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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem luftdichten Versorgungskanal im Hochdachbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungskanal mindestens ein Bauteil umfasst, welches mittels Verkleben in die Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur eingefügt ist.
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Stand der Technik
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Eine Möglichkeit zur Aufoptimierung des Energieverbrauchs von Schienenfahrzeugen, mit weitreichenden Folgen gerade auch für das CO2-Äquivalent eines Nutzers, ist der Einsatz technisch konstruktiver Mittel, welche die Aerodynamik sowohl von Triebköpfen als auch von Schienenfahrzeug-Wagenkästen verbessern. Als probates Mittel zur Verringerung des Luftwiderstandes hat sich dabei der Einsatz spezieller Hochdachprofile erwiesen, welche gängigerweise ein günstiges Strömungsprofil an der oberen Außenhaut des Schienenfahrzeugs ausbilden und gleichzeitig auch Fortschritte in der Reduktion des Außenschalls und des Sonic Booms erzielen. Des Weiteren können diese Dachkonstruktionen auch Teile der Versorgungseinrichtungen aufnehmen. Stand der Technik ist auch die Verwendung unterschiedlich gestalteter Hochdachprofile an festgelegten Schienenfahrzeugpositionen, welche modular zusammengestellt werden können und in ihrer spezifischen Abfolge dem Schienenfahrzeug als Ganzes eine außerordentlich günstige Aerodynamik verleihen.
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Moderne Hochdachkonstruktionen bieten also nicht nur die Möglich einer optimierten Fahrzeuggeometrie sondern erlauben durch ihren Aufbau bedingt auch den Einsatz verbesserter Versorgungseinrichtungen, welche im Stand der Technik nicht bekannt sind. Dies ist insbesondere wichtig für Versorgungseinrichtungen, welche konstruktiv aufwendig sind und/oder eine möglichst hohe Zuverlässigkeit aufweisen müssen. Des Weiteren wichtig ist eine leichte Zugänglichkeit der Versorgungseinrichtungen zu Wartungszwecken. Zu der genannten Art von Versorgungseinrichtungen zählen zum Beispiel die Klimamodule und hier insbesondere die druck- und luftdicht ausgeführten Klimakanäle. Herkömmliche, nach dem Stand der Technik verbaute Klimakanäle, sind über Luftkanaldurchbrüche fest in den Schienenfahrzeug-Rohbaurahmen eingefügt. Hierbei werden die Klimakanäle von Bauteilen aufgenommen, welche mittels konventioneller, thermischer Fügemethoden in die Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur integriert sind. Bedingt durch Maßtoleranzen im Schienenfahrzeug-Rohbau und generell durch die Verwendung relativ unflexibler Bauteile, müssen zur Sicherstellung einer gasdichten Verbindung zwischen Rohbau und Bauteil sehr aufwendige Schweißarbeiten ausgeführt werden. Häufig führt die thermische Belastung auch zu einem Verzug der Bauteile, welches in Konsequenz zu einer schlechten Dichtung zwischen dem Klimakanal und dem Bauteil führen kann. Das Verfahren ist nur unter großem Aufwand zu realisieren und demzufolge teuer. Eine anschließende zeitintensive Dichtigkeitsprüfung ist für diese Herstellungsweise obligatorisch.
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Des Weiteren gehört es zum bisherigen Stand der Technik, dass die Bauteile für die Kanaldurchbrüche der Versorgungskanäle in einer liegenden Orientierung in den Schienenfahrzeug-Rohbaurahmen eingeschweißt werden. Diese Bauteile weisen eine Öffnung zur Aufnahme der Versorgungskanäle auf, welche im wesentlichen nach unten, dass heißt zum Fahrzeuginnenraum hin gerichtet ist. Dies hat zur Folge, dass die Versorgungskanäle, welche meistens in Längsrichtung zum Schienenfahrzeug verlaufen, mit Versorgungskanalanschlüssen ausgestattet werden müssen, die gewinkelt ausgeführt sind. Dies ist aufgrund der sich ergebenden Strömungsverhältnisse im Versorgungskanal technisch ungünstig.
