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Die Erfindung betrifft einen unteren Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug zur Personenbeförderung, insbesondere für den Einsatz im Kurzstreckenbetrieb, wie bei U- und S-Bahnen, bei denen die Schienenfahrzeuge oder die aus ihnen gebildeten Zugeinheiten in kurzen Intervallen beschleunigt und abgebremst werden müssen.
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Bekannte Wagenkästen von Schienenfahrzeugen bestehen in konventioneller Bauweise aus einer röhrenförmigen Konstruktion mit zwei Stirnwänden, die im Regelfall als Übergang zu einem benachbarten Wagenkasten ausgebildet sind. Alternativ kann die Stirnwand auch als Führerhaus ausgebildet sein.
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In konventioneller Bauweise besteht der Wagenkasten aus einem Untergestell (auch Unterboden genannt), zwei Seitenwänden sowie einem Dach. Dabei weisen die Baugruppen, insbesondere die Seitenwände und das Dach, eine tragende, skelettartige Tragstruktur auf, bei der Stahlleichtbauprofile miteinander oder mit einem Dünnblech, das die äußere Verkleidung bildet, mit bekannten Schweißverfahren verbunden sind.
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Für die Tragstruktur und die Verkleidung werden neben Stahl- und Stahlleichtbauprofilen und Dünnblechen zunehmend leichte und korrosionsresistente Werkstoffe aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet. Dabei wird das Aluminium zum Erhalt einer höheren Stabilität als Kammerprofil verbaut. Allerdings weisen auch Aluminium-Bauteile bei falschem Einbau eine Anfälligkeit für Korrosion auf.
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Nachteile dieser Differenzialbauweise sind der hohe Aufwand für die Fertigung der Elemente der Tragstruktur und der Verkleidung und die hohe Korrosionsanfälligkeit durch die form- oder stoffschlüssige Verbindung der Stahl- oder Stahlleichtbauteile untereinander oder mit anderen Werkstoffen. So kommt es in Folge der Kondenswasserbildung insbesondere im Bereich der Fenster- und Türausschnitte in den Seitenwänden zu starker Korrosion, so dass die tragenden Baugruppen im Bereich der Seitenwände beziehungsweise im Übergangsbereich zwischen Dach und Seitenwand regelmäßig nach ca. 15 bis 17 Jahren ausgetauscht werden müssen.
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Neben der klassischen Skelettbauweise, insbesondere für die Baugruppen Dach und Seitenwand, gibt es seit Jahren Bemühungen, alternative Konstruktionsprinzipien in die Praxis überzuleiten.
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So ist aus der
DE 196 19 212 A1 der Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges bekannt, der im Wesentlichen aus horizontalen und vertikalen Wandungen besteht, wobei die horizontalen Wandungen dem Bilden eines Bodens sowie eines Daches dienen und die vertikalen, insbesondere Seitenwände bildenden Wandungen, den Einbau mindestens eines Fensters und einer Eingangstür durch entsprechende Ausschnitte ermöglichen.
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Dabei werden für die Fertigung des Wagenkastens Module verwendet, die aus faserverstärktem Kunststoff gebildet sind und die im Schnitt senkrecht zur Wagenkastenlängsachse jeweils hälftige Module bilden.
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Die dach- und bodenseitigen Wandungen weisen dabei Hohlräume und Nuten auf, die einen durchlaufenden Gurt aufnehmen, der mit Zug-, Druck- und Biegekräften beanspruchbar ist. Der Gurt kann aus einem Metallprofil, vorzugsweise aus faserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Besonders bevorzugt umfassen die faserverstärkten Kunststoffe Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- und / oder Naturfasern. Besonders bevorzugt umfassen die als Matrix vorgesehenen Kunststoffe Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze oder Phenolharze.
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Aus der
GB 2 030 934 A ist eine Karosserie für ein Fahrzeug und ein mit dieser Karosserie ausgestattetes Fahrzeug bekannt.
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Dabei besteht die Karosserie aus modularen Teilsegmenten, die aneinandergrenzend so miteinander verbunden sind, dass die Segmentmodule zugleich einen Teilbereich des Karosseriedaches bilden. Dazu weisen die Teilsegmente eine abgewinkelte Verlängerung auf.
