DE10155820A1

DE10155820A1 - Wagenkasten für Fahrzeuge und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10155820A1
Application number: DE2001155820
Authority: DE
Inventors: Alexander Horoschenkoff; Bernd Bongers; Christine Mueller; Walter Oefner
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wagenkasten für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung ist geeignet für - aber nicht beschränkt auf - den Einsatz in Schienenfahrzeugen. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wagenkasten und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, mit der Wagenkästen komplett aus faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt werden können, wobei insbesondere bahnspezifische Anforderungen, wie beispielsweise Brandschutz und Einleitung von Längskräften in den Wagenkasten berücksichtigt sind. DOLLAR A Der Wagenkasten ist als umlaufend selbsttragende Röhre aufgebaut, um die auftretenden Biege-, Schub- und Torsionsbeanspruchungen aufzunehmen. Im Unterbodenbereich und im Bereich der Ausschnitte für z. B. Türen und/oder Fenster können zur Funktionssicherung entsprechende Konstruktionselemente eingearbeitet sein. Das Herstellungsverfahren sieht vor, dass DOLLAR A - zumindest ein Faserhalbzeug mit einer Vielzahl von Fasern in eine Negativform eingebracht wird, so dass das zumindest eine Faserhalbzeug ein röhrenartiges Skelett des Wagenkastens bildet, und DOLLAR A - danach ein flüssiges, pastöses und/oder fließfähiges Verbundmaterial in die Negativform eingebracht wird und ausgehärtet wird, so dass das Verbundmaterial und das Faserhalbzeug einen Faserverbundwerkstoff bilden, der, gegebenenfalls mit weiteren vor dem Einbringen des Verbundmaterials in und/oder an der Negativform angeordneten teilen, den Wagenkasten bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wagenkasten für Fahrzeuge und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung ist geeignet für - aber nicht beschränkt auf - den Einsatz in Schienenfahrzeugen.
Faserverbundbauweisen (FVK-Bauweisen) haben im Wagenkastenbau gegenüber herkömmlichen Metallbauweisen Vorteile hinsichtlich Kosten, Gewicht, Komfort und Designaspekten. Kostenvorteile sind auf geringere Ausbauarbeiten (Funktionsintegration) und Nacharbeiten, z. B. Spachteln, Richten, Lackieren zurückzuführen. Oft beschränkt sich die Verwendung von FVK-Bauweisen auf Subkomponenten, z. B. Führerhaus, Dach, die nicht oder nur bedingt zur Steifigkeit des Wagenkastens beitragen. Diese Subkomponenten werden in eine lasttragende Metallkonstruktion eingebunden. Aus Kostengründen werden zur Herstellung dieser Subkomponenten verstärkt Vakuuminjektionsverfahren verwendet.
Es sind verschiedene FVK-Bauweisen für Wagenkästen bekannt. Jedoch liegen diesen mechanischen Bauweisen vorgefertigte Subkomponenten größerer Anzahl zugrunde, die meist mechanisch gefügt werden. Insbesondere sehen die im Hinblick auf die Anwendung von Vakuuminjektionsverfahren entwickelten FVK-Bauweisen die Verwendung von vorgefertigten Profilen vor, die über mechanische Verfahren zu einer Tragstruktur gefügt werden. Diese Bauweisen haben den Nachteil, dass der Fertigungsaufwand gross ist und die Wagenkastenstruktur an den Fügestellen Schwachstellen aufweist und/oder zumindest anderes mechanisches Verhalten zeigt als an den vorgefertigten Komponenten.
