AT395303B - Schienenrad - Google Patents

Description

AT 395 303 B

DieErfindung bezieht sich auf ein Schienenrad, insbesondere angetriebenes Schienenrad, für Schienenfahrzeuge mit einem Radkranz, an dem eine Schallabsorptionseinheit aus einem insbesondere viskoelastischen Kunststoff und einem Ring aus stahlelastischem Material, z. B. Stahl, vorgesehen ist, wobei der Kunststoff auf einer quer zur Radnabe angeordneten, zur Gleisaußenseite weisenden Ringfläche des Radkranzes und gegebenenfalls zusätzlich 5 auf der anschließenden zur Radnabe weisenden iotationssymmetrischen, z. B. kegelstumpf- bzw. zylinderförmigen

Innenfläche des Radkranzes, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren Schichte, z. B. aus einem Haftvermittler, Korrosionsschutz od. dgl. angeordnet ist, wobei der Kunststoff seinerseits einen Ring aus stahlelastischem Material trägt.

Insbesondere mit einem elektrischen Antrieb versehene Schienenfahrzeuge stellen eine besonders geringe 10 Belastung der Umwelt dar. So ist die Belastung, z. B. durch Abgase, sei es durch die gegebenenfalls zum Einsatz kommenden kalorischen Kraftwerke oder der mit Dieseltreibstoff angetriebenen Lokomotiven, bezogen auf die Menge des transportierten Gutes bzw. der transportierten Personen, besonders gering. Weiters ist der Flächenbedarf des Transportweges bei gleicher Leistung nicht einmal ein Zehntel desjenigen von Straßen.

Auch stellen Schienenfahrzeuge im Hinblick auf die akustische Belastung gegenüber dem Straßenverkehr nur 15 eine geringfügige zusätzliche Schallemissionsquelle dar. Die Ursachen der Schallemission sind jedoch gegenüber Straßenfahrzeugen ganz unterschiedlich. So tritt beispielsweise beim Schienenrad eine völlig andere Schallemission als beim Reifen eines Kraftfahrzeuges auf. Der Reifen eines Kraftfahrzeuges weist ein Profil auf, das mit der Straßenoberfläche die eine erwünschte Rauhigkeit besitzt, zusammenwirkt Allein durch dieses Zusammenwirken Rad/Straße wird ein relativ hoher Geräuschpegel bedingt der lediglich durch spezifische Ausbildung der Lauf-20 flächen und der Straße geändert werden kann. Nimmt man dagegen das System Schiene und Schienenrad, so würde bei durchgehend plan aufliegender Schiene und vollkommen planer Schiene mit darauf ablaufendem Laufrad keine zusätzliche Schallemission bewirkt werden. Erst bei weiteren Störfaktoren, beispielsweise dadurch, daß, wie durchaus üblich, die Schiene nicht in ihrer Gesamtheit mit dem Fuß am Untergrund gleichmäßig aufliegt, sondern in regelmäßigem Abstand zueinander vorgesehene Auflagepunkte, also die Schwellen, vorgesehen sind bzw. durch 25 Schwingungen, die vom Fahrzeug auf das Rad übertragen werden, wird das Rad bzw. die Schiene in Schwingungen versetzt, die ihrerseits bei Konstruktionen, die eine besonders hohe Betriebsdauer aufweisen, im wesentlichen zur Gänze in Form von Schallschwingungen, u. zw. insbesondere als Luftschall an die Umgebung abgegeben werden. Die Schwingungsfähigkeit dieser Systemeist umso größer, je geringer die Masse der Räder ist So ist beispielsweise ein angetriebenes bzw. verzögertes Rad, also ein Rad, das auch zur Bremsung dient, mit einer geringeren Masse 30 ausgestattet als die übrigen Räder, womit diese besonders starke Schallemittenten darstellen.

