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Die Erfindung betrifft einen oberen Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug zur Personenbeförderung, insbesondere für den Einsatz im Kurzstreckenbetrieb, wie bei U- und S-Bahnen, bei denen die Schienenfahrzeuge oder die aus ihnen gebildeten Zugeinheiten in kurzen Intervallen beschleunigt und abgebremst werden müssen.
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Bekannte Wagenkästen von Schienenfahrzeugen bestehen in konventioneller Bauweise aus einer röhrenförmigen Konstruktion mit zwei Stirnwänden, die im Regelfall als Übergang zu einem benachbarten Wagenkasten ausgebildet sind. Alternativ kann die Stirnwand auch als Führerhaus ausgebildet sein.
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In konventioneller Bauweise besteht der Wagenkasten aus einem Untergestell (auch Unterboden genannt), zwei Seitenwänden sowie einem Dach. Dabei weisen die Baugruppen, insbesondere die Seitenwände und das Dach, eine tragende, skelettartige Tragstruktur auf, bei der Stahlleichtbauprofile miteinander oder mit einem Dünnblech, das die äußere Verkleidung bildet, mit bekannten Schweißverfahren verbunden sind.
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Für die Tragstruktur und die Verkleidung werden neben Stahl- und Stahlleichtbauprofilen und Dünnblechen zunehmend leichte und korrosionsresistente Werkstoffe aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet. Dabei wird das Aluminium zum Erhalt einer höheren Stabilität als Kammerprofil verbaut. Allerdings weisen auch Aluminium-Bauteile bei falschem Einbau eine Anfälligkeit für Korrosion auf.
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Nachteile dieser Differenzialbauweise sind der hohe Aufwand für die Fertigung der Elemente der Tragstruktur und der Verkleidung und die hohe Korrosionsanfälligkeit durch die form- oder stoffschlüssige Verbindung der Stahl- oder Stahlleichtbauteile untereinander oder mit anderen Werkstoffen. So kommt es in Folge der Kondenswasserbildung insbesondere im Bereich der Fenster- und Türausschnitte in den Seitenwänden zu starker Korrosion, so dass die tragenden Baugruppen im Bereich der Seitenwände beziehungsweise im Übergangsbereich zwischen Dach und Seitenwand regelmäßig nach ca. 15 bis 17 Jahren ausgetauscht werden müssen.
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Neben der klassischen Skelettbauweise, insbesondere für die Baugruppen Dach und Seitenwand, gibt es seit Jahren Bemühungen, alternative Konstruktionsprinzipien in die Praxis überzuleiten.
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So ist aus der
DE 196 19 212 A1 der Wagenkasten eines Schienenfahrzeuges bekannt, der im Wesentlichen aus horizontalen und vertikalen Wandungen besteht, wobei die horizontalen Wandungen dem Bilden eines Bodens sowie eines Daches dienen und die vertikalen, insbesondere Seitenwände bildenden Wandungen, den Einbau mindestens eines Fensters und einer Eingangstür durch entsprechende Ausschnitte ermöglichen.
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Dabei werden für die Fertigung des Wagenkastens Module verwendet, die aus faserverstärktem Kunststoff gebildet sind und die im Schnitt senkrecht zur Wagenkastenlängsachse jeweils hälftige Module bilden.
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Die dach- und bodenseitigen Wandungen weisen dabei Hohlräume und Nuten auf, die einen durchlaufenden Gurt aufnehmen, der mit Zug-, Druck- und Biegekräften beanspruchbar ist. Der Gurt kann als Metallprofil, vorzugsweise aus faserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Besonders bevorzugt umfassen die faserverstärkten Kunststoffe Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- und / oder Naturfasern. Besonders bevorzugt umfassen die als Matrix vorgesehenen Kunststoffe Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze oder Phenolharze.
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Aus der
GB 2 030 934 A ist eine Karosserie für ein Fahrzeug und ein mit dieser Karosserie ausgestattetes Fahrzeug bekannt.
