Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit einem Kopfmodul aus einem Faserverbundwerkstoff, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist.
Um die Massebilanz von Schienenfahrzeugen zu verbessern, eine hohe Gestaltungsfreiheit im Design zu erreichen und die technologischen Vorteile von Faserverbundwerkstoffen und einer Modulbauweise mit hohem Vorfertigungs- und Vorprüfungsgrad nutzen zu können, werden Schienenfahrzeuge zunehmend mit Kopfmodulen, wie beispielsweise Führerhäusern, aus Faserverbundwerkstoffen ausgeführt.
Ein derartiges Fahrzeug ist bereits aus der EP 0 533 582 B1 bekannt. Dabei ist ein Führerhaus eines Schienenfahrzeugs als separate Baugruppe aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, wobei die Wände des Führerhauses mit einer Tragstruktur des Führerstandpultes eine Monoblockeinheit bilden und das Führerhaus durch Verschrauben am Untergestell des Schienenfahrzeugs sowie an den oberen Langträgern des Seitenwandoberrahmens befestigt werden soll. Bei Bedarf, also vermutlich zum Toleranzausgleich und zum Abbau von Kraftspitzen, soll die Befestigung mittels elastischer Puffer erfolgen. Frontal angreifende und aus dem Anheben des Fahrzeugs resultierende Kräfte sollen über feste Anschläge auf das Untergestell und die oberen Langträger übertragen werden können. In dieser Schrift sind jedoch keine Angaben enthalten, wie die Fügestellen zwischen dem Führerhaus einerseits sowie dem Untergestell und den oberen Langträgern andererseits ausgebildet sein sollen. Als nachteilig erscheint, daß wegen der quasi punktförmigen Krafteinleitung in die oberen Langträger bestimmte Bereiche des Führerhauses besonders verstärkt werden müssen und andere Bereiche des Führerhauses an der Krafteinleitung nicht beteiligt werden können, so daß das Führerhaus inhomogen aufgebaut werden muß, was besondere technologische Schwierigkeiten und Kosten verursacht. Außerdem schränkt dieses technische Konzept die bei den außergewöhnlichen Belastungsfällen:
Ein weiteres Schienenfahrzeug mit einem Führerhaus aus Faserverbundwerkstoff ist in der Zeitschrift "Schweizer Eisenbahn-Revue" Nr. 12/1991, Seite 436 - 442 (Cortesi, A; Issenmann, T., Kalbermatten, T. de: Leichte Nasen für schnelle Lokomotiven) beschrieben. Hierbei wird ein Führerhaus aus mehreren Bauteilen mit einer Sandwich-Struktur aufgebaut, die durch strukturelle Klebeverbindungen miteinander gefügt sind. Das Führerhaus ist als selbsttragende Einheit konzipiert und kann also keine wesentlichen Lastanteile bei den obengenannten außergewöhnlichen Belastungsfällen übernehmen. Dem ist durch die Art der Verbindung mit dem Untergestell und dem Wagenkasten sowie durch deren mechanische Festigkeit und geringe Steifigkeit Rechnung getragen: Um Fertigungstoleranzen von 1 bis 5 mm ausgleichen, Druckdichtheit und Klimabeständigkeit im Fügebereich gewährleisten, stark unterschiedliche Wärmedehnung zwischen Kunststofführerhaus und Metallwagenkasten aufnehmen und hohe Lebensdauer sichern zu können, wurde das Führerhaus mit elastischem Klebstoff auf- und angeklebt, wobei zum Untergestell hin elastische Puffer als Distanzhalter zwischengesetzt wurden und unumgängliche Fertigungstoleranzen in der Klebfugendicke von 10 mm aufgefangen werden. Eine derartige Ausbildung ist für den Fall, daß der Kopfmodul eines Schienenfahrzeugs nicht nur selbsttragend, sondern mittragend ausgebildet und beansprucht ist und dafür fest und steif mit der übrigen Wagenkastenstruktur verbunden sein muß, völlig ungeeignet.
