Scheibenrad, insbesondere für Schienenfahrzeuge und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Scheibenrad und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Es ist bekannt, derartige Scheibenräder, z. B. Eisenbahnräder oder Zahnräder mit großem Durchmesser, aus einem Verbund von Metall und faserverstärkten Werkstoffen herzustellen; vgl. z. B. die DE-OS 31 19 500. Durch eine solche Verbundkonstruktion kann das Gewicht der Scheibenräder verringert werden. Durch die Strukturdämpfung der faserverstärkten Werkstoffe werden auch die während des Betriebes auftretenden Lärmbelästigungen reduziert. Außerdem können durch die verwendeten Werkstoffe die während des Betriebes auftretenden Kräfte auf das Scheibenrad in radialer, axialer und Umfangs-Richtung an die geforderten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften angepaßt werden.

Die bei dem bekannten Scheibenrad verwendeten unterschiedlichen Werkstoffe, nämlich faserverstärkte Werkstoffe und Stahl, werden untereinander und miteinander z. B. durch Bolzen, Schrumpfen oder durch Klebung verbunden.

Die Konstruktion dieses bekannten Scheibenrades kann gemäß der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 33 45 555.4 der Anmelderin vereinfacht und verbessert werden. Dieses Scheibenrad besteht aus zwei Nabenhälften, die jeweils an ihren äußeren Rändern einen Umfangsflansch aufweisen, mit dem jeweils eine Deckscheibe in einer zweischnittigen Verbindung verklebt ist. Die Deckscheiben zu beiden Seiten des Rades sind in seitlichen umlaufenden Aussparungen des Laufkranzes eingeklebt. Zwischen

Nabe und Laufkranz ist ein schubsteifer Schubübertragungskörper eingesetzt, der seinerseits mit den Deckscheiben verklebt ist. Ebenso ist eine Verklebung des Schubübertragungskörpers mit der Nabe und dem Laufkranz vorgesehen. Der Schubübertragungskörper hat z. B. WabengestaTt oder ist aus geschlossenzelligem Schaumstoff aufgebaut.

Bei dieser vorgeschlagenen Konstruktion sind nur wenige Einzelteile notwendig, außerdem sind alle Verbindungen zwischen den einzelnen Materialien Klebeverbindungen. Die Herstellungskosten derartiger Scheibenräder lassen sich damit weiter reduzieren. Die Anforderungen an solche Scheibenräder hinsichtlich Festigkeit, Stabilität und Laufruhe können praktisch optimal erfüllt werden.

