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Dokumentenidentifikation DE19537498A1 03.04.1997
Titel Segmentierte Schalenbauweise mit schwimmend gelagerter Innenverkleidung
Anmelder Institut für Schienenfahrzeuge GmbH, 12527 Berlin, DE
Erfinder Dengler, Markus, Dipl.-Ing., 88682 Salem, DE;
Dähne, Ulrich, Dipl.-Ing., 12435 Berlin, DE;
Dittrich, Jochen, Dipl.-Designer, 14558 Berholz, DE;
Paksi, Laszlo, Dipl.-Designer, 12487 Berlin, DE
Vertreter Köhler, R., Dipl.-Ing. (FH), Pat.-Anw., 15732 Eichwalde
DE-Anmeldedatum 25.09.1995
DE-Aktenzeichen 19537498
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B61D 17/04
Zusammenfassung Die Entwicklungs-, Fertigungs-, Montage-, Reparatur-, Instandsetzungs- und Recyclingkosten von Fahrzeugwagenkästen werden durch die Verwendung gleichartiger, mit Ausrüstungsteilen komplettierter Baugruppen für Seitenwände und/oder Dächer reduziert. Wesentliches Merkmal eines solchen Segmentes ist die elastisch gelagerte, bereits eingebaute Innenschale. Diese Segmente werden vollständig von außen auf ein Gerippetragwerk aufgesetzt, oder bilden zusammen mit bereits integrierten Tragwerkskomponenten das Oberteil des Rohbauwagenkastens. Das Oberteil des Rohbauwagenkastens oder das verwendete Gerippe ist auf einer Bodengruppe aufgesetzt. Günstige Montage- und Demontageeigenschaften sowie Recyclingeigenschaften werden durch spezielle Klemmprofile sowie die Herstellung der kompletten Segmente (Schalen, Isolation und evtl. Fenster) aus nur einem Werkstoff erreicht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine segmentierte Schalenbauweise mit schwimmend gelagerter Innenverkleidung, insbesondere für Schienenfahrzeuge.

Es ist bekannt, die Wagenkästen überwiegend aus den Großbaugruppen Untergestell, zwei Seitenwänden, Dachschale und zwei Stirnwänden zusammenzufügen. Wegen der Abmessung dieser Baugruppen sind für die Fertigung große und teure Fertigungsanlagen erforderlich. Um diese Kosten zu senken ist es seit langem üblich, Wagenkästen in gleichartige vertikal geteilte Segmente zu unterteilen (EP 0 360 585; DE 16 30 595 A1; Bericht "Forecast on structural behaviour for a composite city bus in GRFP", I. Crivelli et al, Composite Manufacturing Vol. 1 No 1 March 1990). Desweiteren ist der Innenausbau der bekannten Rohbauwagenkästen wegen der mangelnden Zugängikeit des Innenraumes von außen problematisch. Die Innenausbauten werden in bekannter Weise durch die Türöffnungen, bestenfalls noch durch Dachöffnungen und Öffnungen im Stirnwandbereich eingebracht. Die Montage von komplettierten Baugruppen mit daran befindlicher Innenausstattung scheiterte bisher an der notwendige Fügetechnik. Warmfügetechniken wie z.B Schweißen entfallen wegen der Beschädigungsgefahr der Innenausstattung und der Zugängigkeit.

In der EP 0489 294 A1 wird ein Wagenkasten mit durchgehendem Boden und Dachlangträger beschrieben, bei dem an den Langträgern jeweils aufeinander folgend Ringspante und U-förmige Schalen in Form des Wagenkastenprofils unterhalb der Fensterbrüstung sowie U-förmige Schalen in Form des Wagenkastenprofils oberhalb der oberen Fensterbrüstung angebracht werden. Die tragende Struktur wird aus den durchgehenden Längsträgern und den diese verbindenden Ringspanten gebildet, wobei kein vorhergehender Einbau von Ausrüstungsbauteilen in diese Segmente vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Bauweise ist keine Seitenwand im ursprünglichen Sinn vorhanden. Die Ringspante sowie die Fenster verbinden die Dach- und Bodengruppe. Als Nachteil stellt sich heraus, daß der Seitenwandaufbau nicht die Anforderungen der UIC hinsichtlich der Lärm- und Schalldämmung von Schienenfahrzeugen gänzlich erfüllt. Es ist erforderlich, eine separate Innenschale und Isolation vorzusehen. Ausrüstungskomponenten können nicht in die Seitenwand- und Dachsegmente integriert werden.

