DE10009105C1 - Flächenelement und Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements - Google Patents

Abstract

Beim vorliegenden Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements (2) für Wagenkästen in Sandwichbauweise, das eine Außenbeplankung (4) und ein Höckerblech (6) mit zwischen diesen angeordneten Randprofilen (8, 10) umfaßt, werden in einem ersten Schritt die Randprofile (8, 10) wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren an das Höckerblech (6) angebunden, in einem zweiten Schritt die Höckerplatte (6) mit der Außenbeplankung (4) verklebt und in einem dritten Schritt die Randprofile (8, 10) wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren mit der Außenbeplankung (4) gefügt. Durch diese Maßnahmen wird eine hohe Schub- und Beulsteifigkeit des Flächenelements erzielt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements für Wagenkästen in Sandwichbauweise und auf ein Flächenelement.

Wagenkästen, beispielsweise für den Personenverkehr, werden aus verschiedenen Komponenten aufgebaut. Zu diesen Komponenten gehören u. a. Flächenelemente. Die Flächenelemente setzen sich wiederum aus mehreren Blechen und Halbzeugen zusammen, welche miteinander gefügt werden. Als Fügetechnik finden hier verschiedene Schweißtechniken, wie beispielsweise Punktschweißen und konventionelles Lichtbogenschweißen ihre Anwendung.

Im Schienenfahrzeugbau ist es bisher üblich und ganz allgemein bekannt, Bauteile für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen in Differentialbauweise auszubilden, wobei ein aus Profilen gefügtes Stabwerk oder Gitterwerk mit einer Außenbeplankung versehen wird, die derart mit dem Stabwerk verbunden wird, daß zug- und drucksteife Flächenelemente entstehen. In den zwischen den Gitterstäben liegenden Flächen ist die Beplankung innenseitig außerderm durch linienhafte, häufig Z-förmige Profile als Beulsteifen zusätzlich verstärkt.

Aus der DE 195 21 892 C1 ist beispielsweise ein Flächenelement in und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Das Flächenelement umfaßt zwei Deckplatten und einer Vielzahl von die Deckplatten über feste Verbindungen versteifenden und miteinander verbindenden Stegen. Die Stege sind zur Bildung von Kassetten gitterförmig angeordnet. Feste Verbindungen werden hier durch thermisch durchdringendes Fügen mittels Laserschweißen hergestellt, wobei die festen Verbindungen als Schweißnähte ausgebildet sind, welche sich nahezu über die gesamte Länge der zu fügenden Komponenten erstrecken.

Aus der GB 885,279 ist bekannt, ein Gitterwerk für Großkarosserien aus hutförmigen Profilen auszubilden, die an Ihren Kreuzungsstellen von ebenfalls hutförmig ausgebildeten Profilknoten übergriffen und mit diesen form- und kraftschlüssig gefügt sind.

Als Fügeverfahren werden in den vorgenannten Fällen für die Herstellung des Stab- oder Gitterwerks, für das Fügen mit der Außenbeplankung sowie das anschließende Aufbringen der linienhaften Beulsteifen vollständig oder wenigstens streckenweise thermische Fügeverfahren verwendet. Nachteilig für alle diese Fügeverfahren ist, daß bei der Formgebung des Stab- oder Gitterwerks hohe Genauigkeit gesichert und dafür entsprechender Aufwand erbracht werden muß, und daß die eingebrachte Wärme in allen Bauteilen zu unerwünschten Spannungen und Verzug führt, die eine Zeit- und kostenaufwändige Nacharbeit erfordern, um die gewünschte Gestalt und Oberflächenebenheit der Flächenelemente herzustellen und innerhalb der geforderten Toleranzen zu bleiben.

Zudem entsteht ein erheblicher thermischer Verzug, der sich im Auftreten von Beulen bemerkbar macht und die Oberflächenqualität negativ beeinflußt. Zum Ausgleich des Verzuges sind umfangreiche Richt- und Spannarbeiten sowie Nacharbeiten durch neuerliches Schleifen erforderlich. Die entstehenden Maßtoleranzen führen zu einem erhöhten Anpaßaufwand in der Endmontage. Die bekannten Fügeverfahren machen einen nachträglichen umfangreichen Korrosionsschutz erforderlich oder bedingen den Einsatz kostenintensiver Edelstähle. Zum Erzeugen einer geeigneten Flächenbeulsteifigkeit ist es erforderlich die Flächenelemente in einer Nachbehandlung thermisch zu spannen oder mit Profilbeulsteifen zu versehen.

