DE1605832C3 - Geräuschgedämpftes Scheibenrad für Schienenfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein geräuschgedämpftes Scheibenrad für Schienenfahrzeuge mit mindestens einer auf der einen Seite der Radscheibe angeordneten Metallscheibe sowie einer zwischen Rad- und Metallscheibe befindlichen Kunststoffschicht.

Untersuchungen haben gezeigt, daß Radsätze für Schienenfahrzeuge im wesentlichen Umfang zur Gesamtgeräuschbildung beitragen. Diese Geräusche werden einerseits durch Reibungseinflüsse an den Rad- und Schienenlaufflächen und andererseits durch Flatterschwingungen erzeugt, die sich infolge der konischen Laufflächen ergeben. Außerdem entstehen infolge der konischen Laufflächen Rotationsschwingungen infolge von Schlupferscheinungen.

Zur Geräuschdämpfung der Radsätze von Schienenfahrzeugen sind bereits vielfältige Maßnahmen bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen:

So ist es bereits bekannt (DT-PS 8 14167), die Außenflächen der Räder von Schienenfahrzeugen mit Schwammgummi zu beschichten, wobei die zusammenhängende Struktur dieses Schwammgummis eine

Veränderung seines Volumens zuläßt. Die Energie zur Volumenänderung wird der Schallenergie entnommen, so daß hierdurch eine Schalldämpfung eintritt. Zusätzlich ist es hierdurch bekannt, auf diesen Schwammgummischichten eine Schicht aus gummiertem oder lackiertem Gewebe oder eine feste Gummischicht aufzubringen, die die Schallabstrahlung noch weiter vermindert bzw. mit Radscheibe und Schwammgummischicht ein stark gedämpftes verstimmtes schwingungsfähiges System bildet.

Es ist auch bekannt (DT-PS 8 27 076). Scheibenräder mit einer schwingungsdämpfenden kompakten Gummischicht zu belegen. Hierbei zeigt es sich jedoch, daß die verhältnismäßig feste Gummischicht die Schwingungen der Radscheibe praktisch ohne Dämpfung auf ihre Außenfläche weiterleitet, die als Schallerzeuger nach Art einer schallabstrahlcnden Membrane wirkt. Zur Abhilfe ist es durch die genannte Patentschrift bekannt, diese kompakte Gummischicht zusätzlich mit Schwammgummi zu beschichten, der aufgrund seiner Volumenänderungen eine Dämpfung des an die Umgebung abgestrahlten Schalles bewirkt. Zusätzlich kann auf dieser Schwammgummischicht eine Schicht aus einem festeren Werkstoff vorgesehen sein, die dann infolge ihrer Massenträgheit die Schallabstrahlung vermindert.

Es ist weiterhin bekannt (DT-PS 8 33 362), auf einer Radscheibe einen Ringkörper derart anzuordnen, daß er unter dem Einfluß der Radschwingungen Relativbewcgungen zur Radscheibe unter Flächenreibung ausführt, so daß die von der Radscheibe erzeugte Schallenergic zum Teil in Reibungsenergie umgewandelt wird, und hierdurch eine Dämpfung der vom Schienenrad abgegebenen Geräusche erreicht wird.

Es ist auch bekannt (Akustische Beihefte, Zeitschrift Acustica, 1952, Heft 4, S. 181 ff.), bei Karosserien von Kraftfahrzeugen zur Schwächung bzw. Unterbindung der Dröhngeräusche, die in einem Frequenzbereich von 30 bis 500 Hz liegen. Karosserieteile mit Entdröhnungsmittel zu beschichten und hierfür spezifisch leichte Stoffe großer Steife und großer innerer Verluste anzustreben, wobei jedoch auf die Widersprüchlichkeit der Forderungen nach einer möglichst hohen Steife und nach großen inneren Verlusten für die Geräuschdämpfung hingewiesen wird. Aus diesem Grunde soll zur Erzielung hinreichend großer Verlustfaktoren auf eine große Steife des Materials verzichtet werden, zumal ganz allgemein die Tatsache gilt, daß steifere Materialien Verlustfaktoren aufweisen, die bis rund 100% kleiner sind als weniger steife. Derartige Werkstoffe müssen zur Erzielung des gewünschten Effektes sehr dick aufgetragen werden, wobei Dickenverhältnisse zwischen der Dicke des Karosseriebleches und der des Entdröhnungsmittels kleiner als 1 für eine ausreichende Dämpfung vermieden werden sollen. Zur Herabsetzung des großen Gewichts derartiger entdröhnter Karosserien sollen nur die zum Dröhnen am meisten beitragenden Karosserieteile auf diese Weise behandelt werden.

