DE19639339A1

DE19639339A1 - Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeuge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE19639339A1
Application number: DE19639339A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Bewersdorf
Original assignee: Deutsche Waggonbau AG
Current assignee: DWA Deutsche Waggonbau GmbH
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: DE19639339B4; CH692734A5; FR2753673A1; FR2753673B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf großflächige, wahlweise sowohl ebene als auch gekrümmte Schalenstrukturen aus faserverstärktem Kunststoff mit einer Verstärkungsfasern enthaltenen Außenhaut sowie längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofilen (Stringern und Spanten), insbesondere für leichte Wagenkästen von Schienenfahrzeugen. Sie ist neben dem bereits beschriebenen Sachgebiet des Schienenfahrzeugbaus auch bei der konstruktiven Gestaltung und der Fertigung von Fahrzeugkarosserien, Flug zeugstrukturen, Schiffskörpern und -aufbauten sowie Behältern vorteilhaft anwendbar

Strukturen, wie zum Beispiel Wagenkästen von Schienenfahrzeu gen, welche funktionsbedingt hohe Festigkeiten und hohe Stabi litäten aufweisen müssen, werden häufig zweckmäßigerweise und unabhängig von der Art der verwendeten Werkstoffe in verstärk ter Schalenbauweise konzipiert. Eine derartige Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff ist aus der DE 36 14 618 be kannt. Sie besteht aus einer zylindrischen Außenhaut mit längsverlaufenden Stringern von hutförmigen Querschnitt und in Umfangsrichtung verlaufenden Spanten von im Prinzip I-förmigen Querschnitt mit einem hautseitigen und einem inneren Gurt und einem dazwischenliegendem Steg, wobei der Steg eine vordere und eine hintere Außenfläche aufweist und ein Spant aus bogenförmi gen Spantsegmenten gebildet ist. Diese Schalenstruktur ist da durch gekennzeichnet, daß ein Spant jeweils aus einer Anzahl die vordere Fläche des Steges bildender Segmente erster Art und einer Anzahl die hinterseitige Fläche des Steges bildender zweiter Art besteht, die gegenüber den Segmenten erster Art in Umfangsrichtung um einen Stringerabstand versetzt sind, wobei das Fasermaterial eines jeden Spantsegmentes in eine an sich bekannte Spantabstützung ausläuft. Der vorbeschriebenen Lösung haftet der Nachteil an, daß eine Vielzahl von Einzelteilen ge sondert vorgefertigt und in einem aufwendigen Montageprozeß verbunden werden müssen, wobei insbesondere die Fertigung der Spantsegmente nur dann kostengünstig erfolgen kann, wenn die Stringerabstände und die Krümmungsradien der Außenhaut an allen Stellen der Schalenstruktur gleich sind. Dies ist bei Wagenkä sten für Schienenfahrzeuge aus funktionellen Gründen jedoch meist nicht zu verwirklichen. Weiterhin ist aus der DE 38 35 529 ein nichtmetallisches, monolitisches Strukturteil für Flugzeuge, Fahrzeuge oder Behälter mit einer Außenhaut und integrierten Versteifungsrippen mit einer Projektionsfläche < 0,1 m² bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial in eine geschlos sene Form gespritzt oder fließgepreßt wird, in der Aussparungen für die Haut und die Rippen vorgesehen sind, so daß Rippen mit Verhältnissen: Rippenhöhe zu Rippendicke < 5, bevorzugt < 10 entstehen. Obwohl dieses Verfahren für die Fertigung großflä chiger Strukturen empfohlen wird, ist mit ihm die Herstellung von für Schienenfahrzeugwagenkästen ausreichend großer Struktu ren nicht möglich, weil den Bauteilabmessungen durch den der zeitigen Stand der Maschinentechnik noch zu enge Grenzen ge setzt sind. Des weiteren ist aus dem Verfahren für die Herstel lung von Fahrzeugstrukturen (EP 0 687 611) eine röhrenartige Wagenkastenstruktur bekannt, die mit dem an sich bekannten Wic kelverfahren für faserverstärkte Kunststoffe in der Weise her gestellt wird, indem auf einen sich drehenden Kern, welcher die Innenkontur der Wagenkastenstruktur aufweist, mehrere Schichten aus Faserkunststoff zu einer Innenhaut gewickelt werden, danach vorgefertigte Kunststoffschaumteile auf die unausgehärtete In nenhaut derart in Abständen gelegt werden, daß sie in Längs richtung für die Stringer und in Umfangsrichtung für die Spante freie nutartige Zwischenräume freilassen. Nach dem Einlegen vorgefertigter Stringer und Wickeln der Spante in die jeweili gen freien nutartigen Zwischenräume bis zur Niveaugleichheit mit den Kunststoffschaumteiloberflächen wird die flächige Au ßenhaut analog der Innenhaut ebenfalls in mehreren Schichten aus Faserkunststoff gewickelt, so daß eine röhrenartige Wagen kastenstruktur in Sandwichbauweise entsteht. Hierbei ist von Nachteil, daß das Wickelverfahren für solche großflächigen Bau teile als offenes Verfahren wegen der sehr großen emittierenden Flächen arbeits- und umweltschutztechnisch nur schwer zu be herrschen und nur für Strukturen anwendbar ist, welche in allen Punkten in Umfangsrichtung konvex sind. Es schränkt damit die gestalterische Freizügigkeit des Designs wesentlich ein. Im weiteren weisen die entstehenden Sandwichstrukturen verfahrens bedingt immer eine nur wenig kompressible, d. h. harte Kern schicht auf. Wagenkästen aus Strukturen mit diesem Merkmal ha ben sich in der Vergangenheit wegen ihren ungünstigen akusti schen Eigenschaften als komfortmindernd erwiesen. Weitere Nachteile dieser Lösung bestehen darin, daß die sichtbare Ober fläche der Außenhaut durch die Markierungen des Verstärkungsma terials optisch gestört ist sowie aufwendiger Nacharbeitungen bedarf und daß die notwendigen Öffnungen für Fenster, Türen und Klappen nachträglich herausgetrennt und die herausgetrennten Strukturteile verwertet oder entsorgt werden müssen.