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Um der Karosserie die notwendige Festigkeit zu verleihen, werden die einzelnen Module jeweils in überlagerter Form montiert. Durch die Verwendung klassischer Konstruktionswerkstoffe, wie Stahl, kommt es in dem Überlapp- bzw. Stoßbereich der aneinandergrenzenden Teilsegmente bzw. Segmentmodule zu starken Korrosionserscheinungen. Auch erfordert die Vorfertigung der dreidimensional geformten Teilsegmente und der sie verbindenden Profile eine hohe Fertigungsgenauigkeit.
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Die einzelnen Module werden mit vertikal angeordneten Säulen verbunden, wobei die vertikalen Säulen zusammen mit longitudinalen Träger im Bodenbereich des Wagenkastens den Rahmen des Wagenkastens bilden. Zur Steifigkeitserhöhung der gesamten Konstruktion sind in den Ecken des oberen Teils des Wagenkastens ebenfalls longitudinale Träger angeordnet.
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Aus der
DE 10 2009 045 202 B4 ist ein modularer Wagenkasten in Leichtbauweise bekannt, der ebenfalls insbesondere für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen konzipiert ist.
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Dazu weist der Wagenkasten für ein Personen-Schienenfahrzeug mehrere, in Umfangsrichtung um eine Längsachse geschlossene, Wagenkastenmodule auf, wobei benachbarte Wagenkastenmodule über in Umfangsrichtung geschlossene, ringartige Kopplungsmodule miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind im Unterbereich des Wagenkastens Längsträger in Längsrichtung integriert, die die Aufnahme der Längskräfte ermöglichen.
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Dieses Konstruktionsprinzip wird seit vielen Jahren auch bei der Rumpffertigung von Flugzeugen, insbesondere für den Passagierverkehr, verwendet.
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Aus
DE 101 54 215 B4 sind Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeugs bekannt, die von mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen gebildet werden und damit ein geringeres Gewicht und ein erhöhtes Energieaufnahmevermögen im Crashfall gegenüber konventionellen Konstruktionsprinzipien aufweisen. Die einzelnen Hohlprofile sind aus Stahlblech gefertigt und mit einem Abstand zueinander angeordnet und bilden einen Freiraum und sind an ihren Enden formsteif miteinander verbunden.
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In
EP 0 489 294 B1 ist ein Wagenkasten in selbsttragender Bauweise für Schienenfahrzeuge beschrieben, der aus baukastenartig gestalteten Teilen aufgebaut ist. Zur Erhöhung der Wagenkastensteifigkeit sind in den vier Eckzonen des Wagenkastens obere und untere Längsträger angeordnet, die aus faserverstärkten Kunststoffprofilen mit röhrenförmigen Querschnitt bestehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mindestens einen unteren Längsträger für einen Wagenkasten bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch mindestens einen unteren Längsträger für einen Wagenkasten gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der untere Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug ausgebildet.
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Dabei ist der untere Längsträger als über die gesamte Wagenkastenlänge durchgehendes Mehrkammerhohlprofil mit mindestens zwei Kammern ausgebildet. Vorteilhaft wird durch diese Ausbildung des unteren Längsträgers eine besonders hohe Steifigkeit erreicht.
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Bevorzugt weist der Wagenkasten zwei untere Längsträger auf, welche parallel und voneinander beabstandet und jeweils über die gesamte Länge des Wagenkastens angeordnet sind.
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Der untere Längsträger besteht vollständig aus faserverstärktem Kunststoffverbund (FKV). Vorteilhaft wird dadurch bei gleichbleibender Stabilität das Gewicht des Wagenkastens erheblich reduziert, wodurch wiederum eine Erhöhung der Nutzlast des Schienenfahrzeuges ermöglicht wird. Insbesondere bei U-Bahnen können aufgrund der vorgegebenen Zuglängen und Taktzeiten in der gleichen Zeit deutlich mehr Personen befördert werden.