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Durch den Einsatz von Hochdachbereichen kann nun ein senkrechter Einbau des Versorgungskanaldurchbruchs zur Aufnahme eines Versorgungskanals realisiert werden, welcher im Rahmen der Anschlussführung und -Sicherheit deutliche Vorteile aufweist und erhebliche Einsparungen an Einbauzeit und -Logistik mit sich bringt. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit aufwendig konstruierter und strömungstechnisch ungünstiger, gewinkelter Verbindungen. Im Falle gasförmiger Medien verringert sich durch die optimierte Geometrie der Strömungswiderstand und damit auch die Geräuschentwicklung.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine weitere technische Lösung für ein Schienenfahrzeug aufzuzeigen, welche die bisherigen Schwierigkeiten in dem Auf- und Einbau luftdichter Versorgungskanäle ausräumt und eine einfache, sicherere und kostengünstige Konstruktion zum Einbau eines luftdichten Versorgungskanals bereitstellt.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1. Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem luftdichten Versorgungskanal im Hochdachbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungskanal mindestens ein Bauteil umfasst, welches mittels Verkleben in die Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur eingefügt ist. Durch das Verkleben mindestens eines Bauteils des luftdichten Versorgungskanals mit der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur lässt sich auf einfache Art und Weise eine elastische und luftdichte Verbindung zwischen dem Bauteil und der Rohbaustruktur herstellen. Eine thermische Belastung des Bauteils und der Rohbaustruktur während des Zusammenbaus entfällt, welches sich positiv auf die Formtreue der Bauteile auswirkt. Zudem kann eine aufwendige Prüfung auf die Dichtigkeit der Verbindungsstelle entfallen. Das Verkleben ermöglicht zudem das einfache und flexible Ausgleichen von Fertigungstoleranzen sowohl der Rohbaustruktur als auch des Bauteils.
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Schienenfahrzeuge im Sinne der Erfindung sind Fahrzeuge, die sich auf Gleisen aus paarweise und/oder parallel angeordneten Schienen (Schienenstrang) bewegen. Unter diese Kategorie fallen z.B. Eisenbahnen, S-Bahnen, U-Bahnen, Schwebebahnen, Eisenbahn-Fahrzeugen Güterwaggons, Personenwagen, Lokomotiven, Triebwagen und Triebköpfe.
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Versorgungskanäle stellen durch Wände abgetrennte Kompartimente innerhalb des Schienenfahrzeugs dar, welche in der Regel in Längsachse des Schienenfahrzeugs verlaufen und in ihrem Inneren Medien wie Luft, Gas, Wasser oder Elektrizität bereitstellen. Versorgungskanäle im Hochdachbereich eines Schienenfahrzeugs befinden sich unterhalb der Außenverkleidung im oberen Bereich des Schienenfahrzeugs. Insbesondere genannt seien Klima-, Wasser-, Luft-, Hydraulik-, Druckluft- und Elektrizität-Versorgungskanäle.
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Luftdicht im Sinne der Erfindung ist ein Versorgungskanal dann, wenn der unbeabsichtigte Gas-Austausch zwischen dem Innen- und dem Außenvolumen des Versorgungskanals pro Stunde weniger als 1% des Kanal-Innenvolumens beträgt. Unberücksichtigt bleiben dabei die ausgetauschten Gas-Anteile, welche zur bestimmungsgemäßen Funktion des Versorgungskanals ausgetauscht werden.
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Geeignete Bauteile, welche im Sinne der Erfindung zur Integration und Fixierung von Versorgungskanälen in den Hochdachbereich der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur Verwendung finden können, sind vorgefertigte Formteile aus Metall, Kunststoff oder Verbundwerkstoffen aus Metall und Kunststoff, welche mindestens eine Öffnung zur Aufnahme eines Versorgungskanals und eine ebene Klebefläche zur Verbindung mit der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur aufweisen. Des Weiteren bevorzugt kann das Bauteil Elemente zum sicheren Anschluss der Versorgungskanäle aufweisen. Diese können in Form von Gewinden, Kerben, Aussparrungen, Haltevorrichtungen, Gegenstücken oder Klemmen ausgestaltet sein. Das Bauteil umfasst eine Öffnung, welche zur Aufnahme eines Versorgungskanals geeignet ist. Die symmetrische Ausgestaltung des Bauteils kann vielgestaltig sein und hängt im Wesentlichen nur von der Ausgestaltung des Versorgungskanals ab. Sowohl das Bauteil wie auch die Bauteilöffnung können zum Beispiel symmetrisch (rechteckig, quadratisch, rund, oval, dreieckig, achteckig) oder unregelmäßig ausgeformt sein.