Um die Schwingungen an derartigen Schienenrädem zu dämpfen, wurde bereits vorgeschlagen, viskoelastische Kunststoffe am Laufkranzinneren zu applizieren. Diese viskoelastischen Kunststoffe sind zwar gegebenenfalls geeignet, unmittelbar nach ihrer Applikation eine Schalldämpfung zu bringen, jedoch unterliegen sie einer starken Abnützung, so daß dieser Lösungsweg nicht weiter beschritten wurde. 35 Aus der DE-AS 2816 561 ist ein System aus Schienenrad und Gleis für Schienenfahizeuge bekannt, das davon ausgeht, daß bestimmteregelmäßige Schwingungsbeanspruchungen desRades durch den regelmäßigen Abstand der Auflagepunkte der Schiene verursacht werden. Im Inneren des Schienenrades wird ein Ring eingeschrumpft, welcher seinerseits im Abstand voneinander angeordnete Schwingungsdämpfelemente aufweist, die mit Silikonkautschuk versehen sind. Die Dämpfelemente sind mit dem eingeschrumpften Ring durch Schrauben verbunden. Ein direktes 40 Anschrauben der Dämpfelemente ist aus sicherheitstechnischen Gründen nicht möglich, da sonst im Laufkranz Schwachstellen erzeugt werden, die zum vorzeitigen Bruch des Rades führen. Ein derartiges System ist besonders aufwendig und weist einen besonders großen Platzbedarf desRades auf, da einerseits der eingeschrumpfte Ring eine relativ große Materialstärke aufweisen muß und anderseits die Dämpfungselemente eine große Radialerstreckung besitzen. 45 Die US-PS 4 254 985 hat eine Vorrichtung zur Vibrationsdämpfung zum Gegenstand, wobei in einem Schienen rad eine im Querschnitt kreisförmigeNuteingearbeitetist. Diese Nut ist koaxial zum Laufkranz angeordnet und weist in axialer Richtung ihre größte Erstreckung auf. In dieser Nut ist ein viskoelastisches Material angeordnet, das beispielsweise über Epoxikleber lagefixiert ist, wobei zusätzlich ein im Querschnitt kreisförmiger geteilter Ring in der Nut zu liegen kommt. Bei einer derartigen Dämpfung werden die in Achsrichtung ergehenden Schwingungen 50 nicht gedämpft.

In dm1 US-PS 4 358148 ist eine Dämmeinrichtung für Schienenräder beschrieben, wobei in eine radial angeordnete Nut ein im Querschnitt annähernd U-förmiger Metallring, der eine Innenbeschichtung aus viskoelastischem Material aufweist, im wesentlichen im Bereich des Laufkranzes angeordnet ist. Ein Schenkel des U-förmigen Ringes greift in die Nut ein, wobei zwischen dem Metall und der Nut das viskoelastische Material angeordnet ist. Der andere 55 SchenkelbedecktteilweisedieStirnfIächedesLaufkranzes,diezurGleisinnenseiteweist.EinederartigeAnordnung weist den Nachteil auf, daß durch die ringförmige Nut die Lebensdauer des Laufkranzes wesentlich verringert wird, da einerseits eine höhere Masse vorliegen muß und anderseits Kerbstellen vorgesehen sind, die im übertragenen Sinn -2-

AT395 303 B des Wortes als Sollbruchstellen dienen. Weiters werden gerade jene Bereichedes Rades, dieextrem schallemittierend sind, nämlich die nach außen weisenden Stirnflächen, nicht gedämpft, so daß die erwünschte Schalldämmung und Vibrationsdämpfung nicht erreicht wird.

Die DE-OS 3119 497 hat ebenfalls eine Vorrichtung zur Schalldämmung von Schienenrädem zum Gegenstand, wobei am Laufkranz, und zwar auf der äußeren Stirnfläche, über Schraub») ein mehrschichtiger Aufbau aus Kunststoff und Metall vorgesehen ist. Der äußerste Metallteil ist miteiner Schraube mit dem Laufkranz verbunden, so daß die Schwingungen des Laufkranzes über die Schraube direkt an den äußeren Teil zur Schallemittierung übertragen werden.

