DE2940424A1 - Schienenfahrzeugrad - Google Patents

Description

Raychem Corporation, 300 Constitution Drive, Menlo Park, California 94025, USA

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 28 16 099.8)

Die Erfindung betrifft ein Rad, insbesondere ein Schienenfahrzeugrad.

Seit Beginn der Entwicklung von Schienenfahrzeugen ist es be kannt, daß die Haftung von Rad und Schiene bei Stahlrädern und Stahlschienen, insbesondere unter schlüpfrigen und/oder feuchten Bedingungen ziemlich schlecht ist.Während die Haftung im allgemeinen bei üblichen Rad-Schienen-Systemen ausreichend ist, bildet sie dennoch eine entscheidend einschränkende Größe für die Auslegung und den Betrieb von Schienenfahrzeugen und neuer- dings der modernen schienengebundenen Massentransportmittel, die für Pendler in vielen städtischen Bereichen im Einsatz sind. Die Haftung von Rad und Schiene begrenzt das Steig- und Abstiegsvermögen eines Schienenfahrzeugs nach oben. Das heute zur Verfü gung stehende Ausmaß an Haftung eines auf Stahlschienen betrie- benen Stahlrads beschränkt akzeptable Steigungen bzw. Gefalle bei existierenden schnellen Massentransportsystemen auf etwa 4%. Die Ingenieurkosten für den Bau von Schienennetzen mit einem derart sanften Gefälle kann leicht zum teuersten Teil des Baues eines neuen Schienentransportsystems werden. Es ist klar, daß eine höhere Haftung zwischen Rad und Schiene den Entwurf und Bau von neuen Schienenverkehrssystemen mit einem steileren Ge fälle und niedrigeren Kosten als bisher ermöglichen würde.

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Darüber hinaus beeinflußt die Haftung von Rad und Schiene nicht nur die Fahrtgeschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs unter verschiedenen Bedingungen sondern auch die Zeit und die Entfernung, die das Fahrzeug zum Anfahren und Anhalten braucht. Fahrzeuge für den Massentransport müssen zuverlässig häufig unter wechselnden Bedingungen gestoppt und wieder angefahren werden und der Fahrzeugabstand, d.h. die Entfernung, die aus Sicherheitsgründen zwischen aufeinanderfolgenden Zügen aufrechterhalten werden muß, hängt daher stark von dem Beschleunigungs- und Bremsverhalten unter den die Haftung von Rad und Schiene verschlechternden Bedingungen ab. Lediglich durch Verbesserung des Zugabstandes kann das Angebot an Zügen vergrössert werden, wenn man die Zuggeschwindigkeit unverändert beibehält oder steigert.

Um eine hohe Zugfolge zu erreichen (wobei selbstverständlich durch den Menschen bedingte Beschränkungen nicht überschritten werden dürfen)wären für Schnelltransportsysteme eine max. Ver-

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zögerung von 1,34 m χ s (3,0 mphps) erwünscht. Um einen derartigen Verzögerungswert zu erhalten, muß der minimale Haftungskoeffizient von Rad und Schiene ungefähr in einem Bereich zwischen 0,14 und 0,20 liegen. Der Ausdruck "Haftungskoeffizient" wird anstelle von statischem oder dynamischem Reibungskoeffizienten gebraucht, da sich die Kontaktbereiche von Rad und Schiene ständig ändern und ein Schlupf zwischen Rad und Schiene während des Bremsens auftreten kann oder nicht. Insbesondere beeinträchtigen Wasser, Öl, Fett, Rost und andere Verunreinigungen und ihre verschiedenen Kombinationen insgesamt die Haftung von Rad an Schiene. So bilden bekanntlich beispielsweise Feuchtigkeit und eine kleiner Rostmenge ein Aufschlemmung, die den Haftunyskceffiziencen stark vermindert.

Unter bestimmten Bedingungen wurde ein tatsächlicher Haftungskoeffizient zwischen Stahlrädern und Stahlschienen von 0,03 gemessen.

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In letzter Zeit wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um die Haftung von Rad und Schiene zu verbessern. Obgleich man festgestellt hat, daß bestimmte Materialien einschließlich Titan eine bessere Haftung mit Stahl ermöglichen, sind bisher keine praktischen oder kommerziell anwendbaren Möglichkeiten zur Ausnutzung dieser Erkenntnis bekannt geworden.

In der DE-OS 2816 099 wird ein Rad, insbesondere ein Schienenfahrzeugrad, beschrieben, dessen Laufdecke oder Laufkranz aus einem Bauteil besteht oder ein solches Bauteil enthält, welches aus einer Memorylegierung besteht. Im allgemeinen bildet das Bauteil aus Memorylegierung vorteilhaft selbst den Laufkranz, jedoch kann es in bestimmten Ausführungsformen als ein zusätzliches Bauteil vorgesehen werden, das in Verbindung mit einem separaten Laufkranzelement verwendet wird und mit diesem zusammenwirkt. In der DE-OS 2816 099 wird weiter ein Verfahren zum Aufbringen einer Laufdecke bzw. einer Lauffläche auf ein Rad beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Bauelement aus einer Memorylegierung in seiner deformierten wärmeinstabilen Konfiguration auf das Rad aufgebracht wird, zwecks Rückstellung erwärmt wird und entweder das Rad unter Bildung einer Lauffläche umgreift oder eine separate Laufdekke auf dem Rad festliegt.