In der EP 0260 200 wird ein Wagenkasten mit längslaufenden durchgehenden Boden- und Dachlangträger und mit damit verbundenen Boden- und Dachquerträger sowie vertikalen Säulenprofilen beschrieben, die die lasttragende Gerippestruktur bilden. Gleichartige segmentierte Seitenwand-, Dach-, und Fußbodenschalenelemente sind als (Aluminium-) Sandwichbauteile mit Wabenkern und Rahmenprofilen ausgebildet. Auf die Befestigungen der Seitenwand- und Dachsegmente wird in dieser Druckschrift nicht näher eingegangen. Die nach unten demontierbare segmentierte Bodengruppe ist formschlüssig ausgebildet. Auch bei diesem Wagenkastenaufbau werden die UIC-Richtlinien hinsichtlich Schall- und Wärmedämmung nicht ohne eine separate Innenschale und Isolation erfüllt. In dieser Schrift sind keine Hinweise vorhanden, Ausrüstungskomponenten in die Seitenwand- und Dachsegmente vor dem Zusammenbau des Wagenkastens zu integrieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine segmentierte Schalenbauweise mit schwimmend gelagerter Innenverkleidung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Fertigungs- und Montageaufwand reduziert wird, Gebäude und andere Investitionskosten für die Fertigung und Montage eingespart werden, eine variable "modulare" Gestaltung der Wagenkästen durch die Anzahl der Segmente zu schaffen, wobei eine Herstellung der Segmente mit Übermaß aus einem Werkzeug, eine "offene" Gerippestruktur und eine hohe Zugängigkeit des Fahrzeuginneren möglich ist und Boden, Sitze, Aggregate vor Montage der Seitenwände montiert werden können, eine variable Werkstoffauswahl für die Segmente möglich ist, Außen- und Innenschalen, Isolation und Beschläge und ggf. Fenster aus nur einem Werkstoff hergestellt werden können, mit einfachen Fügeverfahren ein einfaches Zerlegen bzw. ein Bauteilaustausch und eine recycling-gerechte Konstruktion möglich wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, d. h., daß Schalensegmente wie Seitenwandschalensegmente, Dachschalensegmente und Seitenwand- Dachschalensegmente mit einer schwimmenden Innenschale als komplette Teile von außen an einem Tragwerkgerippe montiert werden, die Schalensegmente durch ihren kompakten Aufbau und durch ihre Verbindungen miteinander und ihre Verbindungen mit dem Tragverband hauptsächlich die Schubbelastungen übernehmen, wobei die schwimmende Innenschale durch schubsteife, biegeweiche oder druckweiche Schubwinkel gebildet wird und die Verbindungen der Schalensegmente miteinander durch Aussteifungs- und Abdeckungsprofile verwendet werden und in einer weiteren Ausbildung die Verbindungen der Seitenwand-Dachschalensegmente mit einem Dachmittenlangträger gebildet werden aus nach oben oder unten gerichteten Verbindungsfalzen, die jeweils mit ihren senkrechten und waagerechten Falzflächen an den parallel dazu liegenden Flächen des Dachmittenlangträger anliegen und mit bekannten Mitteln wie Schweißen, Nieten, Kleben zusammengefügt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 schematische Explosions-Darstellung eines Wagenkastens mit vormontierter ebener Dachroststruktur (flaches Dach), bestehend aus einem Fachwerkgerippe und Schalensegmenten,

Fig. 2 schematische Explosions-Darstellung eines Wagenkastens, bestehend aus einem Fachwerkgerippe in Spantenbauweise und Schalensegmenten,