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Dabei besteht die Karosserie aus modularen Teilsegmenten, die aneinandergrenzend so miteinander verbunden sind, dass die Segmentmodule zugleich einen Teilbereich des Karosseriedaches bilden. Dazu weisen die Teilsegmente eine abgewinkelte Verlängerung auf.
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Um der Karosserie die notwendige Festigkeit zu verleihen, werden die einzelnen Module jeweils in überlagerter Form montiert. Durch die Verwendung klassischer Konstruktionswerkstoffe, wie Stahl, kommt es in dem Überlapp- bzw. Stoßbereich der aneinandergrenzenden Teilsegmente bzw. Segmentmodule zu starken Korrosionserscheinungen. Auch erfordert die Vorfertigung der dreidimensional geformten Teilsegmente und der sie verbindenden Profile eine hohe Fertigungsgenauigkeit.
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Die einzelnen Module werden mit vertikal angeordneten Säulen verbunden, wobei die vertikalen Säulen zusammen mit longitudinalen Träger im Bodenbereich des Wagenkastens den Rahmen des Wagenkastens bilden. Zur Steifigkeitserhöhung der gesamten Konstruktion sind in den Ecken des oberen Teils des Wagenkastens ebenfalls longitudinale Träger angeordnet.
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Aus der
DE 10 2009 045 202 B4 ist ein modularer Wagenkasten in Leichtbauweise bekannt, der ebenfalls insbesondere für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeugen konzipiert ist.
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Dazu weist der Wagenkasten für ein Personen-Schienenfahrzeug mehrere, in Umfangsrichtung um eine Längsachse geschlossene, Wagenkastenmodule auf, wobei benachbarte Wagenkastenmodule über in Umfangsrichtung geschlossene, ringartige Kopplungsmodule miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind im Unterbereich des Wagenkastens Längsträger in Längsrichtung integriert, die die Aufnahme der Längskräfte ermöglichen.
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Aus
DE 101 54 215 B4 sind Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Fahrzeugs bekannt, die von mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen gebildet werden und damit ein geringeres Gewicht und ein erhöhtes Energieaufnahmevermögen im Crashfall gegenüber konventionellen Konstruktionsprinzipien aufweisen. Die einzelnen Hohlprofile sind aus Stahlblech gefertigt und mit einem Abstand zueinander angeordnet und bilden einen Freiraum und sind an ihren Enden formsteif miteinander verbunden.
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In
EP 0 489 294 B1 ist ein Wagenkasten in selbsttragender Bauweise für Schienenfahrzeuge beschrieben, der aus baukastenartig gestalteten Teilen aufgebaut ist. Zur Erhöhung der Wagenkastensteifigkeit sind in den vier Eckzonen des Wagenkastens obere und untere Längsträger angeordnet, die aus faserverstärkten Kunststoffprofilen mit röhrenförmigen Querschnitt bestehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen oberen Längsträger für einen Wagenkasten bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch mindestens einen oberen Längsträger für einen Wagenkasten gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der obere Längsträger als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug ausgebildet.
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Dabei ist der obere Längsträger als über die gesamte Wagenkastenlänge durchgehendes Mehrkammerhohlprofil mit mindestens zwei Kammern ausgebildet. Vorteilhaft wird durch die damit erreichte Anordnung der oberen Längsträger eine besonders hohe Steifigkeit erreicht.
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Bevorzugt weist der Wagenkasten zwei obere Längsträger auf, welche parallel voneinander beabstandet sind und jeweils über die gesamte Länge des Wagenkastens angeordnet sind.
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Der obere Längsträger besteht vollständig aus faserverstärktem Kunststoffverbund (FKV). Vorteilhaft wird dadurch bei gleichbleibender Stabilität das Gewicht des Wagenkastens erheblich reduziert, wodurch wiederum eine Erhöhung der Nutzlast des Schienenfahrzeuges ermöglicht wird. Insbesondere bei U-Bahnen können aufgrund der vorgegebenen Zuglängen und Taktzeiten in der gleichen Zeit deutlich mehr Personen befördert werden.