Die DE 197 56 439 A1 beschreibt einen Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs. Der Wagenkasten besteht dabei aus einer Bodenplatte, Stirn- und Seitenwänden und einem Dach, wobei die jeweilige Seitenwand Fenstersäulen und zumindest ein Hohlkammerprofil enthält, das eine Innen- und eine Außenwandung, die durch Stege verbunden sind, aufweist. Die Seitenwand in ihrer vollständigen Länge oder eine jeweilige Längssektion der Seitenwand sind durch ein einteiliges, die Fenstersäulen umfassendes Hohlkammerprofil aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Die Stege des Hohlkammerprofils sind dabei senkrecht angeordnet. Nachteilig hierbei ist, dass derartig aufgebaute Wagenkästen aus Teilkomponenten besteht, die mechanisch gefügt werden müssen.
Die US 6,092,472 beinhaltet einen Schienenfahrzeug-Wagenkasten in Gemischtbauweise, bestehend aus einem Kern, der mit mehreren Schichten aus faserverstärktem Kunststoff ummantelt ist. Auch bei dieser Bauweise, die durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien in der Herstellung sehr aufwendig ist, werden zuerst Teilkomponenten des Wagenkastens, beispielsweise Endstücke, Seitenwände, Boden- und Dachelemente gefertigt und anschließend mechanisch gefügt.
Die EP 0 489 294 B1 offenbart einen Wagenkasten für Schienenfahrzeuge, wobei der Wagenkasten in selbsttragender Bauweise aus vorfabrizierten Teilen zusammengesetzt ist. Dazu sind Gruppen von aus Kunststoff geformten Bauteilen jeweils gleicher Form und Abmessungen vorgesehen. Bodenteile in Form des unteren Teiles des Wagenkastenprofiles bilden eine erste Gruppe derartiger Bauteile, Deckenteile in Form des oberen Teiles des Wagenkastenprofiles eine zweite Gruppe, Ringspanten und Endteile in Form des Wagenkastenprofiles eine dritte und vierte Gruppe und Einstieg- und Stirnwandteile eine fünfte und sechste Gruppe. Die Länge der Boden- und Deckenteile entspricht dabei einer Fensterbreite, wobei die horizontalen Begrenzungskanten der Boden- und Deckenteile die unteren bzw. oberen Kanten der Fensteröffnungen bilden. Die Boden- und Deckenteile sowie die Endteile, Einstiegteile und Stirnwandteile sind aneinandergereiht und mittels der an den Stoßstellen angeordneten Ringspanten verbunden. Weiterhin sind obere und untere Längsträger vorgesehen, die sich über die Wagenkastenlänge erstrecken und in den Endteilen fest verankert sind. Auch diese Bauweise ist mit den oben beschriebenen Nachteilen behaftet.
Die EP 0 554 539 B1 beschreibt ein Verfahren zur integralen Herstellung von Wagenkästen mit einer selbsttragenden Leichtbaustruktur, bei dem eine innere Deckschicht auf einen formgebenden, wagenkastengroßen Wickelkern gewickelt wird. Weiterhin werden in einem Deckenbereich und in einem Bodenbereich Kanäle und in Eckbereichen formgebende Isolationskörper mit der inneren Deckschicht verbunden. Ein Versteifungsgerippe wird mit dem in den vorhergehenden Verfahrensschritten hergestellten Verbund verbunden. In den Öffnungen des Versteifungsgerippes werden Isolationsplatten angeordnet und die Öffnungen der späteren Fenster und Türen mit Aussparungen versehen. Der in den vorhergehenden Verfahrensschritten hergestellte Verbund wird mit einer äußeren Deckschicht umwickelt und der Wagenkasten vom formgebenden Wickelkern entformt. Dabei wird mindestens eine Deckschicht aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut, indem auf eine erste Wickelschicht ein Dämm-Material zur Vermeidung von thermischen Übergängen zwischen dem Versteifungsgerippe und der Oberfläche des Wagenkastens über den gesamten Verbund gelegt wird und das Dämm-Material mit einer zweiten Wickelschicht umwickelt wird. Dieses Herstellungsverfahren ist kosten- und zeitintensiv. Weiterhin nachteilig sind der hohe Fertigungsaufwand und die geringe Strukturintegrität.