Bekanntlich können bestimmte Legierungen, gewöhnlich Memorylegierungen genannt, zur Herstellung von wärmerückstellfähigen Gegenständen verwendet werden, d.h. von Gegenständen, die aus einer ursprünglichen Konfiguration deformiert worden sind, und die bei Erhitzen zur Rückstellung auf ihre ursprüngliche Konfiguration im Stande sind. Unter solchen Memorylegierungen sind beispielsweise verschiedene Legierungen von Titan und Nikkel zu nennen, die z.B. in den US-PS 3 174 851, 3 351 463, 3 753 700, 3 759 ^52, den GB-PS 1327 441 und 1327 442 und der NASA-Publikation SP 110 "55-Nitinol The Alloy with a Memory, etc." (U.S. Government Printing Office, Washington D.C. 1972) beschrieben sind. Die Eigenschaft der Wärmerückstellfähigkeit

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ist jedoch nicht ausschließlich auf solche Titan-Nickel-Legierungen beschränkt. So weisen z.B. auch verschiedene Legierungen auf Kupferbasis diese Eigenschaften auf, was z.B. von N. Nakanishi et al in Scripta Metallurgica 5, 433-440 (Pergamon Press 1971) beschrieben ist. Solche Materialien können zur Erniedrigung ihrer Umwandlungs- bzw. Ubergangstemperatur auf Tieftemperaturbereiche mittels bekannter Verfahren legiert werden. Auch hat sich gezeigt, daß 304 rostfreie Stähle solche Eigenschaften aufweisen (E.Enami et al, id S. 663-68).

Gleichermaßen weisen bestimmte Legierungen von Titan und Niob derartige Eigenschaften auf (C. Baker, Metal Science Journal 5, 92-100 (1971) und J.P. Morniroli et al, CR. ACD. SCI., SER. C 275 (16) 869-871 (1972). Darüber hinaus zeigen bestimmte Legierungen auf Zirkonium-basis, wie die in der GB-PS 1202 404 beschriebenen Legierungen, ebenfalls Memoryeigenschaften.

Im allgemeinen weisen Nickel-Titan-Legierungen, wie die oben genannten, eine Ubergangstemperatur unterhalb von + 120⁰C auf. Bevorzugte Legierungen haben eine Ubergangstemperatur von -196°C bis - 7O⁰C (diese liegt ausreichend unterhalb der niedrigsten Temperatur, die üblicherweise während des täglichen Gebrauchs eintritt). Eine solche Legierung kann in ihren Martensitzustand überführt werden, indem sie in flüssigen Stickstoff getaucht wird. Vor kurzem hat man jedoch festgestellt, daß man Memorylegierungen "vorkonditionieren" kann, um vorübergehend ihre Ubergangstemperatur zu erhöhen. Hierdurch wird ermöglicht, daß aus einer derartigen Legierung hergestellte Gegenstände vor ihrem Gebrauch bei Raumtemperatur gelagert werden können. Sie können durch Erhitzen über die Raumtemperatur auf Ihiß künstlich erhöhte anfängliche Ubergangsteraperatur zurückgestellt werden. Nach der Rückstellung geht die Ubergangstemperatur auf einen Wert unterhalb der Betriebstemperatur zurück, so daß keine Gefahr einer Rückumwandlung besteht. Solche Vorkonditionnierungsmethoden vermeiden die Abkühlung bzw. Unterkühlung auf Tieftemperatüren während der Lagerung, des Transports und der Montage und sind beispielsweise in DE-OS

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2 603 878 und 2 603 911 beschrieben. Memorymetalle haben bereits bestimmte kommerzielle Anwendungen gefunden, bei denen ihre dimensionsmäßige Rückstellung und in einigen Fällen ihre hohe Festigkeit beispielsweise zur Bildung von mechanischen und elektrischen Verbindungen ausgenutzt wurden.

Die Erfindung der DE-OS 2 816 099 basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß Memorylegierungen, insbesondere binäre und ternäre Legierungen von Titan und Nickel vorteilhaft zur Bildung von Laufkränzen bzw. Laufdecken für Schienenfahrzeugräder nicht nur aufgrund ihrer Eigenschaft der dimensionsmäßigen Rückstellung sondern auch aufgrund verschiedener anderer Eigenschaften verwendet werden können, die, selbst wenn sie zuvor bekannt geworden wären, niemals praktisch ausgenutzt worden sind. Auf der Grundlage dieser Feststellung schafft die Erfindung Laufkränze bzw. Laufdecken, die sich auf einfache Weise auf 'den Grundradkörper unter Ausnutzung der an sich bekannten wärmerückstellfähigen Eigenschaften der Legierung aufbringen lassen und die gleichzeitig andere überraschende Verbesserungen im Hinblick auf die Haftung von Rad und Schiene und sonstiger relevanter Eigenschaften mit sich bringt.

