DE102007035772B4

DE102007035772B4 - Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102007035772B4
Application number: DE200710035772
Authority: DE
Inventors: Stefan Wanczura
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2027-07-28
Also published as: DE102007035772A1

Abstract

Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug in Aluminium-Bauweise,
mit einer Tragstruktur, wobei
– die Fläche der Tragstruktur aus einer Sandwich-Struktur (DI, K, DA) gebildet ist, und
– die Tragstruktur an zumindest einer Kante ein Anschlussprofil (AP) mit einem Schiebesitz (S) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fläche zumindest ein Einlegeteil (ET) für eine Krafteinleitung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug in Aluminiumbauweise mit einer Tragstruktur und mit einer Sandwich-Struktur nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solcher Wagenkasten ist beispielsweise aus der EP 0 786 390 A1 bekannt.
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.
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.
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.
Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und montagefreundliche Konstruktionsweise für Wagenkästen mit Sandwich-Strukturen anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen Wagenkasten gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
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 und wobei ferner die Fläche zumindest ein Einlegeteil für eine Krafteinleitung 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.
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.
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.
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.
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.
Eine einfache und sichere Befestigung von Montageteilen (Sitze, Gepäckablagen, Trennwände etc.) ergibt sich dadurch, dass die Fläche der Sandwich-Struktur zumindest ein Einlegeteil 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.
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.
Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Wagenkasten sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Dabei zeigt:
1 einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines Wagenkastens mit einer Seitenwand aus einer Tragstruktur, welche mittels eines Schiebesitzes an ein Untergestell gefügt ist,
2 eine Schiebesitzverbindung zwischen zwei Tragstrukturen, und
3–6 Sandwich-Strukturen mit Einlegeteilen zur Krafteinleitung.
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.
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.
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.
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.
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.
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 6 dargestellt sind. Die in den 3 bis 6 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.

Claims

Wagenkasten für ein Schienenfahrzeug in Aluminium-Bauweise, mit einer Tragstruktur, wobei – die Fläche der Tragstruktur aus einer Sandwich-Struktur (DI, K, DA) gebildet ist, und – die Tragstruktur an zumindest einer Kante ein Anschlussprofil (AP) mit einem Schiebesitz (S) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zumindest ein Einlegeteil (ET) für eine Krafteinleitung aufweist.
Wagenkasten nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element einer Seitenwand durch die Tragstruktur gebildet ist.
Wagenkasten gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element einteilig und seitenhoch ausgebildet ist.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkasten zumindest ein Dachelement aufweist, welches aus der Tragstruktur gebildet ist.
Wagenkasten gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dachelement einteilig die volle Breite des Wagenkastens überspannt.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) mit der (DA, K, DI) verklebt ist.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) mit zumindest einer Deckfläche (DI, DA) der (DA, K, DI) verschweißt ist.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) sowohl an einer Innenseite des Wagenkastens als auch an einer Außenseite des Wagenkastens als Schiebesitz (S) ausgebildet ist.
Wagenkasten nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiebesitz (S) zur Bildung eines Toleranzausgleichs bei der Montage der Tragstruktur auf einem vorgesprengten Untergestell des Wagenkastens ausgebildet ist.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) zum Verschweißen der Tragstruktur mit einer benachbarten Struktur ausgebildet ist.
Wagenkasten nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) derart ausgestaltet ist, dass die Schweißstelle (SN) oder die Schweißstellen (SN) einen Mindestabstand zu der Verklebung des Anschlussprofils (AP) mit der (DA, K, DI) und/oder zu dem Kern (K) der (DA, K, DI) aufweist.
Wagenkasten nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur mittels zumindest einer durchgehenden Schweißnaht mit der benachbarten Struktur gefügt ist.
Wagenkasten nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand 10 mm beträgt.
Wagenkasten nach einem der Patentansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand 15 mm beträgt.
Wagenkasten nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckhäute der (DA, K, DI) und das Anschlussprofil (AP) aus Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung gefertigt sind.
Wagenkasten nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) als ein Hohlkammer-Profil ausgebildet ist.
Wagenkasten nach einem der Patentansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussprofil (AP) ein Strangpressprofil ist.