DE102017107408A1

DE102017107408A1 - Rad und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102017107408A1
Application number: DE102017107408.2A
Authority: DE
Inventors: Reiner Krause
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Rad (1a,1b), insbesondere für Schienenfahrzeuge - sowie entsprechendes Herstellverfahren -, aufweisend eine Radnabe (2a,2b), einen Radkranz (3a,3b) und eine Radscheibe (6a,6b), die die Radnabe und den Radkranz verbindet, wobei zumindest ein Radgrundkörper (8a,8b), der die Radscheibe (6a,6b) und zumindest ein Teil der Radnabe (2a,2b) und zumindest ein Teil des Radkranzes (3a,3b) umfasst, durch eine Gitterstruktur gebildet wird, die einen Hohlraumanteil von mindestens 30 % aufweist bezogen auf das Volumen, das durch die Hüllkontur des Radgrundkörpers (8a,8b) vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rad, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, aufweisend eine Radnabe, einen Radkranz und eine Radscheibe, die Radnabe und Radkranz verbindet. Bisher bekannte Räder, insbesondere Schienenräder, sind meist aus Stahl, zum Beispiel geschmiedet, oder aus einem Gusswerkstoff, wie beispielsweise Stahlguss oder Gusseisen, hergestellt.
Die Druckschrift WO 2017/032519 beschreibt beispielsweise Stahlgussvollräder, die eine Radnabe, eine Radkranz und eine diese verbindende Radscheibe aufweisen. Solche Massivräder haben den Nachteil, dass sie relativ schwer sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein leichteres und dennoch stabiles und gut zu fertigendes Rad zu schaffen, sowie ein geeignetes Fertigungsverfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird für das Rad erfindungsgemäß durch ein Rad gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung zusätzlich verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Das erfindungsgemäße Rad zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Radgrundkörper, der die Radscheibe und zumindest ein Teil der Radnabe und zumindest ein Teil des Radkranzes umfasst, durch eine Gitterstruktur gebildet wird, die einen Hohlraumanteil von mindestens 30 % aufweist bezogen auf das Volumen, das durch die Hüllkontur des Radgrundkörpers vorgegeben wird.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass das Rad deutlich leichter wird und so die rotierende Masse, die bei jedem Halt abgebremst und wieder beschleunigt werden muss deutlich geringer ist. Besonders bei einem Rad für Schienenfahrzeuge wird auch die Masse, die auf der sogenannten Primärseite also auf der ungefederten Seite der Fahrzeuge angeordnet ist, reduziert. Dadurch können Schwingungsprobleme besser vermieden werden. Unter anderem kann somit die Geräuschentwicklung, der Verschleiß an Schiene und Rad und das Ausbilden von Flachstellen an der Lauffläche aufgrund von unerwünschten Gleitvorgängen reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Rad kann insbesondere auch für andere Fahrzeuge oder für stationäre Maschinen verwendet werden. Die Vorteile wirken sich besonders dann aus, wenn viele Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge auftreten.
Der Radgrundkörper mit seiner Gitterstruktur wird bevorzugt durch ein additives Fertigungsverfahren aus metallischem Werkstoff oder Werkstoffgemisch hergestellt, zum Beispiel durch 3D-Druck im Metallpulverbett, Laserauftragsschweißen, Laseradditive Fertigung oder ähnliche Verfahren.
Dabei wird die Struktur nacheinander schichtweise oder bereichsweise aufgebaut. Mit diesen Verfahren bietet sich eine ausreichende Flexibilität und Materialvielfalt, um auslegungstechnisch optimierte Strukturen herstellen zu können, die eine erhöhte Festigkeit bei geringerem Gewicht aufweisen.
Unter Gitterstruktur wird jede Struktur verstanden, die eine Art Rippen, Streben, Lamellen oder netzartige Gebilde aufweist, wobei nicht alle ausschließlich in radialer Richtung des Rades ausgerichtet sind. Das heißt reine Speichenräder, die massiv ausgebildete Speichen aufweisen, sind damit nicht gemeint. Erfindungsgemäß kann die Radscheibe aber durchaus Speichen aufweisen, wenn diese Speichen selbst beispielsweise durch eine Gitterstruktur gebildet werden. Für die Radscheibe sind genauso eine durchgehende Scheibe oder eine Scheibe mit durchgehenden offenen Bereichen geeignet.