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Die Verbindung zwischen der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur und dem Versorgungskanal erfolgt erfindungsgemäß über ein Bauteil, welches elastisch, formschlüssig und flächig mit dem Schienenfahrzeug-Rohbau verklebt ist. Unter Kleben versteht man dabei das flächige Verbinden gleicher oder verschiedenartiger Werkstoffe unter Verwendung einer meist artfremden Substanz, die an den Oberflächen der zu verbindenden Teile haftet und die Kräfte von einem Fügeteil auf das andere überträgt. Diese Befestigungsart hat sich als besonders günstig erwiesen, da sowohl die mechanischen Anforderungen an die Fügestelle, wie auch die Gasdichtheit durch ein Klebeverfahren im hohem Maße verlässlich und einfach sichergestellt werden können. Durch das Verkleben können kleine und mittlere Toleranzen im Bauteil und der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur ausgeglichen werden. Im Rahmen des gewählten Fügeverfahrens tritt erfindungsgemäß kein Verzug des Bauteils oder der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur auf, da eine thermische Belastung dieser Stellen vermieden wird. Es ergibt sich eine Fügestelle mit einer gleichmäßigen Spannungsverteilung. Im Bereich der Klebestelle kann keine Spaltkorrosion auftreten, durch die Klebung ergeben sich gute Dämpfungseigenschaften und es wird zudem eine hohe, dynamische Festigkeit der Klebeverbindung erreicht. Dies führt zu verbesserten Crash- und Steifigkeitseigenschaften in der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der luftdichte Versorgungskanal einen Klimakanal umfassen. Ein Klimakanal gehört zu den klimatechnischen Einrichtungen und bildet ein Teil einer Anlage zum Lüften und/oder Heizen und/oder Kühlen und/oder Filtern der Luft eines Schienenfahrzeugs. Die Zuführung von Luft erfolgt dabei entweder über eine Zwangsbelüftung, dies bedeutet über mechanisch erzeugte Luftbewegung oder nur durch eine Belüftung ohne mechanisch erzeugte Luftbewegung. Der Klimakanal hat die Funktion die Luft zu führen, zu verteilen und die Luft in den Raum zu leiten und gegebenenfalls wieder aus den Schienenfahrzeug-Raum zu führen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich besonders für den Einbau von Klimakanälen eignen, da gerade für luftführende Versorgungskanäle eine aktive Geräuschdämpfung über elastisch verklebte Verbindungen vorteilhaft sein kann.
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In einem weiteren, erfindungsgemäßen Aspekt kann das Bauteil durch eine Dickschichtverklebung von größer oder gleich 3 mm und kleiner oder gleich 20 mm Dicke mit der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur verbunden sein. Als Haftklebstoff im Sinne der Erfindung können dabei entweder Einkomponenten- oder Mehrkomponentenklebstoffe in Frage kommen. Einkomponenten-Klebstoffe sind chemisch aushärtende Klebstoffe wie zum Beispiel Epoxidharze, Polyurethane, Cyanacrylate, Silikone; chemisch und physikalisch aushärtende Klebstoffe wie zum Beispiel reaktive Schmelzklebstoffe, nachvernetzende Dispersionsklebstoffe; physikalisch aushärtende Klebstoffe wie zum Beispiel Schmelzklebstoffe, Kontaktklebstoffe, Lösungsmittelklebstoffe, Plastisole; nicht aushärtende Haftklebstoffe wie zum Beispiel Acrylate, Natur- und Synthesekautschuk. Zu den Mehrkomponentenklebstoffen können chemisch aushärtende Zweikomponentenklebstoffe wie zum Beispiel Epoxidharze, Polyurethane, Methacrylate, Silikone zählen. Bevorzugter Weise weist die Klebung eine Dicke größer oder gleich 3 mm und kleiner oder gleich 20 mm auf. Diese Stärke der Klebeschicht hat sich unter den Gesichtspunkten des Toleranzausgleiches der Bauteile, der Langlebigkeit der Klebeschicht, den Dämpfungseigenschaften und der Luftdichtigkeit als besonders geeignet erwiesen und kann in ihren Eigenschaften auch den Vorgaben der Merkblätter wie zum Beispiel im DVS-Merkblatt „Elastisches Dickschichtkleben im Schienenfahrzeugbau“ aufgeführt, entsprechen. Höhere Klebestärken sind in der Regel über eine hinreichend lange Zeit mechanisch unbeständig.
