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Elastisches Rad, insbesondere für Schienenfahrzeuge, und Verfahren
zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Rad, insbesondere
für Schienenfahrzeuge, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Es sind elastische Räder bekannt, bei denen das elastische Material
Schub- und/oder druckbeansprucht und vorgespannt zwischen den metallischen Radteilen
unter Verwendung unlösbarer Verbindungsbolzen angeordnet ist, die die verbundenen
Teile zu einem unteilbaren Stück vereinigen.
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Solche durch Nieten erzeugten unlöslichen Verbindungen führen, ebenso
wie die ebenfalls bekannten Verbindungen mittels Schraubenbolzen, zu einem vorzeitigen
Ausfall der Räder, und zwar aus folgendem Grunde: Bei Schienenfahrzeugrädern treten
neben den Raddrücken auch Seitenkräfte auf, welche durch die Führung des Rades an
der Schiene hervorgerufen werden. Bei einem Rad mit einem Laufkreis von 660 mm Durchmesser
und einem Raddruck von 3,75 t ergeben sich Seitenkräfte bis zu 60% des Raddruckes
= 2,25 t.
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Bei einem üblichen Rad bedeutet das ein seitliches Ausweichen von
etwa 1 mm.
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Diese wechselnde Beanspruchung äußert sich bei einer Schraub- oder
Nietverbindung als Biegebeanspruchung am Schrauben- oder Nietkopf bzw. an der Schraubenmutter.
Neben einer Längung der Bolzen (bleibende Dehnung) entsteht eine Lockerung der Schrauben-
oder Nietverbindung, wodurch die Druckvorspannung der Gummiteile verloren geht.
Die Folge ist Verlust der Tragfähigkeit des Rades und im weiteren Zerstörung.
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Erfindungsgemäß werden, wie durch langfristige Fahrversuche erwiesen
wurde, diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Verbindungsbolzen, die das elastische
Material druckbeansprucht und vorgespannt zwischen den metallischen Radteilen halten,
mit den metallischen Radteilen durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie Schweißen
oder Hartlöten, vereinigt sind.
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Das erfindungsgemäße Rad setzt sich in einer bevorzugten Ausführungsform
aus verschiedenen Einzelteilen zusammen, die alle miteinander stoffschlüssig vereinigt
sind, denn auch die Zwischenlagen aus elastischem Material, z. B. Gummi, sind vorteilhaft
mit den angrenzenden Radteilen, beispielsweise durch Vulkanisation, festhaftend
verbunden. Man erhält so am Schluß der Fertigung ein praktisch einstückiges Rad
im Gegensatz zu den bekannten Rädern, die auch im Fertigzustand aus mehreren Stücken
bestehen, deren Verbindung den oben geschilderten Lockerungserscheinungen ausgesetzt
ist, durch die die Radzerstörungen auftreten.
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Zweckmäßig kann das elastische Material in an sich bekannter Weise
als geschlossener Ring ausgebildet sein, doch besteht auch die Möglichkeit, die
Erfindung bei Radausführungen anzuwenden, bei denen die elastische Schicht wie gleichfalls
bekannt aus einzelnen Teilen aufgebaut ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die
äußeren Radscheiben, die die Lagen aus elastischem Material abdecken, mit der Nabe
des Rades aus einem Stück und halten zwischen sich einen einteiligen, den Radreifen
tragenden T-Ring. Hierbei kann die Nabe im Schnitt entlang der Radachse U-förmige
Ansätze tragen, mit denen die Scheiben verschweißt sind, und die an die U-förmigen
Ansätze geschweißten Scheiben, deren Innenflächen parallel laufen, können sich in
Richtung auf den Radreifen verjüngen.
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Die Ausführungsform kann aber auch so getroffen werden, daß die Innenflächen
der angeschweißten Scheiben in Richtung auf den Radreifen in an sich bekannter Weise
divergieren, wobei die Spaltbreite zwischen T-Ring und den Scheiben sich von außen
nach innen in an sich bekannter Weise verändern kann.
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In der Nähe der Schweißnähte können Entlastungsnuten in den metallischen
Radteilen vorgesehen sein. Es ist vorteilhaft, das geschilderte erfindungsgemäße
Rad dadurch herzustellen, daß die unter Wärmeanwendung bewirkte unlösliche Verbindung
der Bolzen mit den Radteilen jeweils nur auf einen Teil des Umfanges jedes Bolzens
mit anschließender Abkühlung vorgenommen wird. Das Rad kann nach dem Heften der
Teile und dem Fertigschweißen jeder seiner Hälfte in ein Wasserbad getaucht werden.