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Die Kammern des Mehrkammerhohlprofils des unteren Längsträgers sind durch Stege voneinander getrennt und von mindestens einer Außenwand umgeben. Vorteilhaft sind damit einzelne Kammern des Mehrkammerhohlprofiles des unteren Längsträgers separat und mittels einfacher Werkzeuge und Methoden herstellbar. Alternativ kann durch ein komplexeres Herstellungsverfahren, wie bspw. Pultrusion, eine höhere Festigkeit des unteren Längsträgers erreicht werden.
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Die Außenwand des unteren Längsträgers besteht aus einer oder mehreren Lagen von faserverstärktem Kunststoffverbund. Auch hier wird dadurch bei gleichbleibender Stabilität vorteilhaft das Gewicht des Wagenkastens erheblich reduziert, wodurch wiederum eine Erhöhung der Nutzlast des Schienenfahrzeuges ermöglicht wird.
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Die Kammern des unteren Längsträgers sind als vieleckige Hohlprofile ausgebildet und in den Ecken gerundet ausgeführt. Vorteilhaft weist der untere Längsträger durch die vieleckigen Hohlprofile eine erhöhte Stabilität auf und ist fertigungstechnisch gut planbar herstellbar. Durch die gerundeten Ecken des unteren Längsträgers wird vorteilhaft der faserverstärkte Kunststoffverbund nicht unnötig belastet und ist weniger anfällig für Brüche.
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Die Ausbildung der unteren Längsträger als Mehrkammerhohlprofile aus einem FKV-Werkstoff führt zu einer deutlich reduzierten Masse gegenüber gängigen Stahl- oder Aluminiumprofilen. Weiterhin dienen die Mehrkammerhohlprofile der unteren Längsträger vorteilhaft der Aufnahme der in den Wagenkasten eingeleiteten Längskräfte.
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Die unteren Längsträger weisen mindestens zwei Kammern, besonders bevorzugt drei oder mehr Kammern auf, die durchgehend parallel zueinander entlang der Längsachse der Längsträger verlaufen.
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Besonders bevorzugt weisen die unteren Längsträger keine Trenn- oder Fügestellen senkrecht zur Trägerlängsachse auf. Besonders bevorzugt sind die Längsträger als einstückige Bauteile über die gesamte Länge des Wagenkastens angeordnet.
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Alternativ werden die unteren Längsträger aus mehreren einzelnen Bereichen, die jeweils entlang der Trägerlängsachse als voneinander unabhängige Abschnitte ausgebildet sind, gebildet, die mit gängigen Fügeverfahren kraft- und / oder form- und / oder stoffschlüssig an ihren Stirnflächen miteinander verbunden sind.
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Besonders bevorzugt sind die Kammern der Mehrkammerhohlprofile von einer Außenwand umgeben. Besonders bevorzugt besteht die Außenwand aus einer oder mehreren Lagen mindestens eines FKV-Werkstoffs. Besonders bevorzugt werden die Kammern der Mehrkammerhohlprofile durch Stege voneinander getrennt, wobei die Längsachsen der Stege entlang der Längsachse der Längsträger ausgerichtet sind.
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Bevorzugt sind sowohl die Außenwand des Mehrkammerhohlprofils als auch die Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile ein- oder mehrlagig ausgebildet.
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Bevorzugt weist zumindest ein Bereich (Außenwand und /oder Steg) des Mehrkammerhohlprofils des unteren Längsträgers eine lokale Verstärkung auf. Bevorzugt wird die lokale Verstärkung durch eine Aufweitung des Zwischenraums zwischen den einzelnen Lagen der Außenwand und / oder Stege erreicht, so dass Füllbereiche entstehen. Bevorzugt sind die Füllbereiche mit Endlos-Fasern, ausgerichtet entlang der Trägerlängsachse, gefüllt. Besonders bevorzugt sind die Füllbereiche mit Ultra-High-Modulus-Fasern (UHM-Fasern) gefüllt. Bevorzugt können zusätzlich Zwischenlagen im Bereich der lokalen Verstärkung des unteren Längsträgers eingebracht werden.