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Es kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Dickschichtklebstoff einen Klebstoff auf Polyurethan-Basis umfasst, welcher nach dem Aushärten eine Scherfestigkeit von größer oder gleich 1,5 N/mm2 und kleiner oder gleich 20 N/mm2 aufweist. Besonders bevorzugt sind 1-Komponenten oder 2-Komponenten Klebstoffe, welche nach dem Aushärten eine hohe Elastizität und eine hohe Scherfestigkeit aufweisen können. Der oben angegebene Bereich der Scherfestigkeit kann eine verlässliche, stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen ermöglichen, welche zudem elastisch genug ist, um den im Betrieb des Schienenfahrzeugs auftretenden Vibrationen zu widerstehen. Die Messung der Scherfestigkeit der Verbindung kann nach dem Fachmann geläufigen Methoden erfolgen. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Scherfestigkeit kann sich nach der DIN EN 1373 ergeben. Mögliche 1-Komponenten oder 2-Komponenten PU-Systeme können beispielsweise ausgewählt werden aus Sikaflex252, Sikaflex552 und dem Boostersystem Sika-Force7550 L05 VP der Firma Sika.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug kann in einer besonderen Ausführungsform einen Versorgungskanal mit einem Bauteil enthalten, welches ausgewählt ist aus der Gruppe der Leichtmetall-Gussbauteile oder der Faserverbundkunststoffe. Gerade in Bezug auf die Gewichtsersparnis können sich Bauteile aus Leichtmetall oder Faserverbundkunststoffe als besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung eignen. Als Leichtmetalle werden dabei im Allgemeinen Metalle und Legierungen bezeichnet, deren Dichte unter 5 g/cm3 liegt. Zu den Leichtmetallen gehören Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium, Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Scandium, Yttrium, Titan und Aluminium. Besonders bevorzugt als Material für ein Leichtmetall-Fügeteil können Aluminium und Magnesium eingesetzt werden. Weiterhin bevorzugt ist, dass die Formteile über einen Gussprozess hergestellt werden. Gegossene Formteile können aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit und Verwindungssteifheit besonders langlebig sein.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kann das Bauteil ein Aluminium-Gussbauteil umfassen. Das Gussbauteil kann dabei geeigneter Weise entweder über ein Kokillen- oder Sandguss erhalten werden. Aluminium als Material zur Herstellung von Gussteilen zum Einbau in einen Schienenfahrzeug-Versorgungskanal hat sich wegen seiner hohen Festigkeit und Verwindungssteifigkeit, seiner geringen Dichte und seiner korrosions- und witterungsbeständig als besonders geeignet erwiesen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Bauteil eine Öffnung, welche im Wesentlichen orthogonal zur Schienenfahrzeug-Längsachse orientiert ist. Vorteilhafterweise ist die Öffnung des Bauteils so gestaltet, dass ein anschließender Einbau eines Versorgungskanals durch die Öffnung hindurch ohne Umlenkung in Richtung der Fahrzeug-Längsachse erfolgen kann. Eine Orientierung der Öffnung orthogonal zur Schienenfahrzeug-Längsachse bedeutet, dass der Flächenvektor der Öffnung im Wesentlichen parallel zur Schienenfahrzeuglängsachse ausgerichtet ist. Als Folge der Fertigungstoleranzen von Bauteil und Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur bedeutet dabei im Wesentlichen orthogonal, dass sich Abweichungen zwischen den beiden Vektoren in einer Größenordnung von kleiner oder gleich 20 ° ergeben können. Entgegen dem bisherigen Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass der Einbau des Bauteils mit einer orthogonalen Ausrichtung der Öffnung zu einer verbesserten Durchströmung des Versorgungskanals mit einem geringeren Widerstand führen kann. Dies kann sich vorteilhaft auf die Geräuschemissionen des Versorgungskanals auswirken. Aufwendige Winkelstücke zur Verbindung einzelner Versorgungskanäle können erfindungsgemäß entfallen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Bauteil Abstandselemente bereitstellen, welche einen definierten Abstand zwischen dem Bauteil und