Der Hohlraumanteil wird berechnet, indem das Hohlraumvolumen im Radgrundkörper bezogen wird auf das Volumen der Hüllkontur des Radgrundkörpers. Durchgehende Öffnungen im Radgrundkörper, wie etwa ein Freiraum zwischen zwei Speichen oder Bohrungen oder ähnliches, werden nicht als Hohlräume dazu gerechnet, sondern vom Bezugsvolumen, das heißt von der Hüllkontur ausgenommen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Radkranz zusätzlich zu dem Teil, der durch die Gitterstruktur des Radgrundkörpers gebildet wird, einen massiv gefertigten Radreifen umfasst, der eine Lauffläche und einen Spurkranz aufweist. Somit kann beispielsweise die Verschleißfläche am Außenumfang des Rades massiv gefertigt sein um eine entsprechende Verschleißbeständigkeit aufzuweisen, während der Radgrundkörper die Grundfestigkeit des Rades bei reduziertem Gewicht gewährleistet. Insbesondere ist durch die Gestaltung mit Radreifen auch ein gezieltes Auswechseln nur des Radreifen und damit des Verschleißteils möglich, ohne dass das ganze Rad gewechselt werden muss.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Radnabe zusätzlich zu dem Teil, der durch die Gitterstruktur des Radgrundkörpers gebildet wird, mit einer massiv gefertigten Nabenbuchse zu versehen. Dadurch kann beispielsweise die Kontaktfläche zwischen Radsitz der Radsatzwelle und Rad eine entsprechende Festigkeit für eine Schrumpfpassung aufweisen.
Zusätzlich ergibt sich durch diese beiden Ausführungsvarianten die Möglichkeit, dass der Radreifen und die Nabenbuchse aus einem anderen Material gefertigt sind als der Radgrundkörper, der durch additive Fertigung hergestellt wurde. Radreifen und Nabenbuchse können ebenso aus verschiedenem Material gefertigt sein.
Alternativ beziehungsweise ergänzend zu den vorher beschriebenen Ausfühungsformen, können der Radkranz und/oder die Radnabe im Wesentlichen vollständig durch die Gitterstruktur des Radgrundkörpers gebildet werden. Dabei kann zusätzlich die Lauffläche des Radkranzes und/oder die Radsitzfläche der Radnabe eine Beschichtung auf der Gitterstruktur aufweisen um die lokale Verschleißfestigkeit zu erhöhen oder andere Oberflächeneigenschaften zu in gewünschter Weise zu verändern.
Um den Radgrundkörper noch besser an die im Betrieb auftretenden Belastungen anzupassen sowie um die Herstellung weiter zu optimieren, kann die Gitterstruktur der Radscheibe einen anderen, insbesondere einen höheren Hohlraumanteil aufweisen als die Gitterstruktur der Radnabe und/oder die Gitterstruktur des Radkranzes. Auch so kann den unterschiedlichen Belastungen der verschiedenen Bereiche des Rades Rechnung getragen werden.
Die erfindungsgemäße Ausführung kann auch auf andere als auch Schienenräder angewandt werden. Insbesondere kann der Radkranz auch als Felgenring ausgeführt sein, so dass er einen Reifen, zum Beispiel einen Luftreifen tragen kann.
Noch leichter und somit besser zu beschleunigen und abzubremsen wird das Rad, wenn die Gitterstruktur des Radgrundkörpers einen Hohlraumanteil von mindestens 40 %, insbesondere von mindestens 50 % aufweist bezogen auf das Volumen, das durch die Hüllkontur des Radgrundkörpers vorgegeben wird. Die Obergrenze des Hohlraumanteils wird durch die notwendige Festigkeit des Radgrundkörpers vorgegeben. Bevorzugt kann für diese Obergrenze von 80% ausgegangen werden.
Ein weiteres Merkmal für eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist, dass die Gitterstruktur so ausgeformt ist, dass die vorhandenen Hohlräume des Radgrundkörpers jeweils zumindest eine Öffnung aufweisen, durch die überschüssiges Fertigungsmaterial, insbesondere überschüssiges Metallpulver, entfernt werden kann. Insbesondere beim laseradditiven Fertigen aus Metallpulver muss dafür gesorgt werden, dass nicht benötigtes und damit nicht verfestigtes Material aus den gebildeten Hohlräumen der Gitterstruktur entfernt werden können.