In der DE-OS 3119960ist eine Schalldämmvorrichtung beschrieben, dieähnlich jener gemäß der DE-OS 3119 497aufgebautist, wobei sowohl an den äußeren als auch an den inneren Stirnflächen des Laufkranzes über Schrauben Dämpfelemente angeordnet sind, und der äußerste schallemittierende Ring über die Schrauben metallisch mit dem Laufkranz verbunden ist, so daß auch hier die Schwingung») im wesentlichen ungedämpft vom Schienenkranz über die Schraube zum äußeren Metalbing gelangen.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er durch die europäische Patentanmeldung 50.567 gegeben ist. In dies» ist ein Schi»>enrad beschrieben, das eine nutförmige Ausnehmung aufweist. In diese Ausnehmung ist ein Ring aus viskoelastischen) Material eingelegt, der sein»seits von einem metallischen Ring abgedeckt wird. Der metallische Ring liegt an den beid»> Flanken der Nut an, so daß eine volle metallische Veibindung zwischen Laufkranz und Ring gegeben ist. Dadurch wird, selbst wenn die Stirnfläche, die zur Schienenaußenseite weist, ebenfalls teilweise mit dem viskoelastischen Kunststoff äbgedeckt ist, die erwünschte Dämmung und Schwingungsbehinderung nicht erreicht, da die Schwingungen vom Laufkranz direkt zu dem nach außen weisenden metallischen Ring übertragen werden.

Die vorliegende Erfindung hat sichzur Aufgabe gestellt, ein Schienenrad mitSchalldämpfungzu schaffen,wobei die Schalldämpfung einerseits einen gering») Platzbedarf aufweisen und anderseits eine hohe Lebensdauer besitzen soll. Eine weitere Aufgabe d» vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges Schienenrad zu schaffen, bei dem die Dämpfung leicht, entsprechend dem Einsatz des Rades, in Abhängigkeit von den auftretenden Frequenzen erhalten w»den kann.

Zur Lösung dieser Aufgäb») ist bei einem Schienenrad der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Ring aus stahlelastischem Material, z. B. Stahl, fas»verstärktem Kunststoff, an seiner gesamten, insbesondere an der dem Radkranz zugewendeten Oberfläche durch den, insbesondere mehrschichtig ausgebildeten Kunststoff vom Radkranz getrennt ist.

Die Schalldämpfung wird nun nicht nur durch den viskoelastischen Kunststoff bedingt, sondern es »ttstehteine Wechselwirkung zwischen dem viskoelastischen Kunststoff und dem diesen im wesentlichen zur Gänze abdeckenden Ring aus stahlelastischem Material. Wie an sich bekannt, werden bei einem derartigen System die Biegewellen auch auf das dünnere Blech übertragen, wobei es zu Schub- und Druckbeanspruchungen des Kunststoffes kommt Die Stahlabdeckung bewirtet nun ihrerseits nicht nur eine Verbesserung bei der Schalldämpfung, sondern hat auch den zusätzlichen Effekt, daß ein mechanischer Schutz für den Kunststoff gegeben ist. Es ist nun durchaus überraschend, daß ein derartiger Ring, welcher keine metallische Verbindung mit dem Radkranz aufweist, den hohen Beanspruchungen in seiner Verbindung mit dem Radkranz standhält Bei diesen Beanspruchungen sind nicht nur die in Achsrichtung wirkenden Kräfte, dadurch, daß der Ring parallel zum Laufkranz in Richtung Außenseite der Kurve bewegt wird, sondern auch, und diese Kräfte sind wesentlich größer, dadurch, daß die Parallelität des Laufrades bei Kurven zur ursprünglichen Stellung des Laufrades durch die Schiene geändert wird, wirksam, wobei diese Kraftübertragung durch die nichtmetallische Veibindung zwischen Ring und Laufkranz erreicht werden muß, und diese Kräfte auf Grund der Kieiselstabilisierung, d. h. wegen des Bestrebens einer rotierenden Fläche, in ihrer Rotationsfläche zu verbleiben, überwunden werden müssen.

