DE10012739B4 - Erdungskontakt sowie Verfahren zur Herstellung eines Gleitkörpers wie einer Kontaktscheibe eines Erdungskontaktes - Google Patents

Abstract

Erdungskontakt (10) zur Übertragung von Strömen zwischen feststehenden Fahrzeugteilen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges wie elektrischer Lokomotive oder Trieb- und Reisefahrzeug mit dessen drehender Radachse (12), umfassend zumindest ein in Richtung der Radachse druckbeaufschlagtes Kontaktelement wie Kohlebürste (22, 24, 26), das an einer elektrisch leitenden mit der Radachse verbundenen Kontaktfläche (20) einer Kontaktscheibe (18) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheibe (18) ein gegossenes Werkstück ist, wobei das gegossene Werkstück einen Schichtaufbau mit einer radachsenseitig verlaufenden aus einem Trägermaterial bestehenden Basisschicht (34) und einer die Kontaktfläche (20) aufweisenden Kontaktschicht (36) aufweist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Erdungskontakt zur Übertragung von Strömen zwischen feststehenden Fahrzeugteilen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges wie elektrischer Lokomotive oder Trieb- und Reisefahrzeug mit dessen drehender Radachse umfassend zumindest ein in Richtung der Radachse druckbeaufschlagtes Kontaktelement wie Kohlebürste, das an einer elektrisch leitenden mit der Radachse verbundenen Kontaktfläche einer Kontaktscheibe anliegt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfläche einer Kontaktscheibe eines Erdungskontaktes zur Übertragung von Strömen zwischen feststehenden Fahrzeugteilen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges wie elektrischer Lokomotive oder Trieb- und Reisefahrzeug und dessen drehender Radachse. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf einen Gleitkörper mit einer Gleitfläche ( DE 299 07 598 U1 ).
• Arbeitssströme von elektrisch betriebenen Fahrzeugen können über Achswellen und Achsräder zur Fahrschiene und damit zur Energiequelle zurückgeführt werden. Die Übertragung von den feststehenden Fahrzeugteilen auf die drehenden Achsen erfolgt dabei mit speziellen Strombrücken, die üblicherweise als Rückstrom-/Exdungskontakte bezeichnet werden.
• Die Wälzlager von Achsen können im Notstrom- oder Störstromkreis liegen. Um sie gegen Stromdurchgang und somit gegen Zerstörung zu schützen, muss der Rückstrom-/Erdungskontakt eine niederohmige Brücke bilden. Bei einer über dem Lager anstehenden Spannung ab zum Beispiel 1 V (Fritt-Spannung) beginnt der Stromfluss durch das Lager. Verbunden mit einer sprunghaft ansteigenden Strommenge sinkt der Wert der Übergangsspannung anschließend auf nur ca. 0,5 V ab.
• Rückstrom-/Erdungskontakte sollen bei allen Betriebssituationen des Fahrzeuges eine gute und sichere elektrische Verbindung zwischen dem Rückstromanschluss am Fahrzeug und der Radachse auf einem definierten Stromweg gewährleisten.
• Bei bekannten Rückstrom-/Erdungskontakten liegt vorzugsweise ein als Kohlebürste ausgebildetes Kontaktelement auf einer Kontaktscheibe an, die ihrerseits über z. B. einen Flansch mit der Radachse verbunden ist. Die Kontaktscheibe kann aus Gießmaterial bestehen. Bekannte Erdungskontakte, deren Hauptaufgaben Übertragung von Arbeitsstrom, Übertragung von Signalstrom und Fahrzeug- bzw. Schutzerdung sind, sind der DE-OS 1 953 043 , der DE 41 27 336 A1 oder dem DE 92 10 799 U1 zu entnehmen.
• Der in dem DE 92 10 799 U1 beschriebene Erdungskontakt weist ein mit der Radachse verbundenes Flanschelement auf, welches seinerseits mit einer aus Kohlenstoff/Graphitmaterial bestehenden Kontaktscheibe verbunden ist. Hierzu läuft entlang der Mittelachse ein Schraubelement, über das die Kontaktscheibe mit dem Flanschelement verbunden ist. Zusätzlich ist ein Stiftelement erforderlich, das die Funktion einer Verdrehsicherung ausübt.