Entdröhnte Karosserieteile entsprechen an ihren Rande eingespannten Platten, die am Rande Schwingungsknoten aufweisen und sind physikalisch mit Schienenrädern nicht vergleichbar. Diese können weder aufgrund ihres Verhältnisses von Raddurchmesser zu Raddicke als dünne Bleche betrachtet werden, noch können sie mit am Rande eingespannten Blechen gleichgesetzt werden, da ein Schienenrad im Bereich der Radnabe Schwingungsknoten hat und der Rand

eines Schienenrades abgesehen von dem momentanen Berührungspunkt mit der Schiene frei schwingen kann und weiterhin Rotations- und Flatterschwingungen ausführt

Abgesehen davon, daß die Herstellung derartiger Schichten der geforderten Dicke auf Scheibenrädern technologisch kaum beherrschbar ist, wären Unwuchterscheinungen bei laufenden Rädern nicht zu vermeiden, so daß die Betriebssicherheit gestört wäre.

Geräuschgedämpfte Scheibenräder der eingangs erwähnten Art sind ebenfalls bekannt (US-PS 22 67 311). Gemäß dieser Patentschrift ist auf der Radscheibe eine Metallscheibe angeordnet, deren Eigenfrequenz von derjenigen der Radscheibe verschieden ist, so daß während des Betriebs eine Interferenz- ,<, dämpfung stattfindet Zusätzlich kann zwischen Radscheibe und der Metallscheibe eine Schicht aus einem Klebemittel oder aus einem plastischen Werkstoff angeordnet sein, die jedoch lediglich ein Lösen der Metallscheibe von dem Schienenrad unter extremen Betriebsbedingungen unterbinden soll.

Die Vorschlägen haben sich zum großen Teil nicht in der Praxis durchsetzen können und führten nur zu Teilerfolgen. Der Grund hierfür ist vor allem darin zu sehen, daß auf Schienen laufende Scheibenräder komplizierte Schwingungssysteme sind, die, wie bereits erwähnt, nicht nur durch Reibungseinflüsse, sondern darüber hinaus infolge Flatter- und Rotationsschwingungen Geräusche abstrahlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei ^o geräuschgedämpften Scheibenrädern der eingangs erwähnten Art einerseits eine ausreichende Geräuschdämpfung am Radsatz zu erzielen und andererseits sicherzustellen, daß die für diese Geräuschdämpfung notwendigen Schichten und andere Teile ohne großen ,5 Aufwand bei voller Wahrung der Betriebssicherheit erstellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kunststoffschicht zusammen mit der Metallscheibe in einem Frequenzbereich von 250 bis 1120 Hz die Abklingzeiten der Schallschwingungen um 55 bis 76 % vermindert

Erfindungswesentlich ist hierbei, daß die Steifigkeit des Kunststoffmaterials ausreichend hoch bemessen ist und unter dem Einfluß der Schwingungen keine nennenswerten Formänderungen erleidet, wobei auf die Kunststoffschicht, die als Überzug aufgebracht ist die Metallscheibe als Metallblech durch Metallklebeeffekt befestigt ist

Unter Abklingzeit versteht man denjenigen Betrag in Sekunden, in dem die Amplitude der Schallschwingung sich um 6OdB vermindert hat. Diese Abklingzeit ist mit der sogenannten Dämpfungskonstante durch eine lineare Gleichung verknüpft

