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Die
Erfindung betrifft einen Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug
in Aluminiumbauweise mit einer Tragstruktur und mit einer Sandwich-Struktur.
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Wagenkästen
für Schienenfahrzeuge (Lokomotiven, Triebwagen, Wagons
etc.) bestehen in konventioneller Bauweise aus einem Untergestell
in Aluminium Integralbauweise, welche aus einer Anzahl von Hohlkammer-Strangpressprofilen
bestehen, und miteinander verschweißt sind und die Wagenkastenröhre
bilden.
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Die
Wagenkästen von Wagons, die für die Personenbeförderung
bestimmt sind, sind auf der Innenseite mit einer Schale aus Kunststoff
oder einem nicht-metallischen Verbundmaterial (Pressmaterial) verkleidet.
Aus Gründen des Wärme- und Schallschutzes wird
dabei der Zwischenraum zwischen dieser Innen-Schale und der Außenhaut
mit einem Isoliermaterial verfüllt, beispielsweise Dämmwolle
oder Polystyrol. Alternativ zu diesem Aufbau werden heutzutage die
Seitenwände von Wagenkästen aus Aluminiumprofilen
aufgebaut, die mit Sandwich-Platten bekleidet bzw. ausgefacht sind.
Solche Sandwich-Platten werden beispielsweise kostengünstig durch
das Vakuum-Sackverfahren hergestellt; eine solche Sandwich-Platte
und das Herstellungsverfahren sind beispielsweise in der internationalen
Patentanmeldung
WO
02/058926 A1 beschrieben.
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Die
Herstellung der vorgenannten Wagenkästen mit Sandwich-Platten
ist mit einigen Problemen bzw. technischen Herausforderungen verbunden.
So muss die Grundkonstruktion der Seitenwände, die aus
Aluminiumprofilen besteht, derart konstruiert sein, dass an allen
erforderlichen Krafteinleitungsstellen (Sitzbefestigungen, Gepäckablagen, Trennwände
etc.) ein entsprechender Träger vorhanden ist, um die einzuleitenden
Kräfte aufzunehmen. Ein weiteres Problem besteht darin,
dass Sandwich-Platten i. d. R. aus einer verklebten Struktur bestehen,
d. h., dass zwischen zwei (metallischen) Deckschichten eine Dämmschicht
angeordnet ist, welche mit einem Klebstoff (beispielsweise auf Epoxydharzbasis)
mit diesen Deckschichten verklebt ist. Diese Dämmschicht
bzw. der verwendete Klebstoff ist wärmeempfindlich, so
dass beim Verschweißen der Sandwich-Platten mit der Grundkonstruktion
eine Beschädigung der Sandwich-Strukturen aufgrund des
Wärmeeintrages auftreten kann. Ein weiteres Problem besteht
darin, dass die Traggestelle (Untergestelle) von Wagenkästen
in der Regel vor der abschließenden Montage der Seitenwände
und der Dachstrukturen vorgesprengt werden, d. h., dass vor der
Montage dieser Strukturen eine Biegung in das Traggestell eingebracht
wird, die durch das Gewicht der Seitenwände, der Dachstruktur,
der Nutzlast und anderer Bauteile wiederum kompensiert wird. Dies führt
dazu, dass bei der Montage des Wagenkastens Toleranzen berücksichtigt
und ausgeglichen werden müssen.
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Es
ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache
und montagefreundliche Konstruktionsweise für Wagenkästen
mit Sandwich-Strukturen anzugeben.
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Die
Aufgabe wird durch einen Wagenkasten gemäß dem
Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Lösung der Aufgabe sieht dabei einen Wagenkasten für
ein Schienenfahrzeug in Aluminium-Bauweise vor, mit einer Tragstruktur,
wobei die Fläche der Tragstruktur aus einer Sandwich-Struktur gebildet
ist, und wobei die Tragstruktur an zumindest einer Kante ein Anschlussprofil
mit einem Schiebesitz aufweist. Durch den Einsatz einer Tragstruktur, die
"selbsttragend" alle erforderlichen Kräfte aufnimmt bzw.