Es bestehen allerdings Bedenken, daß bei Aufreißen einer Klebeverbindung die Stabilität des Scheibenrades empfindlich gestört würde, obwohl in zahlreichen Versuchen nachgewiesen wurde, daß die Wahrscheinlichkeit des Aufreißens einer Klebeverbindung sogar geringer ist als diejenige für das Auftreten von Schwachstellen bei herkömmlichen Scheibenrädern. Die Bewährung in der Praxis steht allerdings noch bevor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für ein Scheibenrad der in Rede stehenden Art anzugeben, die lediglich mit Klebeverbindungen realisiert werden kann, wobei das Scheibenrad auch dann noch betriebssicher sein soll, wenn eine oder mehrere Klebeverbindungen aufreißen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Scheibenrad anzugeben.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die in den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin zu sehen, daß der Schubübertragungskörper als in sich steifer Z-Stegkörper ausgebildet und an der Nabe und am Laufkranz jeweils zwischen deren beiden äußeren Flanschen gehalten ist. Dieser derart zwischen Nabe und Laufkranz eingespannte Schubübertragungskörper ist mit der Nabe und dem Laufkranz verklebt, wird jedoch so ausgelegt, daß auch beim Aufreißen aller Klebestellen die Laufsicherheit des Scheibenrades noch gewährleistet ist. Auf einem Teststand wurden Versuche simuliert, bei denen zwischen Nabe bzw. Laufkranz und dem Schubübertragungskörper die sonst übliche Klebeverbindung nicht vorhanden war. Der Schubübertragungskörper war hierbei aus in sich steifen gleichgeformten schalenförmigen Segmenten zusammengesetzt, die jeweils mit ihren radial innen liegenden bzw. außen liegenden Seitenwänden an der Nabe bzw. dem Laufkranz im Bereich zwischen den dortigen Flanschen und mit ihren in Radialebenen des Scheibenrades liegenden Seitenwänden an jeweils zwei benachbarten Segmenten anlagen, wobei die Schalenböden jeweils aufeinanderfolgender Segmente auf entgegengesetzten Seiten des Rades angeordnet waren. Auch die aneinanderstoßenden Seitenwände benachbarter Segmente waren nicht miteinander verklebt. Außerdem waren die Deckscheiben fortgelassen. Bei diesen Testversuchen wurde demnach der in der Praxis wohl nie eintretende Fall simuliert, daß sämtliche Klebeverbindungen vollständig aufgerissen waren. Die in sich steifen Segmente wurden zwischen den Flanschen an Nabe und Laufkranz so fest gehalten, daß das Scheibenrad gefahrlos zum Stand gebracht werden konnte. Die Konstruktion des Scheibenrades kann somit als eigensicher bezeichnet werden, sofern selbstverständlich die Steifigkeit des Schubübertragungskörpers auf diesen Extremfall eingestellt ist. Bei Verwendung von Segmenten, deren Seitenwände in Radialebenen liegen, die die Radachse enthalten, war hierzu eine Wandstärke von etwa 6 mm erforderlich.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung jeweils einstUkkiger Naben und Laufkränze. Damit der Schubübertragungskörper in den Bereich zwischen den Flanschen an Nabe und Laufkranz eingesetzt werden kann, wird die Verformbarkeit von nicht ausgehärteten faserverstärkten Werkstoffen ausgenutzt. Der noch nicht ausgehärtete Schubübertragungskörper wird unter Verformung zwischen die Flansche an Nabe und Laufkranz eingesetzt und anschließend mit Hilfe von an die endgültige Form des -Schubübertragungskörpers vorgeformten, jedoch elastisch verformbaren Stempeln in die endgültige Form gepreßt. Die Flächen an der Nabe und dem Laufkranz, an denen der Schubübertragungskörper in der endgültigen Form anliegt, werden für eine Verklebung entsprechend vorbereitet . Dies kann z. B. mit einer auf die Nabe bzw. den Laufkranz aufgebrachten Klebefolie geschehen. Wesentlich wirtschaftlicher ist jedoch die Methode, diese Flächen an Nabe und Laufkranz so vorzubereiten, daß das Bindemittel des Schubübertragungskörpers bei der Verpressung direkt an Nabe und Laufkranz haftet. Hierzu ist es möglich, die Anlageflächen an Nabe und Laufkranz z. B. durch Sandstrahlen aufzurauhen und mit einem Bindemittel zu streichen, das mit dem Bindemittel des faserverstärkten Werkstoffes des Schubübertragungskörpers bei der Verpressung reagiert. Wird der Schubübertragungskörper aus einzelnen schalenförmigen Segmenten zusammengesetzt, so verkleben die Seitenwände aneinanderliegender Segmente bei der Verpressung. Eine Wärmebehandlung bzw. Temperung unterstützt diesen Vorgang. Das Tempern erfolgt z. B. bei einer Temperatur von 120°C für eine Dauer von 30 Minuten. Während des Abkühlens, bei dem der Preßdruck auf den Schubübertragungskörper aufrechterhalten wird, härtet der Schubübertragungskörper aus, so daß schließlich eine feste Verbindung zwischen Schubübertragungskörper und Nabe sowie Laufkranz und auch zwischen Einzelteilen des Schubübertragungskörpers erzielt wird, letzteres, falls der Schubübertragungskörper aus mehreren Teilen, z. B. den erwähnten schalenförmigen Segmenten zusammengesetzt ist.

Nach der Aushärtung des Schubübertragungskörpers werden auf entgegengesetzten Seiten des Scheibenrades die Deckscheiben auf die Außenränder der Flansche an Nabe und Laufkranz und auf den Schubübertragungskörper an dessen den Deckscheiben zugewandten Stegen aufgeklebt, wobei die Flansche an Nabe und Laufkranz so geformt sind, daß sich an diesen Stellen eine zweischnittige Verbindung zwischen Deckscheiben, Flansch und Schubübertragungskörper ergibt.

Die Laufruhe des derart hergestellten Scheibenrades kann noch erhöht werden, wenn in die Hohlräume zwischen Schubübertragungskörper und Deckscheiben schalldämmende Blöcke, z. B. Blöcke aus geschlossenporigem Schaumstoff, eingesetzt und mit Schubübertragungskörper sowie der jeweiligen Deckscheibe verklebt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

• Figur 1 eine schematische Aufsicht auf ein Scheibenrad gemäß der Erfindung mit einer Nabe, einem Laufkranz, einem Schubübertragungskörper und teilweise weggebrochenen Deckscheiben;
• Figur 2 schematisch Axialschnitte durch den Schubübertragungskörper längs zur Radachse koaxialen Teilkreisen;
• Figur 3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines schalenförmigen Segmentes aus faserverstärktem Werkstoff zur Herstellung des Schuübertragungskörpers;
• Figuren 4 - 7 perspektivische Darstellungen bzw. in Figur 6 eine Schnittdarstellung eines Scheibenrades während der Herstellung in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten.