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Besonders bevorzugt sind die Fasern innerhalb der einzelnen Lagen, die die Außenwand des Mehrkammerhohlprofils und die Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile bilden, unidirektional und / oder mehrachsig ausgerichtet, besonders bevorzugt mit unidirektionaler und / oder quadraxialer Ausrichtung.
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Bevorzugt ist sowohl der Lagenaufbau der Außenwand des Mehrkammerhohlprofils als auch der Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile alternierend aus Einzellagen mit unidirektionaler und mehrachsiger, besonders bevorzugt quadraxialer, Faserausrichtung hergestellt, wobei die Einzellagen mit mehrachsiger Faserausrichtung besonders bevorzugt Gewebe umfassen.
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Besonders bevorzugt werden die Längsträger mittels des bekannten Pultrusionsverfahren hergestellt.
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Bevorzugt können die unteren Längsträger mit dem Boden und / oder der Seitenwand und / oder den Endtraversen eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug verbunden werden.
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Bevorzugt sind die unteren Längsträger als Mehrkammerhohlprofile mit optional über die Länge variierender Kammeranzahl mit mindestens zwei Kammern, besonders bevorzugt mit drei Kammern, ausgebildet, die durchgehend entlang der Längsachse der Längsträger verlaufen. Besonders bevorzugt weist das Mehrkammerhohlprofil eines unteren Längsträgers zumindest in einem Bereich der Länge des unteren Längsträgers zwei Kammern auf.
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Besonders bevorzugt ist mindestens eine der Kammern des Mehrkammerhohlprofils des unteren Längsträgers im Querschnitt als rechtwinkliges Polygon ausgebildet. Besonders bevorzugt weisen die einzelnen Kammern des unteren Längsträgers vieleckige Querschnitte, besonders bevorzugt dreieckige und / oder viereckige Querschnitte auf. Besonders bevorzugt weist der Querschnitt einer Kammer gerundete Ecken auf. Die Abrundung der Ecken entspricht dabei dem zulässigen Biegeradius der verwendeten Verstärkungsfasern im FKV-Werkstoff. Alternativ weist der Querschnitt einer Kammer nicht-gerundete Ecken auf. Die Aneinanderreihung der einzelnen Kammern ergibt das Profil des unteren Längsträgers.
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Bevorzugt sind die, durch die Abrundung der Ecken der einzelnen Kammern, entstehenden Hohlräume, im Folgenden als Füllzwickel bezeichnet, zusätzlich mit Endlos-Fasern, ausgerichtet entlang der Trägerlängsachse, gefüllt. Besonders bevorzugt sind die Füllzwickel mit unidirektionalen Ultra-High-Modulus-Fasern (UHM-Fasern) gefüllt.
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Bevorzugt weist ein unterer Längsträger in mindestens einem Teilbereich der Länge des Trägers eine geringere Anzahl von Kammern auf, als in einem anderen Teilbereich der Länge des Trägers. Die durch die Reduzierung der Kammeranzahl erzeugten Aussparungen können vorteilhaft für die formschlüssige Verbindung der beiden unteren Längsträger mit einem Querträger oder einem Tragwerkselement dienen, das zur Aufnahme eines Drehgestells geeignet ist.
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Bevorzugt wird die Reduzierung der Kammeranzahl des unteren Längsträger in einem nachgelagerten Prozessschritt durch spannende Fertigungsverfahren, z. B. Fräsen, erzielt.
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Bevorzugt resultiert die Variation der Kammeranzahl des unteren Längsträgers aus einer Aneinanderreihung von Mehrkammerhohlprofilen mit unterschiedlicher Kammeranzahl entlang der Trägerlängsachse.
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Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in jeder Anordnung miteinander zu kombinieren.
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Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel soll dabei die Erfindung beschreiben, ohne diese zu beschränken.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 Sprengbild eines Wagenkastens mit den erfindungsgemäßen unteren Längsträgern,
- 2 Ausschnitt eines unteren Längsträgers und Querschnitte an verschiedenen Stellen des unteren Längsträgers,
- 3 Detailansicht eines unteren Längsträgers im Querschnitt.