Eine andere Lösung eines Schienenfahrzeugs mit einem separat gefertigten und montierten Kopfmodul beschreibt die DE 43 43 800 A1. Auch dieser Kopfmodul ist als selbsttragende Einheit ausgebildet und soll unter Bindung aller 6 Freiheitsgrade mit dem Untergestell lösbar und kraftschlüssig und mit dem Wagenkasten über elastische Zwischenglieder verbunden sein. Diese Lösung kann ebenfalls keine wesentlichen Lastanteile der Wagenkastenstruktur übernehmen und erfordert hinsichtlich der Paßfähigkeit der Bolzen/Bohrung-Verbindungsstellen zum Untergestell in unterschiedlicher Achslage einen hohen Genauigkeitsaufwand. Da die Verbindungsstellen zum Untergestell im Inneren des Führerhauses liegen und zugänglich sein müssen, ist kein hoher Vorfertigungsgrad erreichbar.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug zu finden, die die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermeidet und einen Kopfmodul aus Faserverbundwerkstoff auf neue Art fest mit einem Wagenkastenmodul und einem Untergestell verbindet, wobei fertigungsbedingte Form- und Maßtoleranzen in (bezogen auf das Schienenfahrzeug) Vertikal-, Längs- und Querrichtung zwischen einem Kopfmodul aus Faserverbundwerkstoff einerseits sowie Wagenkastenmodul und Untergestell andererseits einfach und mit geringem Aufwand ausgeglichen, beim Fügen keine undefinierten Eigenspannungen entstehen und die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen eines Kopfmoduls aus Faserverbundwerkstoff und eines Wagenkastenmoduls schadlos aufgenommen werden.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, Kopfmodule aus Faserverbundwerkstoff dergestalt mittragfähig auszubilden und so mit einem mit einem Untergestell verbundenen Wagenkastenmodul zu verbinden, daß eine besondere kraftschlüssig feste und steife Verbindung zwischen Kopfmodul und Wagenkastenmodul sowie Untergestell ausgebildet wird und der Kopfmodul dadurch wesentliche Lastanteile entsprechend den vorgenannten Belastungsfällen und der Betriebsbeanspruchung mittragen und in die Wagenkastenstruktur einleiten kann.
Diese Aufgaben werden durch ein Schienenfahrzeug der eingangs geschilderten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Fortbildungen der Erfindung sind den folgenden Ansprüchen entnehmbar.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Fügestellen von Kopfmodul gegenüber Wagenkastenmodul und Untergestell gestattet es, eine feste und von undefinierten Eigenspannungen freie Verbindung eines Kopfmoduls sowohl mit einem Wagenkastenmodul als auch einem Untergestell herzustellen, bei der fertigungsbedingte Maßabweichungen des Kopfmoduls wie auch Fertigungstoleranzen von Wagenkastenmodul und Untergestell sowohl in Fahrzeugvertikal-, in Fahrzeuglängs- als auch in Fahrzeugquerrichtung auf technisch einfache und wirtschaftliche Weise ausgeglichen werden.
Noch einfacher wird der Toleranzausgleich des Kopfmoduls gegenüber dem Wagenkastenmodul, wenn die für eine schubsteife Verbindung gefundene Lösung nur in den Seitenwandbereichen hergestellt und im Dachbereich in bekannter Weise eine elastische Klebeverbindung hergestellt wird, die auch Höhenmaßdifferenzen gut ausgleichen kann.
Die in einer Fortbildung der Erfindung vorgesehene Verbindung von Seitenwandendprofilen mit einem Wagenkastenendprofil reduziert Aufwand und Kosten für den Toleranzausgleich des Wagenkastenmoduls zusätzlich.
Infolge der geringeren Genauigkeitserfordernisse können Kopfmodule und Schienenfahrzeuge nunmehr kostengünstiger hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die in Kaltfügetechnik ausgeführte Verbindung unabhängig davon ist, ob der Wagenkastenmodul in Stahl-, Leichtmetall- oder andersartiger Bauweise ausgeführt ist. Für Reparaturzwecke ist diese Art Verbindung ohne Beschädigung von Kopfmodul und Wagenkastenmodul lösbar.
Ein anderer wesentlicher durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß nunmehr auch Schienenfahrzeuge mit Kopfmodulen aus faserverstärkten Werkstoffen hergetellt werden können, bei denen der mittragfähig ausgebildete Kopfmodul Lastanteile der Wagenkastenstruktur übernimmt und durch eine feste und steife Fügeverbindung in den anschließenden Wagenkastenmodul einleiten kann.