der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur-Oberfläche ermöglichen. Unter Abstandselementen werden Ausstülpungen, Stifte, Stege, Unterleg- oder Abstandsscheiben verstanden, welche am Bauteil angebracht sind und für den Verklebeprozess einen konstanten Abstand des Bauteils zur Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur bereitstellen. Bevorzugter Weise können die Abstandselemente im Rahmen der Herstellung des Bauteils aus demselben Gussmaterial gefertigt und in demselben Fertigungsschritt wie das Bauteil selber hergestellt werden. In weiteren Ausführungsformen können diese Abstandselemente aber auch vor dem Verkleben separat an dem Bauteil oder der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur angebracht werden. Die räumliche Ausdehnung der Abstandselemente kann als Funktion der gewünschten Klebestärken gewählt werden und kann zweckmäßigerweise zwischen 3 und 20 mm betragen. Bevorzugt kann das Verhältnis der Fläche der Abstandselemente zur Fläche der gesamten Klebefläche von größer oder gleich 1:100 bis zu kleiner oder gleich 20:100 betragen.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Abstandselemente zur Aufnahme von Verbindungselementen vorbereitet sein. Die Aufnahme von Verbindungselementen in die Abstandselemente der Bauteil-Struktur kann neben der Verklebung zu einer weiteren mechanischen Verankerung des Bauteils an die Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur beitragen. Die Verbindungselemente können im Rahmen des Bauteil-Einbaus in die vorbereiteten Abstandselemente eingesetzt werden und eine Länge aufweisen, welche geeignet ist um eine zusätzliche, beiderseitige Befestigung des Bauteils an der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur zu ermöglichen. Die Verbindungselemente können dabei sowohl lösbar, zum Beispiel durch Schrauben oder Stifte oder unlösbar durch Nieten oder Schweißpunkte ausgestaltet sein. Bevorzugt können diese zusätzlichen Elemente in Fahrzeugbereichen mit hohen mechanischen Belastungen eingesetzt werden, um eine zusätzliche Verbindung des Bauteils an die Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur zu gewährleisten.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schienenfahrzeuges, wobei das Schienenfahrzeug zumindest einen luftdichten Versorgungskanal im Hochdachbereich mit einem erfindungsgemäßen Bauteil umfasst.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigen im Besonderen
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1 eine schematische Darstellung eines dickschichtverklebten Gussrahmens innerhalb einer Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur;
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2 einen schematischen Querschnitt der Einpassung eines Bauteils in eine Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur.
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1 zeigt schematisch einen Hochdachbereich eines Schienenfahrzeuges. Das Bauteil (110) zur Aufnahme eines luftdichten Versorgungskanals (nicht in der Zeichnung dargestellt) ist an seinen Randbereichen mit der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur (100) verklebt. Das Bauteil (110) zur Aufnahme eines luftdichten Versorgungskanals ist des Weiteren mit Abstandselementen (120) versehen. Die Öffnung (130) des Bauelements (110) ist in diesem Fall rechteckig ausgestaltet und kann einen Versorgungskanal aufnehmen. Die Öffnung (130) im Bauteil (110) ist im Wesentlichen orthogonal zur Schienenfahrzeuglängsachse ausgerichtet, dies bedeutet, dass der Flächenvektor der Öffnung im Wesentlichen parallel zur Schienenfahrzeuglängsachse ausgerichtet ist.
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2 zeigt schematisch einen Querschnitt der Einpassung des Bauteils (110) in den Rohbaubereich (100). Das Bauteil (110) ist mittels der umlaufenden Klebeschicht (140) mit der Schienenfahrzeug-Rohbaustruktur verbunden. Die Abstandselemente befinden sich innerhalb der Klebeschicht und sind nicht dargestellt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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