Im weiteren sind ganz allgemein Schalenstrukturen bekannt, die derart hergestellt werden, indem das trockene Verstärkungsmate rial der Außenhaut in eine Form, welche die Außenkontur der Au ßenhaut aufweist, eingelegt und fixiert wird und auf das Ver stärkungsmaterial die gesondert vorgefertigten Stringerprofile in den vorgesehenen Abständen eingelegt und fixiert werden. An schließend wird das Laminierharz nach dem Vakuum- oder Druck- Vakuum- Injektionsverfahren in das Verstärkungsmaterial einge bracht, wobei der vakuumdichte Abschluß des Laminates nach in nen durch eine Plast- oder Elastfolie gebildet wird. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Spante in gesonderten Arbeits gängen auf die durch die Stringer bereits verstärkte Außenhaut geklebt. Das erfolgt entweder in der Form für den Injektions vorgang oder in einer besonderen Montagehelling. Dieses Verfah ren führt nur dann zu technisch und ökonomisch befriedigenden Ergebnissen, wenn die Fließwege für das Harz kurz sind. Dieses Problem wird hier dahingehend gelöst, daß in relativ kurzen Ab ständen auf der gesamten Injektionsformoberfläche Injektoren verteilt sind, welche durch Schlauchleitungen und Zwischenstüc ke mit den Harzpumpen direkt verbunden sind. Das ist sehr auf wendig und teuer, da die Schlauchleitungen nach jedem Injekti onsvorgang entweder erneuert oder gespült werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich enorme Kosten maßgeb lich durch den hohen Handarbeitsaufwand beim Einkleben der an sich schon teuren Spante ergeben.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeuge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienenfahrzeugen, mit einer Verstärkungsfasern enthaltenen Außenhaut sowie längs- und quer verlaufenden Verstärkungsprofi len zu entwickeln, welche gegenüber den oben genannten techni schen Lösungen deutlich kostengünstiger herstellbar ist, die dazugehörige Vorrichtung aufwendige Harzverteilungssysteme ver meidet und eine Integration von Nachbarbaugruppen in den Fe stigkeitsverband der Schalenstruktur sowie in den Vorgang der Strukturherstellung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem die längs und quer verlaufenden Verstärkungsprofile aus vorgefer tigten Kernprofilen bestehen, die ganz oder teilweise von Ver stärkungsfasern umschlossen sind und mindestens einen parallel zur Längsachse des Kernprofiles verlaufenden Hohlraum aufwei sen, welcher durch Überströmöffnungen mit den Verstärkungsfa sern der Kernprofile und/oder der Außenhaut in Verbindung steht, wobei nach dem Fertigungsprozeß die Verstärkungsfasern der Außenhaut sowie die Verstärkungsfasern um die Kernprofile über die Hohlräume und die Überströmöffnungen mit Laminatharz befüllt sind. Es ist weiterhin erfindungsgemäß, daß die Kern profile ein- oder mehrteilig ausgebildet sind, wobei die Teile der mehrteiligen Kernprofile durch punkt- oder linienförmige Steckverbindungen zusammengehalten sind. Des weiteren ist er findungsgemäß, daß die Überströmöffnungen der Hohlräume als in Abständen angeordnete Öffnungen beliebigen Querschnitts oder als ein oder mehrere parallel zur Längsachse der Kernprofile vorgesehene Kanäle oder Spalte ausgebildet sind.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel nä her erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Ansicht der Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff

Fig. 2 eine Einzelheit Z nach Fig. 1, dargestellt während der Fertigung

Fig. 3 einen Schnitt A-A nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 gezeigte Schalenkonstruktion, beispielsweise ei nes Schienenfahrzeugwagenkasten, besteht aus der flächigen, Verstärkungsfasern 1 enthaltenen Kunststoff- Außenhaut, den längs verlaufenden Verstärkungsprofilen 2 (Stringern) und den quer verlaufenden Verstärkungsprofilen 3 (Spanten), welche nach dem allgemein bekannten Harzinjektionsverfahren herstellbar sind, sowie den angedeuteten, nicht näher bezeichneten Fenster ausschnitten. Sowohl die Verstärkungsprofile 2 als auch die Verstärkungsprofile 3 weisen gemäß Fig. 2 jeweils ein vorge fertigtes Kernprofil 4 auf, welches im Ausführungsbeispiel vor zugsweise als extrudierendes Thermoplastprofil gestaltet ist, aber auch aus Kunststoffschaum, Metall oder anderen geeigneten Werkstoffen bestehen kann. Die Kernprofile 4 sind im Ferti gungsprozeß zunächst von den Verstärkungsfasern 5 umschlossen und weisen erfindungsgemäß einen längs zur Profilachse parallel verlaufenden Hohlraum 6 auf. Der Hohlraum 6 kann von beliebiger Querschnittsform sein. Er ist mit Verstärkungsfasern 1 der Au ßenhaut und/oder den Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungspro file 2, 3 durch Überströmöffnungen 7 verbunden. In Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen der Verstärkungsprofile 2, 3 kann das Kernprofil 4 auch mit zwei oder mehreren Hohlprofilen 6 und Überströmöffnungen 7 versehen sein. Ebenso ist es auch denkbar, als Überströmöffnungen 7 Kanäle, Spalte oder Poren vorzusehen. Die Hohlräume 6 dienen dem strömungswiderstandsar men Transport des Laminatharzes im Herstellungsprozeß. Hierbei wird dieses durch die Überströmöffnungen 7 in die Verstärkungs fasern 1 der Außenhaut und in die Verstärkungsfasern 5 um die Kernprofile 4 geleitet, wo das Laminatharz aushärtet und eine monolitische, verstärkte Schalenstruktur entstehen läßt. Das Kopfprofil 8 deckt einerseits die Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungsprofile 2, 3 ab und bietet andererseits durch seine Gestaltung hinsichtlich der T- Nuten 9 günstige Befestigungs möglichkeiten für Teile der Wageninnenausstattung. Die mit den Kopfprofilen 8 fest und dicht verbundenen Folienstreifen 10 decken die Verstärkungsfasern 5 um die Kernprofile 4 vakuum dicht ab, wobei die Folienstreifen 10 vorteilhaft dem abgewin kelten, auf den Verstärkungsfasern 1 der Außenhaut aufliegenden Verstärkungsfaserbereich 11 folgt. Das Isolationsmaterial 12 gem. Fig. 3 ist außenseitig mit einer Kaschierfolie 13 verse hen, welche randseitig die Folienstreifen 10 flächig überdeckt. Die Kaschierfolie 13 und die Folienstreifen 10 können in die sem Bereich erforderlichenfalls mit einem Dichtstoff 14 gegen einander vakuumdicht verbunden werden. Damit sind die Verstär kungsfasern 1 der Außenhaut und die Verstärkungsfasern 5 der Verstärkungsprofile 2, 3 mittels einer nicht dargestellten starren, vakuumdichten Außenform und einer den Vakuumabschluß in eben beschriebener Art nach innen realisierenden Form ganz flächig abgedeckt und können nach dem allgemein bekannten Har zinjektionsverfahren mit Vakuumunterstützung harzgetränkt wer den, so daß im ausgehärteten Zustand die tragende Außenhaut mit den Verstärkungsprofilen 2, 3 entsteht.

