NL1007759C2

NL1007759C2 - Lichaam met een gebogen metalen loopvlak en werkwijze voor het verminderen van geluidemissie.

Info

Publication number: NL1007759C2
Application number: NL1007759A
Authority: NL
Inventors: William Wei; Alex Stok
Original assignee: Univ Twente
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-06-11
Also published as: WO1999029520A1

Description

LICHAAM MET EEN GEBOGEN METALEN LOOPVLAK EN WERKWIJZE VOOR

HET VERMINDEREN VAN GELUIDEMISSIE

5 4089

De uitvinding heeft betrekking op een lichaam met een gebogen metalen loopvlak dat kan af rollen op een oppervlak. Een dergelijk lichaam kan een metalen wiel zijn, bijvoorbeeld een wiel voor een trein of een tram. Het 10 lichaam kan ook een onderdeel van een kogellager of een rollager zijn. Bij al deze voorbeelden rolt een gebogen metalen loopvlak af op een metalen oppervlak, waarbij het aanrakingsgebied tussen het loopvlak en het oppervlak in hoofdzaak lijnvormig is wanneer het loopvlak cilindervormig 15 is en het oppervlak vlak is. Bij andere vormen van het loopvlak en/of het oppervlak kan het aanrakingsgebied in hoofdzaak een elliptische of een ronde vorm hebben.

Bij het afrollen van het loopvlak op het oppervlak kan om 20 velerlei redenen slijtage optreden. Slijtage aan het gebogen loopvlak kan het gevolg zijn van wrijvingscontact met het oppervlak, waarbij materiaalverlies van het loopvlak kan optreden. Het materiaalverlies kan ook het gevolg zijn van wrijving waarbij tussen het loopvlak en het oppervlak 25 materiaaldeeltjes aanwezig zijn, waarbij in feite de wrijving optreedt tussen deze materiaaldeeltjes en het loopvlak.

In de praktijk blijkt dat het materiaalverlies als gevolg 30 van wrijving vaak een polygonisatie van het loopvlak tot gevolg heeft, dat wil zeggen dat het gebogen loopvlak in zekere mate de vorm krijgt van een al of niet regelmatige veelhoek.

35 Polygonisatie van een gebogen loopvlak kan het gevolg zijn van slijtage, maar het kan ook, al of niet in combinatie met slijtage, het gevolg zijn van al of niet plaatselijke verhitting of plastische vervorming van het materiaal van 10 077 5 9"« 2 het loopvlak. Deze plaatselijke verhitting of plastische vervorming kan bijvoorbeeld optreden wanneer het loopvlak wisselend belast wordt of wanneer het oppervlak een wrijvingskracht ondervindt. Een dergelijke wrijvingskracht 5 kan het gevolg zijn van wri j vingscontact met het eerdergenoemde oppervlak. Een gebogen metalen loopvlak van een treinwiel kan belast en/of verhit worden door wrijvend contact met remblokken die tegen het loopvlak worden gedrukt teneinde de trein af te remmen.

10

Vervorming en/of verhitting van het loopvlak kan een wijziging van de kristalstructuur van het metaal aan het oppervlak van dat loopvlak tot gevolg hebben. In de praktijk is gebleken dat bij een stalen treinwiel door de verhitting 15 en/of vervorming de kristalstructuur aan het oppervlak plaatselijk kan worden omgezet in een hardere kristalstructuur, bijvoorbeeld een martensietische structuur, terwijl zich tussen de oppervlaktedelen met het relatief harde metaal gebieden aanwezig zijn met relatief 20 zachter metaal, bijvoorbeeld ferriet en/of perliet. Een dergelijke omzetting van de kristalstructuur van het metaal aan het oppervlak van het loopvlak heeft in de praktijk vaak polygonisatie tot gevolg, enerzijds doordat plaatselijk het materiaalvolume wijzigt en anderzijds doordat de zachtere 25 gedeelten van het materiaaloppervlak sneller slijten dan de hardere gedeelten.

