WO1998005517A1 - Schienenrad mit radnabe, einteiligem radkranz und radnabe und radkranz verbindender radscheibe - Google Patents
Schienenrad mit radnabe, einteiligem radkranz und radnabe und radkranz verbindender radscheibe Download PDFInfo
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- B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
- B60B17/00—Wheels characterised by rail-engaging elements
- B60B17/0006—Construction of wheel bodies, e.g. disc wheels
Definitions
- rail wheels with a camber-free wheel disc are predominantly used today. If such rail wheels have a straight wheel disc lying perpendicular to the wheel axis, they have the disadvantages described above because of the high wheel disc rigidity.
- rail wheels were developed, the wheel disks of which are camber-free, but are more or less corrugated in the radial direction.
- the radial rigidity was further reduced by reducing the pane thickness.
- the extremely high compressive stresses acting in the circumferential direction in the wheel rim no longer occur because the wheel disc can yield in the radial direction, but such rail wheels have the Disadvantage that they have a lower load-bearing capacity and a lower axial rigidity which affects the running in the track compared to rail wheels with a flat wheel disc standing perpendicular to the wheel axis.
- locally high bending stresses with exceeding the yield point in the wheel disc can result from the corrugation.
- the invention has for its object to provide a rail wheel, in particular for braking, which is largely insensitive to permanent deformations and local stress peaks under high loads, in particular due to thermal stress, such as occurs when braking with blocks.
- Such a rail wheel is characterized according to the invention by the following features: a) The point of intersection which has tangents on the arches on the wheel rim in the region of the end faces of the wheel rim from the track rim side A distance between 1/3 and 2/3 of the wheel rim width. b) The intersection of the tangents on the wheel hub-side arches in the area of the front ends of the wheel hub has an axial offset in the direction of the wheel flange of 1/100 to 1/10 of half the sum of the tread diameter and the wheel rim inner diameter.
- the thinnest point of the wheel disc should be at a distance of 1/4, in particular 1/3, to 2/3, in particular 1/2, of the distance between the intersections of the wheel rim-side and wheel hub-side tangents from the wheel rim-side intersection.
- the thickness of the thinnest point is dimensioned according to the operating load according to the formula 1/6 ( ⁇ i tL * D l * TM ) + p lk w, * * * °) ⁇ d ⁇ mm) ( ⁇ i) - * D ⁇ TM P ⁇ kW ) * - 900
- A is the axle load in t and P is the pad braking power per wheel in kW and D is the track diameter of the rail wheel in mm.
- the thickness of the wheel disc which becomes thicker over arches, is halfway between the thinnest point and the intersection on the wheel hub side between 1.1 and 1.3 of the thinnest point.
- angles of inclination of the tangents to the wheel axis should be between 5 ° and 30 °, in particular between 10 ° and 20 °.
- transition radii of the wheel hub-side arches should be 1/8 to 1/3, in particular 0.20, of the diameter of the wheel hub outside.
- transition radii of the wheel arch-side arches should be 1/6 to 1/2, in particular 0.25, of the wheel rim width.
- the invention also relates to the use of the aforementioned rail wheel for braking the block.
- the wheel disc falls to a sufficiently high elasticity of the wheel disc.
- the large arcuate transitions from the wheel rim on the one hand and the wheel hub on the other hand to the thinnest point in the wheel disc keep the stresses occurring at a tolerable level without the elastic limit being exceeded. Since the yield strengths are not exceeded, there are no new harmful residual stresses with cracks on the tread. That is why the bike remains stable in terms of track.
- the measures according to the invention provide a rail wheel that is reliable in the long term.
- FIG. 2 shows the wheel rim of the rail wheel according to FIG. 1 with lines of the same voltage
- FIG. 3 shows the rail wheel according to FIG. 1 with a wheel disk deformed as a result of a strongly warmed wheel rim in half axial section
- the one-piece rail wheel shown in Fig. 1 consists of a wheel hub 1, a wheel disc 2 and a wheel rim 3.
- the wheel disc 2 is designed with a camber, ie that the wheel hub 1 is axially offset relative to the wheel rim 3 to its flange side.
- the intersection of the tangents T3, T4 on the wheel rim 3 lies at a distance B1 from the front end of the wheel flange, which is preferably between 0.42 x B and 0.58 x B, where B is the width of the wheel flange 3.
- the wheel disc 2 has its smallest thickness d at a distance of 0.5 to 0.3 from the distance 1 of the intersection points from the intersection point on the wheel rim side.