Die Erfindung basiert auf der weiteren Feststellung, daß zahlreiche Eigenschaften solcher Räder, die als Bestandteil einen Laufkranz bzw. eine Laufdecke aus Menorymetall aufweisen, überraschenderweise durch die Einarbeitung einer elastischen Komponente verbessert werden können, wodurch insbesondere eine erhöhte Beständigkeit gegen mechanischen Stoß und eine Verringerung des Betriebslärms erzielt wird.

Die erfindungsgemäß für ein Schienenfahrzeugrad für schnelle Massentransportsysteme bevorzugt verwendeten Memorylegierungen sind die Titan-Nickel-Legierungen, die unter der Bezeichnung "55-Nitinol-Legierungen" im Fachgebiet bekannt sind. Diese Legierungen enthalten im allgemeinen 43 bis 48 Gew.% Titan, der Rest ist Nickel, wobei marhmal geringe Mengen an dritten Elementen, wie Kobalt oder Eisen, zur Regelung der

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Ubergangstemeperatur zugegeben werden. So beträgt beispielsweise die Ubergangstemperatur für die stöichiometrische 2-Komponentenlegierung TiNi etwa 80⁰C. Diese Ubergangstemperatur kann jedoch in Richtung auf den absoluten Nullpunkt durch die Zugabe eines der oben genannten ausgewählten dritten Elemente gelenkt werden. Die unter der Bezeichnung "Cryofit" von der Anmelderin vertriebenen Erzeugnisse enthalten eine Legierung, die eine Umwandlungstemperatur von etwa -120⁰C aufweist, wodurch eine derartige Legierung insbesondere zur Anwendung bei allen möglichen Umgebungsbedingungen geeignet ist. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der Erfindung auf diese Legierungen Bezug genommen.

Gemäß einer bevorzugten Methode der Aufbringung des Laufkranzes oder der Laufdecke wird ein kreisförmiges Element aus einer Titan-Nickel-Legierung auf eine Temperatur unterhalb der Ubergangstemperatur der Legierung abgekühlt, d.h.wo die Legierung in ihren Martensit-Zustand vorliegt. Dann wird das Kreiselement im Martensit-Zustand so expandiert, daß es radial wärmeschrumpffähig wird. Um das Kreiselement anbringen zu können, wird es um den Umfang der Auflagefläche des Rads gelegt, welches gewöhnlich in diesem Stadium mit der federnden Komponente verschen wird. Dann wird auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur erhitzt oder, was üblicher ist, man läßt sich den Gegenstand auf eine solche Temperatur erwärmen, wobei das kreisförmige Element sich in Richtung auf seinen ursprünglichen Durchmesser zusammenzieht und hierdurch die Auflagefläche mit einer Druckkraft umspannt. In Abhängigkeit von dem Ausnaß der nicht ausgenutzten Schrumpfung ergibt sich eine Spannung von bis zu etwa 413.700 kPa (60.000 psi), die von der Legierung entwickelt wird.

Im allgemeinen werden die Abmessungen des kreisförmigen Elements relativ zum Rad so gewählt, daß eine radiale Expansion von ungefähr 8% ermöglicht, daß das kreisförmige Element genau um das Rad angeordnet werden kann. Ein gewisser Betrag nicht ausge-

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nutzter Rückstellfähigkeit kann noch vorhanden sein, nachdem das kreisförmige Element geschrumpft ist und fest auf der Auflagefläche sitzt.

Wie zuvor erwähnt, ist die Umwandlungstemperatur (oder genauer, der Bereich der Umwandlungstemperatur) von der genauen Zusammensetzung der Titan-Nickel-Legierung abhängig. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Umwandlungstemperatur vorzugsweise so gewählt werden sollte, daß sie kleiner als die Minimaltemperatur ist, die bei der Laufdecke bzw. dem Laufkranz während des Betriebs auftreten kann. Aus diesem Grund liegt die Umwandlungstemperatur bevorzugt unterhalb von -60⁰C, und insbesondere unterhalb -115°C. Bevorzugte Legierungen enthalten etwa 43 bis 45 Gew.%, vorzugsweise etwa 43,4 bis 44,4 Gew.% Titan. Die Legierung besteht im wesentlichen aus ungefähr 43 bis 45 Gew.% Titan, ungefähr 2 bis 5% Eisen und aus nicht mehr als 1 Gew.% anderen Elementen, wobei der Rest von Nickel gebildet wird, das besonders geeignet ist, da es leicht in seinem Martensit-Zustand vor dem Aufbringen durch Lagerung in flüssigem Stickstoff (oder, falls möglich, in Trockeneis) beibehalten werden kann. Wenn diese Legierung jedoch einmal in ihre Austenit-Phase umgewandelt worden ist,kann sie mit Sicherheit auch unter den extrem kältesten Klimabedingungen verwendet werden.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Laufkranz aus irgend einem anderen Material hergestellt werden, welches die gewünschte Haftung und andere Eigenschaften besitzt, die im Zusammenhang mit den zuvor erwähnten Problemen wichtig sind. Auch können mehr als ein Element aus Memorylegierung zum Festlegen des Laufkranzes in seine Lage verwendet werden (wobei hier der Fall mit eingeschlossen ist, bei dem ein Element oder Elemente aus einer Memorylegierung wenigstens einen Teil der Lauffläche selbst bilden). Beispielsweise kann der Laufkranz durch 2 mit Flanschen versehene wärmeschrumpffähige Legierungsringe festgehalten werden, die beidseitig vorgesehen sind.

