Drehbarer Körper

Die Erfindung betrifft einen drehbaren Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem derartigen Körper mindestens einige der folgenden Vorteile zu sichern:

• - Minderung seiner Masse,
• - Verbesserung seines aerodynamischen Verhaltens,
• - Minderung der von ihm beim Betrieb auf das zugehörige Aggregat übertragenen Schwingungen, Stöße oder dergleichen,
• - Minderung seines Betriebs-Geräusches.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Auf jeden Fall wird durch den Einsatz des FVW-Werkstoffs eine beträchtliche Massen-Minderung gegenüber herkömmlichen Körpern erzielt, die meist vollständig aus Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Metall ist beim erfindungsgemäßen Körper im allgemeinen nur noch für diejenigen Abschnitte erforderlich, die mit anderen Metall-Teilen wie z.B. einer Schiene in Berührung stehen.

Die Massen-Minderung fällt noch stärker aus bei der Lehre nach den Ansprüchen 8 und 9.

Hierbei ist die Lehre nach dem Anspruch 9 besonders vorteilhaft, da:

• (gegenüber einer Voll-Scheibe aus FVW-Werkstoff) der Schaumstoff beträchtlich leichter als der FVW-Werkstoff ist und die Abdeckung der Aussparungen bzw. ihrer Schaumstoff-Einsätze auf deren Seitenflächen beschränkt, also nicht die gesamte, viel größere Seitenfläche der Scheibe erfaßt ist.

Dabei sichern die Deckplatten nach dem Anspruch 8 bzw. die Abdeckungen nach dem Anspruch 9 sowie die Lehre.nach dem Anspruch 15 ein gutes aerodynamisches Verhalten und geringe Betriebs-Geräusche, indem eine Luft-Wirbelbildung weitgehend ausgeschlossen wird, insbesondere ein Pfeif-Geräusch, wie es sonst ähnlich wie von einer Lochsirene auftreten würde. Auf diese Weise wird (auch) der Luftwiderstand beträchtlich verringert, was besonders wichtig ist, wenn das Rad für superschnelle Eisenbahn-Züge von z.B. über 300 km/h eingesetzt wird.

Die Lehre nach den Ansprüchen 3 - 14 ist zwar insbesondere für Eisenbahn-Räder vorgesehen, jedoch kann sie grundsätzlich überall Räder auf Schienen benutzt werden, z.B. auch bei Kranbahnen, die in herkömmlicher Rad-Bauweise bekanntlich ein starkes BetriebsGeräusch erzeugen.

Zur Ausführung der Lehre nach dem Anspruch 3 wird beim Aufschrumpfen der Kranz erhitzt, so daß er sich radial nach außen ausdehnt, dagegen beim Einschrumpfen die Nabe stark abgekühlt, so daß sie sich radial nach innen zusammenzieht, um problemlos die FVW-Scheibe zwischen Nabe und Kranz einzubringen.

Die Lehre nach den Ansprüchen 6 und 7 dient insbesondere zur Dämpfung der Stöße von Schienen auf Eisenbahn-Wagen.

Die Lehre nach den Ansprüchen 11 - 14 besitzt den besonderen Vorteil, daß hier mit einer schmalen Schnittfläche der Scheibe dennoch eine breite Auflage gesichert wird.

Die Lehre nach den Ansprüchen 16 - 22 ermöglicht in vielen Fällen überhaupt, derartige Räder, Rollen oder dergleichen bei extrem hohen Drehzahlen (z.B. 20 000 min^-1) einzusetzen, die bisher mit Rädern bzw. Rollen oder dergleichen aus Metall wegen mangelnder Fliehkraft-Festigkeit von Metall nicht erreichbar waren.

Zur weiteren Fliehkraft-Stabilisierung trägt insbesondere die Lehre nach dem Anspruch 18 bei.

Die Lehre nach den Ansprüchen 23 - 27 ist bei Kraftfahrzeugen aller Art anwendbar, z.B. von LKW bis zum Moped.

Grundsätzlich kommt zur Ausführung der Erfindung jeder FVW-Werkstoff in Frage, jedoch werden einige FVW-Werkstoffe, insbesondere aus Kostengründen, bevorzugt, vergleiche die Lehre nach den Ansprüchen 28 - 30.

So könnten z.B. die Fasern des FVW-Werkstoffs auch aus S-Glas (in den USA auch R-Glas genannt) (das besonders mechanisch und thermisch fest ist) oder aus C-Glas (das gegen organische Säuren beständig ist) hergestellt werden, jedoch sind diese beiden Glas-Sorten relativ teuer.

Die Lehre nach den Ansprüchen 31 - 33 sichert quasiisotrope Eigenschaften des FVW-Werkstoffs.

