DE4336844C1 - Schienenrad - Google Patents

Description

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

Die aus der DE 38 14 343 C2 bekannten Schienenräder dieser Art, deren Radscheibe durch eine Hohlkassettenstruktur aus jeweils einteiligen Faserverbund-Profilen gebildet wird, befinden sich bereits auf einem hinsichtlich konstruktiver Festigkeit und geringen Eigengewichts hohen Entwicklungsstand. Gefertigt werden die Hohlkassetten im Wege des Wickelverfahrens mit Hilfe eines Schaumstoffkerns, auf den frei über den Schaumstoffkern vorstehende Wickellaminat-Abschnitte im ungehärteten Zustand umgeklappt werden, um so die einteilig an den radialen Profilstegen angeformten, auf Seiten der Rad­ scheiben-Außenflächen liegenden Hohlkassetten-Seitenwände zu bilden, woraufhin die Hohlkassetten in einem Formwerkzeug nebeneinanderliegend positioniert, gemeinsam gehärtet und gleichzeitig mit der me­ tallischen Radnabe verklebt und in einem nächsten Arbeitsschritt mit äußeren Faserverbund-Deckschichten überwickelt, verpreßt, gehärtet und mit dem Radreifen verbunden werden. Die Handhabung des ungehärteten, teilweise freien Wickellaminats, und vor allem das Umklappen um den Schaumstoffkern ohne lunkerbildende Lufteinschlüsse erfordert jedoch ein großes handwerkliches Geschick und einen relativ hohen manuellen Arbeitseinsatz, was sich nachteilig auf die Herstellungskosten der Hohlkassettenstruktur auswirkt. Hinzu kommt, daß nur die radial verlaufenden Profilabschnitte mit einstückig angeformten Profil- Seitenwänden versehen sind, während die Faserverbundprofile am Kassettenaußenumfang allein aus dem Profilsteg bestehen und eine dementsprechend schwache Schubanbindung zu den nachträglich über­ wickelten Faserverbund-Deckschichten aufweisen, mit der Folge, daß die Radscheibe an dieser Stelle eine verringerte konstruktive Festigkeit besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Schienenrad der beanspruchten Art so auszubilden, daß die Hohlkassettenstruktur eine im Sinne einer gleichmäßig hohen Lastfestigkeit und einer kostengünstigen automa­ tisierbaren Großserienfertigung deutlich verbesserte Bauweise besitzt.

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

Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen Hohlkassettenausbildung aus wenigen Faserverbund-Einzelteilen, die mit sehr geringem Ferti­ gungsaufwand und ohne qualitätsgefährdende Verformung des Faserver­ bundlaminats weitgehend automatisierbar herzustellen sind und im ge­ härteten Zustand jeweils zu einer Hohlkassette zusammengebaut werden, eine in hohem Maße großseriengerechte Kassettenbauweise erzielt, mit dem zusätzlichen Effekt, daß durch die U-Profilform der kassettenbildenden Faserverbundteile auch im Umfangsbereich der Kas­ setten zwischen den radialen Profilstücken eine hohe Biegesteifigkeit und großflächige Schubkraftanbindung gewährleistet und dadurch die konstruktive Festigkeit der Radscheibe wesentlich erhöht wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Kassetten-Bauweise ist es, wie in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 bevorzugt, ohne weiteres möglich, die U-Profilstücke im Hinblick auf eine weiter erhöhte Biegesteifigkeit und großflächige Schubkraftübertragung so auszubilden, daß die Hohlkassetten jeweils beidseitig lückenlos von den Profil-Seitenwänden abgedeckt sind.

Um die Positionierung beim Zusammenfügen der U-Profilstücke zu er­ leichtern, vor allem aber zur Verstärkung der höher als die Seitenwände belasteten Stegabschnitte der U-Profile, enthält jede Hohlkassette gemäß Anspruch 3 vorzugsweise zusätzlich zu den U-Profilstücken ein an den Profilstegen anliegendes, einteilig mit einem in Um­ fangsrichtung geschlossenen Faserverbund-Querschnitt entsprechend der Kassetten-Querschnittskontur ausgebildetes Faserverbund-Rand­ profilstück.

Im Hinblick auf eine lastfeste, fertigungstechnisch einfache Verbindung der Profilstücke sind diese zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 4 im gehärteten und zusammengebauten Zustand miteinander verklebt und gemäß Anspruch 5 an ihren Klebeflächen zur Erleichterung des Kleb­ stoffflusses mit Nuten versehen. Aus Gründen einer hohen Klebequalität und um den manuellen Arbeitsanteil weiter zu verringern, erfolgt die Verklebung gemäß Anspruch 6 vorzugsweise im Wege des Vakuum-Injektionsverfahrens, und im Hinblick auf eine weitere Ferti­ gungsvereinfachung sind gemäß Anspruch 7 alle Faserverbund-Profilstücke der gesamten Hohlkassettenstruktur gemeinsam miteinander verklebt.

