Title: Der Aluminium-Wagenkasten 4.1 : Leichtbau durch integrierte FSW-Sandwiches
Authors : Leutenegger, Simon
Huber, Cyril
Fehr, Roland
Hartwig, Markus
Bossert, David
Conference details: 15. Internationale Schienenfahrzeugtagung : Dresden Rad Schiene, Dresden, 1.-3. März 2017
Issue Date: 2-Mar-2017
License (according to publishing contract) : Licence according to publishing contract
Type of review: Peer review (Abstract)
Language : German
Subjects : Wagenkasten; Sandwich; Leichtbau; FSW
Subject (DDC) : 620: Engineering
Abstract: Zwischen 1955 und 1985 entwickelten sich die Alu-Wagenkästen von der Bauweise „Flugzeug-Konstruktion“ über „Stahlbau in Aluminium“ und „Grossprofil-Technologie“ bis hin zur heute vorherrschenden spantenlosen „Integral-Bauweise“, hier Wagenkasten 4.0 genannt. Auf diesem Entwicklungsweg reduzierten sich die Fabrikations-Stunden markant. Gleichzeitig stieg aber das Kastengewicht kontinuierlich an. Im Zuge von zulassungsbedingten Gewichts-Limiten (z.B. Achslasten), der aktuellen Bestrebungen, den Radsatz- und Schienenverschleiss weiter zu minimieren sowie Traktions-Energie und damit CO2-Emissionen einzusparen, steht der Leichtbau von Schienenfahrzeugen wieder verstärkt im Fokus. Im neu entwickelten Wagenkasten 4.1 ersetzen deckschichtverschweisste Sandwich- Paneele in dafür geeigneten Bereichen die heute üblichen Integral-Hohlprofil-Strukturen. Bei unverändert hoher Struktursteifigkeit sind durch die neuartige Sandwichtechnologie Gewichtsreduktionen bis 10% realistisch, wenn Teile der Bodenplatte, des Daches und Bereiche der Seitenwand mit dieser Bauweise ausgeführt werden. Vergleichbare Konzepte wurden ansatzweise bereits früher umgesetzt, wie beispielsweise lasergeschweisste Sandwich-Paneele beim Transrapid oder geklebte Hybrid-Wagenkasten. Keine dieser Bauweisen hat sich jedoch durchgesetzt, sei es aus technischen oder aus wirtschaftlichen Gründen. Die neue Bauweise der Sandwich-Integration wurde an der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften zusammen mit 3A Composites als Strukturlieferant für Schienenfahrzeuge und der Rapid Technic AG als Spezialist für das Reibrührschweissen (Friction Stir Welding - FSW) entwickelt. Sie ermöglicht dank geschicktem Einsatz von FSW-Nähten das Verbinden von grossformatigen Sandwichplatten mit Randprofilen, welche dann mittels konventioneller MIG-Verfahren mit der Wagenkastenstruktur verbunden werden. Dieses Vorgehen ermöglicht eine vollständig geschweisste Integration von Sandwich-Paneelen mit Aluminium-Deckschichten in Alu-Integral-Strukturen. Dabei sind die Toleranz-Anforderungen nicht grösser als bei den heute üblichen Fertigungsprozessen. Das Resultat ist eine steife, hoch belastbare, wasserdichte, ermüdungsgerechte und trotzdem leichte Wagenkasten-Struktur. Da im Kastenbau, d.h. im End-Zusammenbau der Baugruppen, nach wie vor ganz konventionell MIG-geschweisst wird, würden sich selbst bestehende Konstruktionen durch teilweise Substitution durch Sandwich-Baugruppen gewichts-optimieren lassen, ohne das Gesamt-Konzept zu ändern. Den grössten Gewichtsvorteil bei zugleich tiefen Gesamtkosten erreicht man aber bei Neukonstruktionen. Die Entwicklungsarbeiten wurden exemplarisch an der Bodenbaugruppe eines bestehenden Wagenkastens durchgeführt. Die Klebe- und FSW-gerechte Gestaltung des Übergangs zwischen Sandwichstruktur und in der Integralbauweise aufgebautem Wagenkasten bilden hierbei den ersten Schritt. Die Einbindung der Sandwich-Paneele mittels FSW sowie die rechnerischen und experimentellen Nachweise der entsprechenden Struktur-Verbindungen sind der Schwerpunkt in der Entwicklung. Es folgen die statischen und dynamischen Tests der kritischen Bereiche aus der Bodenstruktur. Weiter stehen Themen der Reparaturfähigkeit, Brandverhalten, Trittfestigkeit, Kollisionsverhalten und Krafteinleitungen, d.h. Befestigungen von Anbauteilen, im Fokus. Ein Vergleich der Kosten der Sandwichbauweise mit denjenigen einer reinen Integral-Struktur und die kommerzielle Gegenüberstellung mit den gewichts-bedingten Einsparungen an Traktionskosten sowie mit ggf. tieferen Trasse-Benutzungs-Gebühren bilden den Abschluss. Die Entwicklung erfolgte parallel für drei verschiedene Kernwerkstoffe (Schaum, Alu- und Nomexwaben). Die unterschiedlichen Kernwerkstoffe sollen in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs Verwendung finden. Dadurch kann auf unterschiedliche Anforderungen bezüglich Festigkeit, Steifigkeit, Wärme- und Schallisolation reagiert werden und es sind sogar sekundäre Gewichtseinsparungen, z.B. durch die Reduktion von Isolations-Material, möglich. Im Vortrag wird das Entwicklungsprojekt sowie eine erste geplante Anwendung vorgestellt. Das Entwicklungsprojekt wird von der Schweizerischen Kommission für Technologie und Innovation (KTI) gefördert.
Departement: School of Engineering
Organisational Unit: Institute of Mechanical Systems (IMES)
Publication type: Conference Other
URI: https://digitalcollection.zhaw.ch/handle/11475/13684
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