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Gemäß einer anderen Ausführungsform dient ein Mantelband aus einer wärmerückstellfähigen Memorylegierung dazu, um einen separaten kreisförmigen Laufkranz in seiner Lage durch die Kraft festzuhalten, die bei seiner zunehmenden Dicke während der Rückstellung erzeugt wird. Das Mantelelement ist als Zwischenelement zwischen dem Radkranz und der Radlauffläche angeordnet. Für den Fachmann sind selbstverständlich noch weitere Variationene möglich.

das Bei allen Ausführungsformen ist bevorzugt, daß'die Schiene berührende Laufflächenelement als ein durchgehendes, d.h. integrales Bauteil ausgebildet ist. Bei bestimmten Anwendungsfällen jedoch kann der Laufkranz an einer oder mehreren Stellen längs des Umfangs unterteilt sein, vorzugsweise unter einem Winkel, der ein erleichtertes Aufbringen bzw. Montieren und ein anschließendes erleichtertes Entfernen für die Reparatur usw. ermöglicht.

Während bei vielen Ausführungsformen vorzugsweise der Laufkranz bzw. die Laufdecke von einem konstruktiv einfach ausgestalteten kreisförmigen Bauelement gebildet wird, kann es bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft sein, die Lauffläche mit einem Ringflansch zu versehen, der sich von einer der Begrenzungskanten in Radialrichtung nach außen erstreckt. Ein solcher Flansch, der in Berührung mit einem Flansch auf dem Rad selbst kommen kann oder nicht, kann die Haftung von Rad und Schiene weiterverbessern und dient ferner der Lärmminderung. In jedem Fall kann ein solcher Laufkranz auch dazu dienen, den Verschleiß sowohl von Schiene als auch Rad weiter zu verringern, da die Schiene in Kurven ohne Haftungsverlust geschmiert werden kann.

Ein Vorteil dieser Ausführungsformen besteht darin, daß die Laufflächenelemente und -anordnungen leicht ausgebaut und repariert oder ersetzt werden können, ohne daß sie selbst oder andere Bauteile des Rades beschädigt werden.

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Beispielsweise kann ein wärmeschrumpffähiger Nitinol-Laufkranz so weit expandiert werden, daß man ihn von dem Rad einfach durch Abkühlung auf unterhalb Übergangstemperatür abnehmen kann, z.B. durch Aufsprühen von flüssigem Stickstoff (vgl. US-PS 4035 007). Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Radialkontraktion des kreisförmigen Elementi^Verbindung mit einer Vergrößerung seiner Breite auftritt, was dazu ausgenutzt werden kann, daß die Laufdecke bzw. die Lauffläche eng anliegend in einer Nut in dem Rad mit Hilfe der seitlichen wirkenden Rückstellkräfte eingelegt werden kann.

Die dimensionsmäßige Rückstellfähigkeit der Memorymetalle kann daher auf einfache Weise dazu ausgenutzt werden, den Laufkranz fest und sicher mit dem Rad zu verbinden. Weiter wurde gefunden, daß, insbesondere wenn ein elastisches Element in die Radstruktur gemäß der Erfindung eingearbeitet wird, zahlreiche weitere sehr wichtige Vorteile erzielt werden.

Der vielleicht überraschendste und bedeutsamste dieser Vorteile ist die stark verbesserte Haftung, die ein Nitinol-Laufkranz gegenüber Stahl zeigt. In der folgenden Tabelle sind die gemittelten dynamischen Reibungskoeffizienten zusammengestellt, die sich bei Tests von Laufkränzen aus Nitinol und Stahl unter verschiedenen Bedingungen ergeben:

Testbedingungen:	Nitinol-Rad auf Stahlschiene	Stahlrad auf Stahlschiene
sauber u. trocken	.5	.5
Wasser	.4	.2
Dieselöl	.4	.08
Schmieröl	.08	.005

Bis zu einem gewissen Grad kann diese Verbesserung dem relativ niedrigen Elastizitätsmodul von Nitinol von 0,84 bis 0,98 χ 10 kP/cm² (12 bis 14 χ 10 psi) zugeschrieben werden (was weniger als die Hälfte von Stahl ist), woraus sich ein größerer Kon-

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taktbereich mit der Schiene ergibt, was seinerseits zu einer größeren Haftung führt, wobei das Kontaktflächenverhältnis von Nitinol/Stahl zu Stahl/Stahl etwa 1,4:1 beträgt. Durch diesen größeren Kontaktbereich und durch die größere Nachgiebigkeit des Rades ergibt sich eine Lärmminderung, die sich beispielsweise auffällig in der Abnahme der donnernden Geräusche äußert, welche von Fehlstellen in der Mikrooberflache herrühren.