Die Aufgabe für das Fertigungsverfahren wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radgrundkörper durch additive Fertigung hergestellt wird. Durch diese besondere und flexible Art der Fertigung kann ein leichtes Rad mit dennoch hoher Festigkeit aufgrund der besonderen Gestaltungsmöglichkeiten der Gitterstruktur hergestellt werden.
Wird das zuvor beschriebene Rad mit einer Nabenbuchse ausgerüstet, so kann der Radgrundkörper bei der Fertigung auf eine Nabenbuchse aufgebaut werden oder die Nabenbuchse kann nachträglich in den gefertigten Radgrundkörper eingepresst werden.
Um einen Radreifen auf dem durch additive Fertigung hergestellten Radgrundkörper zu befestigen, kann der Radreifen in vorteilhafter Weise auf den Radgrundkörper aufgeschrumpft werden. So ist eine zuverlässige Verbindung gewährleistet.
Wir der Radgrundkörper aus metallischem Pulvermaterial gefertigt, so muss überschüssiges Fertigungsmaterial aus innenliegenden Hohlräumen entfernt werden. Das geschieht am besten über Öffnungen in den Begrenzungsflächen dieser Hohlräume. Dazu muss jeder Hohlraum zumindest eine Öffnung aufweisen.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Querschnitt eines Massivrades für Schienenfahrzeuge nach dem Stand der Technik
2 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rades
3 Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Rades mit Radreifen und Nabenbuchse

1 zeigt ein Schienenrad, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Rad 1 wird durch eine Radscheibe 6, eine innenliegende Radnabe 2 und einen außenliegenden Radkranz 3 gebildet. Der Radkranz weist eine Lauffläche 5 und einen Spurkranz 4 auf. Befestigt ist das Rad 1 auf dem Radsitz 11 einer Radsatzwelle, die (nicht dargestellt) beispielsweise in einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs gelagert ist.
In 2 ist eine Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Rad 1a dargestellt. Auch hier handelt es sich wiederum um ein Rad für ein Schienenfahrzeug - ohne dass die Erfindung deshalb auch Schienenräder begrenzt ist.
Der Radgrundkörper 8a ist hierbei im Wesentlichen vollständig durch eine Gitterstruktur gebildet und umfasst den Radkranz 4a mit der Lauffläche 5a und dem Spurkranz 4a, sowie die Radnabe 2a und die dazwischenliegende Radscheibe 6a. Die Radscheibe 6a kann beispielsweise als durchgehende Scheibe oder als Scheibe mit Durchbrüchen oder als Anordnung mehrerer Speichen ausgeführt sein. Als Bezugsvolumen für die Berechnung des Hohlraumanteils ist in diesem Fall - bei einer durchgehenden Radscheibe 6a - die Querschnittsfläche heranzuziehen, die in der Figur schraffiert dargestellt ist. Bei einer unterbrochenen Radscheibe 6a müssten die Durchbrüche entsprechend vom Bezugsvolumen abgezogen werden. Erfindungsgemäß liegt der Hohlraumanteil des Radkörpers 8a bei mindestens 30%, bevorzugt bei mindestens 40% und besonders bevorzugt bei mindestens 50%. Dadurch wird ein besonders leichtes Rad 1a erzielt, das die zuvor genannten Vorteile aufweist.
Hergestellt werden kann der Radkörper 8a in bevorzugter Weise über ein additives Fertigungsverfahren. Dadurch können sehr flexibel entsprechende Gitterstrukturen gefertigt werden, die nötige Festigkeit aufweisen.
Auch dieses Rad 1a ist dargestellt auf der Radsatzwelle 10.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Rad 1b. Es unterscheidet sich von der vorherigen Ausführungsform darin, dass der Radgrundkörper 8b nur einen Teil des Radkranzes 3b und nur eine Teil der Radnabe 2b umfasst.
Zusätzlich ist ein Radreifen 7 auf dem Radgrundkörper 8b befestigt, der die Lauffläche 5b und den Spurkranz 4b bildet. Bevorzugt ist der Radreifen 7 massiv gefertigt, beispielsweise geschmiedet oder gegossen.
Des Weiteren ist eine Nabenbuchse 9 vorgesehen, auf der der Radgrundkörper 8b aufgebaut ist oder die in den Radgrundkörper 8b eingepresst wurde. Das Rad 1b ist über die Nabenbuchse 9 auf dem Radsitz 11 der Radsatzwelle 10 befestigt.
Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßes Rad auch nur einen Radreifen 7 oder nur eine Nabenbuchse 9 aufweisen, wobei der jeweils andere Teil wiederum vollständig vom Radgrundkörper mit der Gitterstruktur gebildet wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es auch möglich, dass nur Teilbereiche des Radgrundkörpers, der durch additive Fertigung hergestellt wurde, als Gitterstruktur ausgebildet sind und andere Bereiche massiv gestaltet sind. Erfindungsgemäß muss der mittlere Hohlraumanteil mindestens 30%, bevorzugt mindestens 35% und besonders bevorzugt mindestens 40% betragen.
Bezugszeichenliste

1,1a,1b: Rad
2,2a,2b: Radnabe
3,3a,3b: Radkranz
4,4a,4b: Spurkranz
5,5a,5b: Lauffläche
6,6a,6b: Radscheibe
7: Radreifen
8a,8b: Radgrundkörper
9: Nabenbuchse
10: Radsatzwelle
11: Radsitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/032519 [0002]

Claims

Rad (1a, 1b), insbesondere für Schienenfahrzeuge, aufweisend eine Radnabe (2a,2b), einen Radkranz (3a,3b) und eine Radscheibe (6a,6b), die die Radnabe und den Radkranz verbindet dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Radgrundkörper (8a,8b), der die Radscheibe (6a,6b) und zumindest ein Teil der Radnabe (2a,2b) und zumindest ein Teil des Radkranzes (3a,3b) umfasst, durch eine Gitterstruktur gebildet wird, die einen Hohlraumanteil von mindestens 30 % aufweist bezogen auf das Volumen, das durch die Hüllkontur des Radgrundkörpers (8a,8b) vorgegeben wird.
Rad (1b) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (3b) zusätzlich zu dem Teil, der durch den Radgrundkörper (8b) gebildet wird, einen massiv gefertigten Radreifen (7) umfasst, der eine Lauffläche (5b) und einen Spurkranz (4b) aufweist.
Rad (1b) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Radnabe (2b) zusätzlich zu dem Teil, der durch den Radgrundkörper (8b) gebildet wird, eine massiv gefertigte Nabenbuchse (9) umfasst.
Rad (1a) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (3a) und/oder die Radnabe (2a) im Wesentlichen vollständig durch den Radgrundkörper (8a) gebildet werden.
Rad (1a, 1b) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Lauffläche (5a) des Radkranzes (6a) und/oder eine Radsitzfläche der Radnabe (2a) eine Beschichtung auf dem Radgrundkörper (8a) aufweisen.
Rad (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur der Radscheibe (6a,6b) einen anderen, insbesondere einen höheren Hohlraumanteil aufweist als die Gitterstruktur der Radnabe (2a,2b) und/oder die Gitterstruktur des Radkranzes (3a,3b).
Rad (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (3a,3b) als Felgenring zur Aufnahme eines Reifen ausgebildet ist.
Rad (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur des Radgrundkörpers (8a,8b) einen Hohlraumanteil von mindestens 40 %, insbesondere von mindestens 50 % aufweist bezogen auf das Volumen, das durch die Hüllkontur des Radgrundkörpers vorgegeben wird.
Rad (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur des Radgrundkörpers (8a,8b) durch ein sogenanntes additives Fertigungsverfahren mit metallischem Werkstoff erzeugt wurde.
Rad (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur so ausgeformt ist, dass vorhandene Hohlräume des Radgrundkörpers (8a,8b) jeweils zumindest eine Öffnung aufweisen, durch die überschüssiges Fertigungsmaterial, insbesondere überschüssiges Pulvermaterial, entfernt werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Rades (1a, 1b) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Radgrundkörper (8a,8b) durch additive Fertigung aus metallischem Material hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Radgrundkörper (8b) bei der Fertigung auf eine Nabenbuchse (9) aufgebaut wird oder dass eine Nabenbuchse (9) in den gefertigten Radgrundkörper (8b) eingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Radreifen (7) auf den Radgrundkörper (8b) aufgeschrumpft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Fertigungsmaterial aus innenliegenden Hohlräumen des Radgrundkörpers (8a,8b) über Öffnungen in Begrenzunggsflächen dieser Hohlräume entfernt wird.