DE3814344C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenrad nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Schienenrädern muß die die Radscheibe bilden­ de Faserverbundstruktur trotz eines geringen Baugewichts zusätzlich zu den radialen Radaufstandslasten und den in Umfangsrichtung wirkenden Brems- und Beschleunigungskräften auch hohe, parallel zur Radachse wirkende Querkräfte zwi­ schen der Nabe und dem Radreifen übertragen und eine dem­ entsprechend hohe Biegesteifigkeit besitzen, was bei den bekannten Scheibenrädern dieser Art (DE-PS 33 45 555, EP- PS 00 65 086 A1, Fig. 1a/3) dadurch erreicht wird, daß die Radscheibe in Sandwichbauweise mit einem die äußeren Faserverbund-Deckschichten im Abstand zueinander schubfest verkoppelnden, spezifisch leichten Innenkern aus Metallwaben oder Schaumstoffmaterial ausgebildet ist. Ein solcher Innenkern, gleichgültig ob er aus Metallwaben oder aus Schaumstoff besteht, ist jedoch bei ausreichender Festigkeit und vor allem Querkraft-Steifigkeit der Radscheibe so kostspielig, daß der Einsatz von Schienenrädern dieser Bauart trotz ihrer überlegenen Eigenschaften gegenüber üblichen Ganzmetall-Schienenrädern nur im beschränkten Umfang möglich ist.

Ferner ist aus der US-PS 38 62 779 ein Speichenrad aus Metall oder Kunststoff bekannt, dessen Radspeichen im Inneren mit sich kreuzenden Versteifungsstreben versehen sind. Ein derartiges Speichenrad ist nicht Gegenstand der Erfindung.

In der DE-OS 21 03 036 ist eine einstückig mit der Nabe ausgebildete Radscheibe eines Schienenrades beschrieben, die als ringförmiges Faserverbund-Hohlprofil mit einem Schaumstoffkern ausgebildet ist, an dem der Radreifen mittels eines Halterings formschlüssig befestigt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schienenrad der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es eine kostengünstige, großseriengerechte Bauweise und unter Beibehalt eines geringen Eigengewichts eine hohe konstruktive Festigkeit und insbesondere Querkraft-Steifigkeit im Bereich der Faserverbund-Radscheibe aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Schienenrad gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die gezielte Aussteifung des Innenkerns mittels der zur Radachse konzentrischen, einteiligen Faserverbund-Hohlprofilstücke, deren Profilstege aufgrund ihrer besonderen geometrischen Anordnung und Faserorientierung sowie der großflächigen, deckschichtseitigen Verkopplung eine hochgradig lastsichere Zug- und Druckkraftübertragung zwischen den Deckschichten bewirken, eine Radscheibe erhalten, die eine spezifisch bezüglich der erwähnten Querkraftbelastungen des Schienenrades sehr hohe konstruktive Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Eigengewicht besitzt und bezüglich der anderen Lastrichtungen mit einem - je nach Anwendungszweck unterschiedlich - vorgegebenen Elastizitätsverhalten ausgebildet werden kann, mit der Besonderheit, daß sich die Faserverbund-Hohlprofilanordnung auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellen und in den Innenkern einbeziehen läßt und einen wesentlich niedrigeren Kostenaufwand erfordert als die üblicherweise für Radscheiben vergleichbarer Querkraft-Steifigkeit benötigten Schaumstoff- oder Wabenkerne.

Durch die im Anspruch 2 angegebene Verklebung der Profilabschnitte wird eine besonders faserverbundgerechte, lastsichere Verbindung zwischen den Hohlprofilstücken und den Deckschichten erreicht.

Durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 wird die Querkraft- Versteifungswirkung der Hohlprofilanordnung weiter verbessert, wobei durch die Merkmale des Anspruchs 4 eine herstellungs- und festigkeitsmäßig besonders günstige Ausbildung der Hohlprofilstücke mit einer gegenseitigen Direktverkoppelung ihrer Profilstege erzielt wird.

