WO2023237269A1 - Lüfter für einen fahrmotor eines schienenfahrzeugs - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a fan for a traction motor of a rail vehicle, with a fan shaft made of steel and a fan wheel attached to the fan shaft.
  • fans for traction motors are typically made of cast steel.
  • both the fan wheel and the fan shaft are made of steel. This means that there are no differences between the fan wheel and the shaft in terms of the respective thermal expansion coefficient, so that a wide temperature range for operation of the fan can be guaranteed.
  • the invention is based on the object of providing a fan that is suitable for use in cooling a traction motor and has a lower weight.
  • the fan wheel is at least partially made of plastic reinforced with carbon fibers (CFRP) and the fan wheel is fastened to the fan shaft by means of a press fit.
  • CFRP carbon fibers
  • the fan wheel preferably has a radially outer fan wheel section, which comprises blades and an inner retaining ring for the blades and is formed from the plastic reinforced with carbon fibers, and a sleeve inserted into the retaining ring, the sleeve having a laminate layer made of glass fiber reinforced plastic (GRP ) is connected to an inside of the retaining ring.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the use of the laminate layer made of glass fiber reinforced plastic between the inner retaining ring and the sleeve causes a gradient of the thermal expansion coefficient between the section made of carbon fiber reinforced plastic and the steel fan shaft to be much flatter than if the outer fan wheel section is directly would be placed on the steel fan shaft.
  • this measure increases the long-term strength of the fan.
  • the outer fan section is preferably formed in one piece.
  • the blades and the inner retaining ring can be manufactured in a casting process in the same work step.
  • the glass fiber reinforced plastic and the carbon fiber reinforced plastic are based on the same plastic. It would also be conceivable to use atypically different plastics. Because compatibility problems can arise, e.g. with adhesion. This is why it is generally avoided to combine different plastics.
  • Suitable plastics are preferably epoxy, polyester or vinyl ester resin plastics, with the former being the most suitable due to their mechanical properties. These plastics belong to the group of thermoset plastics. Thermoplastics are also conceivable are combined with the fibers to form a laminate in a melting process. Polyamides such as PA11, polyoxymethylene (POM) or polyetheretherketone (PEEK) would be suitable. The advantages of thermoplastics include high impact strength.
  • the glass fibers of the glass fiber reinforced plastic can preferably be oriented unidirectionally in the circumferential direction of the sleeve.
  • the use of this defined anisotropy of the fiber material enables directed extensibility or reduction of the elasticity and shear modulus of the laminate layer between the retaining ring and the sleeve.
  • the high strength and rigidity of the glass fibers used for reinforcement can be used in the loading direction, i.e. in the circumferential/tangential direction of the sleeve.
  • the glass fiber used is preferably E-glass as a unidirectional fabric with a grammage of 600 g/m 2 .
  • the preferred carbon fiber used is the T-700 fiber as a bidirectional fabric (410 g/m 2 ) and woven fabric (580 g/m 2 ).
  • a flatter shear and shear stress gradient forms across the thickness of the glass fiber layer. This allows high temperature differences to be compensated for. This affects both the radial compressive stress in the material, which can lead to cracks, and axial stresses, which can lead to the press fit becoming loose.
  • the sleeve is preferably designed as a steel sleeve, which is laminated into the retaining ring, so that the thermal expansion coefficients of the fan shaft and the fan wheel component adjacent to it are the same.
  • the laminate layer preferably has a wall thickness of 2 to 5 mm, so that the differences in the temperature expansion of the materials involved (steel, CFRP) can be compensated for.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a fan for a traction motor
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the detail “X” from FIG. 1 and
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal sectional view of a laminate layer of the fan from FIG. 1.
  • the fan comprises a fan wheel 1 which is fastened to a fan shaft 2 made of steel by means of a press fit.
  • the fan wheel 1 includes a radially outer fan section 3 made of plastic (CFRP) reinforced with carbon fibers.
  • the radially outer fan wheel section 3 is equipped with blades 4 for conveying cooling air for cooling, for example, a traction motor of a rail vehicle. These blades 4 originate from an inner retaining ring 5 and extend radially outwards.
  • the blades 4 are formed in one piece with the retaining ring 5 and consist of plastic (CFRP) reinforced with carbon fibers.
  • the fan wheel 1 is equipped with a centrally arranged sleeve 6 made of steel, which in turn is connected to an inside of the retaining ring 5 via a laminate layer 7 made of glass fiber-reinforced plastic.
  • the carbon fiber-reinforced plastic for the blades 4 and the inner retaining ring 5 of the radially outer fan section 3 is based on the same plastic that is used for the laminate layer 7.