Erfindungsgemäß besteht die Kunststoffschicht aus einem Zweikomponenten-Material auf der Basis eines gefüllten Kunstharzes. (Ein gefülltes Kunstharz ist bekanntlich ein Kunstharz, das den Metallklebeeffekt zeigt, wobei in der Grenzschicht zwischen Kunstharz und der Metallscheibe in Mikrobereiche das Kunstharz eindringt und eine Verankerung im Mikrobereich bewirkt) Derartige Zweikomponenten-Materialien auf der Basis eines gefüllten Kunstharzes weisen eine hohe Steifigkeit auf und erleiden unter dem Einfluß von Schwingungen keine merklichen Formänderungen. (,_:.

Die erfindungsgemäße Dämpfung läßt sich folgendermaßen erklären:

Der biegesteife Kunststoff nimmt infolge dieser Eigenschaft auf der schwingenden Radscheibe eine weitaus größere Schallenergie auf als die bekannten Zwischenschichten, die durch merkliche Formänderung Walkarbeit leisten. Möglicherweise wird die aufgenommene größere Schallenergie durch eine sehr starke, sich im mikroskopischen Bereich abspielende, innere Reibung so weitgehend absorbiert daß die Schwingung sich überhaupt nicht merklich in diesem Material aufschaukeln kann. Die Metallbleche, die in dem Kunststoffüberzug kleben, tragen wesentlich zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des gesamten Dämpfungssystems bei und scheinen damit überhaupt nicht als Schwingorgan zu wirken; möglicherweise wird aber die Schwingung eine durch die enorme Dämpfung des Kunststoffüberzuges derart reduzierte Amplitude, daß sie mikroskopisch kaum meßbar ist

Besonders bewährt haben sich hierbei gefüllte duroplastische Kunstharze. Vorzugsweise kommen ungesättigte Polyesterharze, vernetzte Polyurethanoder Äthoxylinharze zur Verwendung.

Es hat sich hierbei überraschenderweise gezeigt, daß ein derartiger Kunststoff im Gegensatz zu anderen Werkstoffen, die man bisher wegen der großen Walkarbeit für geeignet hielt, zu einer wesentlichen Verbesserung der Geräuschdämpfung führt Während man bisher im allgemeinen zwischen der Radscheibe und dem die Schwingungsenergie aufnehmenden Schwingkörper eine Walkarbeit leistende Zwischenschicht vorgesehen hat, d. h. eine Zwischenschicht, die unter dem Einfluß der Schwingungen relativ große Formänderungen erleidet (z. B. Elastomere), beschreitet die Erfindung einen gänzlich anderen Weg und gelangt entgegen allen Erwartungen zu einer verbesserten Wirkung. Diese verbesserte Wirkung zeigt sich einerseits darin, daß es genügt den geräuschgedämpften Kunststoffüberzug nur auf eine Radseite, vorzugsweise die Innenseite zu beschränken. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Unwuchterscheinungen, die sich infolge der Formänderung des die Walkarbeit leistenden Zwischenkörpers ergeben, bei der Erfindung praktisch gänzlich eliminiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Radreifen zusätzlich dadurch gedämpft werden, daß an der Innenseite des Radreifens eine ringförmige Aussparung vorgesehen ist in die ein kunststoffverbundener Metallring eingelassen ist Dieser Kunststoff, auf dem der Metallring eingelassen ist, weist die vorgenannten Eigenschaften auf. Die Verminderung der Geräuschdämpfung ergibt sich hierbei dadurch, daß die geräuschgedämpfte Scheibe nunmehr mit dem geräuschgedämpften Radreifen gekoppelt ist, so daß eine Kopplung von zwei geräuschgedämpften schwingungsfähigen Gebilden geschaffen ist

In vorteilhafter Weise sind erfindungsgemäß das auf der Kunststoffschicht vorgesehene Metallblech und der Metallring durch Aufkleben oder Eindrücken im noch plastischen Zustand der Kunststoffschicht aufgebracht