Die EP 0 577 940 B1 beinhaltet ein ähnliches Verfahren zur integralen Herstellung eines Innenausbaus für Wagenkästen. Es ist daher mit annähernd den gleichen Nachteilen verbunden wie das vorher beschriebene.
Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen Wagenkasten für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, so dass ein leichter und dennoch stabiler und/oder steifer Wagenkasten herstellbar ist. Ein derartiger Wagenkasten soll insbesondere für Fahrzeuge geeignet sein, die hochfrequenten Vibrationen ausgesetzt sein können, wie es bei Hochgeschwindigkeitszügen der Fall ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Wagenkasten gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Wagenkastens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 30 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Insbesondere wird der Wagenkasten mit einer röhrenartigen Struktur hergestellt, die eine jeweils in sich geschlossen umlaufende Innen- und Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff aufweist. Die Struktur ist bereits zumindest selbsttragend, jedoch kann vorzugsweise auch weitere Lasten bzw. Kräfte aufnehmen, wie über Fahrzeugpuffer eingeleitete Kräfte und/oder Drehgestellkräfte und/oder Gewichtskräfte von Fahrzeugeinbauten und Lasten.
Daher wird vorgeschlagen, die Innen- und Außenschicht durch eine Zwischenschicht hindurch mit dem Verbundmaterial zu verbinden, das zumindest auch einen Teil der Fasern in der Innen- und Außenschicht umschliesst und/oder miteinander verbindet. Insbesondere besteht die Zwischenschicht zumindest teilweise aus einem Material, das vor dem Applizieren des Verbundmaterials selbsttragend und/oder formstabil hergestellt wurde, wie Schaumstoff und/oder vorgefertigter Faserverbundwerkstoff. Insbesondere hat die fertige Struktur mit der Innenschicht, der Zwischenschicht und der Außenschicht, die bereits das Verbundmaterial aufweist, die oben genannten zumindest selbsttragenden Eigenschaften. Der Wagenkasten kann jedoch auch noch weitere Teile und/oder Schichten aufweisen, etwa eine Außen- und/oder Innenschale außerhalb bzw. innerhalb der Außenschicht bzw. Innenschicht, die die Struktur festigen.
In jedem Fall kann bereits durch die oben beschriebene Verbindung der Innen- und Außenschicht durch die Zwischenschicht hindurch eine leichte und dennoch stabile Struktur geschaffen werden, so dass ein zusätzliches Fügen von Bauteilen zu einer Wagenkastenröhre entfallen kann.
Insbesondere ist der Wagenkasten als umlaufend lasttragende Röhre aufgebaut, um auftretende Biege-, Schub- und/oder Torsionsbeanspruchungen aufzunehmen. Im Unterbodenbereich und im Bereich von Ausschnitten für z. B. Türen und/oder Fenster können zur Funktionssicherung entsprechende Konstruktionselemente eingearbeitet sein.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wagenkastens für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, wobei

