VERBUNDSTROMSCHIENE

Verbundstromschiene

Vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundstromschiene, enthaltend ein Trägerprofil aus einem Leichtmetallwerkstoff mit einer Kopffläche sowie ein auf der Kopffläche angeordnetes Profilband aus einem härteren Metall. Stromschienen, auch als "Dritte Schiene" oder "Third RaN" bezeichnet, dienen der Energiezufuhr für schienengebundene, elektrisch betriebene Transportmittel, insbesondere für Bahnen bzw. Gleichstrombahnen, wie Schnell- oder Untergrundbahnen, oder Förderanlagen. Die Stromschienen bilden sogenannte Schleifflächen aus, über welche ein Stromabnehmer streicht und so den Kontakt zum Verbraucher, welches in der Regel ein Antriebs- fahrzeug ist, herstellt. Stromschienen können derart angeordnet sein, dass diese entweder von oben, von der Seite oder von unten durch den Stromabnehmer der Schienenfahrzeuge bestrichen werden. Die Stromschienen werden üblicherweise von sogenannten Stromschienenträgern (zB Halteklammern) getragen bzw. an einer Grundstruktur befestigt.

Herkömmliche Stromschienen bestehen aus einem Metallwerkstoff wie beispielsweise Stahl, Eisen oder Messing. Bekannt sind auch sogenannte Verbundstromschienen mit einem Trag- oder Grundkörper aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie zB Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und einem mit dem Tragkörper metallisch und/oder mechanisch verbundenen Profilband aus einem Metallwerkstoff höherer Abriebfestigkeit, wie zB Stahl, welches als Schleiffläche für den Stromabnehmer dient. Stromschienen können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wobei die Stromschienen jeweils immer eine Schleiffläche, auch Schleifebene oder Streichfläche genannt, für den berührenden Stromabnehmer beinhalten. Besonders häufig gelangen querschnittlich I-förmige Stromschienenprofile zum Einsatz. I-förmige Stromschienenprofile bestehen aus einem Schienenfuss, einem Schienenhals und einem Schienenkopf mit einer Schleiffläche, wobei zB bei Verbundstromschienen der Schienenkopf mit einem entlang der Profillängsachse verlaufenden, metallischen Profilband mit höherer Abriebfestigkeit abgedeckt ist. Letzeres bildet die Schleiffläche für den berührenden Stromabnehmer aus.

Verbundstromschienen weisen gegenüber herkömmlichen Stahlprofilen wesentliche Vorteile auf. So weist der Aluminium-Tragkörper eine gegenüber Stahl höhere Leitfähigkeit auf. Der Leichtmetalltragkörper ist zudem von geringerem Gewicht. So sind denn auch Verbundstromschienen hinsichtlich ihrer Montagefreundlichkeit gegenüber herkömmlichen Stahlprofilen überlegen. Das Profilband aus härterem Metall, wie Stahl, sorgt zudem für eine hohe Abriebfestigkeit. Bedingt durch Leistungssteigerungen der Antriebsfahrzeuge sowie durch zusätzlichen Strombedarf für Bahnelektronik und Klimatisierung werden zukünftig immer höhere Anforderungen an die Übertragungskapazitäten der Stromschienen gestellt. So werden heute elektrischen Bahnen, wie U-Bahnen oder S-Bahnen, mit Dauerstromstärken von bis 6000 A betrieben bzw. geplant. Daher steigen zukünftig die Anforderungen an die Leitfähigkeit bzw. Übertragungskapazität der Stromschienen.

Bekannte Verbundstromschienen einer ersten Ausführungsart werden im Strangpressverfahren hergestellt, wobei das Profilband während des Strangpressens mit dem Tragkörper metallisch verbunden wird. Die Herstellung vorstehend beschriebener Verbundstromschie- nen ist beispielsweise in der EP 677 338 B1 ausführlich beschrieben.

Verbundstromschienen einer zweiten Ausführungsart setzen auf eine mechanische Verbindung zwischen Trägerprofil oder Profilband. So sind beispielsweise Verbundstromschienen bekannt, bei welchen das Profilband über eine Formschlussverbindung mit dem Trägerprofil verbunden ist. Ferner sind auch Kombinationen zwischen einer metallischen Verbindung und einer Formschlussverbindung bekannt wie dies zB auch der EP 677 338 B1 zu entnehmen ist.

