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Die Erfindung betrifft eine teildifferentiale Gehäusestruktur. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Wagenkasten mit einer solchen teildifferentialen Gehäusestruktur. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Schienenfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer teildifferentialen Gehäusestruktur.
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Transportmittel benötigen tragende Strukturen und Gehäuse, um Personen oder Gegenstände sicher an ihr Ziel zu transportieren. Bei Schienenfahrzeugen umfassen Wagons, Triebfahrzeuge oder Zugfahrzeuge üblicherweise einen sogenannten Wagenkasten, der heutzutage in selbsttragender Bauweise ausgeführt ist.
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Unter selbsttragender Bauweise versteht man die Verwendung eines Wagenkastens, der keinen besonderen Rahmen bzw. Untergestell besitzt. Der Wagenkasten selbst nimmt sämtliche Zug- und Stoßkräfte auf. Er ist dabei in der Regel wie eine Vierkant-Röhre aufgebaut: seitlich werden Öffnungen in Form von Türen und Fensterbändern eingebracht, unten befinden sich Flansche zur Aufnahme des Fahrgestells, vorne und hinten Aufnahmen für Wagenpuffer und Wagenkupplung. Heute sind selbsttragende Wagenkästen die Regel, dabei werden unterschiedliche Bauweisen verwendet:
Bei der Integralbauweise werden Strangpressprofile eingesetzt, die sich über die gesamte Länge des Wagenkastens erstrecken und Breiten von etwa einem halben Meter aufweisen. Die einzelnen Profile werden mithilfe von Längsschweißungen verbunden. Zuvor werden mittels Fräsmaschine Aussparungen für Fenster, Türen, Durchbrüche, Lüftungsgitter etc. erstellt. Nach dem Zusammenschweißen werden diese Ausschnitte erneut mittels einer Fräsmaschine auf ihr jeweiliges Nennmaß aufgeweitet. Die Wagenkastenunterseite wird ebenfalls aus Strangpressprofilen hergestellt, sodass ein selbsttragender Wagenkasten entsteht. An der Unterseite werden Nuten erstellt, um den Wagenkasten auf die Drehgestelle aufsetzen und Bauteile wie Transformatoren oder Fahrmotoren im Unterboden anbringen zu können. Die Steifigkeit des Wagenkastens wird bei der Integralbauweise durch die Struktur der Strangpressprofile erreicht, sodass keine zusätzlichen tragenden Elemente notwendig sind und eine Leichtbauweise ermöglicht wird.
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Der Fertigungsaufwand ist vergleichsweise gering. Die Fertigung ist weitgehend automatisierbar. Durch individuelle Gestaltung der Strangpressprofile ist ein komplexes Außendesign möglich. Allerdings können Strangpressprofile nur aus Aluminium gefertigt werden und sind daher mit hohen Material- und Werkzeugkosten verbunden. Die Fertigung großer Strangpressprofile mit komplexen Geometrien ist anspruchsvoll. Der Querschnitt des Strangpressprofils ist über die Länge durchgehend, wodurch keine Steifigkeitsänderungen möglich sind und daher auch kaum zusätzliches Leichtbaupotenzial möglich ist. Die Festigkeit von Aluminium-Schweißverbindungen ist gegenüber dem ungestörten Werkstoff in der Regel deutlich geringer. Die Unfallinstandsetzung ist mit einem hohen Aufwand verbunden. Wirtschaftlich wird die Integralbauweise vor allem bei großen Serien, wodurch sich der hohe Aufwand für die Entwicklung und Fertigung von Strangpressprofilen amortisiert.
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Eine in den meisten Fällen leichtere Bauweise, insbesondere von Aluminiumrohbauten, kann durch eine Differentialbauweise realisiert werden, welche bei Stahlrohbauten Standard ist und auch in den ersten Generationen von Aluminium-Rohbauten standardmäßig eingesetzt wurde, bis sie in den meisten Schienenfahrzeugen durch die Integralbauweise ersetzt wurde. In Fahrzeugen mit besonders hohen Anforderungen an den Leichtbau kann die Differentialbauweise auch heute eine bevorzugte Alternative sein, wobei üblicherweise einschalige Strukturen mit angefügten Verstärkungen versehen werden. Dabei werden Spanten und / oder Stringer in festgelegten Rastern auf die einschalige Struktur aufgebracht, um die Struktur auszusteifen.