Ebenfalls als Positionierhilfe für die U-Profilstücke ist gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise ein entsprechend der Hohlkassetten-Quer­ schnittskontur vorgefertigter, spezifisch leichter Innen-, insbesondere Schaumstoffkern vorgesehen, auf den die U-Profilstücke im gehärteten Zustand aufgesteckt werden.

Eine weitere, ganz wesentliche Fertigungsvereinfachung wird gemäß Anspruch 9 dadurch erzielt, daß mehrere Faserverbund-Profilstücke gemeinsam auf einem länglichen, durchgehend mit Wickellaminat be­ legten Wickeldorn hergestellt sind, wobei das Wickellaminat nach dem Aushärten in die einzelnen Profilstücke zerteilt wird. Dabei sind die U-Profilstücke gemäß Anspruch 10 vorzugsweise aus einem im Quer­ schnitt rechteckigen Faserverbund-Wickelrohr hergestellt, welches im gehärteten Zustand in der U-Profillänge entsprechende Rohrlängen zerteilt und auf jeder Rohrlänge längs schräg zur Rohrachse geneigter Trennlinien in zwei identische, jeweils für eine Hohlkassette spiegelsymmetrisch zusammengesetzte U-Profilstücke mit in Profil­ längsrichtung zunehmender Seitenwandbreite zerlegt ist.

Unter dem Aspekt einer einfachen Großserienfertigung der U-Profilstücke empfiehlt es sich ferner gemäß Anspruch 11, sowohl die radial verlaufenden als auch die umfangsseitigen U-Profilstücke jeweils paarweise identisch auszubilden.

Im Hinblick auf eine hohe Formgenauigkeit der Profilstücke ist zum Aushärten des profilstückbildenden Faserverbundlaminats gemäß Anspruch 12 vorzugsweise ein mehrteiliges, aus einem Innenkern, d. h. dem Wickeldorn gemäß den Ansprüchen 9 und 10, und einer Außenform bestehendes Formwerkzeug vorgesehen. Gemäß Anspruch 13 schließlich ist die Radscheibe nach dem Zusammenfügen der Hohlkassetten vorzugsweise mit äußeren, sich durchgehend über die Kassetten-Außenflächen erstreckenden Faserverbund-Deckschichten belegt, die eine großflächige Anbindung zu den angrenzenden Profil-Seitenwänden sowohl der radialen als auch der umfangsseitigen U-Profilstücke aufweisen und gemeinsamen mit den Hohlkassetten einen hochgradig tragfähigen Schubübertragungsverbund bilden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schema­ tischer Darstellung:

Fig. 1 eine ausschnittsweise, teilweise gebrochene Seiten­ ansicht eines Schienenrades;

Fig. 2 einen Radialschnitt des Schienenrades gemäß Fig. 1;

Fig. 3a, 3b die Ausbildung des Wickellaminats zur Herstellung der Randprofilstücke; und

Fig. 4a, 4b die Ausbildung des Wickellaminats zur Herstellung der U-Profilstücke.

Das in den Figuren gezeigte Schienenrad mit der Radachse A enthält als Hauptbestandteile eine Radnabe 2 aus Metall, einen ebenfalls metal­ lischen, äußeren Radreifen 4 sowie eine mit diesen jeweils verklebte und formschlüssig gesicherte Radscheibe 6 in Faserverbund-Bauweise, bestehend aus einer inneren Hohlkassettenstruktur 8 und äußeren Faser­ verbund-Deckschichten 10.1 und 10.2, die durch ein sich einteilig über die Seitenflächen und die äußere Mantelfläche der Hohlkassetten­ struktur 8 erstreckendes, gewickeltes Faserverbund-Laminat gebildet werden, welches auf beiden Seiten der Hohlkassettenstruktur 8 in eine Umfangsnut 12 der Radnabe 2 eingreift und mit dem Radreifen 4 verklebt und zusätzlich mit Hilfe eines Sicherungsringes 14 form­ schlüssig verkoppelt ist.

Die Hohlkassettenstruktur 8 besteht aus in Umfangsrichtung nebenein­ anderliegenden Hohlkassetten 16 aus Faserverbundwerkstoff, die je­ weils einen kreisringsektorförmigen Querschnitt besitzen und durch einen Schaumstoff-Innenkern 18 ausgefüllt sind.