Insbesondere durch die zumindest zwischen den Seitenwänden von Kopfmodul und Wagenkastenmodul zweischnittig ausgeführte Verbindung wird eine hohe Schubsteifigkeit erreicht, so daß die Seitenwände sowohl des Kopfmoduls als auch des Wagenkastenmoduls material- und massesparend dimensionierbar sind. Das wird dadurch unterstützt, daß die fügerandseitig integrierten Verstärkungsprofile des Kopfmoduls, an denen sich die Befestigungsmittel abstützen, die über die Fügeflächen zwischen Untergestell und Kopfmodul übertragenen Vorspannkräfte und Beanspruchungen aufnehmen und flächig an den benachbarten Faserverbundwerkstoff weitergeben, so daß dessen punktförmige Überlastung bzw. die Notwendigkeit zu dessen Überdimensionierung vermieden wird.
Da die Fügeverbindung zum Untergestell einseitig von unterhalb des Untergestells ausführbar ist, kann ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kopfmodul mit einem hohen Vorfertigungsgrad gebaut, ausgestattet und vorgeprüft werden, bevor er mit dem Wagenkastenmodul gefügt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nicht einschränkend zu verstehen ist, ist nachstehend anhand der Zeichnungen veranschaulicht und beschrieben. Es zeigt:
Gemäß Fig. 1 ist für ein Schienenfahrzeug 1 auf einem Untergestell 3 ein Wagenkastenmodul 2 vorgefertigt. Das Untergestell 3 nimmt die (nicht dargestellten) Zug- und Druckeinrichtungen des Schienenfahrzeugs auf, enthält die (ebenfalls nicht dargestellten) Aufnahmen für Radsätze oder Drehgestelle sowie weitere Funktionseinheiten des Schienenfahrzeugs und trägt aus funktionellen und gestalterischen Gründen teilweise eine Außenverkleidung. Der Kopfmodul 12 besteht gemäß Ausführungsbeispiel zumindest aus einer Kopfmodulstirnwand 13, zwei Kopfmodulseitenwänden 14 und einem Kopfmoduldach 22, die einzeln vorgefertigt und dann zum Kopfmodul 12 gefügt oder gemeinsam als Kopfmodul 12 in MonoblockBauweise gefertigt sein können.
Um das Kopfmodul 12 mit dem Untergestell 3 in einer annähernd waagerechten Fügeebene (die auch geneigt, gekrümmt und/oder abgestuft sein kann) verbinden und dabei maßliche Abweichungen korrigieren zu können, sind gemäß Fig. 2 auf dem Langträger 4 des Untergestells 3 ein Werkstoffaufmaß als höhentoleranzausgleichendes Mittel 5 vorgesehen, das nach Vermessung des vorgefertigten Kopfmoduls 12 und des Untergestells soweit wie nötig mechanisch abgearbeitet ist. Es ist aber ebenso denkbar, anstelle des Werkstoffaufmaßes des Langträgers 4 eine oder mehrere höhendifferenzangepaßte zusätzliche Beilagen vorzusehen, die auch die Form eines die Fügekante des Kopfmoduls umfassenden U-Profils haben können, oder andersartige höhentoleranzausgleichende Mittel zu verwenden. Die in Fig. 2 gezeigte Gestalt des Werkstoffaufmaßes, die bei einem aus Leichtmetall bestehenden Langträger 4 integrales Bestandteil des Strangpreßprofils sein kann, gestattet bei der mechanischen Abarbeitung des Werkstoffaufmaßes eine visuelle Kontrolle, um nicht in den festigkeitsnotwendigen Werkstoffbereich des Langträgers 4 einzugreifen. Nach Anpassung des Langträgers 4 an die Fertigmaße des Kopfmoduls 12 und nach dessen Aufsetzen sind von der Unterseite des Langträgers 4 aus Bohrungen an den erforderlichen Stellen und in der nötigen Anzahl eingebracht, die in die Fügekante der Kopfmodulseitenwand 14 eingreifen und das dort integrierte Verstärkungsprofil 18 durchdringen, das nach dem Ausführungsbeispiel einen U-förmigen Querschnitt aufweist und im Inneren der Sandwich-Struktur der Kopfmodulseitenwand 14 aus Kern 15 und den Schichtstrukturen 16 und 17 angeordnet ist. in diese Bohrungen werden gemäß Ausführungsbeispiel einseitig setzbare Blindniete als Befestigungsmittel 20 eingebracht und zwischen der Innenfläche des Verstärkungsprofils 18 und der Unterseite des Langträgers 4 verspannt, so daß die Kopfmodulseitenwand 14 und das Untergestell 13 unter Vorspannung kraftschlüssig fest und steif miteinander verbunden sind. Form und Stärke des Verstärkungsprofils 18 sind zweckmäßig so bemessen, daß es bei Transport und Montage die Stabilität der Kopfmodulseitenwand 14 unterstützt und nach dem Setzen der Befestigungsmittel 18 sowohl die Spannkräfte als auch Belastungskräfte in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung hinreichend flächenhaft in den Faserverbundwerkstoff der Kopfmodulseitenwand 14 einleitet.