De aldus ontstane polygonisatie van het loopvlak heeft onder meer tot gevolg dat het bij het afrollen van het loopvlak , 30 geproduceerde geluid aanzienlijk kan toenemen. Een j aanzienlijk deel van de geluidemissie van een voorbij rijdende trein blijkt dan ook het gevolg te kunnen zijn van een ongewenste polygonisatie van de wielen van de trein. En bij verder gebruik van de trein neemt de geluidemissie 35 verder toe omdat een eenmaal geïnitieerde polygonisatie tijdens het rijden en remmen van de trein verder wordt vergroot.

3

Polygonisatie van het loopvlak heeft voorts het ontstaan van trillingen tot gevolg, welke trillingen om allerlei redenen weer ongewenst kunnen zijn.

5 De uitvinding beoogt het verminderen van geluidemissie en andere nadelige gevolgen van het afrollen van een metalen gebogen loopvlak op een oppervlak door het voorkomen van het ontstaan van een ongewenste vorm van polygonisatie danwel door de gevolgen ervan te verminderen.

10

Hiertoe wordt volgens de uitvinding aan vooraf bepaalde delen van het loopvlak een hardere kristalstructuur gegeven dan de kristalstructuur van andere delen van het loopvlak. Op deze wijze is het mogelijk een vorm van polygonisatie 15 te initiëren die minder nadelig is doordat minder trillingen en/of minder geluidemissie ontstaat. Ook wanneer de geïnitieerde polygonisatie door het gebruik van het lichaam met het gebogen loopvlak verder wordt versterkt, blijven de geluidemissie en de ontstane trillingen beperkter dan 20 bij de spontaan ontstane polygonisatie, omdat de vooraf bepaalde delen van het loopvlak zodanig kunnen worden gekozen dat ook bij toenemende onrondheid van het gebogen loopvlak een gunstiger vorm van dat loopvlak aanwezig is dan zonder de bewerking van de vooraf bepaalde delen van 25 het loopvlak.

Bij voorkeur bestaat het loopvlak uit staal en is de hardere kristalstructuur martensiet. Deze martensietstructuur kan worden aangebracht door de betreffende delen van het 30 loopvlak gedurende korte tijd te verhitten.

Bij voorkeur trekken de delen met een hardere kristalstructuur zich uit in stroken over het gebogen loopvlak. Het ontstaan van trillingen en geluid kan worden 35 tegengegaan door de onderlinge afstanden tussen opeenvolgende stroken met een vooraf bepaalde regelmaat te variëren.

ΐ 0 0 7 ? ^ 9 .

4

Bij voorkeur verlopen de stroken onderling evenwijdig en maken de stroken een scherpe hoek met de looprichting, zijnde de richting waarin het loopvlak op het oppervlak afrolt, welke scherpe hoek bij voorkeur kleiner is dan 80° 5 en meer bij voorkeur ligt tussen 40° en 75°. In een voorkeursuitvoering is deze hoek ongeveer 70°.

Bij voorkeur overlappen de stroken elkaar in die zin dat in breedte-richting van het loopvlak steeds een deel met 10 de hardere kristalstructuur aanwezig is. Daarbij kunnen de schuine stroken elkaar zodanig overlappen dat steeds één, twee of zelfs drie stroken in breedterichting naast elkaar liggen. Daarbij kan het loopvlak in hoofdzaak de vorm van een cylinderoppervlak hebben, welk loopvlak kan afrollen 15 op een in hoofdzaak vlak oppervlak.

In een voorkeursuitvoering bestaat het lichaam uit een wiel voor een tram of een trein, welk wiel over een rail kan rijden.

20

De breedte van de stroken martensiet kunnen bijvoorbeeld 5-20 mm zijn terwijl tussen deze stroken gedeelten met ferriet en perliet aanwezig zijn dat relatief zacht is en waarvan de breedte dezelfde grootorde heeft of groter is. 25

De uitvinding heeft voorts betrekking op een voertuig, bijvoorbeeld een trein, voorzien van wielen in de vorm van een lichaam zoals eerder beschreven.