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Die Kammern des Mehrkammerhohlprofils des oberen Längsträgers sind durch Stege voneinander getrennt und von mindestens einer Außenwand umgeben. Vorteilhaft sind damit einzelne Kammern des Mehrkammerhohlprofiles des oberen Längsträgers separat und mittels einfacher Werkzeuge und Methoden herstellbar. Alternativ kann durch ein komplexeres Herstellungsverfahren wie bspw. Pultrusion eine höhere Festigkeit des oberen Längsträgers erreicht werden.
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Die Außenwand des oberen Längsträgers besteht aus einer oder mehreren Lagen von faserverstärktem Kunststoffverbund. Auch hier wird dadurch bei gleichbleibender Stabilität vorteilhaft das Gewicht des Wagenkastens erheblich reduziert, wodurch wiederum eine Erhöhung der Nutzlast des Schienenfahrzeuges ermöglicht wird.
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Die Kammern des oberen Längsträgers sind als vieleckige Hohlprofile ausgebildet und in den Ecken gerundet ausgeführt. Vorteilhaft weist der obere Längsträger durch die vieleckigen Hohlprofile eine erhöhte Stabilität auf und ist fertigungstechnisch gut planbar herstellbar. Durch die gerundeten Ecken des oberen Längsträgers wird vorteilhaft der faserverstärkte Kunststoffverbund nicht unnötig belastet und ist weniger anfällig für Brüche.
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Die Ausbildung der oberen Längsträger als Mehrkammerhohlprofil aus einem FKV-Werkstoff führt zu einer deutlich reduzierten Masse gegenüber gängigen Stahl- oder Aluminiumprofilen. Weiterhin dienen die Mehrkammerhohlprofile der oberen Längsträger vorteilhaft der Aufnahme der in den Wagenkasten eingeleiteten Längskräfte.
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Die oberen Längsträger weisen mindestens zwei Kammern, besonders bevorzugt fünf Kammern auf, die durchgehend parallel zueinander entlang der Längsachse der Längsträger verlaufen.
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Besonders bevorzugt weisen die oberen Längsträger keine Trenn- oder Fügestellen senkrecht zur Trägerlängsachse auf. Besonders bevorzugt sind die Längsträger als einstückige Bauteile über die gesamte Länge des Wagenkastens angeordnet.
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Alternativ werden die oberen Längsträger aus mehreren einzelnen Bereichen, die jeweils entlang der Trägerlängsachse als voneinander unabhängige Abschnitte ausgebildet sind, gebildet, die mit gängigen Fügeverfahren kraft- und / oder form- und / oder stoffschlüssig an ihren Stirnflächen miteinander verbunden sind.
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Besonders bevorzugt sind die Kammern der Mehrkammerhohlprofile von einer Außenwand umgeben. Besonders bevorzugt besteht die Außenwand aus einer oder mehreren Lagen mindestens eines FKV-Werkstoffs. Besonders bevorzugt werden die Kammern der Mehrkammerhohlprofile durch Stege voneinander getrennt, wobei die Längsachsen der Stege entlang der Längsachse der Längsträger ausgerichtet sind.
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Bevorzugt sind sowohl die Außenwand des Mehrkammerhohlprofils als auch die Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile ein- oder mehrlagig ausgebildet.