Verbindet der Kunststoff den Ring mit dem Radkranz materialschlüssig, so ist eine besonders günstige hochschalldämmende Konstruktion verwirklicht, da die Schwingungsweiterleitung vom Radkranz zum Ring lediglich durch den viskoelastischen Kunststoff erfolgt, wobei die Schalldämmung durch die Druck- und Zugbeanspruchungen im Kunststoff besonders wirksam gewährleistet ist.

Ist der Kunststoff in Abschnitten, insbesondere auf der rotationssymmetrischen Innenfläche des Radkranzes vorgesehen, so kann durch den Abstand der Abschnitte voneinander eine bevorzugte Schalldämpfung bei bestimmten Frequenzen erreicht werden, wobei, wenn unterschiedliche Abstände eingehalten werden, verschiedenste Frequenzbereiche besonders stark gedämpft werden können.

Eine besonders aus schwingungstechnischen Gründen bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Abschnitte Begrenzungsflächen aufweisen, die im wesentlichen in Richtung der Erzeugenden der rotationssymmetrischen Innenfläche des Radkranzes verlaufen.

Weisen die Abschnitte zumindest teilweise unterschiedliche Erstreckung in Umfangsrichtung des Radkranzes auf, so ist eine weitere Möglichkeit der Anpassung an die erwünschten Dämpfungsmaxima gegeben. -3-

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Sind benachbarte Abschnitte aus unterschiedlichen, zumindest zwei verschiedenen Kunststoffen aufgebaut, so ist eine weitere Anpassung an die verschiedenen erwünschten Dämpfungseigenschaften des Systems möglich, wobei eine vollflächige, materialschlüssige Verbindung des Ringes möglich ist

Ist der Ring im QuerschnittL-förmig und weist der kleinere Schenkel zum Gleisäußeren, so ist selbst bei geringer 5 Materialstärke des Ringes ein Ring gewährleistet der hohe Kräfte, wie siebeispielsweise auch durch Schwingungen bedingt sind, aufnehmen kann, ohne einrar vorzeitigen Zerstörung zu unterliegen.

Ist der Ring seinerseits mit viskoelastischem Kunststoff, insbesondere auf seiner zur Gleisaußenseite weisenden Ringfläche versehen, wobei insbesondere dieser mit einem weiteren Ring aus stahlelastischem Material versehen ist, so ist der Ring mit einer weiteren Schalldämpfung aufgebaut wobei, wenn diese Schichte aus viskoelastischem 10 KunststoffmiteinemweiterenRingaus stahlelastischem Material abgedeckt ist, dieeingangs erläuterte Schalldämpfung verbessert werden kann und auch die Lebensdauer des weiteren Kunststoffes, welcher an sich besonders leicht aufgebracht werden kann, wesentlich erhöht wird.

Ist der weitere Ring aus stahlelastischem Material, z. B. Stahl oder faserverstärktem Kunststoff, aufgebaut, mit dem Ring mit L-förmigem Querschnitt über Nieten, Schrauben od. dgl. verbunden, so ist eine besonders gute 15 Sicherung gegeben.