  • the CFRP/GFK plastic is an epoxy plastic, which is best suited due to its mechanical properties.
  • E-glass is used as glass fiber as a unidirectional fabric with a grammage of 600 g/m 2 .
  • the carbon fiber used is the T-700 fiber as a bidirectional fabric (410 g/m 2 ) and woven fabric (580 g/m 2 ).
  • the laminate layer (7) has a wall thickness of 3.5 mm and can vary between 2 and 5 mm depending on the application.
  • FIG Shear stress 2 shows a schematic sectional view of a detail “X” from FIG Shear stress. This allows high temperature differences to be compensated. This affects both the radial compressive stress in the material, which can lead to cracks, and axial stresses, which can lead to the press fit between the sleeve 6 and the fan shaft 2 being loosened. As in the laminate layer 7 glass fiber reinforced plastic illustrated in Figure 2, the tension j) decreases in the direction from the sleeve 6 to the retaining ring 5.
  • glass fibers 8 have a significantly lower elasticity and shear modulus than carbon fibers. This means that significantly higher elongations are possible for the glass fibers 8.
  • Figure 3 illustrates that the glass fibers 8 (in Fig. 8, for example, three glass fibers are designated with reference numbers) in the laminate layer 7 are oriented unidirectionally (arrow P indicates radial orientation) around the sleeve 6 (0° radial).
  • arrow P indicates radial orientation
  • mechanical properties are Shafts of the fan wheel 1 in the longitudinal direction of the fan shaft 2 are only defined by the plastic used.
  • a directional extensibility or reduction of the elastic and shear modulus is achieved, while high strength and rigidity are achieved in the loading direction (radial direction of the fan wheel).

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lüfter für einen Fahrmotor eines Schienenfahrzeugs, mit einer Lüfterwelle (2) aus Stahl und einem auf der Lüfterwelle (2) befestigten Lüfterrad (1), wobei das Lüfterrad (1) wenigstens teilweise aus mit Kohlen-stofffasern verstärktern Kunststoff (CFK) hergestellt ist und das Lüfterrad (1) mittels einer Presspassung auf der Lüfterwelle (2) befestigt ist.

Description

Beschreibung
Lüfter für einen Fahrmotor eines Schienenfahrzeugs
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lüfter für einen Fahrmotor eines Schienenfahrzeugs , mit einer Lüfterwelle aus Stahl und einem auf der Lüfterwelle befestigten Lüfterrad .
Bei einem solchen bekannten Lüfter, der für eine Kühlung eins Fahrmotors , beispielsweise eines Schienenfahrzeugs geeignet ist , sind hohe Anforderungen zu erfüllen, was die Nutzbarkeit des Lüfters über einen breiten Temperaturbereich von beispielsweise minus 20 ° C bis 100 ° C betri f ft .
Aus diesem Grunde sind Lüfter für Fahrmotoren typischerweise aus Stahlguss hergestellt . Dies bedeutet , dass sowohl das Lüfterrad als auch die Lüfterwelle aus Stahl bestehen . Daraus ergibt sich, dass zwischen Lüfterrad und Welle keine Unterschiede hinsichtlich eines j eweiligen Wärmeausdehnungskoef fizienten vorliegen, sodass ein breiter Temperaturbereich für einen Betrieb des Lüfters gewährleistet werden kann .
Jedoch zeichnet sich ein solcher, aus Stahlguss hergestellter Fahrmotorlüfter durch ein sehr hohes Eigengewicht aus .
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde , einen Lüfter bereitzustellen, der für einen Einsatz zur Kühlung eines Fahrmotors geeignet ist und ein geringeres Eigengewicht aufweist .
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst , dass das Lüfterrad wenigstens teilweise aus mit Kohlenstof f fasern verstärktem Kunststof f ( CFK) hergestellt ist und das Lüfterrad mittels einer Presspassung auf der Lüfterwelle befestigt ist .
Durch den Einsatz von mit Kohlenstof f fasern verstärktem Kunststof f ist es möglich, dass Eigengewicht des Lüfters deutlich herabzusetzen . Bevorzugt weist das Lüfterrad einen radial äußeren Lüfterradabschnitt, der Schaufeln und einen inneren Haltering für die Schaufeln umfasst und aus dem mit Kohlenstoff fasern verstärkten Kunststoff gebildet ist, und eine in den Haltering eingesetzte Hülse auf, wobei die Hülse über eine Laminatschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit einer Innenseite des Halterings verbunden ist.