Die Lehre nach dem Anspruch 34 erzielt eine noch bessere Aufnahme von radial wirkenden, insbesondere Flieh-Kräften, aber auch - bei Einsatz des Körpers als Rad - der Radaufstands-Kräfte und -Momente, und damit eine noch höhere Festigkeit bei gleichzeitig gegenseitiger Zentrierung von Nabe und Kranz.

Der dadurch vorgesehene FVW-Strang-Stern wirkt ähnlich wie die herkömmlichen Speichen eines Rades, indem die beiden Hälften jedes Stern-Arms auch im wesentlichen radial verlaufen, ohne jedoch die Nachteile der Speichen wie aufwendige Herstellung durch gesonderte Montage jeder Speiche zu übernehmen, da der (gegebenenfalls bereits mit Kunstharz getränkte) FVW-Strang technologisch bequem kontinuierlich zwischen Nabe und Kranz gewickelt werden kann, wonach sich gegebenenfalls ein Ausgießen des Zwischenraumes des Körpers zwischen Nabe und Kranz mit Kunstharz in einer Form anschließt, was ebenfalls nicht aufwendig ist.

Zudem besteht eine bedeutend größere Freiheit in der Einbringung günstiger dynamischer Eigenschaften in den Körper bzw. in das Rad, als bei bloßer Verwendung von Speichen:

• Insbesondere kann eine Körper(Rad)-Eigenschwingungsfrequenz, gekoppelt mit eher bestimmten Eigenschwingungsform, durch entsprechende Wahl der Anzahl der Stern-Arme vorgegeben werden. Bei einer hinreichend großen Anzahl von Stern-Armen liegt auch die Eigenschwingungsfrequenz entsprechend hoch, so daß unerwünschte Schwingungen tieferer Frequenz (Subharmonische) nicht mehr auftreten.

Diese erfindungsgemäß gegebene Entwurfs-Freiheit ist von besonderem Interesse beim Einsatz des erfindungsgemäßen Körpers als Eisenbahn-Rad. Bisher kommt es nämlich unvermeidlich zur sog. Riffel-Bildung an Schienen, d.h. infolge unterschiedlichen Verschleißabtrages zu Riffel-Marken an Schienen, die auf der Fahrfläche in mannigfaltiger Form und verschieden großen, meist gleichmäßigen Abständen entstehende Riffelberge und -täler bilden. Die Schienen-Riffel verursachen ihrerseits Lärm und Verschleiß, so daß die Schienen aufwendigerweise von Zeit zu Zeit abgeschliffen werden müssen.

Da die Entstehung der Schienen-Riffel sehr häufig in Zusammenhang gebracht wird mit hochfrequenten Eigenschwingungsresonanzen, insbesondere der Eigenschwingungsform des Rads, was bei einem gegossenen Rad als Kontinum hingenommen werden muß, bietet sich zur Überwindung der Schienen-Riffel die Erfindung an, indem die Eigenschwingungesfrequenz des Eisenbahn-Rads so hoch eingestellt wird, daß sie höher als die sonst vorhandenen, die Schienen-Riffel verursachenden Frequenzen ist, die nunmehr unterdrückt sind.

Schließlich ergibt sich eine Unterbrechung der Schallbrücke zwischen Radaufstands-Punkt und Rad-Achse mit entsprechender Schalldämpfung.

Der so erfindungsgemäß ausgestaltete Körper ist nicht nur als Schienen-Rad, vor allem Eisenbahn-Rad, einsetzbar, sondern auch als Haspel, Trommel, Rolle, ebenso als Kraftfahrzeug-Rad für Luftreifen und schließlich überall, wo eine Festigkeit bei hohen Drehzahlen erforderlich ist, z.B. auch im Zentrifugen-Bau.

Die azimutalen Stege nach dem Anspruch 37 sind gewissermaßen nur azimutal verbreitete Bolzen nach Anspruch 36.

Die einstückige Ausbildung der azimutalen Stege mit dem Kranz nach Anspruch 38 kann z.B. durch Guß erfolgen, was auch für die einstückige Ausbildung der Sicherungselemente mit der Nabe nach Anspruch 40 gilt.

