-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein schallgedämpftes
Rad. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein schallgedämpftes Rad, mit
der speziellen Verwendung auf rollendem Gerät, dessen Räder nicht von der klotzgebremsten
Art sind, einschließlich
Straßenbahnen
oder städtische Fahrzeuge.
-
Bekanntlich haben die Räder, mit
welchen auf Schienen rollende Einrichtungen versehen sind, aufgrund
ihrer speziellen Verwendung stark geräuscherzeugende Eigenschaften,
welche grundlegend durch den systematischen Kontakt mit der Schiene erzeugt
werden.
-
Das Rad ist das Hauptelement des
durch einen Eisenbahnzug erzeugten Geräusches, da es eine große Abstrahlungsoberfläche und
gleichzeitig eine extrem reduzierte Dämpfung aufweist.
-
Um diesen Nachteil zu vermeiden wurden verschiedene
Schalldämmungssysteme
für die
Räder,
welche schienenrollende Fahrzeuge ausstatten, konstruiert: Jedoch
haben solche Systeme ernsthafte Nachteile.
-
Eine bekannte Lösung verwendet Packungen von
Metallfolien, welche sich mit Folien aus viskoelastischem Material
abwechseln. Die Metallfolien haben unterschiedliche Dicken, um so
bei verschiedenen Frequenzen zu vibrieren und um den Frequenzbereich
der Resonanz des Rades abzudecken; die Deformation des viskoelastischen
Materials hat die Dissipation der Schwingungsenergie in Form von Hitze
zur Folge. Diese Lösung
von Folienpackungen erfordert ein mechanisches Zusammenbauen auf dem
Rad durch Schrauben oder Bolzen; dasselbe Rad bedingt somit entsprechend
der Zusammenbauposition, welche die zentrale Platte oder die Wälzmanschette
betreffen kann, eine Änderung
seiner üblichen
Geometrie, da es mit Löchern
oder Rillen versehen werden muß.
Diese Arbeitsschritte bewirken insgesamt eine deutliche Gewichtserhöhung für jedes
einzelne Rad in der Größenordnung
von 35 bis 45 kg. Ausserdem wird jedes Rad mit einer großen Anzahl
von Metallfolien und viskoelastischen Folien versehen und jedes
davon erfordert für
den Zusammenbau 2 bis 4 Schrauben oder Bolzen; deshalb ist diese
Lösung
kompliziert und wenig praktikabel, nicht zuletzt deshalb, weil das
verwendete viskoelastische Material freiliegt, d. h. in Kontakt
mit atmosphärischen
Mitteln und dem Licht kommt, wodurch im Laufe der Zeit die Verschlechterung
ihrer mechanischen Eigenschaften bewirkt wird.
-
Auch vom Sicherheitsgesichtspunkt
gesehen hat diese bekannte Lösung
Nachteile, da die Schrauben oder Bolzen die Folienpackungen nicht
fixieren, sondern sich unvorhergesehen lösen oder brechen können; solche
Möglichkeiten
müssen
konkret in Betracht gezogen werden, in Anbetracht der hohen Spannungen
und Schwingungen, welchen das Rad insgesamt unterworfen ist. Eine
andere bekannte Lösung,
die zur Dämpfung
des Geräusches von
auf Schienen rollenden Fahrzeugen verwendet wird, verwendet ein
oder mehr Metallringe, die unter der Wälzmanschette der Räder eingepasst
sind; diese Ringe neigen dazu, die Schwingungsenergie durch die
Reibung zu übertragen,
die zwischen den Ringen und der Oberfläche der Radaushöhlung erzeugt
wird. Der Ring oder die Ringe werden aus maßkalandriertem Rundstahl hergestellt,
an den Enden geschweißt
und in die Aushöhlung
eingesetzt. Die Wirksamkeit dieser Lösung, die an sich kompliziert
ist, ist streng an die Qualität
des Kontakts zwischen dem Ring oder der Ringe und der Aushöhlung gebunden,
welche durch den Aufbau von Pulvern oder Fett modifiziert werden
kann und durch den Druck beeinflusst werden kann, welcher während des
Zusammenbaus schwierig zu steuern ist, wenn der Ring in dem fixierten
Sitz eingepasst ist.
-
Der Gesamtanstieg des Radgewichtes
ist, obwohl niedriger als bei der vorhergehenden Lösung auch
in diesem Fall deutlich, und ist im allgemeinen umfasst zwischen
10 und 15 kg.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die obengenannten Nachteile zu vermeiden.
