DE10119309C1 - Verfahren zur Vermeidung von Presssitzschäden an Radsätzen, insbesondere an Radsätzen von Schienenfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Presssitzschäden an Radsätzen, insbesondere an Radsätzen von Schienenfahrzeugen, wobei eine Behandlung der Oberfläche einer Radsatzwelle durchgeführt und der Radsatz anschließend gefügt wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches kostengünstig die Radsitze vor Pressschäden durch eine spezielle Oberflächenbehandlung schützt, in bestehende Instandhaltungstechnologien sich einfügt und konstruktive Änderungen der vorhandenen Radsatz-Bauarten vermeidet. DOLLAR A Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass DOLLAR A vorab in mindestens einem Schritt die Radsatzwelle in ihrem zylindrischen sowie kegelförmigen Endbereich längsgedreht oder -geschliffen und der entstandene Übergang geglättet und/oder abgerundet wird, so dass die Behandlung der Oberfläche der Radsatzwelle mittels eines Plasma-Ionenimplantationsverfahrens derart durchgeführt wird, dass unter Atmosphärendruck durch ein reaktionsfähiges Gas als Trägergas aufweisendes kaltes Plasma ein fein verteiltes, den Reibungskoeffizienten reduzierendes Pulver, insbesondere ein sulfidhaltiges Pulver, auf die rotierende Radsatzwelle so aufgebracht wird, dass im Nano- und/oder Mikrometerbereich eine sehr harte metallische Gleitschicht mit geringer Adhäsionsneigung ausgebildet wird, wobei bei höchsten Anpressdrücken zwischen Radsatzwelle und Rad, gerade nach dem Abreißen eines Schmierstofffilmes, eine Pressschäden verhindernde ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Vermeidung von Presssitzschäden an Radsätzen, insbesondere an Radsätzen von Schienenfahrzeugen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Am Radsatz von Schienenfahrzeugen wird die überwiegende Anzahl der Ver­ bindungen zwischen Radsatzwelle und Rad als Längspressverband ausgeführt. In der Instandhaltung von Radsätzen ist ein mehrmaliges Lösen und Neufügen der Pressverbände notwendig. Dabei treten oft Pressschäden in Gestalt von Längsriefen, Kaltverschweißungen und Oberflächenbeschädigungen bis hin zur Unbrauchbarkeit der Radsatzwelle auf. Radsitze mit Pressschäden müssen ü­ berarbeitet werden, um eine weitere Verwendung der Radsatzwellen zu ermög­ lichen. Das Bearbeiten der Radsitze verursacht jedoch Fertigungskosten und verringert durch die Bearbeitung den Durchmesser der Welle. Durch mehrmali­ ge Bearbeitung des Radsitzes wird das zulässige Grenzmaß des Durchmessers erreicht und die Radsatzwelle wird vorzeitig unbrauchbar.

Aus DD 152 972 B kann zum Stand der Technik entnommen werden, dass bei Längspressverbänden Molybdändisulfidpaste zur Verhinderung fortschreitender Passungsrostbildung mit teilweisem Erfolg zur Anwendung gebracht wurde. Molybdändisulfidpulver soll auch bei Quer- und Längspressverbindungen die Passungsrostbildung mit geringem Erfolg verhindern. Das Patent selbst sieht vor, dass Passflächen einer Wellen-Nabenverbindung mit aus einer chemischen Verbindung des Grundwerkstoffes bestehenden nicht-metallisch-organischen Schichten versehen sind. In diese können auch temporäre Korrosionsschutz­ mittel eingelagert werden. Dadurch soll Passungsrost verhindert und der Haft­ wert zwischen den Passflächen erhöht werden.

Weiterhin ist es seit längerer Zeit bekannt, die Wellen durch Metallspritzen mit Molybdän zu beschichten. Der Vorteil der besseren Gleitfähigkeit wird aller­ dings mit einem hohen Fertigungsaufwand und einer Schwächung der Welle erkauft.

In der Praxis zeigt sich, dass die Metallspritzschichten oft nicht ausreichend haften und unter Betriebsbeanspruchungen zum Ablösen neigen. Außerdem tritt in den Naben Passungsrost auf.

In DE 23 46 144 A1 wird eine Leichtmetallscheibe mit Stahlbandage durch ei­ nen konischen Sitz mit Zweikomponentenkleber verbunden. Nach DE 23 61 891 A1 kommt eine Buchse zum Einsatz, die weicher als die Welle ist und in die Radnabe eingeschrumpft wird. Diese Kombination wird wiederum auf die Welle aufgeschrumpft.

In DE 23 54 206 A1 wird eine Klebschrumpfverbindung vorgestellt. Nach DE 23 62 434 A1 haben die Vollräder eine spezielle Formgebung, so dass bei einem Press- oder Schrumpfsitz Wärmeeintragungen durch die Klotzbremse bis über 300°C keine Spurmaßänderungen bzw. Lockerungen der Scheiben bewirken.

In DE 23 63 403 A1 ragt bei einer normalen Pressung die Nabe über den Wel­ lensitz hinaus, so dass an dieser Stelle eine elastische Masse gegen das Ein­ dringen von Feuchtigkeit eingebracht werden kann.

Im EP 223759 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächen für mehrfach verwendbare Längssitzverbindungen erläutert.