Die Sicherungselemente nach dem Anspruch 46 dienen auch zum Sichern der Kunstharz-Scheibe gegen ein azimutales Verrutschen auf der Nabe, wenn der Körper stark abgebremst wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert: Es zeigen

• Fig. 1 einen radialen Teil-Schnitt durch ein erstes Eisenbahn-Rad;
• Fig. la (ebenfalls in radialem Teil-Schnitt) eine Abwandlung des Eisenbahn-Rads von Fig. 1;
• Fig. 2 einen radialen Teil-Schnitt durch ein weiteres Eisenbahn-Rad;
• Fig. 2a (ebenfalls in radialem Teil-Schnitt) eine Abwandlung bzw. Ergänzung des Eisenbahn-Rads von Fig. 2;
• Fig. 3 einen radialen Teil-Schnitt durch ein schnell laufendes Rad;
• Fig. 4 einen radialen Teil-Schnitt durch ein KFZ-Rad;
• Fig. 4a eine Abwandlung des KFZ-Rads von Fig. 4, nämlich mit asymmetrischer anstatt symmetrischer Felge;
• Fig. 5 mit ihren Fasern verschieden gerichtete, übereinanderliegende Fasergewebe-Lagen von FVW-Werkstoff;
• Fig. 6 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des drehbaren Körpers in Form eines Eisenbahn-Rads;
• Fig. 7 einen Schnitt A-A von Fig. 6;
• Fig. 8 eine abgewandelte Einzelheit von Fig. 7;
• Fig. 9 eine noch stärker abgewandelte Einzelheit des Ausführungsbeispiels von Fig. 6 und 7.

In der Zeichnung sind gegebenenfalls vorhandene Bolzen jeweils nur schematisch durch eine Strichpunktlinie angedeutet. Bei diesen Bolzen kann es sich insbesondere um Befestigungsschrauben oder Nieten handeln, die entsprechende Öffnungen durchsetzen, die in der Zeichnung ebenfalls nicht näher ausgeführt sind.

Außerdem ist jeweils durch einen Strichpunktlinie A die Drehachse des drehbaren Körpers angedeutet.

Fig. 1 zeigt einen Körper in Form eines Schienen-, nämlich Eisenbahn-Rads, wobei eine Nabe 1 und ein Kranz 2 aus Metall durch eine Scheibe aus Faserverbundwerkstoff verbunden sind, indem die Nabe 1 in die Scheibe 2 eingeschrumpft und der Kranz 3 auf die Scheibe 2 aufgeschrumpft sind. Die Scheibe 2 ist durch Bolzen 11 mit einem Flansch 1a der Nabe 1 verbunden. Die Scheibe 2 ist mit dem Kranz 3 durch einen Spleiß-Kleber 13 oder durch ein Polylurethan-Elastomer verbunden, das Vulkollan (der Fa. Bayer Farbenfabriken AG) ist. Die Scheibe 2 besitzt durchgehende Aussparungen 15 und an beiden Seitenflächen je eine Deckplatte 17a, b.

Gemäß Fig. la besitzt die Scheibe 2 Schaumstoff-Einsätze 19 in entsprechenden durchgehenden Aussparungen 15a und Abdeckungen 21a, 21b nur an den beiden Seiten der Schaumstoff-Einsätze 19.

Die Deck-Platten 17a, 17b bzw. die Abdeckungen 21a, 21b sind jeweils aufgeklebt.

Gemäß Fig. 2 besteht die Scheibe 2 aus zwei Scheiben-Hälften 2a, 2b, die jeweils an beiden Rändern zur Nabe 1 und zum Kranz 3 divergieren. Die Scheiben-Hälften 2a, 2b sind an ihren divergierenden Rändern mit schrägen Flächen 3a, 3b des Kranzes 3 bzw. einem mittigen Flansch 1b der Nabe 1 verbunden und mit ihren radial äußeren divergierenden Rändern in den Kranz 3 eingepreßt bzw. eingeklemmt. Die.Deck-Platten 17c, 17d bedecken die beiden Scheiben-Hälften 2a, 2b nur außerhalb deren divergierender Ränder.

Die Abwandlung von Fig. 2a besteht darin, daß das Rad bis zu vollen Breite des Kranzes 3 mit Faserverbundwerkstoff-Platten 21a, b verschlossen ist, und daß der Zwischenraum zwischen der Scheibe 2 und den FVW-Platten 21a, b mit Schaumstoff 19a, b ausgefüllt ist.

Fig. 3 zeigt einen Körper inrorm eines schnell laufenden Rads oder dergleichen (Haspel, Trommel, Rolle), um das (nicht gezeigtes) strangförmiges Gut wie Zugmittel, Fäden, Drähte oder dergleichem umläuft bzw. von ihm abgewickelt wird. Die Scheibe 30 besitzt zwei dünne Scheiben--Hälften 30a, 30b, die durch einen Schaumstoff-Abstands-Halter 32 getrennt sind. Der Kranz 27 ist durch divergierende radial äußere Ränder 33a, 33b der beiden Scheiben-Hälften -30a, 30b und weiter durch Radial-Lagen 35, die zwischen den beiden divergierenden Rändern der Scheiben-Hälften angeordnet sind und aus Faserverbundwerkstoff (FVW) bestehen, gebildet. Die Scheiben-Hälften sind mit einem mittigen Flansch 25a der Nabe 25 verbunden, und im Bereich dieser Verbindungsstelle ist außen auf sie je ein Deckel 37a, 37b aufgeklebt. Der mittige Flansch 25a der Nabe 25, die Scheiben-Hälften 30a, 30b und die Deckel 37a, 37b sind von Bolzen 39 zusammengehalten. Die Scheiben-Hälften 30a, 30b und der Schaumstoff-Abstandshalter sind nahe ihrem radial äußeren Rand von Bolzen 41 zusammengehalten und mit dem Schaumstoff-Abstandshalter 32, den Deckeln 37a, 37b und dem mittigen Flansch 25a der Nabe 25 jeweils verklebt.