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Metallscheiben und Metallringe als Kumpel- oder Kreisring auszubilden, die etwa der Radscheibenform entsprechen. Hierbei sollte die Metallscheibe aus Sicherheitsgründen einen solchen Innendurchmesser haben, daß der Außenrand der Metallscheibe nicht über den Außendurchmesser des Radreifens hinausragt Zweckmäßig hat sich weiterhin die Unterteilung der Metallscheibe herausgestellt weil offensichtlich die Kunststoffzwischenschicht zwischen den Radteilen und den Metallflächen nicht an allen Stellen ein einheitliches

Schwingverhalten hat

Für die erfindungsgemäßen Zwecke eignen sich alle Kunststoffe der genannten Art, die einer äußeren Kraft einen relativ großen Formänderungswiderstand entgegensetzen, aber in einfacher Weise durch Aufgießen auf eine metallische Radscheibe verarbeitet werden können. Schließlich ist zu erwähnen, daß auch Folien dieser Art auf die Radscheibe aufgeklebt werden können, weil die dünne Metallkunststoffkleberschicht nicht zu merklichen Schallreflektionen führen kann. Die Steifigkeit des verwendeten Kunststoffes ist erfindungsgemäß wesentlich größer als die Steifigkeit von gummiartigen Werkstoffen.

Erfindungsgemäß hergestellte geräuschgedämpfte Räder wurden mit einem Biegemoment entsprechend fünfzehn Tonnen Achslast zwanzig Millionen Lastwechseln unterzogen, ohne daß sich die geringsten Beschädigungen der Radscheiben oder der Schichten ergaben. Nach siebentägiger Alterung der Kunststoffschicht im Ofen bei 70° C wurden die Räder anschließend bei einem anderen Versuch zwanzig Millionen Lastwechseln mit einem Moment unterworfen, welches fünfzehn Tonnen Achslast entsprach. Auch diese Belastungen wurden ohne Schaden am Rad oder am Belag überstanden.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht:

An der Radscheibe 1 des Scheibenrades ist die Kunststoffschicht 2 vorgesehen, auf der die Metallschei-

ii> be 3 befestigt ist, was beispielsweise dadurch gesehen kann, daß die Metallscheibe 3 im noch plastischen Zustand des aufgespritzten Kunststoffmaterials 2 in dieses eingedrückt wird. An dem Radreifen 4 ist gleichfalls in einer ringförmigen Aussparung auf der Innenseite eine Kunststoffschicht 2' vorgesehen, auf den der Metallring 3' aufgebracht ist. Vorzugsweise ist der Metallring 3' an der Stelle 5 unterbrochen. Es kann auch eine mehrfache Unterteilung des Metallringes 3' erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Geräuschgedämpftes Scheibenrad für Schienenfahrzeuge mit mindestens einer auf der einen Seite der Radscheibe angeordneten Metallscheibe sowie einer zwischen Rad- und Metallscheibe befindlichen Kunststoffschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (2) zusammen mit der Metallscheibe (3) in einem Frequenzbereich von 250 bis 1120 Hertz die Abklingzeiten der Schallschwingungen um 55 bis 76 % vermindert

2. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (2,2') aus einem Zweikomponenten-Material auf der Basis eines gefüllten Kunstharzes besteht.

3. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein gefülltes duroplastisches Kunstharz ist.

4. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich an der Innenseite des Radreifens eine ringförmige Aussparung vorgesehen ist, in die ein mit Kunststoff verbundener Metallring (3') eingelassen ist.

5. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Kunststoffschicht (2 bzw. 2') vorgesehene Metallblech (3) und der Metallring (3') durch Aufkleben oder Eindrücken im noch plastischen Zustand der Kunststoffschicht aufgebracht sind.

6. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des verwendeten Kunststoffes wesentlich größer ist als die Steifigkeit von gummiartigen Werkstoffen.

7. Geräuschgedämpftes Scheibenrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (3) mehrfach aufgeteilt ist.