Gemäß einem weiteren, vor allem im Hinblick auf eine günstige Serienfertigung bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Hohlprofilstücke auf die im Anspruch 5 angegebene Weise hergestellt. Ebenfalls aus Fertigungsgründen sind die einzelnen Hohlprofilstücke gemäß Anspruch 6 vorzugsweise als Kreisring-Segmente ausgebildet, die im Hinblick auf eine lastsichere, gegenseitige Verbindung eine versetzte Stoßstellen-Anordnung aufweisen. Im Hinblick auf einen einwandfreien Hohlprofil-Verbund für den Innenkern und eine weitere Fertigungserleichterung werden die Hohlprofile auf die gemäß Anspruch 7 bevorzugte Weise zusammengefügt und ausgehärtet.

Eine hinsichtlich einer hohen Lastfestigkeit besonders zweckmäßige Ausgestaltung betrifft die Verbindung der Faserverbund-Radscheibe mit dem Radreifen. So ist die Radscheibe mit dem Radreifen aus Gründen einer querkraftsicheren Verkoppelung gemäß Anspruch 8 vorzugsweise sowohl verklebt als auch formschlüssig verbunden, wobei zur formschlüssigen Sicherung der Faserverbundring gemäß Anspruch 9 vorgesehen ist, welcher zur Vermeidung von Spannungsspitzen einen gemäß Anspruch 10 abgeschärften Faserlagenaufbau aufweist.

Ebenfalls im Hinblick auf eine großseriengerechte Ausbildung und eine gezielte örtliche Versteifung der Radscheibe sind zweckmäßigerweise beide Deckschichten gemeinsam nach Anspruch 11 als einteiliges Wickellaminat mit einer sich aus dem angegebenen Faserverlauf ergebenden, radial nach außen abnehmenden Wanddicke hergestellt, wobei die in der Ebene der Deckschichten wirkenden radialen Lasten zumindest teilweise durch die Flächenpressung zwischen Radscheibe und Radnabe übertragen werden, so daß auf teure Verklebelaschen im Nabenbereich der Deckschichten verzichtet werden kann. Durch die Ausbildung des Wickellaminates nach Anspruch 12 wird auf herstellungsmäßig einfache Weise im Nabenbereich des Wickellaminats eine wiederum formschlüssige, axiale Sicherung auf beiden Seiten der Radscheibe erzielt, ohne daß eine geteilte Nabe benötigt wird.

Schließlich ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 13 möglich, auch kegelstumpfförmig geformte Radscheiben mit einem an beiden Seitenflächen des Innen­ kerns einwandfrei anliegenden, deckschichtbildenden Wickellaminat herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Halbschnitt eines Schienenrades mit einer Radscheibe in Faserverbund-Bauweise nach der Erfindung;

Fig. 2 die Anordnung der Faserverbund-Hohlprofilseg­ mente der Radscheibe nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines aus drei Segmenten bestehenden Hohlprofil-Kreisringes;

Fig. 4 eine Wickelvorrichtung zur Herstellung der Hohl­ profil-Segmente;

Fig. 5a b die Querschnittsform eines Faserverbund- Sicherungsringes und das zugehörige Formwerk­ zeug;

Fig. 6 eine kegelstumpfförmige Radscheibe im unteren Halbschnitt zu Beginn und im oberen Halbschnitt am Ende des Deckschicht-Wickelvorgangs.

Gemäß Fig. 1 enthält das Schienenrad 2 mit der Radachse A eine metallische Radnabe 4, eine Radscheibe 6 in Faserver­ bundbauweise und einen Radreifen 8 aus Metall.

Die Radscheibe 6 besteht aus äußeren Faserverbund-Deckschich­ ten 10.1 und 10.2 und einem zwischen diesen schubkraftüber­ tragend angeordneten Innenkern 12. Die Deckschichten 10.1 und 10.2 werden durch ein sich einteilig über die Seiten­ flächen und die äußere Mantelfläche des Innenkerns 12 er­ streckendes Faserverbund-Wickellaminat 14 gebildet, das auf beiden Seiten des Innenkerns 12 in als Umfangsnut ausge­ bildete Vertiefungen 16 der Radnabe 4 eingreift.

Zur lastfesten Verkoppelung zwischen Radscheibe 6 und Rad­ reifen 8 ist zum einen das Deckschichtlaminat 14 mit der Innenfläche des Radreifens 8 verklebt und zum anderen eine formschlüssige Sicherung vorgesehen, die auf der einen Seite der Radscheibe 6 durch einen am Radreifen 8 angeform­ ten Anschlagbund 18 und auf der anderen Seite durch einen aus Einbaugründen mehrteiligen Faserverbundring 20 gebil­ det wird, welcher in eine Umfangsnut an der Innenfläche des Radreifens 8 eingreift und in dieser verklebt ist.