- the increase in the thickness of the wheel disc 2 on both sides takes place via arcs, in particular circular or parabolic arches.
- the degree of increase at half the distance between the thinnest point and the wheel hub-side intersection is 1.1 d to 1.3 d.
- the smallest thickness d (mm) is calculated using the following formula
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein einstückiges Schienenrad aus Radnabe (1), Radscheibe (2) und Radkranz (3), wobei die Radscheibe (2) mit Sturz angeordnet ist und eine kegelige Mittelebene aufweist. Die Mantelflächen (1a, 1b, 3a, 3b) von Radnabe (1) und Radkranz (3) gehen über Bögen mit vergleichsweise großen Krümmungsradien (R1, R2, R3, R4) in die Mantelfläche (2a, 2b) der Radscheibe (2) über, die nicht von geraden Erzeugenden sondern bogenförmigen Erzeugenden gebildet wird und ihre dünnste Stelle im mittleren Bereich zwischen Radnabe und Radkranz hat. Ein solches Rad ist auf Grund dieser Formgebung auch bei hohen Wärmebelastungen des Radkranzes infolge von Klotzbremsung gegen die Dehngrenze überschreitenden Belastungen geschützt.
Description
Schienenrad mit Radnabe, einteiligem Radkranz und Radnabe und Radkranz verbindender Radscheibe
Seit langem werden bei der Konstruktion von Schienenrädern große Anstrengungen unternommen, um die im Betrieb auftretenden örtlichen Belastungen klein zu halten, jedenfalls bleibende Verformungen infolge einer Überbelastung insbesondere unter Wärme zu vermeiden. Bekanntlich treten solche hohe Belastungen insbesondere bei klotzgebremsten Schienenrädern auf . So kann es bei Gefällefahrten während der Alpenüberquerung zu Erwärmungen des Radkranzes bis über 500°C kommen. Mit verschiedenen Formen, insbesondere der Radscheibe hat man versucht , diesen Belastungen Rechnung zu tragen . Während früher die Radscheibe in der Regel einen Sturz aufwies, d.h. einen Versatz zwischen Radnabe und Radkranz bestand, werden heute überwiegend Schienenräder mit sturzfreier Radscheibe eingesetzt.
Die bei der Klotzbremsung eines Schienenrades im Radkranz entstehenden hohen Temperaturen führen zu einer Ausdehnung des Radkranzes. Infolge dieser Ausdehnung wird die Radscheibe in radialer Richtung auf Zug belastet . Sofern die Radscheibe sehr steif ist, behindert sie die Ausdehnung des Radkranzes, so daß der Radkranz in Umfangsrichtung druckbelastet wird. Die dabei
auftretenden Spannungen können die Dehngrenze des Werkstoffes, die mit den erwähnten hohen Temperaturen absinkt, überschreiten, so daß es zu plastischen Verformungen und zur Ausbildung neuer Eigenspannungen bei Erkaltung des Rades kommt. Bei einem bekannten, nicht ausdrücklich für die Klotzbremsung vorgesehenen Schienenrad (DE-AS 23 31 738) , mit einer einen Sturz aufweisenden Radscheibe käme es bei starker Erwärmung zu einer bleibenden Verformung der Radscheibe durch auf sie radial nach außen einwirkenden Zugkräfte des Radkranzes. Diese bleibende Verformung wirkt sich in einer Änderung des Spurmaßes des Rades aus, so daß solche Räder umgepreßt werden müßten. Hinzu kommt, daß die Räder im Fahrbetrieb insbesondere an den Übergängen der Radscheibe zur Radnabe überlastet würden, weil sich den aus den radialen Zugkräften des Radkranzes ergebenden, quasistatischen Vorlasten die beim Rollen des Rades ergebenden Wechselkräfte überlagerten.
Aus diesen letzten Gründen werden, wie schon erwähnt, heute überwiegend Schienenräder mit sturzfreier Radscheibe eingesetzt. Sofern solche Schienenräder aber eine senkrecht zur Radachse liegende gerade Radscheibe haben, haben sie wegen der großen Radscheibensteifigkeit die oben geschilderten Nachteile.