In Figur 1 ist schematisch ein Eisenbahnrad 1 mit einer einstückigen stählernen Nabe 2, einem ebenfalls einstückigen stählernen Laufkranz 3, einem Schubübertragungskörper 4 aus faserverstärktem Werkstoff und zwei Deckscheiben zu beiden Seiten des Rades ebenfalls aus faserverstärkten Werkstoffen gezeigt. An den beiden Außenrändern von Nabe 2 und Laufkranz 3 sind jeweils zwei umlaufende, im Querschitt dreieckige Flansche 6 bzw. 7 vorgesehen, wobei die Dreieckspitzen der jeweils gegenüberliegenden Flansche 6 bzw. 7 von Nabe 2 bzw. Laufkranz 3 einander zugewandt sind. Der Schubübertragungskörper 4 liegt an der Nabe 2 bzw. dem Laufkranz 3 mit Anlageflächen 8 bzw. 9 im Bereich zwischen den Flanschen 6 bzw. 7 an und ist dort, wie weiter unten erläutert, verklebt. Eine Bewegung des Schubübertragungskörpers 4 in axialer Richtung des Eisenbahnrades 1 wird dadurch ausgeschlossen. Die Deckscheiben 5 zu beiden Seiten des Eisenbahnrades 1 sind mit den jeweiligen Außenflächen der Flansche 6 und 7 an Nabe und Laufkranz verklebt, außerdem noch mit Teilen des Schubübertragungskörpers 4.

Der Schubübertragungskörper 4 ist ein Z-Stegkörper oder Sinus-Stegkörper , dessen Querschnitt entsprechend den geforderten Festigkeits- und Stabilitätseigenschaften mannigfach variiert werden kann. In Figur 1 sind zwei Axialschnitte längs zweier zur Radachse koaxialer Teilkreise mit unterschiedlichen Radien eingezeichnet. Der Querschnittsverlauf des Schubübertragungskörpers ist für zwei mögliche Ausführungsformen in den Figuren 2a und b bzw. 2c und d dargestellt. Im ersten Fall ist der Querschnitt rechteckig mäanderförmig, der Schubübertragungskörper weist in die Radachse enthaltenden Radialebenen stegförmige Seitenwände 10 auf, die durch stegförmige Böden 11 miteinander verbunden sind; welche abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten des Rades liegen. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Seitenwänden 10 wird mit größerem Radius ebenfalls größer.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2c und 2d verlaufen die stegförmigen Seitenwände 10' in Sinusform; die sinusförmigen Stege könne zu beiden Seiten des Rades abgeplattet sein und bilden hier stegförmige Böden 11'. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Seitenwänden wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel mit zunehmendem Radius größer.

Der weiteren Beschreibung wird ein Schubübertragungskörper 4 zugrunde gelegt, dessen Querschnitt gemäß den Figuren 2a und 2b verläuft. Der Schubübertragungskörper selbst ist aus mehreren Segmenten entsprechend Figur 3 zusammengesetzt. Jedes Segment ist schalenförmig, weist zwei in radialer Richtung verlaufende Seitenwände 10, als weitere Seitenflächen die der Nabe 2 zugeordnete Anlagefläche 8 und die dem Laufkranz 3 zugeordnete Anlagefläche 9 sowie einen Boden 11 auf. Dieses Segment wird aus faserverstärkten Werkstoffen in herkömmlicher Weise hergestellt. Optimale Festigkeit könnte erzielt werden, wenn ein Gewebe mit zwei Fadensystemen benutzt würde, deren Fäden senkrecht aufeinander stehen und wobei die Fäden in den einzelnen Flächen des Segmentes jeweils einen Verlauf von ± 45 Grad gegen die Hauptrichtung einnehmen würden, d. h. in nerhalb der Seitenwände 10 und des Bodens gegenüber der Radialrichtung, innerhalb der Anlageflächen 8 und 9 gegenüber der Umfangsrichtung. In der Praxis ist dieses nur schwierig zu realisieren. Eine sehr einfache Herstellungsweise besteht darin, daß eine

Art Gewebeschlauch über eine Kastenform gezogen und entsprechend mit Bindemittel versehen wird. Auch dieses Verfahren ist bekannt. Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Wände des Segmentes zwar geringfügig dicker, wenn die gleiche Festigkeit wie bei dem obigen Fall erzielt werden soll; dies wird jedoch aufgewogen durch die wesentlich wirtschaftlichere Herstellung.

