - Energieabsorptionsvermögen für beide Elemente: 650kJ - Gewicht beider Absorber: 36kg 13

14 Einzelkomponenten GALEA GFK Energieabsorber Kundenvorteil: - Maximale Sicherheit bei kleinem Gewicht - Aluminium Aufkletterschutz gewährleistet maximalen Energieverzehr auch bei vertikalem Versatz Technische Information - Spezifische dynamische Energieabsorption: 31 kj/kg (bis zu 42 kj/kg möglich, bis zu 12 kj/kg bei Stahl) - Gewicht 32 kg bei einer Länge von 1454mm - Gleichmäßiger Energieverzehr über Crash-Weg - Arbeitskräfte Crashrohr: 600kN kN 14

15 Voith Energie Absorber & Systeme Überblick Cantilever Type2 Crash Buffer Lightweight GFK* Energieabsorber Cantilever Type3 Galea *GFK = glasfaserverstärkter Kunststoff 15

GFK-Energieabsorber Herausforderung für aktuelle Schienenfahrzeuge: Züge müssen die EN 15227 Anforderungen an die

16 GFK-Energieabsorber Herausforderung für aktuelle Schienenfahrzeuge: Züge müssen die EN Anforderungen an die Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen erfüllen. Voith GFK-Energieabsorber sind einsetzbar für Szenarien 1, 2 & 3 16

GFK-Energieabsorber Dimensionen / Technische Daten Basis Version Energieverzehrhub Kraftniveau Energieverzehr Vertikaler Versatz von 100 mm bis 1000 mm von 600 kn bis

17 GFK-Energieabsorber Dimensionen / Technische Daten Basis Version Energieverzehrhub Kraftniveau Energieverzehr Vertikaler Versatz von 100 mm bis 1000 mm von 600 kn bis 1600 kn Bis 1600 kj bis 80 mm Betriebstemperatur -40 bis +60 C Brandschutz EN :2013 HL3; R7 Gewicht (abhängig von Hub und Kraftniveau) kg versenkte Lagerung 17

GFK-Energieabsorber Vergleich mit traditionellem Stahlabsorber Traditioneller Energieabsorber mit Stahl Verformungsrohr Energieabsorbtionsrate = 4,05 kj/kg Gewicht ca.

18 GFK-Energieabsorber Vergleich mit traditionellem Stahlabsorber Traditioneller Energieabsorber mit Stahl Verformungsrohr Energieabsorbtionsrate = 4,05 kj/kg Gewicht ca. 225kg 1400 kn Kraft /650 mm Hublänge = 910 kj Energieverzehr Komponentenlänge 1700 mm Doppelte Hublänge benötigt wegen dem Funktionsprinzip GFK-Energieabsorber Energieabsorbtionsrate = 12,15 kj/kg Gewicht ca. 75kg 1400 kn Kraft /650 mm Hublänge = 910 kj Energieverzehr Komponentenlänge 1300 mm incl. 350mm Zerfaserungsraum (GFK Rohr wird zerfasert und verliert die Steifigkeit)

GFK-Energieabsorber Wirtschaftlichkeit über Lebenszeit 4 Absorber werden pro Zug benötigt Konventioneller Absorber: 4x 225 kg = 900 kg GFK Leichtgewicht Energieabsorber: 4x 75 kg = 300 kg

19 GFK-Energieabsorber Wirtschaftlichkeit über Lebenszeit 4 Absorber werden pro Zug benötigt Konventioneller Absorber: 4x 225 kg = 900 kg GFK Leichtgewicht Energieabsorber: 4x 75 kg = 300 kg Gewichtsreduktion von = 600kg Energieeinsparung durch Gewichtsreduktion zwischen 6-18 /kg* in elektrischen Triebwagen und 21 bis 66 /kg* in Dieseltriebwagen. DMU s 600 kg x ca. 40 Euro/kg x 4 Absorber/Zug = /Zug EMU s 600 kg x ca. 11 Euro/kg x 4 Absorber/Zug = /Zug * Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DMG Ausschuss Leichtbau

20 GFK-Energieabsorber V4a High-Speed-Video Crashtest von 2 Absorbern gegeneinander -> beide 600 kn Kraftniveau -> 75 mm vertikaler Versatz -> Waggon 54 t -> Geschwindigkeit 5,94 m/s (21,4 km/h) -> max. Hublänge von 1650 mm -> ca. 1 MJ Energieverzehr 84% des maximal möglichen 20