Fig. 4 und 4a zeigen einen Körper in Form eines Kraftfahrzeug-Rads für Luftreifen, dessen Scheibe und dessen Kranz (Felge) durch zwei miteinander verklebte Hälften 50a, 50b; 50c, 50d gebildet sind. Die Hälften sind jeweils durchsetzt von eingeklebten Stahlbuchsen 52, 52' für Schraubverbindungen und besitzen jeweils an der radial äußeren Fläche ihres Kranz(Felgen)-Abschnittes eine Beschichtung 54, 54' aus Gel-Coat (abriebfestem, angedicktem Harz) und dünnem Vlies. Das angedickte Harz des Gel-Coats ist mit Glasfasern, Aerosil (der Fa. Degussa - feiner hochdiperser Kieselgursäure) oder Gesteinsmineralien gefüllt. Die Scheiben-hälften 50a, 50b; 50c, 50d besitzen jeweils durchgehende Aussparungen 56, 56'.

Zu den verwendbaren Faserverbundwerkstoffen und Schaumstoffen wird auf die Ansprüche und die BeschreibungsEinleitung verwiesen.

Ergänzend zeigt die Fig. 5 im einzelnen ein Beispiel von mehreren unterschiedlich gerichteten Fasergewebe-Lagen. Die Faser-Richtung betragen nacheinander + 45°, 0°, - 45°, 90°. Es seien jetzt F i g. 6 - 10 erläutert. Eine Nabe 101 ist mit einem noch genauer zu erläuternden Kranz 103 durch zwei Faserverbundwerkstoff(FVW)-Stränge 105 und 105' verbunden, die im wesentlichen sternförmig von der Nabe 101 zum Kranz 103 verlaufen.

Der FVW-Strang 105 ist kontinuierlich von der Nabe 101 zu Befestigungselementen in Form von Bolzen 110 am Kranz 103 gewickelt, wobei die Pfeilrichtung jeweils die Wicklungsrichtung zeigt.

Anstelle der Bolzen 110 können gemäß Fig. 9 azimutale Stege 112 vorgesehen sein, die einstückig mit dem Kranz ausgebildet sind.

Die Nabe 101 besitzt ferner einstückige Sicherungselemente in Form axialer Rippen 114 an beiden Enden, um ein Verrutschen der FVW-Stränge 105 und 105' in Achsrichtung des Körpers zu verhindern.

Beim abgebildelen Ausführungsbeispiel sind die FVW-Stränge 105 und 105' in eine Kunstharz-Scheibe 120 eingebettet, die erzeugt wird, indem die Einheit von Nabe 101, Kranz 103 und dazwischen gewickelten FVW-Strängen 105 und 105' in eine Form eingelegt wird, in die dann zur Herstellung des eigentlichen Faserverbundwerkstoffs Kunstharz eingefüllt wird; d.h., die FVW-Stränge 105 und 105' sind zunächst noch nicht mit Kunstharz durchtränkt.

Je nach Anwendungsfall kann aber auf das Vorsehen einer derartigen Kunstharz-Scheibe 120 verzichtet werden, die FVW-Stränge 105 und 105' werden bereits harzdurchtränkt sternförmig zwischen die Nabe 101 und den Kranz 103 gewickelt.

Bei Vorsehen der Kunstharz-Scheibe 1.20 dienen die axialen Rippen 114 auch zur Sicherung gegen ein Verrutschen der Kunstharz-Scheibe 120 auf der Nabe 101 bei starkem Abbremsen.

Ausweislich Fig. 7 besteht der Kranz 103 aus einem Lauf-Kranz 103a und einem Metall-Ring 110, auf den vorzugsweise der Lauf-Kranz 103a aufgeschrumpft ist.

Der Metall-ring 110 besitzt einen radialen Ansatz 125, der die Bolzen 110 bzw. die azimutalen Stege 112 trägt. Der Ansatz 125 verläuft in der axialmittigen Ebene E.

Bei der Einzelheit gemäß Fig. 8 ist der Metall-Ring 110 weggelassen, so daß die Befestigungselemente 110 unmittelbar am Lauf-Kranz 103a angeordnet sind.