Sofern die in der Fügestelle zwischen Kopfmodulseitenwand 14 und Langträger 4 zu übertragenen Kräfte durch Reibschluß übertragbar sind, kann der Bohrungsdurchmesser groß dimensioniert sein. Muß die Fügestelle jedoch für solche Kräfte ausgelegt sein, die nur durch Kombination von Reibschluß und Lochlaibung übertragbar sind, sind die Bohrungsdurchmesser gegenüber dem Schaftdurchmesser der Befestigungsmittel 20 enger zu tolerieren.
Eine gleichartige Ausbildung soll nach dem Ausführungsbeispiel die (bildlich nicht näher dargestellte) Fügestelle zwischen Kopfmodulstimwand 13 und Untergestell 3 aufweisen.
Um das Kopfmodul 12 in einer annähernd senkrechten Fügeebene (die auch geneigt, gekrümmt und/oder abgestuft sein kann) mit dem Wagenkastenmodul 2 zu verbinden, weist in diesem Fügebereich gemäß Fig. 3 die Wagenkastenseitenwand 9 einen inneren Fügesteg 7 und einen äußeren Fügesteg 8 auf, zwischen die die Kopfmodulseitenwand 14 eingeschoben ist. Die Schenkellänge der beiden Fügestege 7 und 8, ihr Abstand und ihre Elastizität in Fahrzeugquerrichtung sind so gewählt, daß die Fügekante der Kopfmodufseitenwand 14, in die ein Verstärkungsprofil 19 integriert ist, formschlüssig umfaßt und deren Maßabweichungen in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung Rechnung getragen ist. Durch die Fügestege 7 und 8 und die Kopfmodulseitenwand 14 sind gemeinsame Durchgangsbohrungen eingebracht, in die gemäß dem Ausführungsbeispiel zweiseitig setzbare und Vorspannung erzeugende Schließringbolzen als Befestigungsmittel 21 eingebracht und unter Abstützung am Verstärkungsprofil 19 gespannt sind. Für den Durchmesser dieser Durchgangsbohrungen gilt das für die Fügestelle zwischen Kopfmodulseitenwand und Untergestell obengesagte entsprechend. Durch eine solche zweischnittige Ausbildung der Fügestelle sind die Kopfmodulseitenwand 14 und die Wagenkastenseitenwand 9 kraftschlüssig fest und besonders steif miteinander verbunden, wobei das Befestigungsmittel 21 oberflächeneben mit dem äußeren Steg 8 und visuell unauffällig gestaltet ist.
Die Fügestelle zwischen Kopfmoduldach 22 und Wagenkastendach 10 kann in gleicher Weise ausgebildet sein. Bei ausreichender Festigkeit im Seitenwandbereich ist es jedoch nach einer (bildlich nicht dargestellten) Fortbildung der Erfindung möglich, diese Fügestelle als konventionelle elastische Klebeverbindung 11 zu gestalten, wodurch zusätzlich Maßtoleranzen im Dachbereich leicht ausgeglichen werden können.