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Bei der Differential- oder Rohkastenbauweise wird zunächst ein tragendes Stahl- oder Aluminiumskelett aus horizontal verlaufenden Stringern und vertikal verlaufenden Spanten erstellt, auf das anschließend Bleche zur Beplankung aufgebracht werden. Die Differentialbauweise ist das einfachste und kostengünstigste Verfahren zur Erstellung eines Wagenkastens. Dies hat folgende Gründe: Es können auf Elementebene standardisierte Metall-Halbzeuge (z. B. Bleche) verwendet werden. Die Werkzeugkosten für die Fertigung sind gering, unter anderem weil einfache Fertigungstechnologien verwendet werden können. Instandsetzungen sind relativ einfach möglich. So können die nach einem Unfall verbeulten Außenbleche ausgetauscht werden. Die dazu notwendigen Schrauben sind entweder durch Leisten verdeckt oder außerhalb des eigentlichen Sichtbereichs angeordnet. Nachteilig wirkt sich die hohe Anzahl von Einzelteilen auf den Fertigungsaufwand aus. Aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißen können Bauteile einen Verzug aufweisen und müssen daher im Anschluss nachgearbeitet werden (Richten, Spannungsarmglühen, Schleifen, Spachteln).
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Heute wird die Differentialbauweise bei Vollbahnen nur mehr für Lokomotiven, Kleinserien und besondere Konstruktionen verwendet; bei Straßenbahnen hingegen ist sie noch immer weit verbreitet, um nach Unfällen eine einfachere und kostengünstige Reparatur gewährleisten zu können. Ferner erlaubt die Differentialbauweise dünnwandigere Wagenkästen als die Integralbauweise, was insbesondere bei Fahrzeugen mit schmaler Fahrzeugbegrenzungslinie - wie es Straßenbahnfahrzeuge in der Regel sind - von Bedeutung ist.
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Werden Versteifungselemente unter anderem auf die Innenseite der Außenhaut gefügt, so kommen teilweise verzugsarme Schweißverfahren zum Einsatz, mit denen Reibrührschweißpunkte erzeugt werden, oder es kommen Klebeverbindungen zum Einsatz, um stärkere Schweißverzüge zu verhindern und eine weitestgehend ebene Außenhaut zu gewährleisten.
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Es gibt auch Varianten mit Versteifungselementen, die sich aufgrund ihrer Anordnung kreuzen. So sind beispielsweise zur Aussteifung Stringer an die Aluminiumstruktur angepresst. Quer dazu werden differentiale Versteifungsbauteile, zum Beispiel Spanten, angefügt. In den Kreuzungspunkten müssen entweder die Stringer unterbrochen werden oder die quer dazu angeordneten Spanten, was zu einer lokalen Schwächung der Struktur führt. Alternativ werden die Stringer und Spanten mit unterschiedlichen Höhen ausgeführt. Dadurch wird es ermöglicht, die jeweils höhere Versteifung im Kreuzungspunkt auszunehmen, wodurch die niedrigere Versteifung unterbrechungsfrei durchlaufen werden kann.
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Eine bei Aluminiumrohbauten in Profilbauweise mögliche Ausprägung ist eine Teildifferentialbauweise, bei welcher die längslaufenden Strukturen aus einschaligen Strangpressprofilen gefügt werden, was die Möglichkeit ergibt, an diese Strangpressprofile bereits Versteifungen, wie Stringer, mit anzupressen, wodurch diese nicht durch zusätzliche Fügeoperationen angebunden werden müssen. Fensterahmen werden bei der heutigen Integralbauweise in der Regel zweischnittig mit der Innenhaut und der Außenhaut der zweischaligen Seitenwandprofile verklebt.
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Bei einschaligen Strukturen werden häufig Profile auf die Innenseite der einschaligen Strukturen geschweißt, welche die Fensterausschnitte aussteifen und als Schnittstelle für die Fenster dienen. Das Schweißen der Profile auf der einschaligen Außenhaut führt jedoch zu einem höheren Spachtelaufwand auf der Außenseite, um die Schweißverzüge einzuebnen.