21 GFK-Energieabsorber V4a Ergebniskurve von einem dynamischen Versatztest Crashtest von 2 Absorbern gegeneinander durchschnittliches Kraftniveau -> beide 600 kn Kraftniveau -> 75 mm vertikaler Versatz -> Waggon 54 t -> Geschwindigkeit 5,94 m/s (21,4 km/h) verbrauchte Energie -> max. Hublänge von 1650 mm -> ca. 1 MJ Energieverzehr 84% des maximal möglichen 21

Die Materialspannung ist nicht kritisch in

22 GFK-Energieabsorber V4b Statische FEM Kalkulation FEM Kalkulation mit dem Loadset 150kN vertikal auf den Aufkletterschutz zeigt ca. 60 mm Verschiebung. Die Materialspannung ist nicht kritisch in diesem Loadset. A Test in Originalgröße wurde durchgeführt um das Computermodel zu überprüfen 22

GFK-Energieabsorber V6 Umweltsimulationstest um auftretende Korrosion über die Lebenszeit zu prüfen werden 2 Alterungstests durchgeführt.

23 GFK-Energieabsorber V6 Umweltsimulationstest um auftretende Korrosion über die Lebenszeit zu prüfen werden 2 Alterungstests durchgeführt. Klimawechseltest gemäß DIN EN Zyklen á 24 Stunden, Min/Max Temp. -25 C<=T<= +65 C Salzsprühnebeltest gemäß DIN EN 9227 Durchführung 1000 Stunden Der Energieabsorber wird dynamisch geprüft nach den Umweltsimulationstests. salt fog cabinet 23

24 GFK-Energieabsorber Fertigungskonzept typischer Fertigungsablauf* Jede Station liefert Daten für den Produktlaufzettel Gewährleistung der lückenlosen Historie für sicherheitsrelevante Bauteile Fertigung Wickeln Entformen Tempern Vermerke Laufzettel - Klimaprüfung - Zeichnungsprüfung - Materialbereitstellung - Eignung Harz, Härter, Klebstoff, Topcoat - Betriebsparameter (Gemisch, Spalt, etc.) - Probenrückstellung Gemisch - Rohrcodierung - Sichtbewertung Wickelergebnis - Fertigstellung Wickelrolle - Standzeit bis Entkernen - Sichtprüfung Rohr - Sichtprüfung Kern -Raumklima - Temperaturverlauf über die Zeit/Protokoll - Sichtprüfung Rohrform Serialnummer aus SAP Batchnummern Temperprotokoll * Gilt analog für CFK-Adapterkupplung Bearbeiten Kleben Beschichten - Form- und Lagetoleranzen - Zeichnungsvergleich, Toleranzfelder - Probenrückstellung Rohrreste - Sichtprüfung Klebeflächen/Vorbereitung - Sichtprüfung Klebestellen, -spalt -Zugtest -Betriebsparameter (Gemisch, Geschwindigkeit, etc.) - Probenrückstellung Gemisch - Prüfung Schichtdicke Endkontrolle - Sichtprüfung Bauteil - Vollständigkeit Laufzettel Prüfproben Klebeproben Die erhobenen Daten sind Basis für die Erstellung eines 3.1 Zeugnisses analog zu Metallkomponenten Nachbearbeitung Batchnummern Laufzettel ins SAP 24

25 CFK-Adapterkupplung Anforderungen Bahnanwendungen nach EN Abschleppkupplung Leistungsanforderungen, spezifische Schnittstellengeometrie und Prüfverfahren Anforderungen an Arbeitssicherheit Kupplung muss oft von nur einer Person gehandhabt werden. Gewichtanforderung < 25 kg Bisher wurden höhere Gewichte von 48kg akzeptiert, da keine technische Lösung existierte. 25

26 CFK-Adapterkupplung Dimensionen / Technische Daten 1. Schnittstelle UIC-Zughaken 2. Schnittstelle Typ 10 - Scharfenbergkupplung Max. Zuglast Max. Drucklast 350 kn 250 kn Betriebstemperatur -40 bis +60 C Gewicht 24 kg 26

27 CFK-Adapterkupplung Vergleich mit traditionellem Adapter Traditionelle Adapterkupplung aus Stahl Gewicht ca. 48kg 400 kn Zugkraft/ 250 kn Druckkraft CFK-Adapterkupplung Gewicht ca. 24kg 350 kn Zugkraft/ 250 kn Druckkraft

28 Fazit 28

29 Experimenteller Festigkeitsnachweis Zug- und Druck-Prüfung beim TÜV-Süd in Görlitz Bauteiltest gegen Vollbahnkupplung Belastungskurve Belastung bis zum Bauteilversagen 29

30 Praxistests Deutsche Bahn Cottbus, RTA Wien Kuppeln mit Versatz Vereiste Gegenkupplung (-18 C) Viele Kuppelversuche 30

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