WeistderRingim wesentlichen radial verlaufende Einschnitteauf, so kann ein besonders einfach zu erreichender Klemmsitz im Inneren des Radkranzes erreicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 ein Schienenrad im Schnitt und Fig. 3 einen Ausschnitt eines Schienenrades im Schnitt. 20 Bei den Fig. 1 und 2 ist der Radkranz (1) über die Radscheibe (2) mit der Radnabe (3) verbunden. Der Radkranz weist auf seiner quer zur Radnabe angeordneten Ringfläche (6), die zur Gleisaußenseite (A) weist, eine Schichte aus Kunststoff (5) auf. Der Kunststoff erstreckt sich zusätzlich auf die anschließende zylinderförmige Innenfläche (4). Diese Kunststoffbeschichtung ist ihrerseits mit einem im QuerschnittL-förmigen Ring (7) aus Stahl im wesentlichen zur Gänze abgedeckt. Die Anbringung des Kunststoffes kann durch direktes Aufträgen, z. B. Aufrakeln, erfolgen, 25 wonach der Ring (7) eingedrückt wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß der Ring (7) im Rad justiert wird, wonach der Kunststoff durch die Öffnungen (8) eingebracht wird. Die Materialstärke des viskoelastischen Kunststoffes beträgt 3 mm, wohingegen die Materialstärke des Stahlbleches des Ringes 1 mm beträgt Soll der Kunststoff mehrschichtig ausgebildet werden, so kann beispielsweise die erste Schichte auf der Innenfläche und der Ringfläche des Radkranzes aufgerakelt werden, wonach der im QuerschnittL-förmigeRingjustirat wird undsodann 30 über die Öffnungen (8) eine weitere Schichte aus Kunststoff injiziert wird.

Bei dem in Fig. 2 im Schnitt dargestellten Schienenrad stimmen die Bezugszeichen mit jenen der Fig. 1 überein. Dieses Rad befindet sich noch nicht im gebrauchsfertigen Zustand, da der metallische Ring noch nicht mit dem Schienenrad verbunden ist Der Kunststoff auf der zylinderförmigen Innenfläche (4) ist in Form von Abschnitten (9) aufgebracht, wobei jeweils zwei Begrenzungsflächen (10) in Richtung der Erzeugenden der zylinderförmigen 35 Innenfläche (4) verlaufen. In ein derartig vorbereitetes Schienenrad kann sodann der metallische Ring (nicht dargestellt) eingeführt werden. Die Verbindung des metallischen Ringes kann, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, über den viskoelastischen Kunststoff (5) erfolgen, oder es kann in die Leerräume zwischen den Abschnitten aus Kunststoff über die Öffnungen (8) im Ring ein weiterer Kunststoff injiziert werden, welcher zusätzlich zur materialschlüssigen Verbindung mit dem Kunststoff (9) eine weitere Verbindung des Ringes mit dem Rad 40 ermöglicht.

Bei dem in Fig. 3 im Schnitt dargestellten Ausschnitt eines Rades ist auf der zylinderförmigen Innenfläche (4) eine Schichte aus Kunststoff (5) vorgesehen, die sich ebenfalls auf die Ringfläche (6) erstreckt. Dieser Kunststoff ist gemäß Fig. 1 mit einem Ring (7) aus Stahl abgedeckt. Dieser Ring trägt auf dem kleineren Schenkel, der annähernd parallel zur Ringfläche (6) angeordnet ist, eine Schichte aus viskoelastischem Kunststoff (11). Diese Schichte (11) 45 trägt ihrerseits wieder einen Ring (12) aus Stahl, der über Schrauben (13), die mit dem Ring (7) verbunden sind und über Muttem (14) gehalten wird. Der Ring (12) kann auch radiale Einschnitte aufweisen.

Obwohl als Material für die Ringe Stahl bevorzugt ist, da diese Stahlringe tiefgezogen werden können, womit eine Oberflächenhärtung eintritt, können die Ringe auch aus anderen stahlelastischen Materialien, wie beispielsweise aus faserverstärkten Werkstoffen, insbesondere aus mit Glasfasern bzw. mit Kohlenstoffasern verstärkten 50 Kunststoffen aufgebaut sein.

Als Materialien für viskoelastische Kunststoffe, die auch geeignet sind, einen materialschlüssigen Verbund zwischen Schienenrad und Ring herzustellen, können, z. B. mit Gummimehl, Polyurethanmehl, Schlackengranulat od. dgl. gefülltebzw. ungefüllte Kunststoffe, z. B. Kautschuk, Polyurethane, Silikonkautschuk, Kunststoffdispersionen verwendet werden. Die Füllstoffe können eine Korngröße von z. B. 1 mm aufweisen. 55 Gegebenenfalls kann am Rad ein Haftvermittler, beispielsweise auf Isocyanatbasis, aber auch ein Phosphatieren od. dgl. für einen verbesserten Verbund von Vorteil sein.