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Nach der unlöslichen Verbindung der Bolzen mit einer Radseitenscheibe
wird das zum weiteren Aufbau des Rades benötigte Nabenteil auf diese Scheibe gelegt
und eingeschweißt, das Ganze zusammengedrückt,
in diesem Zustand
die zweite Radseitenscheibe an die Bolzen bzw. an das Nabenteil geheftet und dann
die unlösliche Verbindung mit der zweiten Radseitenscheibe hergestellt.
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Das Heften der Bolzen bzw. der anderen Radteile an die zweite Radseitenscheibe
kann hierbei unter einer Presse durchgeführt werden.
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Das geschilderte Verfahren ermöglicht eine einfache Herstellung des
Rades, erhöht dessen Betriebssicherheit, mindert das Gewicht und vermeidet die Wartungskosten.
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Die Vorbearbeitung der Metallteile stellt keine Genauigkeitsanforderungen,
denn Passungen, genaue Lochteilungen und Flanschungen entfallen.
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Zur Vereinfachung von Vulkanisationsformen kann so vorgegangen werden,
daß Radscheiben und Ringgummiflächen ohne Bohrungen angefertigt werden. Erst nach
dem Vulkanisieren werden dann die Bohrungen durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht.
Man spart dadurch Zeit und hebt die Güte der Bindung zwischen den Metall- und Gummiteilen.
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Die äußeren Radscheiben können aus Blechen herausgeschnitten werden
und erfahren je nach Ausbildung lediglich noch eine Drehbearbeitung. Auf jede Warmverformung
oder Einfräsung kann verzichtet werden. Trotzdem bleibt eine vielfältige Ausbildung
der Gummiquerschnitte möglich.
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Der U-förmige Aufbau des -Radkörpers mit den eingeschweißten Verbindungsbolzen
ergibt eine Rahmenkonstruktion, welche die auftretenden Raddrücke und Seitenkräfte
besonders gut aufnehmen kann.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Radreifenträger
und die Gummiformteile von den U-Schenkeln fest umschlossen. Sie bewirken somit
eine Zwangsführung, die bei Zerstörung des Gummis noch Spurhaltung und Nottlaufeigenschaften
gewährleistet.
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Dieser Umstand macht das erfindungsgemäße Rad für Vollbahnen, Triebwagen
und Schnellbahnen besonders geeignet.
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. Trotz des großen Gummiquerschnittes, welcher die Voraussetzung für
gute Federeigenschaften darstellt, ermöglicht der neue Radaufbau eine weitgehende
hermetische Abschließung der Gummioberfläche. Dieses ist besonders wichtig für die
Lebensdauer des Gummis. Bekanntlich wird diese Lebensdauer von Luftsauerstoffangriff,
von Sonneneinstrahlung und Aggression durch Öl, Benzin, Fett usw. beeinträchtigt.
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Für die beim Erfindungsgegenstand noch offen liegende kleine Gummiringfläche
kann z. B. ein Überzug aus Kunstkautschuk zur Konservierung vorgesehen werden, der
ähnliche Dehnungseigenschaften wie der Naturkautschuk aufweisen muß, um den Federungsbewegungen
des Gummis zu folgen. Durch diese Anordnung und den Überzug ist die Voraussetzung
zur Erreichung hoher Lebensdauer geschaffen. Die geschlossene Anordnung bietet weiterhin
den Vorteil, daß, ganz gleich, ob das Rad steht oder läuft, keine Fremdkörper wie
Schmutz, Flüssigkeit usw. eindringen können.
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Die Gewichtsminderung ergibt sich aus der möglichen sparsamen Anwendung
der Werkstoffe und aus der Vermeidung von Schraubenverbindungen und Anflanschungen.
Der T-Ring, welcher als Radreifenträger dient, kann auch aus hochfestem Leichtmetall
hergestellt werden. Damit läßt sich das Gewicht gegenüber dem üblichen Stahl-T-Ring
um die Hälfte absenken.
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Das Rad weist eine kaum zu- übertreffende Werkstoffausnutzung auf.
Gummigefederte Räder bisheriger Bauarten müssen laufend auf Vorhandensein der Druckvorspannung
und auf festen Sitz an den Verbindungsstellen überprüft werden. Diese Wartungsarbeit
entfällt bei der erfindungsgemäßen Konstruktion.