-
Genauer ist es die Aufgabe dieser
Erfindung, ein schallgedämpftes
Rad zu realisieren, welches speziell für rollendes Gerät zu verwenden
ist, welches mit nicht-blockgebremsten Rädern ausgestattet ist, einschließlich Straßenbahnen
oder städtische Fahrzeuge,
und welches Rad geeignet ist, während des
Gebrauchs durch den Kontakt mit der Schiene erzeugte Geräuschemissionen
wesentlich zu reduzieren.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein schallgedämpftes
Rad zu realisieren, derart, dass keine strukturellen Änderungen
in der üblichen
Geometrie der in diesem Sektor traditionell verwendeten Räder erforderlich
ist.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein schallgedämpftes
Rad zu realisieren, das ein extrem begrenztes Gewicht aufweist,
was die zusätzlichen
Mittel betrifft, die für
die wesentliche Reduzierung von Schallemissionen verwendet werden.
-
Eine weitere Aufgabe ist es für die Verwender
ein schallgedämpftes
Rad bereitszustellen, derart, dass ein hohes Niveau von Widerstandsfähigkeit und
Zuverlässigkeit
in der Zeit sichergestellt ist, und ebenso, dass es einfach und
wirtschaftlich realisierbar ist.
-
Diese Aufgaben werden durch das schallgedämpfte Rad
von Anspruch 1 gelöst.
-
Ein schallgedämpftes Rad für Eisenbahnen, Straßenbahnen
oder städtische
Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus EP-A-0 872 358 bekannt, das durch diese
Veröffentlichung
offenbart ist, umfasst eine Nabe, die ein Durchgangsloch umschließt, einen
Umfangsring, der sich auf der inneren Vorderseite in eine geformte
Kante und eine zentrale Platte erstreckt, abgesenkt und geformt,
an der Nabe und dem Ring durch bogenförmige Teile gekoppelt ist;
wobei die Platte zumindest auf einer Vorderseite eine mit Druck
angebrachte zusammengesetzte Beschichtung aufweist, die durch eine
viskoelastische Schicht hergestellt ist, an welcher eine Metallmembran überlagert
ist, wobei die Beschichtung an der geformten Oberfläche fixiert
ist, welche die Vorderseite(n) der Platte festlegt.
-
Ein solches schallgedämpftes Rad
ist auch aus JP-A-61010140 bekannt.
-
Das schallgedämpfte Rad der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die viskoelastische Schicht ein
geschäumtes
Material ist, das aus einem Acrylschaum gebildet ist.
-
Vorzugsweise liegt der Acrylschaum
in Form eines beidseitig klebenden Streifens vor.
-
Der Anbringungsbereich der Metallmembran erstreckt
sich nicht nur auf den geraden oder flachen Teil der zentralen Platte
des Rades, sondern auch auf den Verbindungsteil zwischen der zentralen
Platte und der Wälzmanschette.
In Anbetracht der Resonanzfrequenzen eines Eisenbahnrades mit einer ziemlich
dünnen
zentralen Platte und einer massiveren Nabe und in Anbetracht der
modalen Ausbildungen, gemäß welchen
sich das Rad dynamisch und zyklisch bei jeder der Resonanzfrequenzen
verformt, beobachtet man, dass die Erzeugung von Schallwellen durch
das Rad von solchen wirklichen Ausbildungen abhängt und insbesondere bei der
Geschwindigkeit, bei welcher seine Oberfläche in Kontakt mit der Luft
ist, in der normalen Richtung schwingt, wodurch die Luftschall-Druckwellen
erzeugt werden, welche das menschliche Ohr hören kann, wenn die Frequenz zwischen
20 Hz und 20 kHz umfasst ist. Die Reduktion der Schallemissionen
findet durch Erhöhen
der strukturellen Dämpfung
statt, d. h. durch Erhöhen
der Energie, die bei jedem Deformationszyklus des Rades dissipaziert
wird. Stahl weist im wesentlichen eine Nulldämpfung auf, während viskoelastische
Materialien eine sehr hohe Dämpfung
aufweisen.
-
Die Dämpfungserhöhung findet statt, wenn die
dynamisch-zyklische Spannung des Rades eine hinreichend dynamisch-zyklische
Spannung in dem viskoelastischen Material bewirkt; das Dämpfungssystem
ist wirksamer, je mehr es an dem Radbereich ist, in welchem die
Oberfläche
sich am meisten deformiert.