Außerdem hemmen oder verhindern diese Fügeverfahren den Einsatz von Werkstoffen, die bereits anorganische oder organische Korrosionsschutzschichten, die Herstellung von weitgehend vorgefertigten Bauteilen, die z. B. bereits eine Wärmedämmung oder eine endgültige Farbgebung tragen, sowie die Herstellung von aus unterschiedlichen Werkstoffen (darunter Faserverbundwerkstoffe) gefügten Hybrid-Bauteilen.

Bei der Fertigung von Schienenfahrzeugen wird deshalb zunehmend versucht, die thermischen Fügeverfahren durch Kaltfügeverfahren zu ersetzen.

In der DE 195 01 805 A1 wird offenbart, ein Gitterwerk und linienhafte Beulsteifen mit einer Außenbeplankung mittels eines Klebeverfahrens zu fügen. Diese Technologie ist nicht für alle Einsatzfälle brauchbar und kostengünstig.

Aus der EP 0 855 978 A1 sind wenigstens teilweise mittels Kaltfügens (z. B. Stanznieten) in Differentialbauweise herstellbare und miteinander fügbare Flächenelement-Module bekannt. Diese Technologie verlangt teilweise hohen Aufwand für Vorrichtungen und Werkzeuge, ist konstruktiv relativ unfrei und aufwändig.

Diese vorbekannten Verfahren zum Fügen bei der Herstellung von Wagenkästen weisen verschiedene Nachteile auf. Hohlkammerprofile lassen sich nur aufwendig gestalten und erstellen, wobei teure und unflexible Gußknoten entstehen und kein Toleranzausgleich gegeben ist. Auch die Randgestaltungen der Flächenelemente im Bereich Profil/Blech erweisen sich als sehr aufwendig.

Die Herstellung eines Gerippes, beispielsweise aus Stegen aufgebaut, ist ebenfalls aufwendig und kostenintensiv. Der Einsatz von strukturtragenden Schaumkernen ist üblich, was wiederum den Einsatz von teuren Schäumen erforderlich macht, welche ausschließlich verklebt werden. Mechanische Spannungsspitzen in den Randbereichen lassen sich nicht vermeiden.

In P. Cordes, V. Hüller: Moderne Stahl-Leichtbaustrukturen für den Schienenfahrzeugbau; Blech Rohre Profile 42 (1995) 12 S. 773-777 ist u. a. die Verwendung einer Höckerplatte beschrieben. Bei dieser Höckerplatte ist ein Glattblech mit einem zweiten Blech verbunden, in das in einem definierten Raster Kegel- oder Pyramidenstümpfe eingeformt wurden. Über jeweils einen Schweißpunkt im Höckerboden werden Glattblech und Höckerblech miteinander verbunden.

Die DE-AS 11 33 640 beschreibt ein Wandungsbauteil für Wagenkästen von Kraftfahrzeugen. Das Wandungsbauteil besteht aus paarweise miteinander verbundenen Schalen, von denen die eine mit napfartigen Vertiefungen versehen ist und die andere eine im wesentlichen gleichmäßig durchlaufende Oberfläche aufweist, wobei die Schalen an den Vertiefungen miteinander verbunden sind. Bei Verwendung von Kunststoffschalen sind die Bodenflächen der Vertiefungen der einen Schale durch eine Haftverbindung mit der anderen Schale vereinigt. Die Vereinigungsflächen sind bei versetzter Anordnung in ihrer Gesamtheit etwa gleich den verbleibenden freien Flächen zwischen den Vertiefungen.

Die DE 197 42 772 A1 beinhaltet einen Zwischenboden für einen doppelstöckigen Eisenbahnwagen zur Trennung des oberen Stockwerks vom unteren. Der Zwischenboden ersteckt sich von einer Wagenlängsseite zur anderen und über einen Abschnitt der Wagenlänge. Er besteht aus mehreren flachen, rechteckigen, nebeneinanderliegenden Sandwich-Elementen, die sich mit ihren schmalen Stirnseiten von einer Wagenlängsseite zur anderen erstrecken und daselbst jeweils auf einem in Wagenlängsrichtung verlaufenden Träger aufliegen, während sie mit ihren breiten Längsseiten jeweils mit einem hohlen und biegeweichen Balken verbunden sind, der sich quer wenigstens über einen Abschnitt der inneren Breite des Wagens erstreckt. In einer Ausführungsform bestehen die Sandwich-Elemente aus zwei Blechen, die eine Zellenstruktur aufweisen, indem in die Bleche jeweils Vertiefungen durch Tiefziehen eingeformt sind. Die Spitzen der Vertiefungen berühren sich und sind miteinander verschweißt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements für Wagenkästen in Sandwichbauweise anzugeben, wobei Flächenelemente mit geringer Toleranzspanne und einer hohen Oberflächengüte gefertigt werden. Außerdem soll ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Flächenelement angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements für Wagenkästen in Sandwichbauweise mit den Merkmalen des A1 gelöst.