Durch die Abdeckung des viskoelastischen Kunststoffes kann nicht nur eine praktisch unendliche Lebensdauer -4-

Claims (10)

1. AT 395 303 B des Kunststoffes und damit der Schalldämpfung erreicht werden, sondern es wird die Schalldämpfung auch noch wesentlich verbessert. In Kurvenlagen kommt es zu einer zusätzlichen Verkantung des Ringes, wodurch eine Art mechanische Verankerung des Ringes im Schienenrad erreicht wird, so daß die Zugbeanspruchungen des Kunststoffes in engen Grenzen gehalten werden kann, wogegen die Druckbeanspruchung zu keinen vorzeitigen Zerstörungen 5 des Kunststoffes führt. PATENTANSPRÜCHE 10 1. Schienenrad, insbesondere angetriebenes Schienenrad, für Schienenfahrzeuge, mit einem Radkranz, an dem eine Schallabsorptionseinheit aus einem insbesondere viskoelastischen Kunststoff und einem Ring aus stahlelastischem IS Material, z. B. Stahl, vorgesehen ist, wobei der Kunststoff auf einer quer zur Radnabe angeordneten, zur Gleisaußenseite weisendenRingfläche des Radkranzes und gegebenenfalls zusätzlichauf der ansctdießendenzur Radnabe weisenden rotationssymmetrischen, z. B. kegelstumpf- bzw. zylinderförmigen Innenfläche des Radkranzes, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren Schichte, z. B. aus einem Haftvermittler, Korrosionsschutz od. dgl., angeordnet ist, wobei der Kunststoff seinerseits einen Ring aus stahlelastischem Material trägt, dadurch gekenn-20 zeichnet, daß der Ring (7) aus stahlelastischem Material, z. B. Stahl, faserverstärktem Kunststoff, an seiner gesam ten, insbesondere an der dem Radkranz (1) zugewendeten Oberfläche durch den, insbesondere mehrschichtig ausgebildeten Kunststoff (5) vom Radkranz (1) getrennt ist.
2. 2. Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (5) den Ring (7) mit dem Radkranz 25 (1) materialschlüssig verbindet.
3. 3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (5) in Abschnitten (9), insbesondere auf der rotationssymmetrischen Innenfläche (4) des Radkranzes (1), vorgesehen ist.
4. 4. Schienenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (9) Begrenzungsflächen (10) aufweisen, die im wesentlichen in Richtung der Erzeugenden der rotationssymmetrischen Innenfläche (4) des Radkranzes (1) verlaufen.
5. 5. Schienenrad nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (9) zumindest teilweise 35 unterschiedliche Erstreckung in Umfangsrichtung des Radkranzes (1) aufweisen.
6. 6. Schienenrad nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Abschnitte (9) aus unterschiedlichen, zumindest zwei verschiedenen Kunststoffen aufgebaut sind.
7. 7. Schienenrad nach einem der Ansprache 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (7) im Querschnitt L-förmig kleinere Schenkel zur Gleisaußenseite (A) weist
8. 8. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (7) seinerseits mit visko-elastischem Kunststoff (11), insbesondere auf seiner zur Gleisaußenseite (A) weisenden Ringfläche (6) versehen ist, 45 wobei insbesondere die zur Gleisaußenseite (A) weisende Ringfläche mit einem weiteren Ring (12) aus stahlelastischem Material versehen ist
9. 9. Schienenrad nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß der weitereaus stahlelastischem Material, z. B. Stahl oder faserverstärktem Kunststoff aufgebaute Ring (12) mit dem Ring (7) mit L-förmigem Querschnitt über Nieten, 50 Schrauben od. dgl. (13) verbunden ist.
10. 10. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (7; 12) im wesentlichen radial verlaufende Einschnitte aufweist Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5- 55