-
Obwohl die modalen Ausbildungen unterschiedlich
zueinander sind und obwohl jede eine Erhöhung in der geometrischen Komplikation
auf die Erhöhung
der Frequenz aufweist, ist es möglich
zwei Familien derselben Ausbildung zu identifizieren, welche im
wesentlichen alle der grundliegenden enthalten, welche Geräusche erzeugen;
in einigen Ausbildungen einer ersten Art deformieren sowohl die Wälzmanschette,
als auch die zentrale Platte, während
in anderen die Deformation nur die Wälzmanschette betrifft. In diesem
zweiten Fall kann die Dämpfung
nicht erfolgen, wenn die Dämpfungsbehandlung
nur den geraden Teil der zentralen Platte des Rades betrifft, welches
weiterhin Geräusch
erzeugen wird, während
die erste Art von Ausbildungen nur teilweise gedämpft werden wird. Für beide
dieser modalen Familien ist der Verbindungsbereich zwischen der
zentralen Platte und der Wälzmanschette der
Bereich, in welchem die dynamisch-zyklische Spannung des Rades am
meisten konzentriert ist, und seine Beschichtung bewirkt, gemäß den durch den
Anmeldern ausgeführten
Tests, eine optimale Dämpfung
aller modalen Ausbildungen.
-
Das Anbringen einer auf den geraden
Teil der zentralen Platte begrenzten Beschichtung würde ein
Entkoppeln der modalen Ausbildungen der ersten Art mit sich bringen;
wegen der größeren Masse
und Größe der Manschette
hinsichtlich der zentralen Platte würde dieselbe Manschette weiterhin
schwingen, unabhängig
von der Verminderung der Schwingungen auf der zentralen Platte.
-
Die konstruktiven und funktionalen
Eigenschaften des schallgedämpften
Rades der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung
besser verstanden, wobei auf die anhängenden Zeichnungen Bezug genommen
wird, welche eine bevorzugte, nicht einschränkende, bevorzugte Ausführungsform
desselben ist, und wobei:
-
1 einen
teilweisen Längsschnitt
des schallgedämpften
Rades der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt;
-
2 eine
Vergrößerung des
Rades aus 1 in dem inneren
Teil der Verbindung zwischen der zentralen Platte und der Wälzmanschette
des Rades schematisch zeigt;
-
3 eine
Vergrößerung des
Rades von 1 in dem äußeren Teil
der Verbindung zwischen der zentralen Platte und der Wälzmanschette
des Rades schematisch zeigt;
-
4 eine
Vergrößerung des
Rades aus 1 in dem zentralen
oberen Teil der zentralen Platte des Rades schematisch zeigt.
-
Beginnend unter Bezugnahme auf 1 umfasst das schallgedämpfte Rad
der vorliegenden Erfindung, welches insgesamt durch 10 in 1 bezeichnet ist, welche
einen teilweisen Längsschnitt desselben
darstellt, üblicherweise
eine Nabe 12, die ein zentrales Durchgangsloch 14 begrenzt,
einen Umfangsring 16, der auf der Innenseite in eine geformte
Kante 18 erstreckt ist, welche die Führungsfunktion entlang der
Schiene (nicht dargestellt) ausführt
und einen abgesenkten und geformten Zentralteil 20 mit
mixtilinearer Abwicklung, welcher die Platte bildet und mit der
Nabe 12 und dem Ring 16 verbunden ist. Die Platte 20 weist
eine Dicke auf, die deutlich kleiner als die Nabe 12 und
der Umfangsring 16 ist, der ringförmige Kränze 22, 24 festlegt.
-
Erfindungsgemäß wird eine zusammengesetzte
Beschichtung 26, die durch eine viskoelastische Schicht
und einer Metallmembran gebildet ist, entlang der inneren und/oder äußeren Seite(n)
der Platte 20 des Rades 10 bis zu dem Verbindungsbereich
mit der Wälzmanschette
vorgesehen, welcher durch den Ring 16 begrenzt ist; in
dem gegenüberliegenden
Bereich erstreckt sich die Beschichtung 26 entlang der
Platte 20 bis in die Nähe
des inneren 30 und äußeren 32 gekrümmten Teils
der Verbindung mit der Nabe 12.
-
Die viskoelastische Schicht der Beschichtung 26,
bezeichnet durch 34, ist so angeordnet, dass sie die Platte 20 des
Rades 10 berührt,
während
die Metallmembran, welche die Beschichtung komplettiert, bezeichnet
durch 36, die Schicht 34 bedeckt und frei liegt.