Außerdem wird diese Aufgabe durch ein so hergestelltes Flächenelement gelöst.

Mit dem Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements wird eine hohe Schub- und Beulsteifigkeit des Flächenelements erzielt. Es treten nur geringe Toleranzspannen auf, wobei das Einebnen des Bleches automatisch erfolgt. Durch Anwendung des Verfahrens wird eine vielseitige Funktionsintegration erreicht, wobei Korrosionsschutz und Schallisolierung im Vordergrund stehen. Durch die Verwendung von Kaltfügeverfahren werden sehr geringe Bauteiltoleranzen erreicht. Außerdem werden erhebliche finanzielle Einsparungen durch den Wegfall von lohnintensiven Prozessen erzielt, wie beispielsweise Richten, Sandstrahlen, Spannen, Schleifen und Spachteln. Zudem werden auch Kosten im Materialbereich eingespart. Auf Grundanstriche kann verzichtet werden, wohingegen nur Zwischenanstriche, Decklack oder Folie erforderlich sind. Mit dem vorliegenden Verfahren wird zudem ein Aufbau in Hybridbauweise sowie in modularer Bauweise ermöglicht. Es können Flächenelemente mit verschiedenen Profilen erzeugt werden, beispielsweise eine ebene oder eine gekrümmte Seitenwand. Die Herstellung eines separaten aufwendigen Gerippes wird vermieden und der Einsatz von strukturtragenden Schaumkernen entfällt.

Vorzugsweise wird im ersten und dritten Schritt vollständig mechanisch gefügt. Durch einen Verzicht auf den Einsatz von Schweißverfahren werden die bereits angegebenen Vorteile weiterhin optimiert. Durch das mechanische Fügen werden Schälzugkräfte im Kleber vermieden.

Insbesondere kann das Kaltfügen mit Stanznieten oder mittels Durchsetzfügen erfolgen. Auch eine Kombination beider Methoden ist denkbar. Die Fügetechniken gewährleisten Fügungen mit geringen Toleranzen, da ein schwer zu berechnender Schrumpfprozeß, welcher beim Schweißen nicht zu vermeiden ist, beim Kaltfügen vermieden werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden im ersten Schritt auf der der Außenbeplankung abgewandten Seite der Höckerplatte Pfosten zum Stabilisieren angeordnet und befestigt. Die Montage bereits in dieser frühen Phase des Verfahrens vereinfacht den gesamten Herstellungsprozeß für Flächenelemente.

Vorzugsweise wird das Höckerblech mit der Außenbeplankung in einem Vakuumsackverfahren verklebt. Beispielsweise werden die zu verklebenden Bleche in eine luftdichte Verpackung, beispielsweise in eine Folie, eingebracht, in welcher anschließend ein Unterdruck erzeugt wird. Mit einem Vakuumsackverfahren können auf eine kostengünstige Art und Weise ebene Flächen mit höchster Präzision erzeugt werden. Das Verfahren erweist sich als unabhängig von der Größe des Flächenelements. Aufwendige individuell von der Größe der Flächenelemente abhängige Vorrichtungen zum Herstellen von ebenen Flächenelementen werden nicht mehr benötigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen FIG näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Flächenelements für Wagenkästen in Sandwichbauweise in Draufsicht in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Schnitt aus Fig. 1 entlang der Linie A-A.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Flächenelements 2 für Wagenkästen in Sandwichbauweise in Draufsicht in schematischer Darstellung auf. Das Flächenelement 2 umfaßt eine Außenbeplankung 4 und ein Höckerblech 6, wobei die Außenbeplankung 4 nur in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Höcker des Höckerblechs 6 können in flächig regelmäßiger Anordnung in sich kreuzenden, horizontal und vertikal oder in sich kreuzenden, schräg verlaufenden Reihen ausgebildet sein.