Verbundprofile der ersten Ausführungsart sind von hoher Qualität, jedoch verhältnismässig teuer in ihrer Herstellung. Dies liegt unter anderem daran, dass die Stromschiene am Produktionsort komplett hergestellt und dann in die entsprechenden Länder, wo die Abnehmer sind, exportiert werden müssen. Verbundstromschienen der zweiten Ausführungsart können hingegen als Einzelkomponenten, z. B. als Tragkörper und Profilband hergestellt, in das entsprechende Land eingeführt und dort mehr oder weniger vor Ort endmontiert werden. Dies führt zu einer Verbilligung des Herstellungsprozesses, insbesondere wenn die Lohnkosten im Zielland tiefer sind als im Produktionsland oder die Endfertigung im Zielland über finanzielle Anreize gegenüber einem Import des fertigen Produktes gefördert wird.

Bekannte Verbundstromschienen der zweiten Ausführungsart weisen jedoch auch Nachteile auf. Formschlussverbindungen zwischen Trägerprofil und Profilband setzen gewisse Umformschritte am Profilband voraus. Solche Umformschritte sind bei Profilbändern der üblichen Dicke von mehreren Millimetern und hoher Härte äusserst aufwändig und sollten wenn möglich vermieden werden. Als nachteilig haben sich auch Stromschienen erwiesen, deren Profilbänder durch diese seitlich durchsetzende Schrauben oder Steckorgane am stromführenden Trägerprofil befestigt werden. Ferner muss auch bei Formschlussverbindungen ein guter Kontakt zwischen Profilband und Trägerprofil gewährleistet sein. Das Profilband soll insbesondere nicht zu Wellenbildungen auf dem Trägerprofil neigen, da dadurch die Stromabnahme nachteilig beeinflusst wird. In Kenntnis des Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Verbindung zwischen Trägerprofil und Profilband unter dem Aspekt einer besonders wirtschaftlichen Hersteilungsweise der Stromschiene weiterzuentwickeln und zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Profilband mit dem Träger- 5 profil über wenigstens eine Schweiss-Lötverbindung verbunden ist, wobei zum Trägerprofil hin eine Schweiss- und zum Profilband hin eine Lötverbindung ausgebildet wird. Das heisst, das Profilband wird im Verbindungsbereich nicht geschmolzen.

Das Trägerprofil ist bevorzugt ein Leichtmetall-Strangpressprofil. Das Trägerprofil ist bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Grundkörper aus Aluminium

10 kann beispielsweise ein AI99.5 (AA 1350) oder eine Aluminiumlegierung der Legierungsfamilie AA 6XXX (AIMgSi), AA 5XXX oder AA7XXX sein. Die Bedeutung von X in der Legierungsfamilie ist eine Zahl von 0 bis 9. Die entsprechenden Legierungen können den Registern für Aluminiumlegierungen entnommen werden. Die Aluminiumlegierung kann insbesondere ein AIMgSiO,5 (AA 6060, AA 6106), E-AIMgSiO,5 (AA 6101 B), AIMgO,5Si (AA

15 6063), eine AA 6008 Legierung oder ein AI99,75MgSi (AA 6101) sein.

Das Profilband ist bevorzugt aus einem Eisenmetall, insbesondere aus einem Stahl, wie Edelstahl. Das Profilband liegt bevorzugt als bandförmiges Walzprodukt vor. Die Profilbänder weisen zB eine Dicke von 1 bis 10 mm, insbesondere von 2 bis 8 mm auf.

Das Profilband, bzw. das Ausgangs-Profilband, enthält bevorzugt wenigstens im Bereich 20 der Schweiss-Lötverbindung, bzw. der auszubildenden Schweiss-Lötverbindung, eine Zinkbeschichtung. Die Zinkbeschichtung ist also auf der nach aussen weisenden Seite des dem Trägerprofil anliegenden Profilbandes angeordnet. Das Profilband kann vollflächig oder lediglich im Bereich der Schweiss-Lötverbindung mit einer Zinkbeschichtung versehen sein. Die Zinkbeschichtung kann aus reinem Zink oder einer Zinklegierung sein. Die Zink- 25 beschichtung kann eine Verzinkung, wie Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung) oder eine galvanische Verzinkung (elektrolytische Verzinkung) sein. Andere Verzinkungstechni- ken, wie zB mechanische Verzinkung sollen durch diese Aufzählung jedoch nicht ausgeschlossen sein. Die Zinkbeschichtung kann zB 1 bis 100 μm, insbesondere 5 bis 20 μm betragen. Besonders bevorzugt werden Profilbänder aus verzinktem Stahl verwendet.