Jede Hohlkassette 16 ist aus mehreren Faserverbund-Einzelteilen zu­ sammengesetzt, nämlich einem Randprofilstück 20, welches einen ent­ sprechend der Kassetten-Querschnittskontur in Umfangsrichtung einteilig geschlossenen Faserverbund-Querschnitt aufweist (Fig. 3b), sowie zwei radial verlaufenden, identischen, spiegelsymmetrisch ein­ gebauten U-Profilstücken 22.1 und 22.2 (Fig. 4b), deren Profil- Seitenwände 24 sich in Radialrichtung zunehmend verbreitern, und mindestens einem weiteren Paar ebenfalls identischer und spiegelsymmetrisch eingebauter U-Profilstücke 26.1 und 26.2, die - gleichfalls mit in Profillängsrichtung zunehmender Seitenwandbreite - am Kassetten- Außenumfang angeordnet sind. Die Profil-Seitenwände der U-Profilstücke 22 und 26 sind so zugeschnitten, daß sie die jeweilige Hohlkassette 16 auf beiden Seiten im wesentlichen lückenlos abdecken und sich demgemäß eine großflächige Schubkraftanbindung der U-Pro­ filstücke 22, 26 an die nachträglich überwickelten Faserverbund- Deckschichten 10.1 und 10.2 ergibt.

Die Herstellung der Randprofilstücke 20 erfolgt gemäß den Fig. 3a, 3b im Wege des Wickelverfahrens mit Hilfe eines entsprechend geformten Wickeldornes 28. Das Wickellaminat 30 wird auf den Wickeldorn 28 durchgehend mit einer Faserorientierung von vorwiegend ±45° bezüglich der Dornachse aufgebracht, wobei zumindest einige Wickellagen auch einen größeren oder kleineren Wickelwinkel aufweisen können. Nach Beendigung des Wickelvorgangs wird das Wickellaminat 30 auf dem Wickeldorn 28 in eine mehrteilige Außenform 32 eingebracht und unter Wärmeeinwirkung verpreßt und gehärtet, wobei dem Wickellaminat 30 auf der Außenseite eine oder mehrere Nuten 34 geringer Tiefe ein­ geprägt werden, die den Harzfluß beim späteren Verkleben erleichtern. Nach dem Aushärten wird das Wickellaminat vom Dorn 28 entformt und senkrecht zur Mittelachse längs der in Fig. 3a gestrichelt darge­ stellten Trennlinien in eine Vielzahl gleich langer Profilstücke 20 (Fig. 3b) zerteilt.

Die Herstellung der radialen U-Profilstücke 22 erfolgt ebenfalls im Wickelverfahren gemäß den Fig. 4a, 4b unter Verwendung eines recht­ eckigen Wickeldornes 36, welcher durchgehend mit einem Wickellaminat 38 mit einer vorzugsweise unter ±45° verlaufenden, sich kreuzenden Faserorientierung bewickelt wird. In einer mehrteiligen Außenform (nicht gezeigt) wird das Wickellaminat 38 auf dem Dorn 36 verpreßt, wobei gleichzeitig auf der Außenseite des Wickellaminats 38 wiederum Klebstoffnuten 40 geringer Tiefe eingeprägt werden, und unter Wärme­ einwirkung ausgehärtet. Nach dem Entformen von Wickeldorn 36 wird das so gewonnene Rechteckrohr 38 längs paralleler, zur Rohrachse ge­ neigter Trennebenen B in gleich lange Rohrstücke zerlegt, deren Länge der Länge der herzustellenden U-Profilstücke 22 entspricht. Die Rohrstücke werden dann längs schräg zur Rohrachse geneigter Trennebenen C zerteilt, so daß pro Rohrstück zwei identische U-Profilstücke 22 mit einstückig an den Profilsteg 42 angeformten, sich in Profillängs-Richtung zunehmend verbreiternden Seitenwänden 24 ent­ stehen.

Die kleinen, umfangsseitigen U-Profilstücke 26 werden ebenfalls im Wickelverfahren analog zu den radialen Profilstücken 22, vorzugsweise jedoch mit einer geringeren Wandstärke, gefertigt, können aber auch als gepreßte Prepreg-Legeteile hergestellt werden.