Fig. 3 ein Seitenwandschalensegment mit biegeweichen Schubwinkeln,

Fig. 4 eine Seitenwandaußenschale mit Aussteifungsbord,

Fig. 5 eine Form des Aussteifungsbordes und der Verbindung der Seitenwandaußenschale mit einem Anschlußteil und Säulenverkleidung,

Fig. 6 eine weitere Form des Aussteifungsbordes und der Verbindung wie Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Form des Aussteifungsbordes und der Verbindung wie Fig. 5,

Fig. 8 Schnitt A-A nach Fig. 1,

Fig. 9 Einzelheit Z nach Fig. 8,

Fig. 10 eine weitere Form der Verbindung zweier Schalensegmente in Sandwichbauweise,

Fig. 11 eine weitere Form der Verbindung wie Fig. 9,

Fig. 12 Einzelheit Z nach Fig. 11,

Fig. 13 schematische Darstellung eines in Dachmitte getrennten U-förmigen Wagenkastensegmentes

Fig. 14 Einzelheit y nach Fig. 13,

Fig. 15 die Verbindung der Außenschale mit der Innenschale über eine Verbindungsstruktur,

Fig. 16 L-förmiges Seitenwand- Dachschalensegment mit nach innen gerichtetem Dachfalz,

Fig. 17 L-förmiges Seitenwand- Dachschalensegment mit nach außen gerichtetem Dachfalz,

Fig. 18 L-förmiges Seitenwand- Dachschalensegment mit durchgehendem Dachmittenlangträger,

Fig. 19 a, b, c Einzelheit y nach Fig. 18 verschiedener Dachlangträgervarianten,

Fig. 19 d, e, f Einzelheit X nach Fig. 17 verschiedener Dachlangträgervarianten.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der Wagenkasten des Schienenfahrzeuges aus einem tragenden, von allen Seiten her zugänglichem Fachwerkgerippe, aufgesetzt auf einer Bodengruppe 1 sowie aus den mit diesem Gerippe verbundenen Schalensegmenten 18, wie Seitenwandschalensegment 5, Dachschalensegment 8 oder Seitenwand-Dachschalensegment 23 gemäß Fig. 13. Die Schalensegmente 18 werden vornehmlich auf Schub belastet. Im Detail besteht der Wagenkasten aus der vorkomplettierten Bodengruppe 1 in Stahlprofildifferential- oder Aluminiumprofilintegralbauweise, den damit verbundenen Stirnwänden 2, den möglichst äquidistant dazwischen angeordneten Säulen 3, einem darauf aufgesetzten vorkomplettierten Dachgerippe 4 in Stahl- oder Aluminium- profilintegralbauweise oder FVW-Schalenelemente und den mit diesem räumlichen Gerippe verbundenen Seitenwandschalensegmenten 5 und Dachschalensegmenten 8 gemäß Fig. 2, die auf Spanten 6 mit Dachlangträger 7 aufgesetzt sind.

Die Seitenwandschalensegmente 5 gemäß Fig. 3 bestehen aus einer Schubbelastungen aufnehmenden Außenschale 9 in monolithischer Schalenbauweise oder Sandwichbauweise und einer mittels Schubwinkel 12 schwimmend mit dieser verbundenen Innenschale 10, sowie einer dazwischen befindlichen Wärme- und Schallisolation 11. Alle notwendigen in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Ausrüstungsteile wie Fenster, Ascher, Klapptische, Konvektions- oder Folienheizungen etc. werden außerhalb des Fahrzeuges mit den Außenschalen 9 und Innenschalen 10 jeweils zu einer Baugruppe vorkomplettiert. Als Werkstoff für die Seitenwandschalensegmente 5 und ggf. Dachschalensegmente 8 sind in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung und weiterer Randbedingungen Materialien verwendbar wie Aluminium, Stahl, bevorzugt aber Faserverbundwerkstoffe. Die Funktion des Tragwerkgerippes kann teilweise oder vollständig in den Seitenwandschalensegmenten 5 und Dachschalensegmenten 8 integriert sein. Gemäß Fig. 4 sind Ränder als Aussteifungsborde 15 der Schalensegmente 18 in den dargestellten Formen gemäß Fig. 5 bis 7 gestaltet. Bei dieser Ausbildung ist ein separates Tragwerkgerippe wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, nicht mehr notwendig.