- zumindest ein Faserhalbzeug mit einer Vielzahl von Fasern in eine Negativform eingebracht wird, so dass das zumindest eine Faserhalbzeug ein röhrenartiges Skelett des Wagenkastens bildet, und
- danach ein flüssiges, pastöses und/oder fließfähiges Verbundmaterial in die Negativform eingebracht wird und ausgehärtet wird, so dass das Verbundmaterial und das Faserhalbzeug einen Faserverbundwerkstoff bilden, der, gegebenenfalls mit weiteren vor dem Einbringen des Verbundmaterials in und/oder an der Negativform angeordneten Teilen, den Wagenkasten bildet.

Bevorzugt kommen eine oder mehrere der folgenden Halbzeugarten zur Anwendung:

a) Faser-Gelege z. B. aus Glas- und/oder Kohlenstofffasern,
b) Faservorformlinge, die über textiltechnische oder ähnliche Verfahren hergestellt werden, insbesondere mittels Flechttechnik, und
c) Fasern, insbesondere Polyesterfasern um Dickensprünge auszugleichen.

Um die Schlagzähigkeit der Konstruktion zu erhöhen und/oder um ein Verrutschen der trockenen Faserhalbzeuge während des Harzinjektionsprozesses zu verhindern, ist in einer Ausführungsform vorgesehen, die Gelege und/oder Faservorformlinge an ausgewählten Stellen zu vernähen.
In jedem Fall ermöglicht das Verfahren die Herstellung des erfindungsgemäßen Wagenkastens, insbesondere mit der oben beschriebenen Struktur mit Innen-, Zwischen- und Außenschicht. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass erst nach der Herstellung des röhrenartigen Skeletts das Verbundmaterial, insbesondere ein Harz, in die Negativform eingebracht wird. Falls die Negativform und ihre Handhabung dadurch aufwändiger als aus dem Stand der Technik bekannt sein sollten, so zahlt sich dies durch geringeren Aufwand bei der Nachbearbeitung der Wagenkästen aus. Außerdem kann ein Wagenkasten ohne strukturell nachteilige Fügestellen bzw. Nahtstellen in der röhrenartigen Struktur hergestellt werden.
Bevorzugt ist ferner, möglichst alle weiteren Teile des Wagenkastens bereits vor dem Einbringen des Verbundmaterials vorzusehen und möglichst durch das Einbringen und Aushärten des Verbundmaterials alle Teile stabil zu dem Wagenkasten zu verbinden. Dabei können Teile wie Ringspanten, Tür- und Fensterrahmen und flächige und/oder plattenförmige Verstärkungselemente wesentliche tragende und/oder verstärkende Funktionen erfüllen.
Das Herstellungsverfahren sieht zudem in einer bevorzugten Ausführungsform vor, dass ein duroplastisches Harz, vornehmlich auf Basis von Vinylester (VE) oder Epoxidharz (EP) eingebracht wird. Es wird eine Vakuuminjektionstechnik für das Einbringen des Verbundmaterials in die Negativform bevorzugt. Das Verbundmaterial kann mit Brandschutzmittel, insbesondere Ammoniumpolyphosate mit Synergist (APP), versetzt sein. Zur Verteilung des Verbundmaterials und ggf. des Brandschutzmittels kann ein Verteilersystem in den Schichten vorgesehen sein, insbesondere in der Zwischenschicht und/oder in Faseranordnungen der Innen- und Außenschicht.
Die integrale Bauweise für Wagenkästen aus Faserverbundwerkstoffen ist speziell geeignet für Vakuuminjektionsverfahren und hat insbesondere die Vorteile einer Reduzierung der Einzelteile, einer Reduzierung des Handhabungsaufwandes, einer Reduzierung des Fügeaufwandes und eines hohen Maßes an Strukturintegrität.
Die Erfindung wird anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels nachfolgend näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
Fig. 1 einen Teil eines Wagenkastens in perspektivischer Schnittdarstellung,
Fig. 2 den Teil des Wagenkastens in Seitenansicht,
Fig. 3 einen Teil eines Wagenkastens mit einer Außenschale mit Andeutung der Ausrichtung von Fasern,
Fig. 4 einen Teil eines Wagenkastens mit Fenster- und Türrahmen,
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie C-C in Fig. 2,
Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 6,
Fig. 8 einen Teil eines Wagenkastens mit Andeutung unidirektionaler Schichten im Bodenbereich,