Um diese Nachteile nicht in Kauf nehmen zu müssen, wurden Schienenräder entwickelt, deren Radscheiben sturzfrei sind, aber in radialer Richtung mehr oder weniger stark gewellt sind. Bei derartigen Konstruktionen wurde zusätzlich durch Reduzierung der Scheibendicke die radiale Steifigkeit weiter vermindert. Bei solchen Radscheibenformen kommt es zwar nicht mehr zu den in Umfangrichtung wirkenden extrem hohen Druckspannungen im Radkranz, weil die Radscheibe in radialer Richtung nachgeben kann, doch haben solche Schienenräder, den
Nachteil, daß sie im Vergleich zu Schienenrädern mit ebener, senkrecht zur Radachse stehender Radscheibe eine geringere Tragfähigkeit und eine den Lauf im Gleis beeinflußende, geringere, axiale Steifigkeit haben. Hinzu kommt, daß sich infolge der Wellung örtlich hohe Biegebeanspruchungen mit Überschreitungen der Dehngrenze in der Radscheibe ergeben können. Zusätzlich hat sich gezeigt, daß sich infolge der Klotzbremsung hohe UmfangsSpannungen im Radkranz vor allem an der spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche ergeben. Gerade an dieser Stelle sind aber hohe Spannungen besonderes kritisch, weil es zu Wärmeanrissen durch die überschleifende Bremsklötze kommen kann. Diese Anrisse sind Schwachstellen, die die Bruchgefahr des Radkranzes erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenrad insbesondere für die Klotzbremsung zu schaffen, das weitgehend gegenüber bleibenden Verformungen und örtlichen Spannungsspitzen bei hoher Beanspruchung, insbesondere durch Wärmebelastung, wie sie beim Klotzbremsen auftritt, unempfindlich ist.
Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von einem Schienenrad mit einer Radnabe, einem einteiligen Radkranz und einer mit ihren Mantelflächen über Kreis- und/oder Parabel- und/oder Korbbögen in die Mantelflächen von Radnabe und Radkranz übergehenden Radscheibe ausgegangen, deren Dicke sowohl von der Radnabe als auch von dem Radkranz bis zu ihrem mittleren Bereich abnimmt .
Ein solches Schienenrad ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Der Schnittpunkt, der an den radkranzsei igen Bögen im Bereich der Stirnseiten des Radkranzes anliegenden Tangenten hat von der spurkranzseitigen
Stirnseite einen Abstand zwischen 1/3 und 2/3 der Radkranzbreite . b) Der Schnittpunkt, der an den radnabenseitigen Bögen im Bereich der Stinrseiten der Radnabe anliegenden Tangenten hat einen axialen Versatz in Richtung des Spurkranzes von 1/100 bis 1/10 der halben Summe aus dem Laufflächendurchmesser und dem Radkranzinnendurchmesser.
c) Die kegelige Mittelebene, der mit Sturz ausgebildeten Radscheibe verläuft durch die beiden Schnittpunkte .
Bei dem erfindungsgemäßen Schienenrad treten im Betrieb nicht die bei den bekannten Schienenrädern geschilderten Nachteile auf. Insbesondere kommt es nicht zu einer hohen Spannungskonzentration an der als Ausgangspunkt für Brüche besonders kritischen spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche.
Im folgenden werden Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, die weiter dazu beitragen, daß es nicht zu örtlichen Spannungskonzentrationen, insbesondere nicht, zu bleibenden Verformungen kommt, die einerseits Ausgangspunkte für Risse und Brüche bilden und andererseits zu Spurveränderungen führen.
So sollte die dünnste Stelle der Radscheibe in einem Abstand von 1/4, insbesondere 1/3, bis 2/3, insbesondere 1/2, des Abstandes der Schnittpunkte der radkranzseitigen und radnabenseitigen Tangenten von dem radkranzseitigen Schnittpunkt liegt. Die Dicke der dünnsten Stelle ist nach der Betriebsbelastung nach der Formel dimensioniert
1/6 ( Δi tL* Dl*™) +plkw, * *° ) ≤d{mm) ( Äi )- * D<™ P { kW) *- 900
0 , 3 900 D(m ) 0 , 3 900 D{ m)
wobei A die Radsatzlast in t und P die Klotzbremsleistung pro Rad in kW und D der Laufkreisdurchmesser des Schienenrades in mm sind.
Als Maß für die Dickenzunahme der Radscheibe ist vorgesehen, daß die Dicke der über Bögen dicker werdenden Radscheibe auf halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt zwischen 1,1 und 1,3 der dünnsten Stelle liegt.
Die Neigungswinkel der Tangenten zur Radachse sollten zwischen 5° und 30°, insbesondere zwischen 10° und 20°, liegen.