Das Herstellungsverfahren eines Scheibenrades wird anhand der Figuren 4 ff erläutert.

Zunächst werden auf einem nicht dargestellten Montagetisch die Nabe 2 und der Laufkranz 3 ausgerichtet.

Anschließend werden die Segmente 12 zwischen die Flansche 6 und 7 an Nabe bzw. Laufkranz eingesetzt. Dieses ist möglich, solange das Bindemittel noch nicht ausgehärtet ist und damit die Segmente noch verformbar sind. Die Segmente werden gemäß Figur 5 so eingesetzt, daß die Böden 11 der lückenlos aneinanderschließenden Segmente abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten des Rades liegen; in Figur 5 sind die nach oben zeigenden Böden mit llo, die nach unten weisenden Böden mit 11u bezeichnet. In Figur 6 ist die Lage eines Segmentes zwischen Nabe 2 und Laufkranz 3 im Schnitt dargestellt.

Um die Verklebung zwischen Nabe und Laufkranz einerseits und den Segmenten andererseits zu gewährleisten, sind Nabe und Laufkranz sowie die Innenseiten der jeweiligen Flansche 6 bzw. 7 wie oben erwähnt entsprechend vorbehandelt, z. B. mit einer Klebefolie versehen oder sandgestrahlt und mit einem Primer gestrichen. Angedeutet ist dies in Figur 6 durch die Schicht 13.

Inden Hohlraum jedes der eingedeckten Segmente 12 Patentabteilung \ I

wird jetzt ein entsprechend der endgültigen Segmentform vorgeformter elastischer Stempel 14, z. B. aus Silikon eingesetzt. Dieser Stempel hat eine zentrische kegelstumpfförmige Ausnehmung 15. In diese Ausnehmung wird ein Stahlstempel 16 eingesetzt, dessen unterer Rand formmäßig an die Ausnehmung 15 angepaßt ist. Durch das Einpressen des Stahlstempels 16 in die Ausnehmung 15 wird über den Silikonstempel 14 jedes Segment an den Seitenwänden und am Boden an die jeweilige Gegenfläche gepreßt. Im Bereich der Anlageflächen 8 und 9 sind dieses die Nabe bzw. der Laufkranz im Bereich zwischen den Flanschen, im Bereich des Bodens 11 sind dieses die Innenränder der Flansche 6 und 7 und der hier schematisch dargestellte Montagetisch 17, im Bereich der Seitenwände 10 sind dies ebenfalls Seitenwände 10 des jeweils benachbarten Segmentes.

Unter Aufrechterhaltung des Preßdruckes wird eine Wärmebehandlung vorgenommen, z. B. bei 120 Grad eine halbe Stunde. Während dieser Temperung wird das Bindemittel der Segmente vergleichmäßigt, vernetzt und kann Verbindungen zu den jeweiligen Gegenflächen herstellen. Der Montagetisch 17 ist selbstverständlich so präpariert, daß er nicht mit dem Boden 11 der Segmente verklebt.

Nach der Temperung kühlt die Anordnung ab. Der Preßdruck wird bis zur Aushärtung des faserverstärkten Werkstoffes beibehalten. Danach sind alle Segmente 12 untereinander und mit Nabe und Laufkranz verklebt.

Anschließend werden die beiden Deckscheiben 5 mit den Außenflächen der Flansche 6 und 7 und jeweils den ihnen zugewandten Böden 11 der Segmente 12 verklebt. Auch dies kann mit Hilfe eines Folienklebers erfolgen. Das fertige Eisenbahnrad 1 ist in Figur 7 dargestellt. Bei dem fertigen Eisenbahnrad werden die Radialkräfte über die stegförmigen Seitenwände 10 und die Böden 11 aufgenommen, die axialen Kräfte, die z. B. beim Weichenüberfahren oder in Kurven auftreten, ebenfalls über die Seitenwände 10 und die Anlageflächen 8 und 9, schließlich die tangentialen Bremskräfte über die Anlageflächen 8 und 9 sowie die Böden 11. Ein Teil dieser Kräfte wird selbstverständlich auch über die Deckscheiben 5 aufgefangen.

In die Hohlräume der Segmente 12 können noch schallldämmende Blöcke 18, z. B. aus geschlossenporigem Schaumstoff eingesetzt werden. Diese werden mit den Segmenten 12 und den Deckscheiben 5 verklebt.