Erste Verschleißtests, in denen Verschleiß von Rad und Schiene zwischen Nitinolrädern auf Stahlschienen und Stahlrädern auf Stahlschienen verglichen werden, ergeben, daß unter verschiedenen Bedingungen der Schienenverschleiß mit Nitinolrädern bis zu lOmal kleiner ist als mit Stahlrädern und der Radverschleiß bis zu 5mal geringer mit Nitinolrädern gegenüber Stahlrädern.

Eine weitere überraschende und bedeutende Erkenntnis ist darin zu sehen, daß die Haftung von Nitinol gegenüber seinem Gleitverhalten eine weitere nützliche Eigenschaft dieses Materials für den Anwendungszweck als Schienenrad bildet. Im Gegensatz zu Stahl, welches ein Haftungsir.aximium bei etwa 7% Schlupf bzw. Gleiten aufweist, worauf die Haftung mit ansteigendem Schlupf bzw. Gleiten abnimmt, steigt bei Nitinol die Adhäsion gleichförmig mit zunehmendem Gleiten bzw. Durchrutschen über den gesamten Gleit- bzw. Schlupfbereich. Diese Eigenschaft von Nitinolrädern kann als pessive Sicherheitseinrichtung zu Verbesserung der Leistung des Antiblockiersystems dienen und potentiell die Notwendigkeit einer Antiblakierkontrolle überhaupt überflüssig machen.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Eigenschaft von Nitinolrädern ist die verringerte Bremsstrecke in Notfällen gegenüber herkömmlichen Stahlrädern.Während bei einem Stahlrad auf einer Stahlschiene ein Bremssteuersystem mit einem instabilen Zu -

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stand beim Beginn des Gleitens bwz. Durchrutschens konfrontiert ist, was dazu geführt hat, daß sehr empfindliche und rasch ansprechende AntiblockierSteuerungen benötigt werden, ist das System bei Verwendung eines Laufkranzes aus Nitinol in sich stabil und selbstkorrigierend. Hierdurch werden die Forderungen an empfindliche Antiblockiersysterne verringert oder das Gleit-Rutsch-Verhalten bei vorhandenen Steuersystemen verbessert.

Es wird angenommen, daß die Reibungseigenschaften von Nitinollegierungen bisher nicht näher untersucht worden sind, so daß diese vorteilhaften Eigenschaften nicht nahegelegen haben. Weitere für diese Anwendung vorteilhafte Eigenschaften von Nitinollegierungen sind ihre Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, wodurch lange Standzeiten möglich werden. Auch sind diese Legierungen relativ unempfindlich gegenüber den üblichen Verschmutzungen, die die Haftung verringern. Diese Eigenschaften, vereinigt mit der größeren Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene ergeben eine zuverlässig niedrige elektrische Impedanz an der Grenzfläche von Rad und Schiene, was im Hinblick auf das wirksame Arbeiten der Steuer - und Meßmethoden, die bei modernen Schienensystemen verwendet werden, wichtig ist.

Der verbesserte Haftungskoeffizient und die anderen Eigenschaften der Nitinollegierungen können bei einigen Anwendungsfällen auch ausgenutzt werden, ohne daß man gleichzeitig die Memoryeigenschaften der Legierung ausnutzt. Bei solchen Anwendungsfällen reicht es aus, das kreisförmige Element auf an sich bekannte Weise mit dem Rad fest zu verbinden. Alternativ kann auch das gesamte Rad aus derartigen Legierungen gefertigt werden, wodurch ein getrenntes Laufflächenelement unnötig wird.

Obgleich die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die Titan-Nickel-Legierungen beschrieben worden ist, ergeben sich ähnliche Vorteile auch bei Verwendung anderer Memorylegierungen und insbesondere bei Titan-Memory-Legierungen, die eine

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Haftungskoeffizienten mit einer Stahlschiene von wenigstens 0,14, vorzugsweise wenigstens 0,20 besitzen. Auf jeden Fall sind die vorstehend erläuterten und andere Memorylegierungen auch bei anderen Schienentransportsystemen, z.B. beim schienengebundenen Gütertransport,'wo die Lärmverminderung sowie Schienen- und Radverschleiß besonders wichtig sind, verwendbar.

Ferner ist die Erfindung im Prinzip auf jeden Radtyp anwendbar, wobei die Räder selbst auch andere weitere konstruktive Details aufweisen können, die der Verbesserung ihres LaufVerhaltens dienen, wobei beispielsweise auch eine derartige Auslegung erfaßt wird, die die Stoßbelastungen eines Fahrzeugunterbaus sowie unerwünschten Lärm, wie Quietschen in der Kurve, Schlagen an Schienenstoßstellen und Donnern oder Rollen verringert oder ausschaltet.