Die Übergangsradien der radnabenseitigen Bögen sollten 1/8 bis 1/3, insbesondere 0,20, des Durchmessers der Radnabenaußenseite betragen.
Die Übergangsradien der radkranzseitigen Bögen sollten 1/6 bis 1/2, insbesondere 0,25 der Radkranzbreite betragen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung des vorgenannten Schienenrades für die Klotzbremsung.
Alle diese Merkmale der Formgebung des Schienenradeε tragen dazu bei, zu einer wesentlich günstigeren Spannungsverteilung im Radkranz als bei bekannten Schienenrädern zu kommen. Der Sturz der Radscheibe führt
zu einer ausreichend hohen Elastizität der Radscheibe.. Die großen bogenförmigen Übergänge von dem Radkranz einerseits und der Radnabe andererseits bis zur dünnsten Stelle in der Radscheibe halten die auftretenden Spannungen auf einem ertragbaren Niveau, ohne daß es zu Überschreitungen der Dehngrenze kommt . Da die Dehngrenzen nicht überschritten werden, kommt es auch nicht zu neuen schädlichen Eigenspannungen mit Anrissen an der Lauffläche. Deshalb bleibt das Rad auch spurmaßstabil . Insgesamt erhält man durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein auf Dauer betriebssicheres Schienenrad.
Im folgendem wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelen zeigen:
Fig. 1 ein Schienenrad im halben Radialschnitt,
Fig. 2 den Radkranz des Schienenrades gemäß Fig. 1 mit Linien gleicher Spannung,
Fig. 3 das Schienenrad gemäß Fig. 1 mit einer infolge eines stark erwärmten Radkranzes verformten Radscheibe im halben Axialschnitt,
Fig. 4 das Schienenrad gemäß Fig. l im halben Axialschnitt mit Diagrammen für die Spannung im Bereich der Radscheibe .
Das in Fig. 1 dargestellte einstückige Schienenrad besteht aus einer Radnabe 1 , einer Radscheibe 2 und einem Radkranz 3. Die Radscheibe 2 ist mit Sturz ausgebildet, d.h., daß die Radnabe 1 gegenüber dem Radkranz 3 zu dessen Spurkranzseite hin axial versetzt ist. Solche
Schienenräder haben einen Durchmesser D = 500 bis 1300 mm.
Sowohl die radial außen liegenden Mantelflächen la,lb der Radnabe 1 als auch die radial innenliegenden Mantelflächen 3a, 3b des Radkranzes 3 gehen über Bögen mit den Radien Rl, R2, R3,R4 in die Mantelflächen 2a, 2b der Radscheibe 2 über. Tangenten T1,T2,T3,T4 an den radnabenseitigen und radkranzseitigen Mantelflächen la-ld der Bögen haben einen Neigungswinkel α 1, c. 2 , der vorzugsweise zwischen 10° und 20° liegt. Der Schnittpunkt der Tangenten T3,T4 am Radkranz 3 liegt in einem Abstand Bl von der spurkranzseitigen Stirnseite, der vorzugsweise zwischen 0,42 x B und 0,58 x B liegt, wobei B die Breite des Spurkranzes 3 ist . Der Schnittpunkt der Tangenten T1,T2 an der Radnabe 1 ist gegenüber dem vorerwähnten Schnittpunkt in Richtung des Spurkranzes axial um s = 0,03 bis 0,05 der halben Summe des Laufflächendurchmessers D und des Innendurchmessers Dl des Radkranzes 3 axial versetzt. Die Radscheibe 2 hat ihre kleinste Dicke d in einem Abstand von 0,5 bis 0,3 des Abεtandes 1 der Schnittpunkte vom radkranzseitigen Schnittpunkt. Die Dickenzunahme der Radscheibe 2 nach beiden Seiten erfolgt über Bögen, insbesondere Kreisoder Parabelbögen. Der Grad der Zunahme beträgt beim halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt 1,1 d bis 1,3 d.
Die kleinste Dicke d (mm) rechnet sich nach folgender Formel
1/6 ( Ad *L * D±Mil p( * 900 ) ( ) JL { ALt)_ < Di mnl +pikw) 900
0 , 3 900 D(mm) 4 0 , 3 900 D (nvπ)
mit A = Radsatzlast in t und P = Klotzbremsleistung ja Rad in kW und D = Laufkeisdurchmesser in mm.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile ergeben sich aus den Darstellungen der Fig. 2 bis 4.
Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die höchste Spannungskonzentration im mittleren weniger gefährdeten Bereich der Lauffläche 3c vorhanden ist, daß aber zur höher gefährdeten, spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche 3c hin diese hohe Spannung schnell abgebaut wird. Bei herkömmlichen Schienenrädern sind die Verhältnisse gerade umgekehrt, d.h., daß der Bereich höchster Spannung nahe an der spurkranzseitigen Kante liegt und in diesem Bereich die Linien gleicher Spannung weit auseinander liegen, ja sich sogar bis an den Fußpunkt der Radscheibe 2 erstrecken.
Bei Fig. 3 ist das Verformungsverhalten des Schienenrades bei starker Erwärmung des Radkranzes 3 stark übertrieben dargestellt, um deutlich zu machen, daß die Radscheibe weniger steif ist und eine radiale Ausdehnung des Radkranzes 3 im elastischen Bereich ermöglicht. Deshalb können sich keine hohen quasistationären Druckspannungen in Umfangsrichtung im Radkranz 3 ausbilden. Auch kommt es nicht im Bereich der Radscheibe 2 zu unzulässig hohen Biegespannungen, die die Dehngrenze überschreiten. Dafür verantwortlich sind die großen Übergangsradien und Bögen bis zum Bereich der dünnsten Stelle. Dies zeigt auch die Fig. 4. Die zu beiden Seiten des Rades dargestellten Diagramme zeigen in der unteren Kurve das Spannungsverhalten des erfindungsgemäßen Rades und darüber das Spanungsverhalten konventioneller Räder mit hohen Spannungsspitzen .
Claims
1. Schienenrad mit einer Radnabe (1), einem einteiligen Radkranz (3) und einer mit ihren Mantelflächen über Kreis- und/oder Parabel- und/oder Korb-Bögen in die Mantelflächen (la, lb, 3c, 3d) von Radnabe (1) und Radkranz (3) übergehenden Radscheibe (2) , deren Dicke sowohl von der Radnabe (1) als auch von dem Radkranz (3) bis zu ihrem mittleren Bereich abnimmt, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale :
a) Der Schnittpunkt, der an den radkranzseitigen Bögen (3a, 3b) im Bereich der Stirnseiten des Radkranzes
(3) anliegenden Tangenten (T3,T4) hat von der spurkranzseitigen Stirnseite einen Abstand (Bl) zwischen 1/3 und 2/3 der Radkranzbreite (B) .
b) Der Schnittpunkt an den radnabenseitigen Bögen (la,lb) im Bereich der Stirnseiten der Radnabe (1) anliegenden Tangenten (T1,T2) hat einen axialen Versatz (s) in Richung des Spurkranzes von 1/100 bis 1/10 der halben Summe aus dem Laufflächendurchmesser (D) und dem
Radkranzinnendurchmesser (Dl) .
c) Die kegelige Mittelebene der mit Sturz ausgebildeten Radscheibe (2) verläuft durch die beiden Schnittpunkte .
2. Schienenrad nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dünnste Stelle der Radscheibe (2) in einem Abstand (b) von 1/4, insbesondere 1/3, bis 2/3, insbesondere 1/2, des Abstandes (1) der Schnittpunkte der radkranzseitigen und radnabenseitigen Tangenten von dem radkranzseitigen Schnittpunkt liegt.
3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke (d) der dünnsten Stelle nach der Betriebsbelastung nach der Formel dimensioniert ist
) 
mit A = Radsatzlast in t und P = Bremsleistung je Rad in kW und D = Laufkreiεdurchmesser in mm.
4. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke (dl) der über Bögen dicker werdenen Radscheibe (2) auf halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt zwischen 1,1 d und 1,3 d liegt.
5. Schienenrad nach eir m der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Neigungswinkel (a l,c. 2) der Tangenten (T1,T2,T3,T4) zwischen 5° und 30°, insbesondere 10° und 20° liegen.
6. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ubergangsradien (R1,R2) der radnabenseitigen Bögen 1/8 bis 1/3, insbesondere 0,20 des Radnabenaußendurchmesser (D2) betragen.
7. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ubergangsradien (R3,R4) der radkranzseitigen Bögen 1/6 bis 1/2, insbesondere 0,25 der Radkranzbreite (B) betragen.
8. Verwendung eines Schienenradeε nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Klotzbremsung.
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Country Status (2)
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| WA | Withdrawal of international application | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |