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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wagenkasten, insbesondere für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einer Schalenstruktur, die mindestens ein flächenhaftes Schalenelement und zumindest ein Versteifungselement umfasst. Derartige Wagenkästen sind beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung
EP 1 752 250 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wagenkasten anzugeben, der ein besonders hohes Maß an Stabilität bei geringem Gewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wagenkasten mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wagenkastens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in zumindest einem Verbindungsbereich zwischen dem zumindest einen Versteifungselement und dem mindestens einen Schalenelement das Schalenelement und/oder das Versteifungselement lokal eine höhere Wandstärke aufweist als in zumindest einem lokalen Abschnitt außerhalb des Verbindungsbereiches.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wagenkastens ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehene lokale Wandstärkenerhöhung beim Schalenelement und/oder beim Versteifungselement eine besonders große Stabilität im Verbindungsbereich erreicht wird. In dem oder in den lokalen Abschnitten außerhalb des Verbindungsbereichs kann eine reduzierte Wandstärke vorgesehen werden, so dass sich trotz großer Stabilität der Gesamtstruktur ein minimales Gesamtgewicht des Wagenkastens ergibt.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das mindestens eine Schalenelement und/oder das zumindest eine Versteifungselement metallischen Werkstoff aufweist oder daraus besteht.
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Das Schalenelement kann beispielsweise aus einem Blech bestehen oder ein Blech umfassen, das eine variable Schichtdicke aufweist. Derartige Bleche werden fachsprachlich auch "Tailored Blank" genannt; die Bleche können durch Stanzen und Tiefziehen in die jeweils gewünschte Form mit dem gewünschten Dickenverlauf gebracht werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass das Versteifungselement durch ein Wellblech gebildet ist. Das Wellblech besteht im Querschnitt bevorzugt aus mindestens zwei miteinander verbundenen Profilbereichen, die jeweils vorzugsweise einen trapezförmigen, einen sinusförmigen oder rechteckförmigen Verlauf aufweisen.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung des Wagenkastens ist vorgesehen, dass das Versteifungselement durch ein einzelnes Profil bzw. Einzelprofil gebildet wird und im Querschnitt einen offenen Verlauf aufweist. Vorzugsweise ist das Profil L-, U-, Z- oder hutförmig.
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Die Schalenstruktur kann einschalig bzw. einwandig oder doppelschalig bzw. doppelwandig ausgestaltet sein. Bei einer doppelwandigen Schalenstruktur ist vorzugsweise ein weiteres Schalenelement vorhanden, wobei das zumindest eine Versteifungselement zwischen den zwei Schalenelementen angeordnet ist.
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Das oder die Schalenelemente bestehen vorzugsweise aus einem Verbundmaterial. Vorzugsweise weist das Verbundmaterial eine innere nichtmetallische Schicht und zwei äußere metallische Schichten auf, die die innere nichtmetallische Schicht einschließen.
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Im Falle eines Verbundmaterials wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ausschließlich die an das Versteifungselement angrenzende Schicht des Verbundmaterials mindestens zwei unterschiedliche Wandstärken aufweist.
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Hinsichtlich der Fügestellen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn sich die Fügestelle oder die Fügungsstellen zwischen dem Versteifungselement und der Innenseite des Schalenelements nur bis in einen inneren Abschnitt des Schalenelements hinein erstrecken, der von einem darüber liegenden äußeren Abschnitt des Schalenelementes abgedeckt wird.
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Falls das oder die Schalenelemente aus einem Verbundmaterial bestehen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn sich die Fügestelle bzw. Fügungsstellen zwischen dem Versteifungselement und der angrenzenden ersten metallischen Schicht des Verbundmaterials höchstens bis an die innere nichtmetallische Schicht des Verbundmaterials erstrecken und von der darüber liegenden inneren und äußeren Schicht des Verbundmaterials abgedeckt werden.
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Mit Blick auf eine Integration einer Fensterscheibe oder dergleichen in die Schalenstruktur wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in der Schalenstruktur mindestens ein Ausschnitt vorhanden ist und an der dem Ausschnitt zugewandten Innenkontur der Schalenstruktur ein Versteifungsrahmen angebracht ist, welcher der Ausschnittkontur umlaufend folgend ausgeführt ist, wobei im Verbindungsbereich zwischen dem Versteifungsrahmen und dem zumindest einen Schalenelement das Schalenelement und/oder der Versteifungsrahmen lokal eine höhere Wanddicke aufweisen als in zumindest einem lokalen Abschnitt außerhalb dieses Verbindungsbereichs.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Wagenkastens ist vorgesehen, dass der Versteifungsrahmen zur Aufnahme einer zum Schalenelement flächenbündigen Fensterscheibe dient, wobei der Versteifungsrahmen eine zur Aufnahme vorgesehene umlaufende Fügefläche aufweist, die relativ zur Fläche des Schalenelementes mindestens um die Dicke der Fensterscheibe in Richtung des Wagenkasteninneren versetzt ist.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wagenkastens, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, wobei bei dem Verfahren mindestens eine Schalenstruktur aus einer Schalenstruktur mit mindestens einem flächigen Schalenelement gebildet wird, wobei zur Versteifung des Schalenelementes zumindest ein Versteifungselement vorgesehen wird.
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Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Verfahrens vorgesehen, dass das mindestens eine Schalenelement und/oder das zumindest eine Versteifungselement mit einer lokal variierenden Schichtdicke versehen wird, wobei das zumindest eine Versteifungselement mit dem mindestens einen Schalenelement in zumindest einem Verbindungsbereich verbunden wird, in dem das mindestens eine Schalenelement und/oder das zumindest eine Versteifungselement lokal eine dickere Schichtdicke aufweist als in zumindest einem lokalen Abschnitt außerhalb dieses Verbindungsbereichs.
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Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wagenkasten verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Wagenkastens denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fügen des Schalenelementes und des Versteifungselements thermisch derart erfolgt, dass sich die Fügestelle oder die Fügungsstellen zwischen dem Versteifungselement und der Innenseite des Schalenelements nur bis in einen inneren Abschnitt des Schalenelements erstrecken und der innere Abschnitt des Schalenelements von einem darüber liegenden äußeren Abschnitt des Schalenelementes abgedeckt wird.
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Das Fügen des Schalenelements und des Versteifungselements erfolgt vorzugsweise durch Laserschweißen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
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1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wagenkasten im Querschnitt,
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2 ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur für den Wagenkasten gemäß 1,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur für den Wagenkasten gemäß 1,
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4 zwei weitere Ausführungsbeispiele für eine doppelwandige Schalenstruktur für den Wagenkasten gemäß 1,
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5 Ausführungsbeispiele für Wellbleche, die als Versteifungselement für doppelwandige oder einwandige Schalenstrukturen, beispielsweise für die doppelwandige Schalenstruktur bei dem Wagenkasten gemäß 1, eingesetzt werden können,
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6 Ausführungsbeispiele für Versteifungselemente, die durch einzelne Profile gebildet sind und für einwandige oder doppelwandige Schalenstrukturen eingesetzt werden können,
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7 zwei Ausführungsbeispiele für eine Laserschweißverbindung zwischen einem Versteifungselement und einem Schalenelement einer einwandigen oder einer doppelwandigen Schalenstruktur,
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8 ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur, bei der zumindest ein Schalenelement durch ein Verbundmaterial gebildet wird,
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9 zwei Ausführungsbeispiele für eine Laserschweißverbindung zwischen einem Versteifungselement und einem Schalenelement, das durch ein Verbundmaterial gebildet ist,
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10 ein Ausführungsbeispiel für eine Schalenstruktur, die mit einem Versteifungsrahmen zur Aufnahme einer Fensterscheibe ausgestattet ist,
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11 die Schalenstruktur mit dem Versteifungsrahmen gemäß 10 im Querschnitt und
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12 ein Ausführungsbeispiel für eine einwandige Schalenstruktur, die in einer Baugruppe oder als Baugruppe eines Wagenkastens, wie beispielsweise dem Wagenkasten 10 gemäß 1, eingesetzt werden kann.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In der 1 sieht man ein Ausführungsbeispiel für einen Wagenkasten 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Schienenfahrzeugwagenkasten handeln kann. Der Wagenkasten 10 weist eine Mehrzahl an Baugruppen auf, und zwar Baugruppen in Form eines Dachelements DE, zweier Obergurte OG, zweier Seitenwandelemente SWE, zweier Untergurte UG und eines Bodenelements BE. Die Trennstellen zwischen den Baugruppen sind mit den Bezugszeichen TR1–TR8 gekennzeichnet.
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In der 1 lässt sich erkennen, dass die Baugruppen des Wagenkastens 10 jeweils eine doppelwandige Schalenstruktur DSS aufweisen können. Alternativ kann auch eine einwandige Schalenstruktur eingesetzt werden, wie sie in der 12 gezeigt und mit dem Bezugszeichen ESS gekennzeichnet ist.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur DSS, wie sie bei dem Wagenkasten 10 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Es lässt sich erkennen, dass die doppelwandige Schalenstruktur DSS zwei äußere Schalenelemente SE1 und SE2 umfasst. Die beiden Schalenelemente SE1 und SE2 werden durch ein Versteifungselement VE miteinander verbunden.