Für ein endungsgemäßes Schienenfahrzeug, dessen Kopfmodul mittragfähig ausgebildet sein soll, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Sandwich-Struktur der Kopfmodulstirnwand 13, der Kopfmodulseitenwand 14 und des Kopfmoduldachs 22 aus einem Kern 15 aus mindestens einem Kernwerkstoff sowie mindestens beidseitig auf den Kern 15 aufgebrachten Schichtstrukturen 16 und 17 aus Faserverbundwerkstoffen mit gerichteten Faserstrukturen und das Kopfmodul 12 in Monoblockbauweise zu gestalten. Besonders vorteilhaft ist es, einen solchen Kern 15 aus einem Leichtbaukemwerkstoff, z.B. einem Leichtbauhartschaum, zu fertigen. Sofern die zu übertragenden Schubkräfte es erfordern, ist es zweckmäßig, daß die Verstärkungsprofile 18 und 19 in die Fügekanten der entsprechenden Teile des Kopfmoduls einlaminiert sind und von den beiden Schichtstrukturen 16 und 17 eingeschlossen sind. Allerdings sind auch andere Form, Anordnung und Verbindung der Verstärkungsprofile 18 und 19 an den Fügekanten des Kopfmoduls 12 vorsehbar: Beispielsweise kann die Fügekante der Kopfmodulseitenwand 14 zur Wagenkastenmodulseitenwand 9 hin als offene Fügekante ausgebildet sein, in der das Kernmaterial stellenweise entfernt und das Verstärkungsprofil 19 nur eingeschoben ist, wenn die zu übertragenden Kräfte allein mittels Reibschluß zwischen der durch das Verstärkungsprofil 19 verstärkten Kopfmodulseitenwand 14 und den beiden Fügestegen 7 und 8 oder mittels Lochlaibung im Faserverbundwerkstoff übertragbar sind. Beide Verstärkungsprofile können aus Leichtmetall, aber auch aus anderem Werkstoff sein, sofern sie so ausgebildet sind, daß ausreichende mechanische Festigkeit und dauerhafte Korrosionsbeständigkeit gegeben ist. Sie können über die gesamte Länge einer Fügekante, aber auch aus einzelnen benachbart oder beabstandet eingesetzten Teilen bestehen.
Für die Fügestelle zwischen Kopfmodulseitenwand 14 und Wagenkastenseitenwand 9 können anstelle des Verstärkungsprofils 19 auch ein Verstärkungsprofil nach Art des Verstärkungsprofils 18 oder eines Hohlprofils und anstelle der Durchgangsbohrungen und zweiseitig setzbarer Befestigungsmittel 21 von beiden Seiten unabhängig voneinander eingebrachte Bohrungen und einseitig setzbare Befestigungsmittel 20, die durch die seitlichen Stege des Verstärkungsprofils reichen und blindgenietet sind, vorgesehen sein.
In einer anderen Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens einer der Fügestege 7 bzw. 8 als getrenntes und einzeln am Wagenkastenmodul anbringbares Bauteil ausgeführt ist. Für das Zusammensetzen von Wagenkastenmodul 2 und Kopfmodul 12 besonders vorteilhaft ist es, wenn der äußere Fügesteg 8 einzeln ausgebildet und anbringbar ist. Mit variierter Formgebung dieses Bauteil kann das äußere Design des Schienenfahrzeugs variierbar sein.
In Ausbildung dieser Lösung ist es zweckmäßig, am Wagenkasten in Abständen Montagehilfen 25 (Fig. 3) vorzusehen, in die der äußere Fügesteg 8 bei seinem Aufsetzen eingesetzt und ohne zusätzliche Hilfsmittel reibschlüssig oder gerastet in Montageposition gehalten wird.
In weiterer Fortbildung der Erfindung ist der Teil des Wagenkastenmoduls, der den inneren und den äußeren Fügesteg 7 bzw 8 aufweist, ein Wagenkastenendprofil 6, das eine offene oder eine geschlossene Schweißkonstruktion sein kann, besonders vorteilhaft und maßgenau aber aus einem Hohlkammer-Leichtmetallstrangpreßprofil gearbeitet, in der Form eines Portals entsprechend der äußeren Kontur des Schienenfahrzeugs 1 gebogen und auf dem Untergestell 3 aufgesetzt ist. Ein solches Profil ist mit guter Genauigkeit herstellbar und ein vorteilhaftes Hilfsmittel für die maßliche Anpassung der Wagenkastenseitenwände 9 und des Wagenkastendachs 10 bei der Vorfertigung des Wagenkastenmoduls 2. Das portalförmige Wagenkastenendprofil 6 kann, wie in Fig. 3 angedeutet ist, Träger einer das Kopfmodul abschließenden Zwischenwand sein.
In einer Ausbildung dieser Lösung ist die Wagenkastenseitenwand 9 nicht direkt, sondern mittels zwischengesetzter Seitenwandendprofile 23 und 24 an das Wagenkastenendprofil 6 angeschlossen. Derartige Profile sind mechanisch leichter abarbeitbar und anpaßbar als eine vollständige Wagenkastenseitenwand, so daß trotz erhöhten Fügeaufwandes ein schnelleres und leichteres maßliches Anpassen erreichbar ist. Das Seitenwandendprofil 24 kann durch variierte Formgebung leicht einem zu verändernden Design des Schienenfahrzeugs folgen