-
Die viskoelastische Schicht 34 ist
aus einem beidseitig klebenden Acrylschaum eingeschränkter Dicke
gebildet, der beispielsweise aus einem beidseitig klebenden Material
gebildet ist, von der Art wie das unter dem Namen VHB 4950 von 3M
hergestellte Material.
-
Vorzugsweise wird die Metallmembran 36 aus
Aluminium oder Stahl gleichmäßiger Dicke
erhalten, die beispielsweise zwischen 1,0 und 2,0 mm umfasst ist.
-
Der beidseitig klebende Acrylschaum,
der die viskoelastische Schicht 34 bildet, hat die Form
eines Streifens geeigneter Höhe,
welcher ringförmig ist,
um eine oder beide Seiten der Platte 20 und den Verbindungsbereich
zwischen der Platte und der durch den Ring 16 begrenzten
Wälzmanschette
zu bedecken.
-
Die Schicht wird vorzugsweise durch
Walzen auf Folientafeln geklebt, aus welchen die Metallmembrane 36 erhalten
wird; die so erhaltene Platte wird dann entsprechend der Form der
zentralen Platte geschnitten und vorgeformt und mittels Druck auf
dem Rad angebracht.
-
Bei der Ausführungsform der Figuren ist
eine durch die viskoelastische Schicht 34 und der Metallmembrane 36 zusammengesetzte
Beschichtung 26 beispielsweise auf sowohl der inneren als
auch auf der äußeren Seite
der Platte 20 angebracht; es ist jedoch ersichtlich, dass
dieselbe Beschichtung 26 auf nur eine der Seiten der Platte 20 angebracht
werden kann. Abhängig
von dem für
die Membrane 36 verwendeten Material, beispielsweise Aluminium
oder Stahl, umfasst das Gesamtgewicht der Beschichtung 26 jeder
einzelnen Front der Platte 20 ungefähr zwischen 1,7 und 4,0 kg.
-
In der so gebildeten Beschichtung 26 ist
die viskoelastische Schicht 34, die auf die Oberfläche des
schwingenden Ausbaus, d. h. die Platte 20 des Rades 10,
durch eine Metallmembran 36 bedeckt, derart, dass die sogenannte
Scherspannung erhöht ist,
welche in dieser Schicht 34 als Folge der dynamisch-zyklischen
Spannung der schwingenden Oberfläche
auftritt; dies bewirkt eine Erhöhung
der Dissipation der Schwingungsenergie in Form von Wärme und
deshalb eine Erhöhung
der strukturellen Dämpfung.
Die experimentellen Labortests, welche an den Rädern 10 ausgeführt wurden,
welche mit der Beschichtung 26 auf beiden Seiten der Platte
versehen waren, haben eine bemerkenswerte Reduktion der Schallemission
im Vergleich zu üblichen
Rädern ohne
Schalldämpfungseinrichtungen
gezeigt; insbesondere in dem Frequenzband, welches zwischen 2 und
6 kHz umfasst ist, welches als das Band eingeschätzt wird, in welchem das Geräusch der
Räder gegenüber den
durch andere Komponenten wie die Schiene erzeugten Geräusch vorherrscht,
haben diese Tests es erlaubt, eine Reduzierung um mehr als 20 dB
für die
dominierenden Spitzen festzustellen.
-
Wie aus dem oben beschriebenen gefolgert werden
kann, sind die durch die Erfindung erzielten Vorteile evident.
-
Das schallgedämfte Rad der vorliegenden Erfindung,
insbesondere verwendbar für
rollendes Material mit Rädern,
die nicht von der klotzgebremmsten Art sind, einschließlich Straßenbahnen oder
städtische
Fahrzeuge, erlaubt es, die Schallemission wesentlich zu verringern
durch die zusammengesetzte Beschichtung 27, welche auf
zumindest einer der Fronten der Platte 20 vorgesehen ist.
-
Insbesondere vorteilhaft ist die
Möglichkeit der
Anbringung der Beschichtung 26 auf einer Front oder beiden
Seiten der Platte 20, wobei eine Modifikation der üblichen
Geometrie der Räder
nicht erforderlich ist; dieselbe Beschichtung 26, welche
keine mechanischen Montagen benötigt,
hat außerdem
ein sehr eingeschränktes
Gewicht und unterliegt nicht einer Verschlechterung durch atmosphärische Mittel, da
ihr freiliegender Teil durch eine unveränderliche Metallmembrane gebildet
wird.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung
zuvor bezugnehmend auf eine bevorzugte, illustrative aber nicht
einschränkende
Ausführungsform
beschrieben wurde, sind Alternativen und Variationen innerhalb der
anhängenden
Ansprüche
möglich.