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Zur Versteifung der doppelwandigen Schalenstruktur DSS ist das in der 2 obere Schalenelement SE1 mit einer variablen Wandstärke versehen. Es lässt sich erkennen, dass in den Verbindungsbereichen V, in denen das Schalenelement SE1 mit dem Versteifungselement VE verbunden ist, das Schalenelement SE1 eine höhere Wandstärke aufweist bzw. dicker ist als in den lokalen Abschnitten außerhalb der Verbindungsbereiche V bzw. als in den Abschnitten zwischen den Verbindungsbereichen V.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Verbindungsbereiche W zwischen den Versteifungselement VE und dem in der 2 unteren Schalenelement SE2 nicht mit einer erhöhten Wandstärke versehen, wie dies bei den Verbindungsbereichen V zwischen dem Versteifungselement VE und dem in der 2 oberen Schalenelement SE1 der Fall ist. Selbstverständlich kann auch in den in der 2 unteren Verbindungsbereichen W zwischen dem Schalenelement SE2 und dem Versteifungselement VE das Schalenelement SE2 lokal mit einer höheren Wandstärke versehen sein.
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Darüber hinaus ist es möglich, eine Erhöhung der Wandstärke nicht nur bei den Schalenelementen SE1 und/oder SE2 vorzusehen, sondern alternativ oder zusätzlich auch bei dem Versteifungselement VE.
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Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur DSS, bei der sowohl in den Verbindungsbereichen V zwischen dem in der 3 oberen Schalenelement SE1 und dem Versteifungselement VE als auch in den Verbindungsbereichen W zwischen dem in der 3 unteren Schalenelement SE2 und dem Versteifungselement VE jeweils lokal erhöhte Wandstärken vorgesehen sind. Die 3 zeigt, dass das Schalenelement SE1 in den Verbindungsbereichen V jeweils eine höhere Wandstärke aufweist als in den lokalen Abschnitten außerhalb der Verbindungsbereiche V bzw. als in den Abschnitten zwischen den Verbindungsbereichen V. Entsprechend ist auch das in der 3 untere Schalenelement SE2 ausgestaltet, das in den Verbindungsbereichen W, in denen es mit dem Versteifungselement VE verbunden ist, dicker ist als in den lokalen Abschnitten außerhalb der Verbindungsbereiche W.
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Die 4 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele für doppelwandige Schalenstrukturen DSS. Bei dem in der 4 oberen Ausführungsbeispiel ist das Versteifungselement VE lokal mit einer höheren Wandstärke ausgestattet, und zwar jeweils dort, wo es Verbindungsbereiche V bzw. W mit den Schalenelementen SE1 und SE2 aufweist.
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Bei dem in der 4 unteren Ausführungsbeispiel weist das Versteifungselement VE in den Verbindungsbereichen mit dem unteren Schalenelement SE2 lokal eine höhere Wandstärke auf. Darüber hinaus ist das in der 4 obere Schalenelement SE1 lokal dicker, wobei die Bereiche mit höherer Wandstärke vorzugsweise in Verbindungsbereichen mit dem Versteifungselement VE liegen.
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Im Zusammenhang mit den 2 bis 4 wurden Versteifungselemente VE gezeigt, die jeweils durch ein Wellblech mit trapezförmigem Querschnitt gebildet sind. Alternativ können auch andere Wellblechquerschnitte gewählt werden, beispielsweise sinusförmige oder rechteckförmige Wellblechquerschnitte, wie sie in der 5 gezeigt sind. Die Wellbleche können lokal unterschiedliche Wandstärken aufweisen; vorzugsweise sind sie in den Bereichen, in denen sie mit Schalenelementen verbunden werden, dicker bzw. mit einer höheren Wandstärke versehen als in den Abschnitten außerhalb der Verbindungsbereiche.
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Alternativ ist es möglich, Versteifungselemente VE durch Einzelprofile, also nicht durch Wellbleche, zu bilden. Ausführungsbeispiele für solche Einzelprofile sind in der 6 gezeigt. Es lässt sich erkennen, dass die Einzelprofile im Querschnitt vorzugsweise einen offenen Verlauf aufweisen und beispielsweise L-, U-, Z- oder hutförmig sein können. In den Verbindungsbereichen mit Schalenelementen können die Einzelprofile eine erhöhte Wandstärke aufweisen, wie dies im Zusammenhang mit den 1 bis 5 bereits erläutert worden ist. Auch können zwei oder mehr Einzelprofile miteinander verbunden werden und eine wellblechähnliche Struktur bilden.