Der Aussteifungsbord 15 gemäß Fig. 5 besteht aus einem geschlossenen Säulen- und Spriegelquerschnitt in Sandwichbauweise mit einem Aussteifungsbordkern 16.

Der Aussteifungsbord 15 gemäß Fig. 6 ist als offener A-förmiger Säulen- und Spriegelquerschnitt ausgebildet.

Eine Z-förmige Ausbildung des Säulen- und Spriegelquerschnittes ist in der Fig. 7 dargestellt.

Befestigt werden die Seitenwandschalensegmente 5 und ggf. Dachschalensegmente 8 an der tragenden Unterstruktur mittels Kaltfügeverfahren wie Kleben, Nieten, Schrauben, Toxen oder Klemmen. Die gewählte bekannte Verbindungsart ist abhängig von der Belastung und den verwendeten Werkstoffen der Schalensegmente 18 und der Gerippestruktur.

Eine Montage der Schalensegmente 18 von außen wird durch eine Gestaltung der Schalensegmente 18 im Säulenbereich entsprechend der Fig. 5 bis 11 ermöglicht.

Die Innenschale 10 ist in ihrer Breite und Höhe so gewählt, daß sie von außen montiert zwischen die Säulen 3 paßt.

Als Säulenprofil 17 wird in Fig. 9 ein offenes Hut-Profil dargestellt, mit der Möglichkeit eines vom Innenraum aus zugänglichen, durch eine Säulenverkleidung 14 abgedeckten Kabelschachtes oder eines geschlossenen kastenförmigen oder trapezförmigen Säulenprofils 17 gemäß Fig. 10. Hierbei ist das Schalensegment 18 als Sandwichschalensegment 13 mit integrierter Innenschale ausgebildet.

Die Fig. 11 und 12 zeigen ein Klemmprofil 20, das zwischen den Außenschalen 9 und dem Säulenprofil 17 angeordnet ist. Ein Verriegelungs- und Abdeckungsprofil 19 klemmt in dem Klemmprofil 20, stabilisiert und arretiert die Außenschalen 9 und das Klemmprofil 20 ist mit dem Säulenprofil 17 verbunden, so daß die Außenschalen 9 zum Säulenprofil 17 arretiert und mit Abstand gehalten werden.

Gemäß Fig. 13 ist das Seitenwand-Dachschalensegment 23 mit Formelementen 24 versehen, die spiegelbildlich gestaltet sind und damit eine komplette Schale 21 für beide Fahrzeugseiten verwendet werden kann.

In der Fig. 15 ist eine bekannte Verbindungsform der Außenschale 9 mit der Innenschale 10 über eine napf- oder wellenförmige Verbindungsstruktur 22 gezeigt.

Die Fig. 16 und 17 zeigen weitere Möglichkeiten, die obere Verbindungsstelle von Seitenwand-Dachschalensegmenten 23 auszubilden.

Gemäß Fig. 18 ist zwischen den Seitenwand-Dachschalensegmenten 23 in der Art nach Fig. 16 ein Dachmittenlangträger 25 vorgesehen. Dieser Dachmittenlangträger 25 kann in drei Vorzugsvarianten, wie die Fig. 19 a) bis c) zeigt, ausgeführt sein: als senkrecht stehender T-Träger, als Doppel-T- Träger und als Kastenprofil mit oben außenliegenden waagerechten Stegen.

Der Dachmittenlangträger 25 kann in weiteren drei Vorzugsvarianten, wie die Fig. 19 d) bis f) zeigt, ausgeführt sein. Bei dieser Ausführungsform ist der Dachfalz nach außen ausgebildet und der Dachmittenlangträger 25 ist als auf dem Kopf senkrecht stehender T-Träger, als Doppel-T- Träger und als Kastenprofil mit unten außenliegenden waagerechten Stegen ausgebildet.