Fig. 9 einen Teil eines Wagenkastens mit Verstärkungsplatten im Bodenbereich und
Fig. 10 einen Teil eines Wagenkastens mit Verstärkungsplatten und Luftfederaufnahme.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Teil eines Wagenkastens mit diversen Funktionsschichten in unterschiedlichen Ansichten. Der Wagenkasten weist eine Innenschicht 1 und eine Außenschicht 2 auf. Die Innenschicht 1 und die Außenschicht 2 haben Längsgurte aus unidirektionalem, vorzugsweise Kohlenstofffaser-Gelege, die im Dach- und/oder Unterboden 7 sowie in den Seitenwänden 8 jeweils bis zur Ober- bzw. Unterseite von Fensteröffnungen 9 angeordnet sind. Fasergelege, vorzugsweise aus Glasfasern bilden bei unterschiedlichen Ausrichtungswinkeln der Fasern, in diesem Ausführungsbeispiel um ± 45° gedrehte Ausrichtung zu den die Innenschicht 1 und die Außenschicht 2 bildenden Längsgurten, ein Gerippe für eine Innenschale 3 und eine Außenschale 4. Zur Verteilung eines Harzes, das alle Schichten 1, 2, 3, 4 und die Fasern der Schichten 1, 2, 3, 4 miteinander verbindet und welches ein Brandschutzmittel aufweist, haben die Fasergelege Mikrokanäle.
Zwischen der Innenschicht 1 und der Außenschicht 2 ist ein Kernmaterial 5 in Form von Schaumstoff und/oder Strukturwaben eingebracht. Um die Verteilung des Harzes und des Brandschutzmittels während der Injektion des Harzes in die Schichten 1, 2, 3, 4 sicherzustellen, kann der Schaum mit entsprechenden Verteilerkanälen ausgestattet sein, die insbesondere die Innenschicht 1 und die Außenschicht 2 miteinander an einer Vielzahl von Stellen verbinden.
Zwischen der Innenschicht 1 und der Außenschicht 2 sind Ringspanten 6 mit Kohlenstofffasern angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können Ringspanten 6 unmittelbar zwischen der Außenschale 4 und der Innenschale 3 angeordnet sein (Fig. 7).
Der Wagenkasten stellt einen sowohl um die Quer- als auch um die Hochachse biegesteifen Längsträger dar.
Fig. 3 stellt einen Teil eines Wagenkastens mit der Außenschicht 2 und der Außenschale 4 dar.
Es ist mit Strichen angedeutet, dass Fasern im Bereich eines Unterbodens 7 und in einem oberen Bereich einer Seitenwand 8, oberhalb von Fensteraussparungen 9, in Längsrichtung des Wagenkastens orientiert sind. Insbesondere sind diese Fasern jeweils Teil einer Faserlage eines Fasergeleges, das vor dem Einbringen des Harzes in eine Negativform des Wagenkastens eingebracht wurde. Diese Faserlagen weisen ausschließlich etwa in dieselbe Richtung orientierte Fasern auf (unidirektionale Faserausrichtung). Jedoch können in Bereichen, in denen die Fasergelege gebogen wurden, z. B. an seitlichen Rundungen des Unterbodens 7, Abweichungen von der Einheitseinrichtung auftreten. Insbesondere verlaufen jeweils Fasern der Innenschicht 1 und der Außenschicht 2 etwa parallel zur Längsrichtung des Wagenkastens.
Im Bereich zwischen den Fensteraussparungen 9 bzw. einer Türaussparung 9a ist mit Strichen angedeutet, dass Fasern aus der Längsrichtung um 45° gedreht in zwei jeweils unidirektionalen Faserlagen angeordnet sind oder Fasern in einer Faserlage mit bidirektional um 90° versetzt orientierten Fasern angeordnet sind. Die Fasern wurden ebenfalls vor dem Einbringen des Harzes in der Negativform angeordnet und alle Fasern, auch die Fasern im Unterboden 7 und oberhalb der Aussparungen 9, 9a wurden durch Einbringen des Harzes miteinander verbunden.
Zusätzlich können weitere Faserlagen vorgesehen sein, die vorzugsweise gegen benachbarte Faserlagen gedrehte Faserorientierungen aufweisen.
Durch die Ausrichtung der Fasern können mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Lastverhalten und/oder Elastizität richtungsabhängig eingestellt werden. Insbesondere verlaufen Fasern der Innenschale 3 und der Außenschale 4 um etwa ± 45° versetzt gegen Fasern der Innenschicht 1 und der Außenschicht 2.
Wenn mehrere Fasergelege verwendet werden, überlappen sich diese vorzugsweise, und zwar in gemeinsamen Übergangsbereichen.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Teils eines Wagenkastens mit Fensterrahmen 10 und Türrahmen 11.