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Bevorzugt weist zumindest ein Bereich, Außenwand und / oder Steg, des Mehrkammerhohlprofils des oberen Längsträgers eine lokale Verstärkung auf. Bevorzugt wird die lokale Verstärkung durch eine Aufweitung des Zwischenraums zwischen den einzelnen Lagen der Außenwand und / oder Stege erreicht, so dass Füllbereiche entstehen. Bevorzugt sind die Füllbereiche mit Endlos-Fasern, ausgerichtet entlang der Trägerlängsachse, gefüllt. Besonders bevorzugt sind die Füllbereiche mit Ultra-High-Modulus-Fasern (UHM-Fasern) gefüllt. Bevorzugt können zusätzlich Zwischenlagen im Bereich der lokalen Verstärkung des oberen Längsträgers eingebracht werden.
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Besonders bevorzugt sind die Fasern innerhalb der einzelnen Lagen, die die Außenwand des Mehrkammerhohlprofils und die Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile bilden, unidirektional und / oder mehrachsig ausgerichtet, besonders bevorzugt mit unidirektionaler und / oder quadraxialer Ausrichtung.
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Bevorzugt ist sowohl der Lagenaufbau der Außenwand des Mehrkammerhohlprofils als auch der Stege zwischen den einzelnen Kammern der Mehrkammerhohlprofile alternierend aus Einzellagen mit unidirektionaler und mehrachsiger, besonders bevorzugt quadraxialer, Faserausrichtung hergestellt, wobei die Einzellagen mit mehrachsiger Faserausrichtung besonders bevorzugt Gewebe umfassen.
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Besonders bevorzugt werden die oberen Längsträger mittels des bekannten Pultrusionsverfahren hergestellt.
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Bevorzugt können die oberen Längsträger mit dem Dach und / oder der Seitenwand und / oder der Stirnwand eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug verbunden werden.
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Bevorzugt sind die oberen Längsträger als Mehrkammerhohlprofile mit mindestens zwei Kammern, besonders bevorzugt mit fünf Kammern, ausgebildet, die durchgehend entlang der Längsachse der Längsträger verlaufen. Besonders bevorzugt weisen die einzelnen Kammern der oberen Längsträger vieleckige Querschnitte auf. Besonders bevorzugt ist mindestens eine der Kammern des Mehrkammerhohlprofils im Querschnitt als rechtwinkliges Trapez und mindestens eine weitere Kammer als rechtwinkliges Polygon ausgebildet. Besonders bevorzugt weist der Querschnitt der einer Kammer gerundete Ecken auf. Alternativ weist der Querschnitt einer Kammer nicht-gerundete Ecken auf. Die Abrundung der Ecken entspricht dabei dem zulässigen Biegeradius der verwendeten Verstärkungsfasern im FKV-Werkstoff. Durch die Abrundung wird somit vorteilhaft ein Faserbruch vermieden. Die Aneinanderreihung der einzelnen Kammern ergibt das Profil der oberen Längsträger.
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Bevorzugt sind die, durch die Abrundung der Ecken der einzelnen Kammern, entstehenden Hohlräume, im Folgenden als Füllzwickel bezeichnet, zusätzlich mit Endlos-Fasern, ausgerichtet entlang der Trägerlängsachse, gefüllt. Besonders bevorzugt sind die Füllzwickel mit Ultra-High-Modulus-Fasern (UHM-Fasern) gefüllt.
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Bevorzugt weist ein oberer Längsträger mindestens eine Kammer auf, die frei von Verbindungselementen wie Bolzen oder Nieten ist und vorteilhaft zur Aufnahme von peripheren Systeminstallationen, z. B. elektrischen Zuleitungen, ausgebildet sein kann.
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Bevorzugt erfahren die für das Fügen mit den Seiten- oder Dachsegmenten vorgesehenen Flächen der oberen Längsträger eine dem Fügeprozess vorausgehende und auf den Fügeprozess abgestimmte Oberflächenbearbeitung.
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Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in jeder Anordnung miteinander zu kombinieren.
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Figurenliste
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 Sprengbild eines Wagenkastens mit den erfindungsgemäßen oberen Längsträgern,
- 2 Ausschnitt und Querschnitt eines oberen Längsträgers,
- 3 Detailansicht eines oberen Längsträgers im Querschnitt.