3 0 De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een lichaam met een gebogen metalen loopvlak dat kan afrollen op een oppervlak, volgens welke werkwijze aan voorafbepaalde delen van het loopvlak een hardere kristalstructuur wordt gegeven dan de 3 5 kristalstructuur van andere delen van het loopvlak. Daartoe wordt het materiaal van het loopvlak plaatselijk aan een warmtebehandeling onderworpen.

1007759^ 5

Bij voorkeur vindt de plaatselijke verhitting plaats door middel van een laserstraal die over het loopvlak wordt verplaatst. Een dergelijke laserstraal kan een diameter hebben van 5 mm en de snelheid waarmee de laserstraal zich 5 over het oppervlak beweegt kan 0,5 tot 20 mm/sec. zijn. Het materiaal aan het oppervlak van het loopvlak kan daarbij worden verhit tot een temperatuur boven bijvoorbeeld 800° Celsius waarna het snel afkoelt, zodat er martensiet kan ontstaan. De hardingsdiepte, dat wil zeggen de diepte tot 10 waar martensiet is getransformeerd, is bijvoorbeeld 0,5 mm.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het verminderen van geluidemissie bij het rijden met een voertuig, zoals een trein of een tram, met metalen wielen 15 over metalen rails, waarbij de wielen worden voorzien van een loopvlak waarvan voorafbepaalde delen een hardere structuur hebben dan andere delen van het loopvlak.

Ter verduidelijking van de uitvinding zullen, onder 20 verwijzing naar de tekening, enkele voorbeelden van een gebogen metalen loopvlak worden beschreven.

Figuren 1 en 2 tonen een deel van een loopvlak, en figuur 3 toont een treinwiel.

25

De figuren zijn slechts schematische weergaven, waarbij overeenkomende delen met gelijke verwijzingscijfers zijn aangegeven.

3 0 In de figuren zijn de delen van een loopvlak die een martensietische kristalstructuur hebben gearceerd weergegeven. De overige delen van het loopvlak hebben een zachtere kristalstructuur.

35 Figuur 1 toont een deel van een loopvlak waarbij de delen van het loopvlak met een martensietische kristalstructuur worden gevormd door schuinlopende stroken 1. De overige 10077*9., 6 delen 2 van het loopvlak hebben een zachtere kristalstructuur en bestaan bijvoorbeeld uit ferriet en/of perliet.

5 Doordat de gearceerde delen 1 tot een diepte van ongeveer en 0,5 mm zijn omgezet in een martensietische structuur, is niet alleen in die delen de hardheid van het materiaal vergroot, maar is bovendien een profiel tot stand gebracht omdat bij het omzetten naar de martensietische structuur 10 materiaal enigszins uitzet. Daarvoor liggen de gearceerde delen 1 enigszins hoger dan de ertussen gelegen delen 2. Dit verschil in hoogte kan nog verder worden vergroot door slijtage doordat de zachtere delen 2 sneller slijten dan de hardere delen 1.

15

Volgens figuur 1 zijn de stroken 1 met een martensietische structuur schuin gericht zodat bij het afrollen van het loopvlak steeds ten minste één strook 1 in contact is met het oppervlak waarover het lichaam afrolt.

20

Figuur 2 toont een voorbeeld waarbij de stroken 1 met martensiet in dwarsrichting zijn gericht ten opzichte van de richting waarin het loopvlak afrolt. De onderlinge afstand tussen de stroken 1 varieert zodanig dat de door 25 het afrollen tot stand gebrachte geluidemissie en trillingen tot een minimum beperkt zijn. Door proefnemingen kan een variatie van de onderlinge afstanden worden bepaald die een minimale geluidproduktie tot stand brengt. Vervolgens kan deze vooraf bepaalde variatie op het te bewaken loopvlak 30 worden aangebracht.