Als Abschluss und Versteifung für Fenster- und Türaussparungen 9, 9a und zur Einleitung von aerodynamischen Lasten insbesondere in die benachbarten Ringspanten 6 sind Fasergelege in Form von C-Profilen vorgesehen, die Fensterrahmen 10 und Türrahmen 11 bilden. Die für die C-Profile verwendeten Fasergelege können vorzugsweise aus Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern bestehen.
Die die Fensterrahmen 10 und Türrahmen 11 bildenden C-Profile sind in den Ringspanten 6 versenkt, damit die Außenkontur keine störenden Erhebungen aufweist.
Fig. 5 stellt den in Fig. 4 markierten Schnitt D-D dar und zeigt nochmals den Aufbau im Fensterbereich des Wagenkastens, mit der Innenschicht 1, der Außenschicht 2, der Innenschale 3, der Außenschale 4, dem Kernmaterial 5 und dem Fensterrahmen 10.
Fig. 6 zeigt den in Fig. 2 markierten Schnitt C-C und Fig. 7 einen vergrößerter Ausschnitt von Fig. 6. Die Ringspanten 6 sind hier zwischen der Innenschale 3 und der Außenschale 4 angeordnet, wobei sich zusätzlich zwischen den Ringspanten 6 und der Innenschale 3 bzw. der Außenschale 4 Kernmaterial 5 befindet. Die Ringspanten 6 haben zumindest drei Faserlagen und/oder Faserorientierungen, nämlich umlaufend in Längserstreckung der Ringspanten 6, d. h. um die Längsrichtung des Wagenkastens umlaufend, und um ± 45° dagegen gedreht.
Die Ringspanten 6 dienen der Gestalterhaltung und Stabilisierung des Wagenkastens, zur Aufnahme von Flächenlasten durch Druckunterschiede aufgrund von unterschiedlichen aerodynamischen Eigenschaften unterschiedlicher Bereiche des Wagenkastens und zur Einleitung von Hauptlasten im Bereich des Daches und/oder Unterbodens 7. Im Unterbodenbereich sind zusätzlich Platten 12 aus Fasergelegen, insbesondere Kohlenstofffaser-Gelegen, zwischen Ringspanten mit quasüsotropem Lagenaufbau innerhalb der Innenschale 3, zwischen der Innenschale 3 und der Innenschicht 1, zwischen der Innenschicht 1 und der Außenschicht 2, zwischen der Außenschicht 2 und der Außenschale 4 und/oder außerhalb der Außenschale 4 vorgesehen. Die Platten 12 verstärken den Unterboden 7 und dienen zur Krafteinleitung, wie beispielsweise an Drehgestellanschlüssen 13. Der Unterboden 7 ist selbsttragend ausgebildet und bildet den Fußboden.
Auch die Fasergelege der Platten 12 wurden in einem einzigen Fertigungsschritt durch Einbringen des Harzes in die Negativform mit den anderen Fasern des Wagenkastens verbunden.
In Fig. 8 ist ein Ausschnitt eines Teils eines Wagenkastens mit einer zusätzlichen unidirektionalen Faserlage im Bodenbereich dargestellt. Die Innenschale 3 ist hierdurch in einem Pufferstoß-Bereich 14, der die Form eines keilförmigen Trapezes hat, verstärkt, um lokale Druckkräfte aus Pufferstößen in die Bodenstruktur zu verteilen.
Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt eines Wagenkastens mit übereinanderliegenden Verstärkungsplatten 12 im Bodenbereich, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben. Die Platten 12 weisen Kohlenstofffaser-Gelege mit unidirektionalen Faserschichten auf und dienen als Ausgleich für aus dem Gewicht des Wagenkastens und zusätzlichen Gewichten resultierenden Biegemomenten sowie zur Aufnahme von seitlich quer zur Längsrichtung des Wagenkastens wirkenden Kräften, die beim Fahrbetrieb auftreten können.
In Fig. 10 ist ein Ausschnitt eines Wagenkastens mit den Verstärkungsplatten 12 und einer Luftfederaufnahme dargestellt. Zusätzlich zu den bereits in Fig. 9 enthaltenen Komponenten sind zur Luftfederaufnahme zwei Metallflansche 15 mittig unterhalb der Platten 12 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Platten 12 sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite angeordnet. Die unteren Enden der Metallflansche 15 umgreifen dabei die unterhalb der Außenschale 4 angeordneten Platten 12, so dass eine Öffnung 16 zwischen den Metallflanschen 15 zur Luftfederaufnahme entsteht.