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1 zeigt ein Sprengbild eines Wagenkastens 1, in welchem die erfindungsgemäßen oberen Längsträger 601 eingebaut sind. Weiterhin sind folgende Komponenten des Wagenkastens dargestellt: Die unteren Längsträger 602, die Seitenwandsegmente 301, die vertikalen Säulen 304, die Stirnwand 501, die Dachsegmente 201, sowie die Bodensegmente 401.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines oberen Längsträgers 601 als Teil einer Tragstruktur eines Wagenkastens für ein Schienenfahrzeug (2A) und den dazugehörigen Querschnitt mit Blickrichtung entlang der Trägerlängsachse (2B) des Mehrkammerhohlprofils des oberen Längsträgers 601. Zwischen den einzelnen Hohlkammern 604 sind Stege 605 angeordnet. Des Weiteren weisen die Hohlkammern 604 des oberen Längsträgers 601 gerundete Ecken 603 auf.
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3 zeigt einen Querschnitt eines oberen Längsträgers 601, analog dem in 2 dargestellten, insbesondere eine Detailansicht des Faserlagenaufbaus. Die oberen Längsträger 601 werden in einem kontinuierlichen hybriden Pultrusionsverfahren (z. B. Pullwinding- oder Pullbraiding-Verfahren) mit 5 Kernen (nicht dargestellt) und einer über die Länge von 21 m konstanten Kammeranzahl hergestellt. Der obere Längsträger 601 weist fünf mit römischen Ziffern I bis V gekennzeichnete Hohlkammern 604 auf, jeweils ausgebildet als Polygon und mit gerundeten Ecken 603 ausgeführt. Zumindest eine Kammer (V) ist als rechtwinkliges Trapez ausgeführt. Die Außenwand 606 und die Stege 605 zwischen den einzelnen Kammern 604 sind aus jeweils 4 Lagen quadraxialem Gelege mit einer Einzeldicke von 1,8 mm und einer Faserausrichtung von 0,-45°,+45° und 90° ausgebildet. Lasttragende Bereiche des oberen Längsträgers 601, der Obergurt 607 und der Untergurt 608, weisen einen differenzierten Lagenaufbau auf. Hier sind zusätzlich zu den 4 Lagen der Außenwand 606 jeweils zwei Zwischenlagen 611 aus quadraxialem Gelege mit einer Dicke von 1,8 mm eingefügt. In den Füllbereichen 609 zwischen den Einzellagen sind jeweils 3 mm dicke Lagen mit unidirektionalen UHM-Fasern eingebracht. Durch die Zwischenlagen 611 und die mit UHM-Fasern gefüllte Füllbereiche 609 weist der obere Längsträger 601 im Obergurt 607 und im Untergurt 608 jeweils eine lokale Verstärkung auf. Die Füllzwickel 610, die sich infolge der Abrundung der Ecken 603 ergeben, sind mit unidirektionalen UHM-Fasern gefüllt.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist der obere Längsträger 601 Dimensionen von 21070 mm × 350 mm × 381 mm (Länge × Breite × Höhe) auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist ein oberer Längsträger 601 eine Masse von ca. 490 kg auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wagenkasten
- 201
- Dachsegment
- 301
- Seitenwandsegment
- 304
- Vertikale Säule
- 401
- Bodensegment
- 501
- Stirnwand
- 601
- Oberer Längsträger
- 602
- Unterer Längsträger
- 603
- gerundete Ecke
- 604
- Hohlkammer
- 605
- Steg
- 606
- Außenwand des oberen Längsträgers
- 607
- Obergurt
- 608
- Untergurt
- 609
- Füllbereich
- 610
- Füllzwickel
- 611
- Zwischenlagen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19619212 A1 [0007]
- GB 2030934 A [0011]
- DE 102009045202 B4 [0015]
- DE 10154215 B4 [0017]
- EP 0489294 B1 [0018]