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Es besteht also die Aufgabe, die Fensterrahmen mit einer differentialen oder teildifferentialen Gehäusestruktur zu verbinden, ohne dass Schweißverzüge entstehen, bzw. derart zu verbinden, dass die Schweißverzüge zumindest gemindert sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine teildifferentiale Gehäusestruktur gemäß Patentanspruch 1, einen Wagenkasten gemäß Patentanspruch 10 ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 und ein Verfahren zum Fügen einer teildifferentialen Gehäusekomponente gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
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Die teildifferentiale Gehäusestruktur weist eine Aussparung für ein Fenster in einem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur auf. Teil der teildifferentialen Gehäusestruktur ist auch das Fenster mit einem Fensterrahmen mit einem Querschnitt, welcher derart ausgebildet ist, dass er einschnittig mit dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur verbindbar ist. Mithin umfasst die teildifferentiale Gehäusestruktur eine einschnittige Verbindung zwischen dem Fensterrahmen und dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur. Eine einschnittige Anbindung grenzt sich von einer zweischnittigen Anbindung dahingehend ab, dass es nur eine Anbindung in einer Ebene gibt, während bei einer zweischnittigen Anbindung Verbindungen auf zwei Ebenen auftreten. Im Gegensatz zu integralen Gehäusestrukturen kann bei der erfindungsgemäßen Gehäusestruktur der Fensterrahmen flächenbündig und verzugsarm mit der Außenhaut verbunden sein.
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Der erfindungsgemäße Wagenkasten weist die erfindungsgemäße teildifferentiale Gehäusestruktur auf. Der erfindungsgemäße Wagenkasten teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist den erfindungsgemäßen Wagenkasten mit der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur auf. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage einer teildifferentialen Gehäusestruktur wird eine Aussparung für ein Fenster in einem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur ausgebildet. Das Fenster wird mit einem Fensterrahmen mit einem Querschnitt derart ausgebildet, dass er einschnittig mit dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur verbindbar ist. Schließlich wird eine einschnittige Verbindung zwischen dem Fensterrahmen und dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren teil die Vorteile der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer Variante der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur ist der Fensterrahmen mit dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur flächenbündig verbunden. Eine Außenfläche der teildifferentialen Gehäusestruktur, insbesondere einer Seitenwand, geht hier flächenbündig, also ohne Versatz in das Fensterrahmenprofil über.
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Bevorzugt ist der Fensterrahmen mit dem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur flächenbündig verbunden. Im Falle einer dickeren Wandstärke des Fensterrahmens gegenüber der teildifferentialen Gehäusestruktur kann eine solche flächenbündige Verbindung durch ein Herunterfräsen der Dicke des Fensterrahmenblechs auf die Außenhautdicke im Schweißnahtbereich erreicht werden. Vorteilhaft kann der Fensterrahmen durch Reibrührschweißen mit einer Seitenwand einer teildifferentialen Gehäusestruktur verbunden werden, wobei ein glatter Übergang zwischen dem Fensterrahmen und der Außenhaut erreicht wird, insbesondere, wenn die Reibrührschweißnaht von der Innenseite der teildifferentialen Gehäusestruktur gegen eine feste Unterlage geschweißt wird.
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Besonders bevorzugt weist der Fensterrahmen einen Querschnitt eines der folgenden Typen auf:
- einen z-förmigen Querschnitt,
- ein Profil eines tiefgezogenen Blechs mit ausgeprägten Fensterrahmenecken.
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Ein z-förmiger Querschnitt erlaubt eine einfache Verbindung des Fensterrahmens mit der Seitenwand über ein Reibrührschweißen, ohne dass es zu einem ausgeprägten Schweißverzug auf der Seitenwand kommt. Als "z-förmig" soll ein Querschnitt verstanden werden, bei dem zwei versetzt, aber parallel zueinander angeordnete Strecken mit einer quer oder diagonal zu den beiden parallelen Strecken angeordneten Verbindungsstrecke verbunden ist.
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Die Nutzung eines tiefgezogenen Blechs für den Fensterrahmen kann zur Verstärkung von Fensterecken genutzt werden, wobei der Fensterrahmen dicker ausgeführt sein kann als die Seitenwand.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur umfasst die Verbindung zwischen dem Fensterrahmen und der Innenseite des einschaligen Bereichs eine stoffschlüssige Verbindung. Eine solche stoffschlüssige Verbindung erlaubt eine zuverlässige Fixierung des Fensterrahmens an einer Seitenwand.