Claims

1. Wagenkasten für Fahrzeuge, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Innenschicht (1) und einer Außenschicht (2), die jeweils aus einem Fasern enthaltenden Faserverbundwerkstoff bestehen und die einen Innenraum des Wagenkastens jeweils in sich geschlossen umlaufen, und mit einer zwischen der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) angeordneten Zwischenschicht (5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbundmaterial des Faserverbundwerkstoffes zumindest einen Teil der Fasern der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) durch die Zwischenschicht (5, 6) hindurch verbindet.

2. Wagenkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial sich in ersten Kanälen innerhalb der Zwischenschicht (5) erstreckt.

3. Wagenkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial sich innerhalb von zweiten Kanälen innerhalb von Faseranordnungen des Faserverbundwerkstoffes erstreckt.

4. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkasten mit einer Aussparung versehen ist, an deren Rand ein Konstruktionselement (10, 11) angeordnet ist, das durch das Verbundmaterial mit der Innenschicht (1) und/oder der Zwischenschicht (5, 6) und/oder der Außenschicht (2) verbunden ist.

5. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkasten zumindest einen Ringspant (6) aufweist, der einen Teil der Zwischenschicht (5, 6) bildet.

6. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspant (6) einen Faserverbundwerkstoff aufweist, insbesondere einen vorgeformten Faserverbundvorformling.

7. Wagenkasten nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspant (6) über das Verbundmaterial mit anderen Teilen des Wagenkastens verbunden ist.

8. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (1) und/oder die Außenschicht (2) und/oder ein anderes Teil des Wagenkastens Gelege aus Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern aufweist.

9. Wagenkasten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelege eine Faserlage mit unidirektionaler Faserausrichtung aufweist.

10. Wagenkasten nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Gelege vorgesehen ist, die sich in Übergangsbereichen überlappen.

11. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelege Faserlagen mit unterschiedlicher Faserausrichtung aufweist, insbesondere gegenüber angrenzenden Lagen um mindestens 30° gedrehte, vorzugsweise um 45° gedrehte Faserausrichtung.

12. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkasten mindestens vier Schichten mit unidirektionale Faserlagen aufweisenden Faser-Gelegen enthält, nämlich mindestens eine Innenschale (3), die außerhalb davon angeordnete Innenschicht (1), die außerhalb davon angeordnete Außenschicht (2) und eine außerhalb davon angeordnete Außenschale (4).

13. Wagenkasten nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserausrichtung der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) etwa parallel zu einer Längsrichtung des Wagenkasten verläuft.

14. Wagenkasten nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserausrichtung der Innenschale (3) und der Außenschale (4) versetzt, insbesondere um etwa ±45° versetzt zur Faserausrichtung der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) verläuft.

15. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspant (6) zwischen der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) angeordnet ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Innenschicht (1) und der Außenschicht (2) mit einem Kernmaterial (5), insbesondere mit Kernmaterial (5) in Form von Schaumstoff und/oder Strukturwaben ausgefüllt ist.

16. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspant (6) zwischen der Innenschale (3) und der Außenschale (4) angeordnet ist, wobei sich zwischen dem Ringspant (6) und der Innenschale (3) und/oder zwischen dem Ringspant (6) und der Außenschale (4) ein Kernmaterial (5), insbesondere Kernmaterial (5) in Form von Schaumstoff und/oder Strukturwaben befindet.

17. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Innenschale (3) und/oder der Außenschale (4) durch Glasfaser-Gelege gebildet sind.

18. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial ein Harz mit oder ohne zusätzlichem Brandschutzmittel ist.

19. Wagenkasten nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein duroplastisches Harz ist, vornehmlich auf Basis von Vinylester oder Epoxidharz.

20. Wagenkasten nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz mit Brandschutzmittel, insbesondere Ammoniumpolyphosate mit Synergist, versetzt ist.

21. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenschicht (1) und/oder der Außenschicht (2) und/oder anderen Teilen des Wagenkastens Faser-Gelege und/oder Faservorformlinge vorgesehen sind, die miteinander vernäht sind.

22. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschluss und Versteifung für Aussparungen, insbesondere Fenster- und Türaussparungen, und zur Einleitung von aerodynamisch bedingter Lasten, insbesondere in benachbarte Ringspanten (6), Faserverbundwerkstoffe mit Fasergelegen, vorzugsweise aus Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, in Form von umschließenden Profilen, insbesondere C-Profilen vorgesehen sind, die insbesondere Fensterrahmen (10) und Türrahmen (11) bilden.