30 Anstelle einer Zinkbeschichtung können jedoch auch Flussmittel zur Herstellung der Schweiss-Lötverbindung eingesetzt werden. Die Flussmittel dienen ebenfalls der Benetzung des Profilbandes.

Das Profilband erstreckt sich bevorzugt quer über den Trägerkopf und ist seitlich über jeweils eine in Profillängsrichtung verlaufende Verbindungsnaht in der Ausführung einer Schweiss-Lötverbindungen mit dem Trägerprofil verbunden. Das Profilband kann lediglich auf einer Seite mit dem Trägerprofil über eine Schweiss-Lötverbindung verbunden sein und auf der anderen Seite zB in das Trägerprofil eingehakt oder andersweitig verbunden sein. Das Profilband ist jedoch bevorzugt mit zwei seitlich und parallel zueinander verlau- fenden Schweiss-Löt-Verbindungsnähten mit dem Trägerprofil verbunden. Die Schweiss- Löt-Verbindungsnähte können durchgängig oder abschnittsweise sein. Die Verbindungsnaht oder -nähte verlaufen dabei vorzugsweise ausserhalb der vom Stromabnehmer berührten Streichfläche. Das Profilband kann auch über mehr als zwei Schweiss- Lötverbindungen mit dem Trägerprofil verbunden sein. Ferner kann das Profilband auch aus zwei oder mehreren, z. B. miteinander verschweissten Teilprofilbändem zusammengesetzt sein.

Die Querschnittsform des Trägerprofil kann beliebig und den systembedingten Anforderungen entsprechend ausgestaltet sein. Das Trägerprofil, auch Schienenkörper genannt, ist in bevorzugter Ausführung querschnittlich I-förmig und besteht aus einem Schienen- fuss, einem Schienenhals und einem eine Kopffläche zur Aufnahme der Schleiffläche beinhaltenden Schienenkopf.

Das Profilband wird in einem thermischen Fügeverfahren, insbesondere einem Schmelz- schweissverfahren mit einem gegenüber einem herkömmlichen, gleichartigen Schmelz- schweissverfahren reduzierten Wärmeeintrag, unter Ausbildung einer Schweiss- Lötverbindung mit dem Trägerprofil verbunden.

Konventionelle Schweissverfahren sind in der Regel wärmeintensiv. Das thermische Fügen von Aluminium mit Stahl mittels eines konventionellen Schweissverfahrens führt aufgrund der begrenzten Löslichkeit von Aluminium und Stahl ineinander zu intermetallischen Phasen, welche sich durch eine hohe Härte und eine geringe Duktilität bei Raumtemperatur auszeichnen. Diese intermetallischen Zonen sind daher sehr spröde und verschlechtern die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung. Je grösser der Wärmeeintrag, desto dicker diese intermetallischen Phasen sind. Daher sollte im thermische Verfahren zum Fügen von Stahl mit Aluminium möglichst wenig Wärme eingebracht werden, so dass die Ausbildung intermetallischer Phasen gering gehalten werden kann. Dies wird durch den Einsatz eines modifizierten Schmelzschweissverfahrens erzielt. Dieses zeichnet sich durch einen vergleichsweise geringen Wärmeeintrag aus, so dass sich nur dünne intermetallische Phasen an der Fügestelle ausbilden, welche zB eine Dicke von weniger als 10 μm aufweisen. Um mittels eines solchen modifizierten Schmelzschweissverfahrens mit reduziertem Wärmeeintrag eine Verbindung zwischen Stahl und Aluminium zu ermöglichen, muss jedoch eine gute Benetzbarkeit des Stahls gewährleistet sein. Diese wird durch den Einsatz von Flussmitteln oder durch vorangehende Beschichtung der Stahloberfläche mit Zink oder einer Zinklegierung erreicht. Das Zink weist die Wirkung eines Flussmittels auf, wodurch auf Letzteres verzichtet werden kann. Die Zinkbeschichtung übt jedoch auch einen Einfluss auf das Wachstum der intermetallischen Phasen aus. Das oben genannte Schmelzschweiss-Verfahren, mittels welchem die Schweiss- Lötverbindung hergestellt wird, ist bevorzugt ein Strahlverfahren, wie zB ein Lichtbogenoder Laserstrahlschweissverfahren. Das Schweissverfahren kann auch eine Kombination eines Laserstrahl- und Lichtbogenschweissverfahrens sein. Das Schweissverfahren ist besonders bevorzugt ein modifiziertes MSG-(MetaIIschutzgasschweiss)-Verfahren, insbeson- dere ein modifiziertes MIG-(Metallinertgasschweiss)- oder MAG-(Metall Aktiv Gas)-Verfah- ren, dank welchem der Wärmeeintrag sehr gering gehalten werden kann. Das modifizierte Schmelzschweiss-verfahren ist besonders bevorzugt ein MSG-Lichtbogenprozess, insbesondere ein MSG-Kurzlichtbogenprozess, bei welchem ein Zusatzwerkstoff zusammen mit dem Aluminiumgrundwerkstoff aufgeschmolzen wird, wobei die Schmelze den verzinkten Stahlwerkstoff benetzt. Die Schweiss-Lötverbindung kann jedoch auch, wie oben erwähnt, mittels eines modifizierten Laserschweissverfahrens (zB CO ₂ -Laser) hergestellt werden.