Es sind Randprofile 8, 10, die in diesem Ausführungsbeispiel als Fenster- bzw. Türrahmen ausgebildet sind, zum mechanischen Anbinden der Außenbeplankung 4 ans Höckerblech 6 vorgesehen.

Außerdem sind vertikale Pfosten 12 auf der der Außenbeplankung 4 abgewandten Seite des Höckerblechs 6 zum Stabilisieren angeordnet. Das Flächenelement 2 ist zwischen einem Dachlangträger 14 und einem Untergestellangträger 16 eingespannt, so daß die vertikalen Pfosten senkrecht zu dem Dachlangträger 14 und dem Untergestellangträger 16 verlaufen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt des Flächenelements 2 aus Fig. 1 entlang der Linie A-A dargestellt. Beim vorliegenden Verfahren zum Herstellen des Flächenelements 2 für Wagenkästen in Sandwichbauweise wird in einem ersten Schritt ein erster Abschnitt der Randprofile 8, 10 wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren mit dem Höckerblech 6 gefügt. Zusammen mit den auf dem Höckerblech 6 angeordneten Pfosten 12 wird bereits eine ausgesteifte Sandwichinnenschale gefertigt.

In einem zweiten Schritt wird das Höckerblech 6 mit der Außenbeplankung 4 mit Hilfe eines Klebers 18 verklebt. Das Verkleben erfolgt bevorzugt in einem Vakuumsackverfahren. Das Verkleben kann aber auch auf andere Art und Weise durchgeführt werden. Außerdem befindet sich in den augebildeten Räumen zwischen der Außenbeplankung 4 und dem Höckerblech 6 ein Isolierstoff 20. Die zu verklebende Anordnung wird in diesem Ausführungsbeispiel in eine luftdichte Verpackung, beispielsweise in eine Folie, eingebracht, in welcher anschließend ein Unterdruck erzeugt wird. Das Andrücken der Höckerblechs an die Außenbeplankung kann aber auch auf andere Art und Weise erfolgen.

In einem dritten Schritt wird ein zweiter Abschnitt der Randprofile 8, 10 wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren mit der Außenbeplankung 4 gefügt. Im ersten und dritten Abschnitt kann auch vollständig mechanisch gefügt werden.

Das Kaltfügen im ersten und dritten Schritt erfolgt in diesem Beispiel mit Stanznieten 22. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Kaltfügen mittels Durchsetzfügen. Es können aber auch andere Kaltfügetechniken beispielsweise Blindnieten verwendet werden. Die Randprofile weisen wenigstens teilweise ein Z-Profil auf.

Mit dem vorliegenden Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements 2 für Wagenkästen in Sandwichbauweise wird eine hohe Schub- und Beulsteifigkeit des gesamten Flächenelements 2 erzielt. Es treten nur geringe Toleranzspannen auf, wobei das Einebnen des äußeren Bleches durch den Klebeprozeß automatisch erfolgt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Flächenelements (2) für Wagenkästen in Sandwichbauweise, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einem ersten Schritt ein erster Abschnitt der Randprofile (8, 10) wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren mit einem Höckerblech (6) zusammengefügt wird,
• - in einem zweiten Schritt das Höckerblech (6) mit einer Außenbeplankung (4) verklebt wird, und
• - in einem dritten Schritt ein zweiter Abschnitt der Randprofile (8, 10) wenigstens teilweise mit einem mechanischen Fügeverfahren mit der Außenbeplankung (4) zum Verbinden der Außenbeplankung (4) mit dem Höckerblech (6) zusammengefügt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten und dritten Schritt vollständig kaltgefügt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Kaltfügen mit Stanznieten (22).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Kaltfügen mittels Durchsetzfügens.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt auf der der Außenbeplankung (4) abgewandten Seite der Höckerplatte (4) Pfosten (12) zum Stabilisieren angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Höckerblech (6) mit der Außenbeplankung (4) in einem Vakuumsackverfahren verklebt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Randprofile (8, 10) wenigstens teilweise als Z-Profil ausgebildet sind.

8. Flächenelement (2), das nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.

9. Flächenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Höckerblech (6) mit der Außenbeplankung (4) schubsteif verbunden ist.

10. Flächenelement (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker des Höckerblechs (6) in flächig regelmäßiger Anordnung in sich kreuzenden, horizontal und vertikal verlaufenden Reihen ausgebildet sind.

11. Flächenelement (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker des Höckerblechs (6) in flächig regelmäßiger Anordnung in sich kreuzenden, schräg verlaufenden Reihen ausgebildet sind.