Der Einsatz der Laminatschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff zwischen dem inneren Haltering und der Hülse, bewirkt, dass ein Gradient des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Abschnitt, der aus Kohlenstoff fasern verstärktem Kunststoff hergestellt ist, und der Lüfterwelle aus Stahl wesentlich flacher verläuft, als wenn der äußere Lüfterradabschnitt unmittelbar auf die Lüfterwelle aus Stahl gesetzt wäre .
Insofern wird durch diese Maßnahme eine Dauerf estigkeit des Lüfters erhöht.
Bevorzugt ist der äußere Lüfterabschnitt einstückig ausgebildet. Beispielsweise können die Schaufeln und der innere Haltering in einem Gussverfahren in demselben Arbeitsschritt hergestellt sein.
Es ist von Vorteil, wenn der glasfaserverstärkte Kunststoff und der kohlenstoff faserverstärkte Kunststoff, auf demselben Kunststoff basieren. Es wäre auch denkbar jedoch untypisch unterschiedliche Kunststoffe zu verwenden. Denn es können Kompatibilitätsprobleme auftreten, z.B. bei der Anhaftung. Deshalb wird es grundsätzlich vermieden, verschiedene Kunststoffe zu kombinieren.
Als Kunststoff geeignet sind bevorzugt Epoxid-, Polyesteroder Vinylesterharz-Kunststoffe, wobei erstere aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften am besten geeignet sind. Diese Kunststoffe gehören zur Gruppe der Duroplastischen Kunststoffe. Denkbar sind aber auch Thermoplastische Kunststoffe, die in einem Schmelzprozess mit den Fasern zu einem Laminat verbunden werden. Geeignet wären Polyamide z.B. PA11, Polyoxymethylen (POM) oder Polyetheretherketon (PEEK) . Die Vorteile der Thermoplaste sind z.B. eine hohe Schlagzähigkeit.
Die Glasfasern des glasfaserverstärkten Kunststoffs können bevorzugt unidirektional in Umfangsrichtung der Hülse orientiert sein. Die Ausnutzung dieser definierten Anisotropie des Faserwerkstoffs, ermöglicht eine gerichtete Dehnbarkeit bzw. Reduzierung des Elastizitäts- und des Schubmoduls der Laminatschicht zwischen dem Haltering und der Hülse. Gleichzeitig kann in Belastungsrichtung, d.h. in Umfangsrich- tung/Tangentialrichtung der Hülse, die hohe Festigkeit und Steifigkeit der zur Verstärkung benutzten Glasfasern genutzt werden .
Als Glasfaser wird bevorzugt E-Glas als unidirektionales Gelege mit einer Grammatur von 600 g/m2 verwendet. Als Kohlenstofffaser wird bevorzugt die T-700 Faser als bidirektionales Gelege (410 g/m2) und Gewebe (580 g/m2) verwendet.
Uber die Dicke der Glasfaserschicht bildet sich ein flacherer Spannungsgradient der Scher- und Schubspannung. Dadurch können hohe Temperaturdifferenzen kompensiert werden. Dies betrifft sowohl die radiale Druckspannung im Werkstoff, die zu Rissen führen kann, sowie axiale Spannungen, die zum Lösen der Presspassung führen können.
Die Hülse ist bevorzugt als Stahlhülse ausgebildet, die in den Haltering einlaminiert ist, so dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Lüfterwelle und des daran angrenzenden Bau- tels des Lüfterrades gleich sind.
Bevorzugt weist die Laminatschicht eine Wandstärke von 2 bis 5 mm auf, so dass die Unterschiede in den Temperaturausdehnungen der beteiligten Materialien (Stahl, CFK) kompensiert werden können. Ein Aus führungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert .
Es zeigen :
FIG 1 eine Querschnittsansicht eines Lüfters für einen Fahrmotor,
FIG 2 eine schematische Schnittansicht der Einzelheit „X" von FIG 1 und
FIG 3 eine schematische Längsschnittansicht einer Laminatschicht des Lüfters von FIG 1 .
FIG 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Lüfter für einen Fahrmotor eines Schienenfahrzeugs . Der Lüfter umfasst ein Lüfterrad 1 , das mittels einer Presspassung auf einer Lüfterwelle 2 aus Stahl befestigt ist .
Das Lüfterrad 1 umfasst einen radial äußeren Lüfterabschnitt 3 aus mit Kohlenstof f fasern verstärktem Kunststof f ( CFK) . Der radial äußere Lüfterradabschnitt 3 ist mit Schaufeln 4 zur Förderung von Kühlluft für eine Kühlung beispielsweise eines Fahrmotors eines Schienenfahrzeugs ausgestattet . Diese Schaufeln 4 gehen von einem inneren Haltering 5 aus und erstrecken sich radial auswärts . Die Schaufeln 4 sind mit dem Haltering 5 einstückig ausgebildet und bestehen aus mit Kohlenstof f fasern verstärktem Kunststof f ( CFK) .