Beim Herstellen der Schweiss-Lötverbindung wird das Aluminium im Schweissbereich vollständig aufgeschmolzen. Dabei muss der Verbindungsbereich genügend erwärmt werden, damit das flüssige Aluminium den verzinkten Stahl zu benetzen vermag. Auf diese Weise wird stahlseitig eine Lötverbindung ausgebildet, während aluminiumseitig eine Schweiss- verbindung entsteht. Erreicht die Temperatur nicht den Schmelzpunkt des Aluminiums, so findet keine Benetzung des verzinkten Stahls statt und die Ausbildung einer metallischen Verbindung findet nicht statt. Andererseits darf die Temperatur auch nicht den Schmelzpunkt des Stahls erreichen, da ansonsten eine dramatische Versprödung der Verbin- dungsnaht stattfindet.

Zur Herstellung der Schweiss-Lötverbindung kann ein Zusatzwerkstoff verwendet werden. Als Zusatzwerkstoff können Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Bevorzugte Aluminiumlegierungen sind Al-Si- bzw. Al-Mg-Si-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von zB 5 bis 12%. Ferner können die Aluminiumlegierung auch Mg, zB in einem Gehalt von 4 bis 5%, enthalten.

Das Profilband kann durch eine reine Stoffschlussverbindung gemäss Erfindung mit dem Schienenkörper verbunden sein. Das Profilband kann jedoch auch durch eine Kombination von Stoffschluss- und Formschlussverbindung mit dem Schienenkörper verbunden sein. Eine Formschlussverbindung wird durch die Formgebung der Teile bestimmt. Ihr Zusam- menhalt erfolgt durch ein Ineinandergreifen oder Übergreifen von Teilekonturen mit oder ohne zusätzlichen Formelementen.

Das Profilband kann eben sein, dh es weist keine Biegeabschnitte auf, und entlang seinen seitlichen Längskanten mit dem Trägerprofil eine Schweiss-Lötverbindungsnaht aus- bilden. Das Profilband kann jedoch auch Biegeabschnitte ausbilden und über diese mit dem Trägerprofil eine zusätzliche Formschlussverbindung ausbilden. Das Profilband kann insbesondere entlang seiner beiden seitlichen Längskanten zum Schienenfuss hin gebogen sein und so die Kopffläche übergreifen. Das Profilband kann auch mit zum Schienenfuss gerichteten seitlichen Biegeabschnitten, sogenannten Profilschenkeln, ein oder beid- seitig in eine Ausnehmung imTrägerprofil eingehakt sein sein.

Die Verbindungsnähte können als Überlappungsnähte, als Kehlnähte, Stossnähte oder als V-Nähte ausgebildet sein.

Zur Herstellung der Verbundstromschiene wird das Profilband bevorzugt kontinuierlich dem Trägerprofil zugeführt und in einem ebenfalls kontinuierlichen, modifizierten Schmelz- schweissverfahren mit diesem verbunden. Das Profilband kann z. B. von einem Coil abgewickelt und dem Trägerprofil zugeführt werden. Wird das Trägerprofil über zwei oder mehrere Schweiss-Lötverbindungen mit dem Trägerprofil verbunden, so können die Schweiss- Lötverbindungen gleichzeitig und parallel zueinander ausgeführt werden.