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Die Verbindung zwischen den Versteifungselementen und den Schalenelementen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, beispielsweise durch Kleben, Nieten, Löten oder Schweißen. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, wenn das Verbinden mit Hilfe von Laserschweißen erfolgt. Die 7 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für Laserschweißstellen 20, durch die ein Versteifungselement VE mit einem Schalenelement SE1 verbunden ist. Bei den beiden in der 7 gezeigten Laserschweißstellen 20 ist die Tiefe der Schweißstellen derart gewählt, dass diese die Oberfläche 30 des Schalenelements SE1 nicht erreichen. Mit anderen Worten erstrecken sich die Laserschweißstellen 20 vorzugsweise lediglich durch das Versteifungselement VE hindurch bis ins Innere des Schalenelements SE1. Die Laserschweißstellen 20 sind somit auf der dem Versteifungselement VE abgewandten Seite des Schalenelements SE1 nicht sichtbar.
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Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur DSS, bei der das in der 8 obere Schalenelement SE1 durch ein Verbundmaterial gebildet ist. Das Schalenelement SE1 weist zwei äußere metallische Schichten 40 und 50 auf, die eine innere nichtmetallische Schicht 60, beispielsweise eine Kunststoffschicht, einschließen.
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Es lässt sich erkennen, dass die dem Versteifungselement VE zugewandte äußere metallische Schicht 40 des Schalenelements SE1 in den Verbindungsbereichen V mit dem Versteifungselement VE vorzugsweise eine höhere Wandstärke aufweist als in den Abschnitten außerhalb dieser Verbindungsbereiche V. Im Übrigen gelten die Erläuterungen im Zusammenhang mit den 2 bis 6 entsprechend.
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In der 9 ist anhand zweier Ausführungsbeispiele gezeigt, wie das Versteifungselement VE gemäß 8 mit dem Schalenelement SE1 gemäß 8 verbunden werden kann. Man erkennt zwei Laserschweißstellen 20, die sich durch das Versteifungselement VE hindurch in das Schalenelement SE1 erstrecken. Vorzugsweise ist die Tiefe der Laserschweißstellen 20 so gewählt, dass sich die Laserschweißstellen 20 lediglich in die äußere metallische Schicht 40 hinein erstrecken und die nichtmetallische Schicht 60 unberührt lassen.
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Das in den 8 und 9 gezeigte Verbundmaterial, das aus den beiden äußeren metallischen Schichten 40 und 50 sowie der inneren nichtmetallischen Schicht 60 besteht, kann hergestellt bzw. fertiggestellt werden, bevor das Versteifungselement V mit dem Verbundmaterial verbunden wird. Alternativ ist es möglich, die innere nichtmetallische Schicht 60 und/oder die dem Versteifungselement VE abgewandte äußere metallische Schicht 50 erst dann auf die dem Versteifungselement VE zugewandte metallische Schicht 40 aufzubringen, nachdem das Versteifungselement VE mit der metallischen Schicht 40 bereits verbunden, beispielsweise verschweißt ist.
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Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine doppelwandige Schalenstruktur DSS, deren Ausschnitt A zur Aufnahme einer in der 10 nicht gezeigten Fensterscheibe dient. An der dem Ausschnitt A zugewandten Innenkontur der doppelwandigen Schalenstruktur DSS ist ein Versteifungsrahmen VR angebracht, welcher der Ausschnittkontur umlaufend folgend ausgeführt ist.
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Die 11 zeigt die doppelwandige Schalenstruktur DSS gemäß 10 im Schnitt XI-XI. Es lässt sich erkennen, dass der Versteifungsrahmen VR in Verbindungsbereichen Y und Z mit den beiden Schalenelementen SE1 und SE2 verbunden ist. In den Verbindungsbereichen Y und Z weist vorzugsweise zumindest eines der beiden Schalenelemente SE1 und/oder SE2 und/oder der Versteifungsrahmen VR lokal eine höhere Dicke auf als an anderer Stelle, beispielsweise als in zumindest einem lokalen Abschnitt zwischen den beiden Verbindungsbereichen Y und Z.
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Entsprechendes gilt für den Verbindungsbereich W zwischen dem Schalenelement SE2 und dem Versteifungselement VE. Auch dort können das Schalenelement SE2 und/oder das Versteifungselement VE lokal dicker sein, auch wenn dies in der 11 nicht explizit dargestellt ist.
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Die 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine einwandige Schalenstruktur ESS, die anstelle der doppelwandigen Schalenstruktur DSS bei dem Wagenkasten 10 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Es lässt sich erkennen, dass die einwandige Schalenstruktur ESS aus einem Schalenelement SE1 besteht, das mittels eines Versteifungselements VE versteift ist. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verbindungsbereich zwischen dem Versteifungselement VE und dem Schalenelement SE1 das Schalenelement SE1 und/oder das Versteifungselement VE lokal dicker als in zumindest einem lokalen Abschnitt außerhalb des Verbindungsbereichs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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