Figuur 3 toont een treinwiel 3 in perspectivisch aanzicht, welk treinwiel 3 is voorzien van een flens 4. Het loopvlak van het treinwiel is voorzien van stroken 1 met een 35 martensietische kristalstructuur terwijl de overige delen 2 van het loopvlak een zachtere kristalstructuur hebben. De stroken 1 met de martensietische structuur worden : 1007759-1 7 aangebracht door middel van een laser 5 die een laserstraal 6 naar het oppervlak van het treindeel richt.

Deze laserstraal 6 kan plaatselijk zoveel energie aan het 5 materiaal (staal) van het loopvlak toedienen, dat dat materiaal wordt verhit tot een temperatuur boven 800° C. Door de goede warmtegeleiding van het staal is de vervolgens optredende temperatuurdaling voldoende snel om een martensietische structuur te laten ontstaan.

10

Door het treinwiel te roteren (pijl 7) om rotatieas 8 en gelijktijdig de laser 5 te bewegen in de richting van de pijlen 9 kunnen de stroken 1 in de gewenste richting worden aangebracht.

15

De beschreven uitvoeringsvormen moeten als voorbeeld worden beschouwd, er zijn vele andere variaties mogelijk waarbij het metalen loopvlak van een treinwiel of van een rollager of van een ander rollend lichaam van een plaatselijk hardere 20 kristalstructuur wordt te voorzien, zodat de geproduceerde trillingen en geluid tot een minimum worden beperkt.

* Π Π '? Γ Q ««· 'i VS' W t i .J y

Claims

1. Lichaam met een gebogen metalen loopvlak dat kan 5 afrollen op een oppervlak, met het kenmerk, dat aan voorafbepaalde delen van het loopvlak een hardere kristalstructuur is gegeven dan de kristalstructuur van andere delen van het loopvlak. 10

2. Lichaam volgens conclusie l,.met het kenmerk, dat het loopvlak uit staal bestaat en dat de hardere kristalstructuur martensiet is. 15

3 . Lichaam volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de delen met een hardere kristalstructuur zich in stroken over het gebogen loopvlak uitstrekken.

4. Lichaam volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de 20 stroken onderling in hoofdzaak evenwijdig verlopen.

5. Lichaam volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat genoemde stroken een scherpe hoek maken met de looprichting, zijnde de richting waarin het loopvlak 25 op het oppervlak afrolt, welke scherpe hoek bij voorkeur kleiner is dan 80 graden, meer bij voorkeur kleiner is dan 70 graden.

6. Lichaam volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de 30 stroken elkaar overlappen in die zin dat in breedte- richting van het loopvlak steeds een deel met de hardere kristalstructuur aanwezig is.

7. Lichaam volgens een der voorgaande conclusies, met het 35 kenmerk, dat het loopvlak in hoofdzaak de vorm heeft van een cylinderoppervlak. £ r n -7 - ; - "v l {zJ (I t '-J· <

8. Lichaam volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het lichaam een wiel voor een tram- of trein is, welk wiel over een rail kan rijden.

9. Voertuig, voorzien van wielen in de vorm van een lichaam volgens een der voorgaande conclusies.

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een lichaam met een gebogen metalen loopvlak dat kan afrollen op een 10 oppervlak, met het kenmerk, dat aan voorafbepaalde delen van het loopvlak een hardere kristalstructuur wordt gegeven dan de kristalstructuur van andere delen van het loopvlak.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat ter verkrijging van de hardere kristalstructuur aan het loopvlak plaatselijke een warmtebehandeling wordt gegeven.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat het loopvlak plaatselijk wordt bewerkt met een laserstraal.

13. Werkwijze voor het verminderen van geluidemissie bij 25 het rijden van een voertuig, zoals een trein of een tram, met metalen wielen over metalen rails, met het kenmerk, dat de wielen worden voorzien van een loopvlak waarvan voorafbepaalde delen een hardere structuur hebben dan andere delen van het loopvlak. * j ? v i 3*«