Die erfindungsgemäß verwendten federnden bzw. elastischen Bauelemente können an verschiedenen Stellen des Rades je nach erwünschter Bauart vorhanden sein, sind jedoch gemäß bevorzugtten Ausführungsformen zwischen dem Laufkranz bzw. der Laufdekke aus Memorylegierung und dem eigentlichen Radkörper angeordnet. Sie sind typischerweise zur Vergrößerung der Haftung, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, zur Stoßverringerung und daher zur Verbesserung des Reisekomforts und zur Lärmverminderung vorgesehen.

Die elastischen Bauteile bestehen aus oder enthalten vorteilhaft eine Schicht aus einem federnden bzw. elastischen Material, wie einem synthetischen oder natürlichen Polymeren. An geeigneten Polymermaterialien sind beispielsweise natürliche und synthetische Kautschuke, Fluorkohlenstoff-Elastomere, wie die unter den Bezeichnungen "Viton" von DuPont und "Flourel" von 3M Corporation vertriebenen Produkte, Ä'thylen/Propylen-Copolymere und Äthylen/Propylen-konjugierte Dien-Terpolymere, chlorsulfonierte Polyäthylene, wie die unter der Bezeichnung

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"Hypalon" von DuPont vertriebenen Produkte, "Neopren" Kautschule (DuPont), Vinylacetat /Ethylen-Copolymere mit hohem Vinylacetatgehalt, beispielsweise die von Wacker Chemie vertriebenen Produkte, Polysulfidharze, Polyacrylate, Polybutadiene, Butadien/ ^ Styrol-Copolymere, Polyisobutylen, Polyisopren, flexible Epoxyharze, Polyethylene hoher Dichte sowie Polyurethane zu nennen.

Die elastische Schicht kann entweder je nach Wunsch elektrisch leitend oder nicht leitend sein. Wo eine elektrische Leitfähigkeit erwünscht ist, werden leitfähige Polymermaterialien wie die mit Ruß oder Metallteilen besonders bevorzugt.

Bei weiteren Ausführungsformen ist eine elastische Feder aus beispielsweise Phosphorbronze, Stahl oder Beryllium-Kupfer zwischen Laufkranz und Draht angeordnet. Solche Federelemente können zusammen mit dem gummiähnlichen und anderen oben beschriebenen Materialien verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist der Laufkranz bzw. die Laufdecke selbst elastisch.

In all diesen Fällen und jedenfalls in allen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind Laufkranz bzw. Lauffläche einerseits und Rad andererseits bevorzugt so geformt, daß dor Laufkranz nicht vom Rad abspringen bzw. abrutschen kann, beispielsweise nach Zerstörung oder Abbau der elastischen Schicht. So werden weitere Festhaltevorrichtungen wie Nieten und Bolzen überflüssig. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem zusammenwirkende Vorsprünge und Nuten auf den mit einander in Verbindung stehenden Oberflächen der Elemente vorgesehen sind, typischerweise eine V-förmige innere Oberfläche auf dem Laufkranz und eine V-förmige Nut auf der Außenfläche des Rads. So wird des Radkranz auf dem Rad festgehalten. Das elastische Material wird in dieser Festhaltezone angeordnet und unterstützt so die notwendige mechanische Interferenz zwischen Laufkranz bzw. Laufdecke und Rad und stellt gleichzeitig ein elastisches Kissen dar, wodurch der "Fußabdruck" des Rads auf der Schiene vergrößert wird.

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Das Rad selbst kann massiv sein, z.B. ein herkömmliches Aluminium- oder Stahlrad oder es kann ein Speichenrad sein, wobei die Speichen selbst vorteilhaft aus Memory-Legierung bestehen können, um die Montage von Laufdecke bzw. Laufkranz auf dem Rad weiter zu erleichtern.

Zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert.

Figur 1 stellt in einem Fließschema die Arbeitsschritte dar, die man zum festlegen eines Laufkranzes aus einer Memory-Legierung auf einem Schienenfahrzeugrad benötigt.

Figuren 2 bis 17 sind Teilschnittansichten verschiedener Ausführungsformen von erfindungsgemäß ausgestalteten Schienenfahrzeugrädern.

In Figur 1) ist ein Schienenfahrzeugrad 11 gezeigt, das eine Aufnahme- bzw. Auflagenut 112 aufweist, die zwischen einem Innenflansch 113 und einem Halteflansch 114 angeordnet ist. Der Innenflansch 113 verhindert eine seitliche Bewegung des Rades relativ zur Schiene. Erfindungsgemäß ist die Auflagenut 112 mit einer Lauffläche 116 aus Memory-Legierung, vorzugsweise 55-Nitinol versehen.

Die Lauffläche 116 kann beispielsweise durch Walzen hergestellt werden, so daß sie einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Aufnahmefläche der Nut 112. Der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser der Lauffläche und dem Durchmesser der Aufnahme- bzw. Auflagefläche hängt von dem Ausmaß der Eigenspannung ab, die die Memory-Legierung entwickeln soll, wenn die Lauffläche unter Aufbringung einer Druckkraft um die Aufnahmefläche gespannt wird. Im allgemeinen werden zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn die Lauffläche 116 einen Innendurchmesser aufweist, der etwa 0,25 bis 2% kleiner ist als der Durchmesser der Auflagefläche.

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Nachdem die Lauffläche 116 mit einem solchen ursprünglichen Durchmesser gebildet worden ist, wird sie auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur oder wenigstens auf eine Temperatur im Bereich zwischen der Austenit- oder Martensit-Phase des Memory-Metalls, z.B. durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff abgekühlt. Dann wird die Lauffläche unter Verwendung beispielsweise einer radial aufgeweiteten Spannhülse ausgedehnt, so daß ihr Innendurchmesser größer wird als der Durchmesser der Aufnahmefläche. Wenn ein Halteflansch 114 vorgesehen ist, muß selbstverständlich der Innendurchmesser in der Lauffläche im expandierten Zustand ausreichend groß sein, daß die Lauffläche über den Flanschgeht. Im allgemeinen sollten die Abmessungen des FJansches 114 und der Nut 112 vorzugsweise derart sein, daß bei einer Expansion des Rings von etwa 8 % der Flansch 114 die Lauffläche in ihrem expandierten Zustand über den Flansch geschoben werden kann und daß noch 0,25 bis 2% unausgenützte Rückstellfähigkeit erhalten bleibt, die vorzugsweise gleichförmig rund um die Lauffläche verteilt ist, wenn der Laufkranz in der Nut 112 festsitzt. Der relativ große Durchmesser des Rads, d.h. etwa 76,2 cm (30 inches) gewährleistet, daß solche Auslegungserfordernisse eingehalten werden können.

Wenn die Lauffläche 116 einmal expandiert worden ist, bleibt sie in ihrem Martensitzustand bis die Lauffläche auf das Rad 111 aufgebracht wird. Die Lauffläche 116 bleibt so lange in der Martensit-Phase, wie sie unterhalb ihrer Ubergangstemperatur gehalten wird, d.h. durch Lagerung in flüssigem Stickstoff.

Wenn die Lauffläche 116 auf das Rad 111 aufgebracht werden soll, kann die Lauffläche 116 aus ihrem kalten Lagerplatz entnommen und in Umfangsrichtung auf die Aufnahmenut 112 bei Umgebungsbedingungen aufgelegt werden, wobei sie versucht, sich auf ihren ursprünglichen Durchmesser zurückzustellen. Jedoch kann sich die Lauffläche nur bis zu dem Punkt zusammenziehen, an dem ihre Innenfläche in Eingriff mit der Tragfläche der Nut 112 kommt, woraus sich ergibt, daß die Lauffläche 116 unter Aufbringung

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einer Druckkraft um die Aufnahmefläche spannt.

Wegen der einfacheren Darstellung ist in Figur 1) keine elastische Komponente gezeigt. Die oben beschriebene Methode kann jedoch in Verbindung mit den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 17 ausgenutzt werden, wobei die Figuren 2 bis 14 verschiedene Räder zeigen, in denen eine Schicht aus elastischem Material, wie oben erwähnt, zur Verbesserung des Verhaltens gegenüber mechanischen Erschütterungen und zur Larmverminderung vorgesehen ist. In diesen Zeichnungen ist das Rad durch die Bezugszeichen 121, 131...231, 241 usw., der Laufkranz bzw. die Lauffläche aus Memory-Legierung durch die Bezugszeichen 122, 132... 232, 242, und die elastische Schicht durch die Bezugszeichen 123, 133... 233, 243 gekennzeichnet. Es zeigt sich, daß innerhalb des Grundkonzepts, eine elastische Schicht vorzusehen, verschiedene Ausführungen möglich sind und ferner, daß beispielsweise in den bevorzugten Ausführungsformen der Figuren 2, 9, 10, 12, 13 und 14 der Laufkranz einerseits und die belastete Oberfläche des Rads andererseits vorzugsweise so geformt und angeordnet sind, daß der Laufkranz zuverlässig gegen das Abgleiten vom Rad gesichert ist, selbst wenn die elastische Schicht zerstört oder abgebaut wird. So ist z.B. in der besonders bevorzugten Ausführungsform von Figur 14) die untere Oberfläche des Laufkranzes 242 V-förmig und wirkt mit einer entsprechend geformten Nut in der äußeren Oberfläche des Rads 241 zusammen.

Bei der Ausführungsform von Figur 15) ist 254 eine Stahlfeder, die zwischen dem Laufkranz 252 und dem Rad 251 angeordnet ist, um die erwünschte Flexibilität zu erzielen. Falls gewünscht kann auch noch elastisches Material 253 vorhanden sein.

In Figur 16) ist ein Rad 261 gezeigt, wo die gewünschte Elastizität durch den Laufkranz 262 aus Memory-Metall selbst geliefert wird. Der Laufkranz 262 besteht beispielsweise aus Nitinol und ist von der Radoberfläche weggebogen, um die erwünschte Federeigenschaft zu erzielen. Eine Schicht aus elastischem Material

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263 ist gegebenenfalls noch vorhanden.

Schließlich wird in Figur 17 eine weitere Form des Rads 271 gemäß der Erfindung gezeigt, wo eine elastische Schicht 273 zwischen Nabe 274 und dem Außenteil des Rads 272, welche aus Memory-Metall besteht, vorgesehen ist.

Die Ausdrücke "Laufkranz" und "Lauffläche" umschließen alle Elemente, wo eine Lauffläche in Berührung mit einer Schiene steht. Da einige Bauelemente üblicherweise eher als Laufdecken und andere eher als Laufkranz oder Lauffläche bezeichnet werden, umfassen die in der Beschreibung zuvor genannten Bezeichnungen alle beiden Ausführungsformen.

Die Erfindung stellt ein Rad zur Verfügung, das besonders für moderne schienengebundene Massen- und Schnelltransportmittel geeignet ist. Jedoch kann die Erfindung auch vorteilhaft bei anderen schienengebundenen Systemen angewendet werden und kann beispielsweise für Güterzüge, Lokomotiven, Güterwagen und andere Schienenfahrzeuge verwendet werden. Durch die größere Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene und die dadurch bedingte niedrigere Kontaktspannung werden erfindungsgemäß bei jedem gegebenen Ausmaß an Radbelastung der Verschleiß von Rad und Schiene verringert. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist in der Bereitstellung eines gewichtsmäßig leichteren Rad gegenüber den früheren Rädern mit Stahllauf flächen ::u sehen. Dies führt zu einer bedeutenden Verbesserung der Raddynamik, da die geringere, vom Rad gebildete ungefederte Masse durch die Fahrzeugfederung leichter auf den Schienenstrang zurückgedrückt werden kann, wenn das Rad durch Defekte in der Schienenoberfläche nach oben springt.

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Claims (17)

Patentansprüche

1. Rad, dessen Laufdecke oder Lauffläche, bzw. dessen Laufkranz ein Element aus einer Memory-Legierung enthält oder von einem derartigen Element gebildet wird, (nach Patent ...(Patentanmeldung P 28 16 099.8)), dadurch gekennzeichnet, daß es ein elastisches Teil aufweist.

2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Schienenfahrzeugrad ist.

3. Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Teil zwischen dem Rad und der Laufdecke bzw. Lauffläche angeordnet ist.

4. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufdecke bzw. Lauffläche und die damit zusammenwirkende Oberfläche des Rads so geformt und angeordnet sind, daß die Laufdecke vom Rad festgehalten und die Schicht des elastischen Materials in der Zone angeordnet ist, in der Laufdecke bzw. Lauffläche und Rad miteinander in mechanischem Eingriff stehen.

5. Rad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Laufdecke V-förmig ausgebildet ist und die damit zusammenwirkende Oberfläche des Rades eine entsprechende V-förmige Nut aufweist.

6. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Teil eine Schicht aus einem elastischen natürlichen oder synthetischen Polymer-Material enthält oder daraus besteht.

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7. Rad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Polymermaterial einen natürlichen oder synthetischen Kautschuk* ein Fluorkohlenwasserstoffelastomeres, ein Ethylen/Propylen-Conolymeres, ein Terpolymeres aus Ethylen, Propylen und einem konjugierten Dien, ein chlorsulfoniertes Polyethylen, Neopren, ein Vinylacetat/Ethylen-Copolymeres, ein Polysulfidharz, ein PoIyacrylat, ein Polybutadien, ein Butadien/Styrol-Copolymeres, Polyisobutylen, Polyisopren, ein flexibles Epoxyharz, Polyethylen hoher Dichte und/oder ein Polyurethan enthält.

8. Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial einen elektrisch leitenden Füllstoff enthält.

9. Rad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Ruß und/oder Metallteilchen sind.

10. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bauteil eine Metallfeder enthält oder daraus besteht.

11. Rad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus Phosphorbronze, Stahl oder Beryllium-Kupfer hergestellt ist.

12. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufkranz bzw. die Lauffläche selbst elastisch ist und als elastisches Bauteil wirkt.

13. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Memory-Legierung eine binäre oder ternäre Legierung von Titan und Nickel mit einem Titangehalt von etwa 43 bis 48 Gew.-% ist.

14. Rad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus 4 3 bis 45 Gew.-% Titan, 2 bis 5 Gew.-% Eisen und nicht mehr als 1 Gew.-% an anderen Elementen

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besteht, wobei der Rest Nickel ist.

15. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Laufkranz bzw. Laufdecke durch Expandieren des Durchmessers im Martensitzustand, Aufbringen auf die Auflagefläche des Rades und Überführung in den Austenitzustand durch Erwärmen hergestellt worden ist.

16. Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufkranz aus einer binären oder ternären Legierung von Titan und Nickel mit etwa 43 bis 48 Gew.-% Titan besteht, dessen innere Oberfläche und die Außenfläche des Rads so geformt sind, daß der Radkranz seitlich nicht vom Rad abrutschen kann und ferner gekennzeichnet durch eine Schicht aus elastischem Polymermaterial, die im Bereich des mechanischen Eingriffs von Radkranzinnenfläche und Radaußenfläche angeordnet ist.

17. Rad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Montage des Laufkranzes auf dem Rad die Memory-Eigenschaften der Legierung verwendet worden sind.

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