• Die mit der Radachse verbundenen Elemente werden getrennt hergestellt, wobei die Elemente selbst plan aufeinanderliegen müssen, um unerwünschte Übergangswiderstände auszuschließen. Die mehrteilige Ausbildung hat den Vorteil, dass das Flanschelement aus relativ preiswertem Material bestehen kann, wohingegen die die Kontaktfläche zur Verfügung stellende Kontaktscheibe aus höherwertigem und damit kostenträchtigem Material bestehen kann.
• Nach der DE 299 07 598 U1 ist die Kontaktscheibe einteilig ausgebildet. Um sicherzustellen, dass zwischen der Kontaktscheibe und den sich auf diese abstützenden Kohlebürsten unerwünschte Übergangswiderstände vermieden werden, muss die Kontaktscheibe als Ganzes aus einem hochwertigen Material bestehen, so dass demzufolge die entsprechenden Kontaktscheiben relativ teuer sind.
• Bei der DE 196 54 339 A1 besteht die Kontaktscheibe aus einem aus Metall gefertigten Schleifkörper und einem Dichtkörper aus Kunststoff. Um die Teile miteinander zu verbinden, ist eine Nut-Feder-Verbindung vorgesehen, wie Spalte 2, Zeile 42 belegt. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien muss eine passgenaue Verbindung sichergestellt sein, um bei Temperaturveränderungen eine unerwünschte Beweglichkeit zwischen der Kontaktscheibe und dem aus Kunststoff bestehenden Dichtteil zu verhindern, da anderenfalls zum Einen ein unerwünschter Abrieb der Kohlebürsten erfolgen könnte und andererseits der gewünschte flächige Kontakt zwischen der Kohlebürste und der Kontaktscheibe unterbunden wäre.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen Kontaktkörper bzw. einen Erdungskontakt sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfläche einer Kontaktscheibe eines Erdungskontaktes der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auf kostengünstigem Weg eine Kontaktscheibe herstellbar ist, die kontaktflächenseitig die gewünschte hohe Güte aufweist, ohne dass hierbei die gesamte Scheibe aus dem gleichen Material bestehen muss. Gleichzeitig soll vermieden werden, die Kontaktscheibe aus mehreren Elementen zusammensetzen zu müssen.
• Erfindungsgemäß wird das Problem zum einen dadurch gelöst, dass die Kontaktscheibe ein gegossenes Werkstück ist, wobei das gegossene Werkstück einen Schichtaufbau mit einer radachsenseitig verlaufenden aus einem Trägermaterial bestehenden ersten Schicht und einer die Kontaktfläche aufweisenden zweiten Schicht aufweist. Durch den Schichtaufbau kann ein kostengünstiges Basismaterial verwendet werden, auf das ein höherwertiges Material gegossen wird, dass die Kontaktfläche bildend mit dem Kontaktelement wie der Kohlebürste wechselwirkt.
• Insbesondere ist vorgesehen, dass das Trägermaterial aus einer Messinglegierung wie GB-CuZn35Al1, Sondermessing F45 und dass das die Kontaktfläche zur Verfügung stellende Material aus einer Bronzelegierung wie GB-CuSn6 (Gbz6) besteht.
• Die Kontaktscheibe selbst kann eine hutförmige Außengeometrie mit radseitig zylinderförmigem ersten Abschnitt und einem die Kontaktfläche aufweisenden zylinderförmigem zweiten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser bestehen.
• Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktscheibe der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass in eine Form ein erstes Material zur Bildung einer eine Gleit- oder Kontaktfläche aufweisende Kontaktschicht der Kontaktscheibe und sodann auf diese ein zweites Material zur Bildung einer Trägerschicht gegossen wird, so gebildeter Körper nach dessen Abkühlung entformt und gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei eine Bearbeitung der Kontaktscheibe vor und/oder nach der Wärmebehandlung erfolgen kann. Insbesondere wird als zweites Material eine Messinglegierung wie GB-CuZn35Al1 und als erstes Material eine Bronzelegierung wie GB-CuSn6 (Gbz6) verwendet. Die Gießtemperatur des ersten Materials liegt zwischen 1000° C und 1200° C, insbesondere zwischen 1100° C und 1150° C. Nach dem Gießen des ersten Materials wird unmittelbar anschließend – nach einigen Sekunden wie 5–20 sec. – das zweite Material auf das erste gegossen, welches noch nicht vollständig erstarrt ist, sich vielmehr im Zustand der Erstarrung befindet.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand nachfolgender Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf einen Erdungskontakt ohne Deckel,
• 2 einen Schnitt entlang der Linie AA in 1 und
• 3 eine Prinzipdarstellung einer Kokille zum Ausbilden einer Kontaktscheibe des Erdungskontaktes nach den 1 und 2.
• In den 1 und 2 ist ein prinzipieller Aufbau eines Erdungskontaktes 10 wiedergegeben, mit dem ein definierter Stromfluss zwischen einer Achse 12 und einem Hauptstromanschluss in einem Lagergehäuse 30 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges erfolgen soll.
• Mit der drehenden Radachse 12 ist eine Druckkappe 16 verschraubt, auf die wiederum eine Kontaktscheibe 18 befestigt ist, deren radabgewandte plane Außenfläche 20 Kontaktfläche für sich auf diese abstützende Kohlebürsten 22 ist, die ihrerseits elektrisch leitend mit Bürstenführung und Hauptstromanschluss verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel wirken dabei auf die Kontaktfläche 20 insgesamt drei gegeneinander um einen Winkel von 120° versetzte Kohlebürsten 22, 24, 26, die ihrerseits mittels Rollbandfedern 28 in Richtung der Kontaktfläche 20 kraftbeaufschlagt werden. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Konstruktionen verwiesen, ohne dass es eines näheren Eingehens bedarf, ebenso hinsichtlich der Halterung für die Kohlebürsten 22, 24, 26, die von dem topfförmigen Gehäuse 30 ausgehen, das mit einem Gehäuse 14 isoliert verschraubt ist und über einen Deckel 32 verschließbar ist.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kontaktscheibe 18 ein gegossenes Bauteil ist, das aus einer radachsenseitigen Trägerschicht 34 und einer äußeren die Kontaktfläche 20 aufweisenden Kontaktschicht 36 besteht. Die radachsseitige Träger- oder Basisschicht 34 besteht aus kostengünstigem Material wie Messinglegierung wie GB-CuZn35Al1 und die äußere Schicht 36 aus einem Material hoher Güte, das den erforderlichen elektrisch leitenden Kontakt mit den Kohlebürsten 22, 24, 26 bei Minimierung eines Übergangswiderstandes sicherstellt. Die Kontaktschicht besteht insbesondere aus einer Bronzelegierung wie GB-CuSn6 (Gbz6).
• Die Basisschicht 34 weist in etwa eine Hohlzylinderform auf, auf die die Kontaktschicht 36 aufgebaut bzw. aufgegossen ist. Hierzu wird eine Kokille benutzt, wie die 3 verdeutlicht.
• 3 ist ein Querschnitt durch eine Kokille 40 zu entnehmen, mit der ein erfindungsgemäßer Gleit- oder Kontaktkörper wie Kontaktscheibe eines Erdungskontaktes herstellbar ist. Um eine gewünschte Bimetalllegierung zu gießen, umfasst die Kokille 40 ein tassenförmiges Basisteil 42, das über eine Formplatte 44 verschließbar ist, in die in einer Öffnung 46 ein Kernstempel 48 einsetzbar ist, der seinerseits auf der Formplatte 44 auf einer kreisringförmigen Stützplatte 50 abstützbar ist.
• Auf dem Kernstempel 48 erstreckt sich kopfseitig eine Kopfplatte 61 mit einer Öffnung 52, die in eine zentrale Durchgangsöffnung 54 in dem Kernstempel 48 übergeht, die in einem zwischen dem Basisteil 42 und dem Kernstempel 48 sowie der Formplatte 44 verlaufenden Zwischenraum 56 mündet, der die Geometrie des zu gießenden Kontaktkörpers vorgibt.