weiterleitet, entfällt das Erfordernis, eine Träger-Struktur
aus Aluminiumprofilen zu erstellen, die danach mit Sandwich-Strukturen
zu verkleiden ist. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Wagenkastens
im Aufbaustand (Montagestand). Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Wagenkastens sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Der
Aufbau des Wagenkastens vereinfacht sich insbesondere dann, wenn
ein komplettes Element einer Seitenwand oder eines Dachelementes aus
einer solchen Tragstruktur gebildet wird, wobei die Seitenwand bzw.
ein Seitenwand-Element vorzugsweise einteilig vom Traggestell ("Fußboden")
bis zur Dachstruktur reicht, und die Dachstruktur bzw. die Dach-Elemente
einteilig von der linken Seite des Wagenkastens bis zur rechten
Seite des Wagenkastens spannt. Durch die Einsparung einer tragenden
Unterkonstruktion wird zudem Platz im Waggon-Inneren eingespart.
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Das
Anschlussprofil ist vorteilhaft mit der Sandwich-Struktur verklebt,
wodurch im Gegensatz zu der Alternative "Verschweißen"
ein schädlicher Wärmeeintrag in den Kern der Sandwich-Struktur vermieden
wird. An Stellen, die eine besonders hohe Festigkeit erfordern,
kann alternativ jedoch auch das Anschlussprofil mit den Deckhäuten
der Sandwich-Struktur verschweißt werden, wozu vorzugsweise
Schweißverfahren mit geringem Wärmeeintrag verwendet
werden.
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Die
Fertigung des Wagenkastens wird erleichtert, wenn das Anschlussprofil
sowohl an einer Innenseite des Wagenkastens als auch an einer Außenseite
des Wagenkastens als Schiebesitz ausgebildet ist. Dabei ist der
Schiebesitz vorzugsweise so dimensioniert, dass dieser zur Bildung
eines Toleranzausgleichs bei der Montage der Tragstruktur auf einem
vorgesprengten Untergestell (Traggestell) des Wagenkastens ausgebildet
ist.
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Eine
feste und gleichzeitig dichte Fügung der Tragstruktur ergibt
sich, indem das Anschlussprofil zum Verschweißen der Tragstruktur
mit einer benachbarten Struktur ausgebildet ist. Dabei ist das Anschlussprofil
vorteilhaft derart ausgestaltet, dass die Schweißstelle
oder die Schweißstellen einen Mindestabstand zu der Verklebung
des Anschlussprofils mit der Sandwich-Struktur und/oder zu dem Kern
der Sandwich-Struktur aufweist. Dieser Mindestabstand sollte je
nach eingesetztem Schweißverfahren und je nach eingesetzten
Materialstärken mindestens 10 mm betragen, besser noch
mindestens 15 mm. Die beste Festigkeit ergibt sich, wenn die Tragstruktur mittels
zumindest einer durchgehenden Schweißnaht mit der benachbarten
Struktur gefügt ist, wobei im Falle nur einer durchgehenden
Schweißnaht diese vorzugsweise an der Außenseite
des Wagenkastens verwendet werden soll.
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Eine
einfache und sichere Befestigung von Montageteilen (Sitze, Gepäckablagen,
Trennwände etc.) ergibt sich, wenn die Fläche
der Sandwich-Struktur zumindest ein Einlegeteil oder Aufsatzteil
zur Krafteinleitung aufweist. Dadurch können Kräfte
großflächig in die Tragstruktur eingeleitet werden,
so dass ein Ausreißen oder ein Verzug durch die eingeleiteten
Kräfte vermieden werden kann.
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Eine
besonders leichte und korrosionsbeständige Wagenkasten-Konstruktion
mit guten Dämmeigenschaften ergibt sich, wenn die Deckhäute
der Sandwich-Struktur und das Anschlussprofil aus Aluminium oder
aus einer Aluminium-Legierung gefertigt sind. Dabei wird eine hohe
Steifigkeit erreicht, wenn das Anschlussprofil als ein Hohl-Profil ausgebildet
ist. Eine kostengünstige Fertigung ergibt sich, wenn das
Anschlussprofil ein Strangpressprofil ist.