Die oben beschriebene vorteilhafte Integration des Isolations materials 12 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn die Dichtfunktion der Kaschierfolie 13 von einer für diesen Zweck gesondert eingesetzten Folie übernommen wird.

Je nach dem Verwendungszweck der Schalenstruktur können die Verstärkungsprofile 2, 3 sowohl auf einer Seite als auch auf beiden Seiten angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

1 Verstärkungsfasern der Außenhaut
2 längs verlaufende Verstärkungsprofile
3 quer verlaufende Verstärkungsprofile
4 Kernprofil
5 Verstärkungsfasern
6 Hohlraum
7 Überströmöffnungen
8 Kopfprofil
9 T-Nut
10 Folienstreifen
11 Verstärkungsfaserbereich
12 Isolationsmaterial
13 Kaschierfolie
14 Dichtstoff.

Claims

1. Schalenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff für Fahrzeu ge oder Behälter, insbesondere für Wagenkästen von Schienen fahrzeugen, mit einer Verstärkungsfasern enthaltenen Außenhaut sowie längs- und quer verlaufenden Verstärkungsprofilen, welche nach dem Vakuum- oder Druck- Vakuum- Injektionsverfahren mit tels einer konturgebenden, vorzugsweise starren Außenform und einer den Vakuumabschluß vorzugsweise nach innen realisieren den, zweckmäßigerweisen flexiblen Form herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die längs und quer verlaufenden Verstär kungsprofile (2, 3) aus vorgefertigten Kernprofilen (4) beste hen, die ganz oder teilweise von Verstärkungsfasern (5) um schlossen sind und mindestens einen parallel zur Längsachse des Kernprofiles (4) verlaufenden Hohlraum (6) aufweisen, welcher durch Überströmöffnungen (7) mit den Verstärkungsfasern (1 und/oder 5) in Verbindung steht, wobei nach dem Fertigungsprozeß die Verstärkungsfasern (1) der Außenhaut sowie die Verstär kungsfasern (5) um die Kernprofile (4) über die Hohlräume (6) und die Überströmöffnungen (7) mit Laminatharz befüllt sind.

2. Schalenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernprofile (5) ein- oder mehrteilig ausgebildet sind.

3. Schalenstruktur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die Teile der mehrteiligen Kernprofile (5) durch punkt- oder linienförmige Steckverbindungen zusammengehalten sind.

4. Schalenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnungen (7) der Hohlräume (6) als in Abständen angeordnete Öffnungen beliebigen Querschnitts oder als ein oder mehrere parallel zur Längsachse der Kernprofile (5) vorgesehene Kanäle oder Spalte ausgebildet sind.