Bezugszeichenliste

1 Bodengruppe

2 Stirnwände

3 Säulen

4 Dachgerippe

5 Seitenwandschalensegmente

6 Spante

7 Dachlangträger

8 Dachschalensegment

9 Außenschale

10 Innenschale

11 Wärme- und Schallisolation

12 Schubwinkel

13 Sandwichschalensegment (mit integrierter Innenschale)

14 Säulenverkleidung

15 Aussteifungsbord

16 Aussteifungsbordkern

17 Säulenprofil

18 Schalensegmente bestehend aus:

Seitenwandschalensegment 5

Dachschalensegment 8

Seitenwand- Dachschalensegment 23

19 Verriegelungs- und Abdeckungsprofil

20 Klemmprofil

21 Schale

22 napf- oder wellenförmige Verbindungsstruktur

24 Formelement

25 Dachmittenlangträger


Anspruch[de]
  1. 1. Segmentierte Schalenbauweise mit schwimmend gelagerter Innenverkleidung und weitestgehendst vormontierten, gegebenenfalls mit einer elastisch gebetteten Innenschale versehenen, gegebenenfalls mit Ausrüstungsbauteilen versehenen, möglichst gleichartigen Seitenwand- und/oder Dachschalensegmente, die von außen montiert und an einem Tragwerkgerippe befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Schalensegmente (18) von außen mit einem Tragwerksgerippe, bestehend aus Bodengruppe (1), Säulen (3) bzw. Spanten (6) und Stirnwänden (2), verbunden werden und die Schalensegmente (18) im Tragverband hauptsächlich die Schubbelastungen übernehmen und eine schwimmende Innenschale (10), die mittels schubsteifer und biegeweicher oder druckweicher Schubwinkel (12) mit der lasttragenden Außenschale (9) verbunden ist.
  2. 2. Segmentierte Schalenbauweise mit schwimmend gelagerter Innenverkleidung und weitestgehendst vormontierten, gegebenenfalls mit einer elastisch gebetteten Innenschale versehenen, möglichst gleichartigen Seitenwand- und/oder Dachschalensegmenten, die von außen montiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalensegmente (18) über Tragwerkgerippefunktion übernehmende Aussteifungsborde (15) miteinander verbunden sind.
  3. 3. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandschalensegmente (5) und die Dachschalensegmente (8) zusammengefügt L-förmig sind und eine Überlappung mittels Formelementen (24) spiegelbildlich gestaltet ist, so daß eine komplette Schale (21) für beide Fahrzeugseiten verwendet werden kann.
  4. 4. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandschalensegmente (5) und das zugehörige Dachschalensegment (8) ein U-förmiges Segment bilden.
  5. 5. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenelemente (18) aus thermoplastischen Kunststoffen und/oder zusätzlich aus transparenten Thermoplasten bestehen, wobei in den Seitenwandschalensegmenten (5) Fensterscheiben integriert sind.
  6. 6. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe der Schalensegmente (18) aus einem Grundwerkstoff bestehen.
  7. 7. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Schalensegmente (18) durch Klemmung in elastischen Klemmprofilen (20) erfolgt, und die Klemmprofile (20) mit dem lasttragenden Gerippe, dem Säulenprofil (17) und Außenschale (9) geklemmt oder unlösbar und nach außen mit einem Verriegelungs- oder Abdeckungsprofil (19) verbunden sind.
  8. 8. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Säulenprofilen (17) Leerkanäle verlaufen.
  9. 9. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Säulenprofile (17) einen trapezförmigen Querschnitt besitzen, die Schalensegmente (18) von außen angebracht und großflächig mit dem Außengurt und wenn erforderlich mit dem Steg und ggf. mit dem Innengurt verbunden werden.
  10. 10. Segmentierte Schalenbauweise nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß L-förmige Seitenwand-Dachschalensegmente (23) in Fahrzeugdachmitte an einem durchgehenden Dachmittenlangträger (25) befestigt sind, wobei die Verbindungsfalze an den Seitenwand-Dachschalensegmenten (23) nach oben bzw. nach unten gerichtet ausgeführt sind und der Dachmittenlangträger (25) als T-Träger, Doppel-T-Träger bzw. Kastenprofil mit seitlichen Stegen ausgebildet ist.






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