Das Profilband kann unmittelbar nach dem Strangpressen des Trägerprofils unter Ausbil- düng einer Schweiss-Lötverbindung mit Letzterem verbunden werden. Die Verbindung zwischen Profilband und Trägerprofil kann jedoch auch getrennt vom Herstellungsprozess des Trägerprofils ausgeführt werden. Dh die Herstellung des Trägerprofils und das Anbringen des Profilbandes können an unterschiedlichen Orten ausgeführt werden.

Die erfindungsgemässe Stromschiene und das dazugehörige Herstellungsverfahren wei- sen den Vorteil auf, dass das Profilband mittels eines modifizierten Schmelzschweissver- fahrens unter Ausbildung einer dauerhaften Stoffschlussverbindung direkt mit dem Trägerprofil verbunden wird. Dies ermöglicht eine kostengünstige und effiziente Herstellung von Verbundstromschienen bei gleichzeitig hoher Gestaltungsfreiheit der Verbundstromschiene bzw. des Profilbandes. Das modifizierte Schmelzschweissverfahren ist gut handhabbar und kann ohne übermässigen Zusatzinvestitionen in bestehende Produktionsprozesse integriert werden. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt zudem die getrennte Herstellung von Trägerprofil und Verbundstromschiene. Die erfindungsgemässe Verbundstromschiene findet Verwendung für elektrisch betriebene Bahnen, Kran- und Förderanlagen, insbesondere jedoch für Gleichstrombahnen, zB Untergrundbahnen, Schnellbahnen und Magnetschwebebahnen.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren 1 5 und 2 näher erläutert. Figur 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen einer erfindungsge- mässen Verbundstromschiene im Querschnitt.

Die Verbundstromschiene 1 gemäss einer ersten Ausführungsform (Fig. 1) enthält einen im Strangpressverfahren gefertigten Schienenkörper 2 (= Trägerprofil) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung mit einem Schienenkopf 4, einem Schienenfuss 5 sowie einem 10 den Schienenkopf 4 mit dem Schienenfuss 5 verbindenden Schienenhals 6 und ein auf den Schienenkopf 4 aufgebrachtes Profilband 3 aus Stahl, welches die Streichfläche 10 ausbildet.

Das Profilband 3 weist zwei seitliche, zum Schienenfuss 5 gerichtete Biegeabschnitte bzw. Profilschenkel 8a, 8b auf, welche in den Schienenkörper 2 gesteckt sind. Das Profilband 3 15 ist über eine Stoffschlussverbindung mit dem Schienenkörper 2 verbunden. Die Stoffschlussverbindung besteht aus zwei seitlich angeordneten Schweiss-Lötverbindungen 7a, 7b gemäss Erfindung. Die Schweiss-Lötverbindungen verlaufen parallel in Profillängsrichtung.

Die Verbundstromschiene 11 gemäss einer zweiten Ausführungsform (Fig. 2) enthält einen 20 im Strangpressverfahren gefertigten Schienenkörper 12 (= Trägerprofil) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung mit einem Schienenkopf 14, einem Schienenfuss 15 sowie einem den Schienenkopf 14 mit dem Schienenfuss 15 verbindenden Schienenhals 16 und ein auf den Schienenkopf 14 aufgebrachtes Profilband 13 aus Stahl, welches die Streichfläche 20 ausbildet.

25 Das Profilband 13 weist zwei seitliche Biegeabschnitte 18a, 18b auf. Ein erster, U-förmig ausgebildeter Biegeabschnitt 18a ist in eine nutförmige Ausnehmung im Schienenkopf 14 eingeführt bzw. in diese eingehakt. Ein zweiter, stufenförmiger Biegeabschnitt 18b liegt einem ebenfalls stufenförmigen Absatz seitlich am Schienenkopf 14 auf. Das Profilband 13 ist über zwei längslaufende Schweisslöt- Verbindungen 17a, 17b mit dem Schienenkörper

30 12 verbunden. Die Schweiss-Lötverbindungen 17a, 17b verlaufen seitlich im Bereich der Biegeabschnitte 18a, 18b parallel in Profillängsrichtung. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Profilband 13 relativ einfach auf den Schienenkörper 12 montieren lässt, indem das Profilband 13 in die Ausnehmung am Schienenkörper 12 eingehakt, über den Schienenkörper 12 gelegt, und anschliessend beidseitig mit dem Schie-

35 nenkörper 12 in Längsrichtung verschweisst wird.