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Ausführungsbeispiele
für einen erfindungsgemäßen Wagenkasten
sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch einen Ausschnitt eines Wagenkastens mit einer Seitenwand
aus einer Tragstruktur, welche mittels eines Schiebesitzes an ein
Untergestell gefügt ist,
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2 eine
Schiebesitzverbindung zwischen zwei Tragstrukturen,
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3–6 Sandwich-Strukturen
mit Einlegeteilen zur Krafteinleitung, und
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7 ein
Aufsatzteil auf einer Sandwich-Struktur zur Krafteinleitung.
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In
der 1 ist in einer Schnittdarstellung der Anschluss
einer Seitenwand (in der Figur oberhalb der Trennlinie) an das Untergestell
UG eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug dargestellt. Der
Wagenkasten ist in der sog. Aluminium-Integral-Verbundbauweise (A.
I. V.) gefertigt. Dabei wird eine Wagenkastenröhre durch
mehrere Hohlkammerprofile gebildet, die in der Regel ineinander
gesteckt sind und mittels durchgehender Längsnähte zusammengefügt
werden. Dabei werden die Seitenwand und die Dach-Strukturen als
Elemente in Sandwich-Bauweise hergestellt und stellen für
sich abgeschlossene Baueinheiten dar. Für die Anschlussbereiche
werden Anschlussprofile AP verwendet, die als Strangpressprofile
ausgebildet sind und für die Fügung mit benachbarten
Bauteilen, beispielsweise dem Untergestell UG, vorbereitet sind.
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Die
Seitenteile bzw. Dachstrukturen werden dabei durch Tragstrukturen
gebildet, die in dem jeweiligen Bereich, in dem diese verbaut sind,
sämtliche Kräfte aufnehmen und weiterleiten. Sie
sind im Wesentlichen aus einer Sandwich-Struktur gefertigt, die
aus zwei Deckhäuten bestehen, also einer Außen-Deckhaut
DA und einer Innen-Deckhaut DI, die jeweils auf einen Kern K aufgebracht
bzw. aufgeklebt sind. Der Kern K besteht aus einem Füllmaterial
mit wärme- und schalldämmenden Eigenschaften,
welches mit einem Klebstoff (beispielsweise auf Epoxydharzbasis)
mit den Deckhäuten Da, DI verklebt ist. Weiterhin sind
die Deckhäute DA, DI mit dem Anschlussprofil AP verklebt,
wobei an der Fügestelle zwischen den Plattenkanten der
Deckhäute DA, DI und dem Anschlussprofil AP eine Dichtnaht
mit Dichtmaterial DM vorgesehen ist. Alternativ zu der dargestellten
Verklebung und Abdichtung kann anstelle des Dichtmaterials DM auch
eine Schweißnaht vorgesehen werden, welche auch eine zusätzliche
Festigkeit für die Fälle bewirkt, bei denen durch
eine (unzulässig hohe) Hitzeentwicklung (z. B. im Bereich elektrischer
Aggregate) die Klebung zwischen den Deckhäuten DA, DI dem
Kern K und dem Anschlussprofil AP versagt. Dabei ist zu beachten,
dass die Geometrie des Anschlussprofils AP derart gewählt
wird, dass der bei einer Verschweißung auftretende Wärmeeintrag
nicht zu einer vollständigen Zerstörung der Verklebung
führt.
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Die
Schweißnähte SN dienen der Verbindung des Anschlussprofils
AP mit einer benachbarten Struktur; dies ist in der 1 das
Untergestell UG. Die Schweißnaht SN ist dabei durchgehend
ausgeführt. Sie liegt konstruktiv am günstigsten
in unmittelbarer Nähe des Schiebesitzes S. Dabei wird die Verschweißung
im vorliegenden Fall erst dann durchgeführt, wenn alle
schweren Bestandteile des Wagenkastens zusammengefügt sind,
also beispielsweise die Seitenwände und die Dachelemente
montiert sind. Dadurch ist sichergestellt, dass das vorgesprengte
Untergestell UG im Wesentlichen seine endgültige Form angenommen
hat, so dass die statische Belastung der Schweißnähte
SN möglichst gering ist. Der Schiebesitz S ist dabei derart
angeordnet, dass im Beispiel der Trennstelle zwischen Seitenwand
bzw. Seitenwand-Element und Untergestell UG (Traggestell) Verschiebungen
(also Toleranz-Ausgleich) in vertikaler Richtung sowie in Längsrichtung
des Wagenkastens aufgenommen werden können, während
(bezogen auf die Figur) seitliche Kräfte durch den Schiebesitz
S abgefangen werden.
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Um
einen niedrigen Wärmeeintrag in das Material zu erzielen
und die benachbarten Klebebereiche nicht zu schädigen,
werden Schweißverfahren wie z. B. Laserschweißen
oder das CMT-Verfahren angewendet. Dies bringt eine eng begrenzte
Wärmeeinflusszone mit sich, die sich auf einen Bereich
von ca. 5 bis 10 mm (abhängig von Materialstärken
und anderen Faktoren) begrenzt. Durch die Verwendung von einer geeigneten
Geometrie für das Anschlussprofil AP wird erreicht, dass
die Schweißnaht SN mindestens 10 bis 15 mm von dem Kernmaterial
K und einem wesentlichen Teil der Verklebung des Anschlussprofils
AP mit den Deckhäuten DA, DI, entfernt ist.
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Die 2 zeigt
ebenfalls in einer Schnittdarstellung den Schiebesitz S zwischen
zwei einander ähnlichen Tragstrukturen. Der konstruktive
Aufbau entspricht im Wesentlichen der in der 1 gezeigten
Variante.
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Bei
der hier vorgestellten Technologie werden Sandwich-Strukturen bzw.
Sandwich-Platten nicht zur Bekleidung eines "konventionellen" Traggestells
verwendet, sondern bilden in sich tragende Strukturen, hier "Tragstrukturen"
genannt. Der Innenausbau eines Wagenkastens, beispielsweise bestehend
aus Sitzen, Gepäckablagen, Zwischenwänden etc.,
wird dabei an diese tragenden Strukturen angebunden. Dies wird erfindungsgemäß bereits
bei der Konstruktion der Tragstrukturen, insbesondere der Seitenwände
bzw. Seitenwand-Elemente, berücksichtigt. Dazu werden in
die Tragstrukturen entsprechende Befestigungselemente integriert
bzw. an diese angebunden, die in den 3 bis 7 dargestellt
sind. Die in den 3 bis 7 in einer
Schnittdarstellung dargestellten Anbindungen sind dabei Schienenprofile,
die beispielsweise der Befestigung von Sitzen und Tischen im Inneren
des Wagenkastens dienen. Selbstverständlich können
auch andere Geometrien verwendet werden. Die in der 3 gezeigte
Krafteinleitung besteht aus einer miteinander verschweißten
(Schweißnähte SN) Kombination aus einem Einlegeteil
ET und einem Aufsatzteil AT. Dabei ist das Einlegeteil ET als ein
Kastenprofil ausgebildet, welches eine zusätzliche Versteifung
der Tragstruktur im Bereich der Krafteinleitung bewirkt. Die in
der 4 gezeigte Krafteinleitung weist hingegen ein Einlegeteil
ET auf, welches als H-förmiges Strangpressprofil ausgebildet
ist, wodurch ein Hohlraum im Inneren der Tragstruktur vermieden
wird. Dadurch kann beispielsweise die Einlagerung von Schwitzwasser
innerhalb der Tragstruktur vermieden werden. Die 5 zeigt
eine ähnliche Struktur, bei der jedoch das Einlegeteil
ET derart ausgebildet ist, dass das Auflageteil AT aus der 4 eingespart
wird. Dasselbe gilt für die in der 6 gezeigte
Anordnung, wobei in diesem Fall eine besonders platzsparende Konstruktion
gegeben ist. Für Krafteinleitungsstellen, die eine geringere
Anforderung an die Festigkeit erfordern, eignet sich sehr gut die
Anordnung aus der 7. Das dortige Aufsatzteil AT
kann – wie gezeigt – auf die Deckschicht DI aufgeklebt
werden; alternativ oder zusätzlich ist auch ein Verschweißen möglich.
Die hier gezeigte Variante hat den Vorteil, dass sie auch nachträglich
ohne Eingriff in die Struktur der Tragstruktur bzw. der Sandwich-Struktur
aufgebracht werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser konstruktiven
Ausführung liegt darin, das an dieser Stelle der Wärme-Isolationswert
der Tragstruktur nicht beeinträchtigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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