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Unabhängig von der bisher beschriebenen Grundausführung der Erfindung
besteht auch die Möglichkeit, für größere Raddrücke eine Zwillings- oder Mehrfachanordnung
vorzusehen. Vorteilhaft ist hierbei auch wieder der im Schnitt U-förmige Aufbau
des Rades.
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Bei verschiedenen bekannten Radkonstruktionen kann durch das Einschweißen
der Bolzen und Anschweißen der Deckscheiben an einer ungeteilten Nabe eine beträchtliche
Verbesserung erzielt werden. Dabei ist es unerheblich, welche Form die Gummikörper
haben. Eine Festhaftung der Gummiteile am Material ist auch nicht Voraussetzung,
da der Reibungsschluß, welcher durch die Vorspannung entsteht, die auftretenden
Kräfte übertragen kann.
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Das Einschweißen der Bolzen wird vorzugsweise mit Lichtbogenschweißung
unter Beachtung der Kühlmethoden vorgenommen. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
mittels Widerstands-Abbrandschweißung maschinelle Schweißungen anzuwenden, welche
wegen des kurzzeitigen Schweißvorganges mit anschließender Kühlung verringerte Wärmeauswirkungen
ermöglichen.
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Durch Druckvorspannung und Schubbeanspruchung der Gummiteile entstehen
Randspannungen, welche zu Ablösungen bei fest haftenden Gummiteilen führen können.
Zur Umgehung dieser Ablösung wird vorgeschlagen, daß in einem Abstand von etwa 10
bis 20 mm von der Schweißnaht eine Entlastungsnut in die Blechteile eingedreht wird.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht: Fig. 1 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäß aufgebautes Rad mit zwei um 90°
versetzten Halbaxialschnitten; Fig.2 bis Fig.5 veranschaulichen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten
der Erfindung in Halbaxialschnitten; in Fig.6 bis Fig. 11 werden verschiedene Ausführungsformen
des elastischen Materials in Vorderansicht und in entsprechenden Querschnitten gezeigt;
Fig. 12 ist ein Halbaxialschnitt eines abgeänderten Ausführungsbeispiels; Fig. 13
und Fig. 14 zeigen Einzelheiten der Erfindung; und die Fig. 15 und Fig. 16 veranschaulichen
eine besondere Herstellung der festen Schweißverbindungen mittels Widerstandsabbrandschweißung
; Fig. 17 zeigt ein Schema für die Herstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Rades.
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In Fig. 1 ist an entsprechenden Vorsprüngen der Radnabe 1 eine ringförmige
Metallscheibe 2 durch eine Schweißnaht 3 und eine zweite gleiche Scheibe 4 durch
die Schweißnaht 5 befestigt.
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In den Zwischenraum der Scheiben 2 und 4 ragt ein T-Ring 6 hinein,
auf dem der Radkranz 7, beispielsweise durch Aufschrumpfen, befestigt ist. Zwischen
den Scheiben 2 und 4 einerseits und dem T-Ring 6 andererseits sind ringförmige Gummilagen
8, 9 eingelegt, die beispielsweise durch an sich bekannte Vulkanisationsverfahren
mit den ihnen benachbarten 14i etallflächen fest haftend verbunden sind.
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Die genannten Teile werden durch Bolzen 10 zusatnmen- bzw. unter Vorspannung
gehalten. Die Bolzen 10 sind mit der Scheibe 2 durch eine Schweißnaht
1
1 und mit der Scheibe 4 durch eine Schweißnaht 12 fest und unlösbar verbunden.
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Die Vulkanisation zwischen Gummi und Metall erfolgt in der Weise,
daß zwischen den Gummiringen 8 und 9, wie bekannt, eine Gummibrücke 13 entsteht,
die den inneren Rand des T-Ringes 6 abdeckt.
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In Fig. 2 bis Fig. 5 sind verschiedene Formen der Scheiben 2 und 4
sowie des T-Ringes 6 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt einen sich teilweise nach außen
auf der Außenseite verjüngenden Querschnitt der Scheiben 2 und 4, während in Fig.3
diese Scheiben mit nach außen auf der Innenseite sich verjüngenden Querschnitten
gezeichnet sind, wobei der Steg des T-Ringes 6 sich nach innen zu im Querschnitt
verjüngt.
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Bei den bisher veranschaulichten Ausführungsforinen bleibt der Querschnitt
der Gummizwischenlagen gleich stark.