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Bevorzugt umfasst die stoffschlüssige Verbindung einen der folgenden Verbindungstypen:
- eine Klebeverbindung,
- eine Reibrührschweißverbindung.
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Eine Reibrührschweißverbindung eignet sich besonders zur Vermeidung von Schweißverzügen auf der Außenhaut.
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Umfasst die stoffschlüssige Verbindung eine Klebeverbindung, so ist die Klebeverbindung bevorzugt durch Dickschichtkleben hergestellt. Dickschichtkleben erlaubt eine erhöhte Elastizität der Klebeverbindung sowie einen Ausgleich von Toleranzen.
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In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur umfasst die stoffschlüssige Verbindung eine Reibrührschweißverbindung. Eine FSW-Schweißverbindung ("FSW" steht für "friction stir welding", im Deutschen etwa "Reibrührschweißen") eignet sich besonders für Mischverbindungen, beispielsweise Stahl-Aluminium-Verbindungen. Dabei werden die zu verbindenden Metalle an den Fügestellen nicht geschmolzen, sondern durch ein rotierendes Werkzeug unter hohem Druck ineinander gerührt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen teildifferentialen Gehäusestruktur ist die Schweißverbindung außerhalb der Fensterradiusbereiche angeordnet. Da die Schweißverbindung in den Fensterradiusbereichen, welche besonders belastet werden, leicht aufbrechen könnte, es vorteilhaft, die Schweißverbindung außerhalb der Fensterradiusbereiche auszubilden, um die Stabilität der Verbindung zu erhöhen.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- FIG 1
- eine perspektivische Darstellung eines Fensterrahmens mit einem z-förmigen Querschnitt in einer einschaligen Seitenwand eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- FIG 2
- eine perspektivische Darstellung eines tiefgezogenen Fensterrahmens in einer teildifferentialen Gehäusestruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- FIG 3
- eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen integralen Gehäusestruktur mit einem zweischnittig geklebten Fensterrahmen,
- FIG 4
- eine Querschnittsansicht der in FIG 1 dargestellten teildifferentialen Gehäusestruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- FIG 5
- eine Querschnittsansicht, der in FIG 2 dargestellten teildifferentialen Gehäusestruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- FIG 6
- eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- FIG 7
- ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Montage einer teildifferentialen Gehäusestruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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In FIG 1 ist eine perspektivische Darstellung einer teildifferentialen Gehäusestruktur 1 mit einem Fensterrahmen 3 mit z-förmigem Querschnitt in einer einschaligen Seitenwand 2 eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs (siehe FIG 6) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Fensterrahmen 3 ist mit einer umlaufenden FSW-Schweißnaht 4 mit der einschaligen Seitenwand 2 verbunden. Die FSW-Schweißnaht 4 ermöglicht die Vermeidung eines Schweißverzugs, so dass die Oberfläche der einschaligen Seitenwand 2 nach dem Schweißen nahezu ideal glatt ist und kaum einer Nachbearbeitung bedarf. Der in die teildifferentiale Gehäusestruktur 1 integrierte Fensterrahmen 3 trägt zur Aussteifung der einschaligen Struktur der einschaligen Seitenwand 2 bei.
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In FIG 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Fensterrahmens 3a mit einem tiefgezogenen Profil in einer teildifferentialen Gehäusestruktur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Da die Fensterecken im Radiusbereich in der Regel hoch mechanisch belastet sind, sind die Ecken des tiefgezogenen Fensterrahmens 3a erweitert, also aus dem hoch beanspruchten Radiusbereich herausgezogen. Damit lässt sich die Schweißnaht 4a, welche in der Regel geringere Festigkeiten aufweist, aus dem hoch ausgelasteten Fensterradiusbereich herausziehen. In den Fensterrahmen 3a ist eine Fensterscheibe 5 eingesetzt. Die Schweißnaht ist also in den Eckbereichen weiter nach außen hin verlegt, um außerhalb des stark belasteten Fensterradiusbereichs positioniert zu werden.