Zur Versteifung der Radscheibe 6 bezüglich der an der Nabe 4 und dem Radreifen 8 parallel zur Radachse A eingeleiteten Querkräfte enthält der Innenkern 12 eine Anordnung von konzentrisch zur Radachse verlaufenden Faserverbund-Stegen 22, 24, die jeweils kraftübertragend mit den Deckschichten 10.1 und 10.2 verkoppelt und zu diesen abwechselnd schräg geneigt sind, so daß die Faserverbundstruktur der Radscheibe 6 im Radial­ schnitt bezüglich der Querkräfte nach Art eines Fachwerk­ trägers im Dreiecksverbund ausgebildet ist, wobei die Faser­ verbund-Stege 22, 24 als Zug- bzw. Druckstäbe wirken. Aus diesem Grund verläuft die Faserorientierung der Stege 22, 24 vorwiegend senkrecht, nämlich zwischen etwa ±75° und 90° zur Steg-Längsachse, wie durch die Kreuzschraffuren in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist.

An ihren Längsrändern sind die Stege 22, 24 mit einstückig mit durchlaufender Faserstruktur angeformten Verbindungs­ flanschen 26 versehen, über die sie flächig mit der jeweili­ gen Deckschicht 10.1 bzw. 10.2 verklebt sind.

Jeweils zwei gegensinnig geneigte Stege 22, 24 und der zugehö­ rige Verbindungsflansch 26 sind als einteiliges, im Quer­ schnitt dreieckförmiges, geschlossenes Faserverbund-Hohlpro­ fil 28 ausgebildet, das im Inneren mit Schaumstoff 30 ausge­ füllt ist. Die einzelnen Hohlprofile 28 sind als Segmente von zur Radachse A konzentrischen, in Umfangsrichtung ge­ schlossenen Ringteilen hergestellt und werden im ungehärte­ ten Zustand in einem Form- und Preßwerkzeug (nicht gezeigt) in der aus Fig. 2 ersichtlichen, an ihren Stoßstellen 32 zueinander versetzten Anordnung zusammengefügt und unter gegenseitiger Verklebung ihrer flächig aneinander liegenden, stegbildenden Profilwände 22 bzw. 24 gemeinsam zu dem Innen­ kern 12 ausgehärtet. In Fig. 3 sind drei Hohlprofile 28 vor dem Zusammenfügen zu einem solchen Ringteil des Innenkerns 12 perspektivisch dargestellt.

Die Herstellung der einzelnen Hohlprofilstücke 28 erfolgt im Wickelverfahren mit der Schaumstoffüllung 30 als Wickel­ kern, z. B. mit Hilfe der in Fig. 4 schematisch darge­ stellten Wickelmaschine. Diese enthält als Hauptbestand­ teile einen Wickelkernhalter 34 mit einem mit der Vor­ schubgeschwindigkeit v um eine vertikale Drehachse hin- und hergehend angetriebenen Schwenkarm 36, an dem das vorgeformte Schaumstoffstück 30 konzentrisch zur Drehachse des Halters 34 befestigt ist, sowie einen mit der Dreh­ zahl n um eine horizontale Achse in einer durch die Dreh­ achse des Schwenkarms 36 verlaufenden Ebene rotierend ange­ triebenen Spulenträger 38 mit mehreren Fadenrollen 40, von denen beim Umlauf des Spulenträgers 38 jeweils ein mit Harz vorimprägnierter Verstärkungsfaden 42 über einen Fadenführungsring 44 auf das Schaumstoffstück 30 gewickelt wird. Damit die Verstärkungsfäden 42 mit einer zur Längs­ achse des Schaumstoffkerns 30 annähernd senkrechten Faser­ orientierung abgelegt werden, wird die Vorschubgeschwindig­ keit v während des Wickelvorgangs sehr viel kleiner als die Drehzahl n eingestellt. Hiervon abweichend können zur Ver­ besserung der Laminatqualität auch geringe Anteile des Wickellaminats durch Änderung des Vorschub-Drehzahlver­ hältnisses mit anderen, z. B. zur Längsachse des Schaum­ stoffstücks 30 schwach geneigten Wickelwinkeln abgelegt werden. Nach Erreichen der gewünschten Laminatdicke wird der das ringsegmentförmige Hohlprofil 28 bildende Wickel­ körper vom Schwenkarm 36 abgenommen und dann auf die oben beschriebene Weise gemeinsam mit den übrigen Hohlprofil­ stücken 28 zum fertigen Innenkern 12 ausgehärtet.

Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung des im Querschnitt abgeschäfteten Faserverbundrings 20 mit einer zur Ring- Seitenfläche 46 parallelen Laminatschichtung 48 (Fig. 5a). Die Herstellung erfolgt in einem in Fig. 5b im Querschnitt gezeigten, ringförmigen Einlegwerkzeug 50 mit zugehörigem Preßstempel 52, in welches Faserver­ bund-Prepreg-Bänder oder -Schläuche mit einer ±45°-Faser­ orientierung bezüglich der Bandlängsrichtung eingelegt und nach dem Schließen des Preßstempels 52 ausgehärtet werden. Nach dem Durchtrennen des in Umfangsrichtung zunächst noch geschlossenen Sicherungsringes 20 ist dieser einbaufertig.

Das Umwickeln des Innenkerns mit dem Deckschichtlaminat wird gemäß Fig. 6 anhand eines Ausführungsbeispiels erläu­ tert, bei dem der Innenkern einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, die Radscheibe also für ein Schienenrad mit einem gegenüber der Nabe axial versetzten Radreifen kegelstumpf­ förmig ausgebildet ist. Die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauteile sind durch ein um 100 erhöhtes Be­ zugszeichen gekennzeichnet.

Der Innenkern 112 wird im wesentlichen in gleicher Weise wie der Innenkern 12 hergestellt, abgesehen davon, daß die einzelnen Hohlprofilstücke 128 einen geänderten Dreiecks­ querschnitt aufweisen und ein der Trapezform des Innenkerns 112 entsprechendes Formwerkzeug zum gemeinsamen Aushärten der Hohlprofilstücke 128 verwendet wird.

Nachdem der Innenkern 112 mit der Nabe 104 zwischen den Umfangsnuten 116 verklebt ist, wird er gemeinsam mit dieser auf einem Dorn 54 befestigt und kontinuierlich mit einem durch ein Fadenauge 56 laufenden Verstärkungsfaden 58 in Form eines harzgetränkten Faserverbund-Rovings mit dem Deck­ schichtlaminat 114 bewickelt. Das Fadenauge 56 ist kinema­ tisch so gesteuert, daß der Endlosfaden 58 mit einem verän­ derlich vorwählbaren Umschlingungswinkel in den Umfangs­ nuten 116 abgelegt wird, wobei die Wickelebene nach jeder Fadenumschlingung zyklisch gewechselt wird, so daß der Endlosfaden 58 vom Umschlingungsbereich auf der einen Seite des Innenkerns 112 radial nach außen und über die äußere Mantelfläche des Innenkerns 112 und von dort wiederum tangential zur Nabe 104 nach innen zum Umschlingungsbereich auf der anderen Seite des Innenkerns 112 abgelegt wird.

Wenn der Innenkern 112 auf diese Weise gleichförmig und in der erwünschten Dicke mit dem Deckschicht-Laminat 114 bewickelt ist, wird nach dem Aushärten des Deckschicht- Laminats 114 der Radreifen 8 montiert und das Schienenrad ist fertiggestellt.

Für die in Fig. 6 gezeigte, kegelstumpfförmige Radscheibe 104 wird - anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel - durch eine zusätzliche, wickeltechnische Maßnahme sicher­ gestellt, daß sich der Endlosfaden 58 an die im nabensei­ tigen gegenüber dem radreifenseitigen Randbereich zurück­ versetzte Seitenfläche des Innenkerns 112, also die im Sinne der Fig. 5 rechte Innenkernseite ordnungsgemäß anlegt. Zu diesem Zweck ist auf dem Dorn 54 ein Rutschkegel 60 angeordnet, der durch eine Druckfeder 62 axial in Richtung auf den Innenkern gedrückt wird und gemeinsam mit der zu­ rückversetzten Innenkern-Seitenfläche einen rotations­ symmetrisch zur Nabe 104 hin V-förmig werdenden Wickelspalt 64 begrenzt, der bewirkt, daß der Endlosfaden 58 und somit das Deckschicht-Laminat 114 auch auf der zurückver­ setzten Innenkernseite, also im Bereich der Deckschicht 110.1, mit einwandfreier, lückenlos anliegender Faser­ struktur abgelegt wird. Mit zunehmender Wanddicke des Deckschichtlaminats 114 im Bereich der Nabe 104 schiebt sich der Rutschkegel 60 entgegen der Federkraft axial zu­ rück, so daß der Wickelspalt 64 während des gesamten Wickelvorgangs eine gleichförmig gute Fadenführungswirkung beibehält.