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Die Ausführungsform kann aber, wie aus Fig. 4 hervorgeht, auch so
getroffen werden, daß sich dieser Querschnitt der Gummilagen verändert, beispielsweise
nach außen zu stärker wird.
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In Fig.4 ist weiterhin veranschaulicht, daß die Scheiben 2 und 4 zusammen
mit dem Radnabenteil 1 einen stimmgabelförmigen Querschnitt haben können.
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Fig.5 zeigt eine Anordnung der Gummiteile, bei der die Bolzen 10 außerhalb
des Bereiches dieser Gummiteile durch die Scheiben 2, 4 hindurchgeführt sind.
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In Fig. 6 und 7 werden einzelne trapezförmige Gummiteile 14 als Zwischenlagen,
auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, verwendet und in Fig. 8 und Fig. 9 kreisförmige
Gummiteile 15. Fig. 7 und 9 stellen Querschnitte nach der Linie A-B der Fig.6 bzw.
8 dar.
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In Fig. 10 und Fig. 11 ist gezeigt, daß der Radkranz 7 auch durch
die Außenscheiben 16, 17 des Rades getragen werden kann, während die Nabe 1 sich
in einer ringförmigen Scheibe 18 fortsetzt.
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In den Außenscheiben 16, 17 sind Öffnungen 19 vorgesehen, und die
Gummiringe 8, 9 sind auf beiden Seiten durch besondere Bleche 20, 21 abgedeckt.
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Fig.12 zeigt eine Verdoppelung der Gummischichten.
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In Fig. 13 ist mit 22 eine ringförmige Entlastungsnut veranschaulicht,
die in die Scheiben 2 und 4 eingefräst ist und in die beim Vulkanisationsvorgang
die elastische Masse eintritt.
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Hierdurch wird die Randspannung im Gummi verkleinert, weil die Materialbreite
um die Nuttiefe vergrößert wird. Die Lage der Nut ist so gewählt, daß sie dort einsetzt,
wo die Bindung zwischen Gummi und Metall vorhanden ist. In unmittelbarer Nähe des
Bolzens wird durch den Schweißvorgang die Bindung zwischen Metall und Gummi aufgehoben.
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In Fig. 13 ist mit 25 eine Bohrung bezeichnet, welche sich im T-Ring
6 jeweils an der Durchgangsstelle des Bolzens 10 befindet. Die Bohrung 25 ist so
groß gehalten wie der Innendurchmesser der Nut 22.
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Eine ähnliche Entlastungsnut ist in Fig. 14 mit 23 bezeichnet, die
in der Nähe der Schweißnähte 3, 5 angeordnet ist.
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In Fig. 15 und Fig. 16 wird die Ausbildung der Schweißnähte 11 durch
Widerstands-Abbrandschweißung veranschaulicht. Die oberen Hälften der beiden Schnitte
veranschaulichen die Ausbildung der zu verschweißenden Teile vor der Schweißung
und die unteren Hälften die gleichen Teile nach Fertigstellung der Schweißnaht.
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Zu dem Schema der Fig. 17, die den Schweißablauf bei den gummigefederten
Rädern mit 785 mm Laufkreis-Durchmesser (beispielsweise je Rad 12 Bolzen) erläutert,
wird folgendes bemerkt: Es werden vier Räder in einem Vorgang wie folgt geschweißt
1. Nabe 1 und Bolzen 10 in eine Seitenscheibe, z. B. 2, einheften.
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2. Einbringen des Rades ins Wasserbad.
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3. Schweißen der Nabe 1 und der Bolzen 10 der ersten Radseite 2.
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a) Ein Drittel des Bolzenumfanges vom 1. bis zum 48. Bolzen wird hintereinander
an allen vier Rädern geschweißt, Schweißen des 2. Drittels, Schweißen des letzten
Drittels.
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b) Die Nabe wird zwischen und nach dem Schweißen der Bolzen in sechs
Teilabschnitten ebenfalls an allen vier Rädern hintereinander in der Weise geschweißt,
daß nach dem 1., 3. und 5. Sechstel des Nabenumfanges das gegenüberliegende 2.,
4. und 6.. Sechstel geschweißt werden kann.
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4. Rad aus dem Wasserbad herausnehmen und unter der Presse zusammenpressen.
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5. Heften der Nabe und der Bolzen der 2. Radseite unter der Presse.
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6. Einbringen des Rades ins Wasserbad.
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7. Schweißen der Nabe und der Bolzen der 2. Radseite wie unter 3.