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In den Fensterradien herrschen in der Regel recht hohe Spannungen vor, die durch die unterschiedlichsten Belastungen des Fahrzeugs im Fahrbetrieb hervorgerufen werden. Daher wird es in der Regel vermieden, in diesen Bereichen eine Schweißnaht vorzusehen, da diese sonst aufgrund ihrer im Vergleich zum nicht verschweißten Grundmaterial geringeren Festigkeit sonst schnell überlastet wäre.
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In FIG 3 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen integralen Gehäusestruktur 1a mit einem integrierten Fensterrahmen dargestellt. Die herkömmliche integrale Gehäusestruktur 1a umfasst eine doppelwandige Seitenwand 2a. Teil der herkömmlichen integralen Gehäusestruktur 1a ist auch ein Fensterrahmen 3b mit doppelter Anbindung, einmal an der Außenwand 2b der doppelwandigen Seitenwand 2a und einmal an der Innenwand 2c der doppelwandigen Seitenwand 2a. Der Fensterrahmen 3b ist mit einer Fensterscheibe 5 über eine Klebeverbindung 6a zwischen der Fensterscheibe 5 und dem Fensterrahmen 3b verbunden. Weiterhin ist der Fensterrahmen 3b über zwei Klebeverbindungen 6b zwischen dem Fensterrahmen 3b und der Innenwand 2c und der Außenwand 2b verbunden. Wie in FIG 3 zu erkennen ist, muss der bei einer integralen Gehäusestruktur 1a eingesetzte Fensterrahmen 3b in der Regel eine zweischnittige Anbindung aufweisen.
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In FIG 4 ist eine Querschnittsansicht der in FIG 1 dargestellten teildifferentialen Gehäusestruktur 1 veranschaulicht. Der Querschnitt des in FIG 4 dargestellten Fensterrahmens 3 ist z-förmig. Da die Seitenwand 2 der teildifferentialen Gehäusestruktur 1 einwandig ausgebildet ist, vereinfacht sich auch die Verbindung des Fensterrahmens 3 mit der einwandigen Seitenwand 2. Der Fensterrahmen 3 mit z-förmigem Querschnitt lässt sich nun über eine einzige Klebeverbindung 6b mit der einwandigen Seitenwand 2 verbinden. In FIG 4 ist auch eine Klebeverbindung 6a zwischen dem Fensterrahmen 3 und einer Fensterscheibe 5 gezeigt, die der Klebeverbindung 6a entspricht, wie sie auch herkömmlich bei der in FIG 3 gezeigten Anordnung verwendet wird.
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In FIG 5 ist eine Queransicht der in FIG 2 dargestellten teildifferentialen Gehäusestruktur 1 gezeigt. In FIG 5 ist eine FSW-Schweißverbindung 6c zwischen einer Seitenwand 2 und einem Fensterrahmen 3 mit tiefgezogenem Blech, oder einem Profil mit einem Z-förmigen Querschnitt gezeigt. Der Fensterrahmen 3b, aus einem tiefgezogenem Blech bzw. aus einem gebogenen Profil mit einem Z-förmigen Querschnitt gefertigt, ist über zwei Klebeverbindungen 6a mit einer Fensterscheibe 5 verbunden.
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In FIG 6 ist eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Schienenfahrzeug 60 weist einen Wagenkasten 61 auf, welcher eine teildifferentiale Gehäusestruktur 1 mit einer einschaligen Seitenwand 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Die einschalige Gehäusestruktur 1 umfasst ein Fenster mit einer Fensterscheibe 5 und einem Fensterrahmen 3, welcher in die einschalige Seitenwand 2 eingepasst und mit dieser verbunden ist.
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In FIG 7 ist ein Flussdiagramm 700, welches ein Verfahren zur Montage einer teildifferentialen Gehäusestruktur 1 veranschaulicht, gezeigt.
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Bei dem Schritt 7.I wird eine Aussparung 7 für ein Fenster in einem einschaligen Bereich der teildifferentialen Gehäusestruktur 1 ausgebildet.
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Bei dem Schritt 7.II wird eine Fensterscheibe 5 mit einem Fensterrahmen 3 mit einem z-förmigen Querschnitt durch eine Klebeverbindung 6a verbunden.
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Bei dem Schritt 7.III wird eine einschnittige Verbindung in Form einer Klebeverbindung 6b zwischen dem Fensterrahmen 3 und einer Seitenwand 2 der teildifferentialen Gehäusestruktur 1 hergestellt.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel "ein" bzw. "eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.