Die Verklebung der Faserverbund-Einzelteile 20, 22 und 26 zur Hohl­ kassettenstruktur 8 erfolgt mit Hilfe des Vakuum-Injektionsverfahrens. Zu diesem Zweck werden die Radnabe 2 und die Randprofilstücke 20 in einem Verklebewerkzeug positioniert. Die radialen und die um­ fangsseitigen U-Profilstücke 22, 26 werden auf entsprechend vorge­ formte Schaumstoff-Innenkerne 18 aufgesteckt und in die Randprofilstücke 20 eingelegt. Nach dem Schließen des Verklebewerkzeugs erfolgt die Harzinjektion mit anschließender Härtung. Anstelle der Vakuum-Injektion können alle Teile auch mit Harz eingestrichen, in ein Verklebewerkzeug eingelegt und dort miteinander verklebt werden.

Die so gefertigte, lunkerfreie Hohlkassettenstruktur 8 wird mit den Deckschichten 10 auf die in der DE-PS 38 14 343 beschriebene Weise überwickelt und nach dem Aushärten des Deckschichtmaterials mit dem Radreifen 4 verklebt und - z. B. mit Hilfe des Sicherungsrings 14 - formschlüssig verbunden.

Claims (13)

1. Schienenrad mit einer Radnabe, einem Radreifen und einer diese miteinander verbindenden Radscheibe in Faserverbund-Bauweise aus in Radumfangsrichtung aneinanderliegenden, im Querschnitt jeweils kreisringsektorförmigen Hohlkassetten, bestehend aus Faserverbund-Profilen mit längs der Kassetten-Querschnittskontur im wesentlichen senkrecht zu den Radscheiben-Außenflächen verlaufenden Profilstegen und einstückig an diesen angeformten, auf Seiten der Radscheiben-Außenflächen angeordneten Profil-Seitenwänden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkassetten (16) jeweils aus mehreren, zuvor gehärteten, sich in Umfangs- und hiervon getrennt in Radialrichtung der Radscheibe (6) erstreckenden, U-förmigen Faserverbund-Profil­ stücken (22, 26) zusammengesetzt sind.

2. Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkassetten (16) jeweils beidseitig vollflächig von den Seitenwänden (24) der U-Profilstücke (22, 26) abgedeckt sind.

3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein an den U-Profilstücken (22, 26) jeweils einer Hohlkassette (16) stegseitig anliegendes, einteilig mit einem in Umfangsrichtung geschlossenen Faserverbund-Querschnitt entsprechend der Kassetten-Querschnittskontur ausgebildetes Faserverbund- Randprofilstück (20).

4. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Profilstücke (20, 22, 26) im gehärteten und zusammengebauten Zustand miteinander verklebt sind.

5. Schienenrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Profilstücke (20, 22, 26) an ihren Klebeflächen mit Nuten (34, 40) zur Erleichterung des Klebstoffflusses versehen sind.

6. Schienenrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Profilstücke (20, 22, 26) im Wege des Vakuum- Injektionsverfahrens miteinander verklebt sind.

7. Schienenrad nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Profilstücke (20, 22, 26) sämtlicher Hohl­ kassetten (16) gemeinsam zu der Radscheibenstruktur (6) verklebt sind.

8. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkassetten (16) jeweils mit einem spezifisch leichten Innen-, insbesondere Schaumstoffkern (18) ausgefüllt sind.

9. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Faserverbund-Profilstücke (20, 24, 26) gemeinsam auf einem länglichen, durchgehend mit Wickellaminat (30, 38) be­ legten Wickeldorn (28, 36) hergestellt sind, wobei das Wickel­ laminat nach dem Aushärten in die einzelnen Profilstücke zerteilt ist.

10. Schienenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die U-Profilstücke (22, 26) aus einem im Querschnitt rechteckigen Faserverbund-Wickelrohr (38) hergestellt sind, das im gehärteten Zustand in der U-Profillänge entsprechende Rohrlängen zerteilt und auf jeder Rohrlänge längs schräg zur Rohrachse geneigter Trennlinien (C) in zwei identische, jeweils für eine Hohlkassette (16) spiegelsymmetrisch zusammengefügte U-Profilstücke (22) mit in Profillängsrichtung zunehmender Seitenwandbreite zerlegt ist.

11. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hohlkassette (16) ein spiegelsymmetrisch zusammengefügtes Paar identischer, radial verlaufender U-Profilstücke (22) und mindestens ein weiteres, spiegelsymmetrisch zusammengefügtes Paar identischer, am Kassettenumfang verlaufender U-Profilstücke (26) enthält.

12. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserverbundlaminat (30, 38) der Profilstücke (20, 22, 26) in einem mehrteiligen, aus einem Innenkern (Wickeldorn 28, 36) und einer Außenform (32) bestehenden Formwerkzeug ausgehärtet ist.

13. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkassettenstruktur (8) mit äußeren, sich durchgehend über die Kassetten-Außenflächen erstreckenden Faserverbund- Deckschichten (10.1, 10.2) belegt ist.