• Wie der Geometrie des Zwischenraumes 56 und dem Aufbau der Kokille 40 zu entnehmen ist, wird erfindungsgemäß zunächst die Schicht ausgebildet, die aus höherwertigem Material besteht und die gewünschte Kontaktfläche zur Verfügung stellen soll. Hierzu wird über die Öffnung 52 die entsprechende Legierung wie Bronzelegierung GB-CuSn6 (Gbz6) gegossen. Nach Erreichen eines Füllstandes H, der durch die Bodenfläche 58 des Kernstempels 48 vorgegeben ist, wird die aus kostengünstigem Material bestehende Trägerschicht wie Messinglegierung wie GB-CuZn35Al1 über eine Öffnung 60 eingefüllt, die zwischen dem Basisteil 42 und der Formplatte 44 verläuft.
• Das kostengünstige Material wird über die Öffnung 60 bereits einige Sekunden nach Befüllen der Kokille 40 mit dem hochwertigen Material gegossen, also zu einem Zeitpunkt, bei dem das erste Material noch nicht bzw. noch nicht vollständig erstarrt ist.
• Die erfindungsgemäße Lehre ist nicht nur auf Erdungskontakte beschränkt. Vielmehr kann der erfinderungsgemäße Schichtaufbau – kostengünstiges Basismaterial, hochwertiges Material zur Ausbildung einer Kontakt- oder Gleitfläche – überall dort eingesetzt werden, wo ein Gleitkontakt erforderlich ist.

Claims (10)

1. Erdungskontakt (10) zur Übertragung von Strömen zwischen feststehenden Fahrzeugteilen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges wie elektrischer Lokomotive oder Trieb- und Reisefahrzeug mit dessen drehender Radachse (12), umfassend zumindest ein in Richtung der Radachse druckbeaufschlagtes Kontaktelement wie Kohlebürste (22, 24, 26), das an einer elektrisch leitenden mit der Radachse verbundenen Kontaktfläche (20) einer Kontaktscheibe (18) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheibe (18) ein gegossenes Werkstück ist, wobei das gegossene Werkstück einen Schichtaufbau mit einer radachsenseitig verlaufenden aus einem Trägermaterial bestehenden Basisschicht (34) und einer die Kontaktfläche (20) aufweisenden Kontaktschicht (36) aufweist.
2. Erdungskontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (34) aus einer Messinglegierung, insbesondere GB-CuZn35Al1 besteht.
3. Erdungskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kontaktfläche (20) aufweisende Kontaktschicht (36) aus einer Bronzelegierung wie insbesondere GB-CuSn6 (Gbz6) besteht.
4. Erdungskontakt nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheibe (18) eine hutförmige Außengeometrie mit einem radachsenseitig verlaufenden zylinderförmigen ersten Abschnitt als die Basisschicht (34) und einen die Kontaktfläche (20) aufweisenden zylinderförmigen zweiten Abschnitt als die Kontaktschicht (36) kleineren Durchmessers aufweist.
5. Erdungskontakt nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (36) aus Bronze besteht oder diese zumindest kontaktflächenseitig enthält.
6. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkörpers oder einer eine Kontaktfläche aufweisenden Kontaktscheibe eines Erdungskontaktes zur Übertragung von Strömen zwischen feststehenden Fahrzeugteilen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges wie elektrischer Lokomotive oder Trieb- und Reisefahrzeuges und dessen drehender Radachse, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Form ein erstes Material zur Bildung einer Kontaktschicht des Gleitkörpers bzw. der Kontaktscheibe und sodann auf diese ein zweites Material zur Bildung einer Basisschicht gegossen wird und die Schichten sodann abgekühlt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den Schichten gebildete Körper einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material auf das erste Material vor dessen vollständiger Erstarrung gegossen wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8. dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material nach einer Zeit t mit 2 sec < t < 20 sec auf das erste Material gegossen wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Material eine Messinglegierung und/oder als erstes Material eine Bronzelegierung verwendet werden.