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1 zeigt ein Sprengbild eines Wagenkastens 1, in welchem die erfindungsgemäßen unteren Längsträger 602 eingebaut sind. Weiterhin sind folgende Komponenten des Wagenkastens dargestellt: Die oberen Längsträger 601, die Seitenwandsegmente 301, die vertikalen Säulen 304, die Stirnwand 501, die einzelnen Dachsegmente 201 sowie die Bodensegmente 401.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines unteren Längsträgers 602 als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug (2A) und den dazugehörigen Querschnitt mit Blickrichtung in Trägerlängsachse (2B) sowie einen Querschnitt durch einen Teilbereich der Länge des unteren Längsträgers 602 mit reduzierter Kammeranzahl (2C). Die in 2C gezeigte Kammeranzahl im Querschnitt des unteren Längsträgers 602 wird gegenüber der in 2B gezeigten Kammeranzahl im Querschnitt des unteren Längsträgers 602 dadurch verkleinert, dass die mit Ziffer II bezeichnete Hohlkammer 604 spanend entfernt wurde, z. B. durch Fräsen. Zwischen den Hohlkammern 604 sind Stege 605 angeordnet. Die Hohlkammern 604 des unteren Längsträgers 602 weisen gerundete Ecken 603 auf.
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3 zeigt einen Querschnitt eines unteren Längsträgers 602 analog dem in 2B dargestellten, insbesondere eine Detailansicht des Faserlagenaufbaus. Die unteren Längsträger 602 werden in einem kontinuierlichen hybriden Pultrusionsverfahren (z. B. Pullwinding- oder Pullbraiding-Verfahren) mit drei Kernen und einer über die Länge von 21 m konstanten Kammeranzahl hergestellt. Der untere Längsträger 602 weist drei durch römische Ziffern I bis III gekennzeichnete Hohlkammern 604 mit vieleckigen Querschnitten auf, wobei eine Kammer (III) mit dreieckigem und zwei Kammern (I, II) mit viereckigem Querschnitt und jeweils gerundeten Ecken 603 ausgeführt sind. Die Außenwand 606 und die Stege 605 zwischen den einzelnen Kammern 604 sind aus jeweils 4 Lagen quadraxialem Gelege mit einer Einzeldicke von 1,8 mm und einer Faserausrichtung von 0°, -45°, +45° und 90° ausgebildet. Lasttragende Bereiche des unteren Längsträgers 602, der Obergurt 607 und der Untergurt 608, weisen einen differenzierten Lagenaufbau auf. Hier sind zusätzlich zu den 4 Lagen der Außenwand 606 jeweils zwei Zwischenlagen 611 aus quadraxialem Gelege mit einer Dicke von 1,8 mm eingefügt. In den Füllbereichen 609 zwischen den Einzellagen sind jeweils 3 mm dicke Lagen mit unidirektionalen UHM-Fasern eingebracht. Durch die Zwischenlagen 611 und die mit UHM-Fasern gefüllten Füllbereiche 609 weist der untere Längsträger 602 im Obergurt 607 und im Untergurt 608 jeweils eine lokale Verstärkung auf. Die Füllzwickel 610, die sich infolge der Abrundung der Ecken 603 ergeben, sind mit UHM-Fasern gefüllt.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist ein unterer Längsträger 602 Dimensionen von 21030 mm × 215 mm × 232 mm (Länge × Breite × Höhe) und eine Masse von ca. 370 kg auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wagenkasten
- 201
- Dachsegment
- 301
- Seitenwandsegment
- 304
- Vertikale Säule
- 401
- Bodensegment
- 501
- Stirnwand
- 601
- Oberer Längsträger
- 602
- Unterer Längsträger
- 603
- gerundete Ecke
- 604
- Hohlkammer
- 605
- Steg
- 606
- Außenwand des unteren Längsträgers
- 607
- Obergurt
- 608
- Untergurt
- 609
- Füllbereich
- 610
- Füllzwickel
- 611
- Zwischenlagen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19619212 A1 [0007]
- GB 2030934 A [0011]
- DE 102009045202 B4 [0015]
- DE 10154215 B4 [0018]
- EP 0489294 B1 [0019]