Darüber hinaus ist das Lüfterrad 1 mit einer zentral angeordneten Hülse 6 aus Stahl ausgestattet , welche wiederum über eine Laminatschicht 7 aus glas faserverstärktem Kunststof f mit einer Innenseite des Halterings 5 verbunden ist .
Dabei basiert der mit Kohlenstof f faser verstärkte Kunststof f für die Schaufeln 4 und den inneren Haltering 5 des radial äußeren Lüfterabschnitts 3 auf demselben Kunststof f , der für die Laminatschicht 7 zum Einsatz kommt . Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel handelt es sich bei dem CFK-/GFK-Kunststof f um einen Epoxid-Kunststoff, der aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften am besten geeignet ist.
Als Glasfaser wird E-Glas als unidirektionales Gelege mit einer Grammatur von 600 g/m2 verwendet. Als Carbonfaser wird die T-700 Faser als bidirektionales Gelege (410 g/m2) und Gewebe (580 g/m2) verwendet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Laminatschicht (7) eine Wandstärke von 3,5 mm auf und kann je nach Anwendungsfall zwischen 2 und 5 mm variieren.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Einzelheit „X" von Figur 1, die aneinandergrenzende Abschnitte der Hülse 6, der Laminatschicht 7 und des Halterings 5 umfasst. Über eine Dicke der aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellten Laminatschicht 7 bildet sich ein flacher Spannungsgradient der Scher- und Schubspannung. Dadurch können hohe Temperaturdifferenzen kompensiert werden. Dies betrifft sowohl die radiale Druckspannung im Werkstoff, die zu Rissen führen kann, sowie axiale Spannungen, die zum Lösen der Presspassung zwischen der Hülse 6 und der Lüfterwelle 2 führen können. Wie in der Laminatschicht 7 aus glasfaserverstärktem Kunststoff in Figur 2 veranschaulicht, verringert sich die Spannung j) in Richtung von der Hülse 6 auf den Haltering 5.
Es wird ausgenutzt, dass Glasfasern 8 ein deutlich geringeres Elastizitäts- und Schubmodul aufweisen als Kohlenstoff fasern . Dadurch sind bei den Glasfasern 8 deutlich höhere Dehnungen möglich .
Figur 3 veranschaulicht, dass die Glasfasern 8 (in Fig. 8 sind beispielshalber drei Glasfasern mit Bezugsziffern bezeichnet) in der Laminatschicht 7 unidirektional (Pfeil P zeigt radiale Orientierung an) um die Hülse 6 orientiert werden (0° radial) . In dieser Weise werden mechanische Eigen- schäften des Lüfterrades 1 in Längsrichtung der Lüfterwelle 2 nur durch den eingesetzten Kunststoff definiert. Unter Ausnutzung der definierbaren Isotropie von Faserwerkstoffen wird eine gerichtete Dehnbarkeit bzw. Reduzierung des Elastizi- täts- und Schubmoduls erreicht, während in Belastungsrichtung (Radialrichtung des Lüfterrades) hohe Festigkeit und Steifigkeit erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Lüfter für einen Fahrmotor eines Schienenfahrzeugs, mit einer Lüfterwelle (2) aus Stahl und einem auf der Lüfterwelle (2) befestigten Lüfterrad (1) , dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (1) wenigstens teilweise aus mit Kohlenstoff fasern verstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt ist und das Lüfterrad (1) mittels einer Presspassung auf der Lüfterwelle
(2) befestigt ist.
2. Lüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (1) einen radial äußeren Lüfterradabschnitt
(3) , der Schaufeln (4) und einen inneren Haltering (5) für die Schaufeln (4) umfasst und aus dem mit Kohlenstoff fasern verstärktem Kunststoff gebildet ist, und eine in den Haltering (5) eingesetzte Hülse (6) aufweist, wobei die Hülse (6) über eine Laminatschicht (7) aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit einer Innenseite des Halterings (5) verbunden ist .
3. Lüfter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der äußere Lüfterabschnitt (3) einstückig ausgebildet ist .
4. Lüfter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der glasfaserverstärkte Kunststoff und der kohlenstoff faserverstärkte Kunststoff auf demselben Kunststoff basieren.
5. Lüfter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern (8) des glasfaserverstärkten Kunststoffs un- idirektional in Umfangsrichtung der Hülse (6) orientiert sind .
6. Lüfter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (6) als Stahlhülse ausgebildet ist, die in den Hal- tering (5) einlaminiert ist.
7. Lüfter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminatschicht (7) eine Wandstärke von 2 bis 5 mm auf- weist.
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