Claims (13)

1. Schienenrad mit einer Radnabe, einem Radreifen und einer die Radnabe mit dem Radreifen verbindenden, biegesteifen Radscheibe in Faserverbundbauweise aus zwei äußeren Faserverbund-Deckschichten und einem zwischen diesen schubübertragend angeordneten, spezifisch leichten Innen-, insbesondere Schaumstoffkern, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (12) insgesamt aus mehreren in Radialrichtung der Radachse (6) aufeinanderfolgenden und jeweils zur Radachse (A) konzentrischen, einteiligen Faserverbund-Hohlprofilstücken (28) zusammengesetzt ist, die an den Deckschichten (10.1, 10.2) der Radscheibe (6) flächig anliegende und mit diesen kraftübertragend verkoppelte Profilabschnitte (Verbindungsflansche 26) sowie die Deckschichten abwechselnd schräg geneigt miteinander verbindende Profilstege (22, 24) mit einer zur Steglängsrichtung annähernd senkrechten Faserorientierung aufweisen.

2. Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilstücke (28) im Bereich der Profilabschnitte (Verbindungsflansche 26) mit den Deckschichten (10.1, 10.2) verklebt sind.

3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilstücke (28) im Radialschnitt der Radscheibe (6) einen fachwerkartigen Dreiecksverbund bilden.

6. Schienenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofile (28) jeweils einen geschlossenen Dreieckquerschnitt aufweisen und an ihren die Profilstegen (22, 24) gegenseitig flächig miteinander verklebt sind.

5. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilstücke (28) im Wickelverfahren mit einer Schaumstoffüllung (30) als Wickelkern hergestellt sind.

6. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilstücke (28) jeweils als Segmente von in Umfangsrichtung geschlossenen Kreisringen ausgebildet und die Stoßstellen (32) zwischen den einzelnen Segmenten des einen Kreisrings gegenüber denen der radial benachbarten Kreisringe versetzt angeordnet sind.

7. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilstücke (28) des Innenkerns (12) im ungehärteten Zustand zusammengefügt und gemeinsam ausgehärtet sind.

8. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem von der Radscheibe getrennt hergestellten Radreifen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (12) und die Deckschichten (10.1, 10.2) mit der Radreifen-Innenfläche verklebt und an dieser in Axialrichtung formschlüssig gesichert sind.

9. Schienenrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur formschlüssigen Sicherung ein mehrteiliger, in eine Umfangsnut des Radreifens (8) eingreifender und mit dieser verklebter Faserverbundring (20) mit einer ±45°-Faserorientierung vorgesehen ist.

10. Schienenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundring (20) einen zum Innenumfang hin abgeschäfteten Faserlagenaufbau (48) aufweist.

11. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten (10.1, 10.2) einteilig als durchgehend über beide Seiten und die äußere Mantelfläche des Innenkerns (12) gewickeltes Faserverbund-Laminat (14) mit einer die Nabe (4) umschlingenden und von dieser tangential nach außen verlaufende Faserorientierung ausgebildet sind.

12. Schienenrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das die Deckschichten (10.1, 10.2) bildende Faserverbund-Laminat (14) zur formschlüssigen, axialen Verankerung beidseitig des Innenkerns (12) im Umschlingungsbereich der Nabe (4) in in dieser nutartig ausgebildete Vertiefungen (16) gewickelt ist.

13. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem gegenüber der Nabe axial versetzten Radreifen und einem kegelstumpfförmigen Innenkern, dadurch gekennzeichnet, daß die im nabenseitigen gegenüber dem radreifenseitigen Randbereich zurückversetzte Deckschicht (110.1) mit Hilfe eines axial in Richtung auf den Innenkern (112) federbelasteten, gemeinsam mit diesem einen rotations­ symmetrisch zur Nabe (104) hin V-förmig sich verengenden Wickelspalt (64) begrenzenden Rutschkegels (60) gewickelt ist.