23. Wagenkasten nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Profile verwendeten Fasergelege aus Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern bestehen.

24. Wagenkasten nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei übereinanderliegende, für die Profile verwendete Fasergelege unidirektionale Faservorrichtung haben und in ihrer Faserausrichtung versetzt, insbesondere um etwa 45° gegenüber der Außenschicht (2) gedreht, angeordnet sind.

25. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fensterrahmen (10) und/oder Türrahmen (11) bildenden Profile in Ringspanten (6) versenkt sind.

26. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im Unterbodenbereich plattenförmige Elemente (12) aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere mit Kohlenstofffaser-Gelegen, zwischen Ringspanten (6), vorzugsweise mit quasüsotropem Lagenaufbau vorgesehen sind, welche zur Krafteinleitung von Lasten dienen, beispielsweise Lasten, die über Drehgestellanschlüsse (13) eingeleitet werden.

27. Wagenkasten nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Elemente (12) außerhalb einer Innenschale (3) und/oder zwischen einer Innenschale (3) und der Innenschicht (1) und/oder zwischen der Innenschicht (1) und einer Außenschicht (2) und/oder zwischen einer Außenschicht (2) und einer Außenschale (4) und/oder außerhalb einer Außenschale (4) vorgesehen sind.

28. Wagenkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einleitung von Längskräften in den Wagenkasten mindestens eine Schicht (14) aus Faserverbundmaterial vorgesehen ist, die derart geformt ist, dass sie lokale Druckkräfte aus Längskräften, die in den Wagenkasten eingeleitet werden, z. B. Pufferstößen in eine Bodenstruktur, verteilt.

29. Wagenkasten nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14) im Bereich der Einleitung von Längskräften in den Wagenkasten die Form eines sich keilförmig verjüngenden Trapezes besitzt.

30. Verfahren zur Herstellung eines Wagenkastens für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, wobei
zumindest ein Faserhalbzeug mit einer Vielzahl von Fasern in eine Negativform eingebracht wird, so dass das zumindest eine Faserhalbzeug ein röhrenartiges Skelett des Wagenkastens bildet, und
danach ein flüssiges, pastöses und/oder fließfähiges Verbundmaterial in die Negativform eingebracht wird und ausgehärtet wird, so dass das Verbundmaterial und das Faserhalbzeug einen Faserverbundwerkstoff bilden, der, gegebenenfalls zusammen mit weiteren vor dem Einbringen des Verbundmaterials in und/oder an der Negativform angeordneten Teilen, den Wagenkasten bildet.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass für das Skelett ein Faserhalbzeug mit einem Faser-Gelege, insbesondere aus Glas- und/oder Kohlenstofffasern verwendet wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass für das Skelett ein Faserhalbzeug mit einem Faservorformling verwendet wird, der in einem textiltechnischen Verfahren, insbesondere mittels Flechttechnik, hergestellt wurde oder wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Skeletts, in dem das Skelett eine sich stufenartig ändernde Dicke aufweist, zusätzliche Fasern, insbesondere Polyesterfasern, angeordnet werden, so dass die Dicke in diesem Bereich stetig ab- bzw. zunimmt.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial durch Vakuuminjektion in die Negativform eingebracht wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Faserhalbzeuge stellenweise miteinander vernäht werden.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbundmaterial ein duroplastisches Harz, insbesondere auf Basis von Vinylester oder Epoxidharz, in die Negativform eingebracht wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial vor und/oder während dem Einbringen in die Negativform mit Brandschutzmittel, insbesondere Ammoniumpolyphosate mit Synergist, versetzt wird.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Verbundmaterials in die Negativform zumindest ein weiteres Teil (10, 11), z. B. ein Fensterrahmen, für den Wagenkasten in und/oder an der Negativform angeordnet wird und dass das zumindest eine weitere Teil durch das Einbringen und Aushärten des Verbundmaterials über das Verbundmaterial mit dem Faserverbundwerkstoff verbunden wird.