Die härtbaren Stahlwellen weisen parallele in axialer Richtung, d. h. in Press­ kraftrichtung verlaufende Härtespuren, insbesondere Laserhärtespuren der Festphase mit einem Martensitgefüge auf.

Durch die gehärteten Flächen soll die Reibung in axialer Richtung, um den Pressvorgang zu erleichtern, verringert werden, während die Reibung in radia­ ler Richtung durch leichtes Eindringen der Härtespuren in die Nabenoberfläche erhöht werden soll.

In DE 26 35 608 A1 wird schließlich der klassische Presssitz der Radsätze verlassen und auf eine Befestigung mit Schrauben, auch für andere Konstrukti­ onsteile der Welle übergegangen.

Bei diesen Lösungen bleiben jedoch die Nachteile des Fressens, d. h. erhebli­ che Beschädigungen der Oberflächen infolge des Auftretens starker Festkör­ perreibung bei Presssitzen weitgehend bestehen. Eine Schmierung ist bei den hier wirkenden hohen Drücken nur begrenzt wirksam, weil der Schmierstoff- Film durchbrochen wird.

Der Einsatz nicht metallisch-organischer Schichten ist nicht auf eine Reibungs­ reduzierung beim mehrfachen Fügen und Lösen von Längspressverbindungen ausgelegt.

Es findet weiterhin, wenn auch z. T. mit gehärteten Flächen, eine Reibung von Stahl auf Stahl bzw. auf Stahlguss statt, ohne eine Gleitschicht einzubringen und dem Passungsrost wirksam entgegenzutreten.

Bei konischen Sitzen mit Zweikomponentenklebern besteht das Risiko des Lö­ sens der Verbindung, insbesondere bei höheren Wärmeeintragungen.

Eine zusätzliche Buchse einzusetzen bedeutet erhöhten Fertigungsaufwand, wobei die Fressneigungen nicht beseitigt sind.

Bei Klebschrumpfverbindungen besteht das Risiko extremer Abpresskräfte mit anschließendem Fressen.

Desweiteren ist ein Verfahren zur Herstellung von Flächen mehrfach verwend­ barer Längspresssitzverbindungen, insbesondere für Radsätze von Bahnen be­ kannt, wobei auf den härtbaren Stahlwellen parallele Laserhärtespuren in der Festphase mit einem Martensitgefüge in direkter Richtung der Längspresskraft, d. h. axial zur Welle auf der Fläche der Presssitzverbindung und beidseitig dar­ über hinaus gezogen werden, so daß die Oberflächenhärte um ein Mehrfaches zum Grundmaterial angehoben wird, um anschließend Messing mit kubisch­ flächenzentrierten α-Mischkristallen, vorzugsweise mit 30-37% Zn-Gehalt, als Festschmierstoff, in Form feiner Partikel aufzutragen, um dann über das sehr harte und feinstrukturierte Werkstoffgefüge der Laserspuren die hohen Reib­ kräfte beim Auf- und Abpressen und die Haftkräfte der Presssitzverbindung in das weichere Grundmaterial auch nach wiederholten Fügevorgängen ohne Be­ schädigungen der Oberflächen sicher einzutragen (DE 196 24 598 C1).

Das Verfahren ist für die notwendigen hohen Ansprüche an eine sehr niedrige Oberflächenrauhigkeit der Radsätze von Schienenfahrzeugen bei einer höchs­ ten Härte nicht ausreichend. Presssitzschäden können damit nicht wirkungsvoll genug vermieden werden.

Durch den mit der Härtesteigerung einhergehenden Verlust an Zähigkeit ist ei­ ne Verringerung der ertragbaren Spannung, insbesondere in Kerben und Quer­ schnittsübergängen, zwangsläufig verbunden. Aus diesem Grund ist bei An­ wendung des Verfahrens die ursprüngliche Sicherheit gegen Dauerbrüche nicht mehr gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches arbeitsplatz- und umweltfreundlich, sowie energie- und kostengünstig die Rad­ sitze vor Pressschäden schützt. Dieses Verfahren soll sich in die bestehende Instandhaltungstechnologie einfügen sowie ohne konstruktive Änderungen der Radsatzbauarten (Übermaße) und des Fügeverfahrens nach UIC 813 auskom­ men. Weiterhin soll das Verfahren eine mit den gegenwärtig angewendeten Fertigungs- und Fügeverfahren vergleichbar hohe Sicherheit gegen Dauerbrü­ che sowie vergleichbar hohe Übertragungsfähigkeit für Kräfte und Momente bieten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass vorab in mindestens einem Schritt die Radsatzwelle in ihrem zylindrischen sowie kegelförmigen Endbereich längsgedreht oder -geschliffen und der entstandene Übergang geglättet und/oder abgerundet wird, so dass die Behandlung der Oberfläche der Radsatzwelle mittels eines Plasma-Ionenimplantationsverfahrens in derart durchgeführt wird, dass unter Atmosphärendruck durch ein reaktionsfähiges Gas als Trägergas aufweisendes kaltes Plasma ein fein verteiltes Pulver, ins­ besondere ein sulfidhaltiges Pulver auf die rotierende Radsatzwelle so aufge­ bracht wird, dass im Nano-/Mikrometerbereich eine sehr harte metallische Gleitschicht mit geringer Adhäsionsneigung ausgebildet wird, wobei bei höchs­ ten Anpressdrücken zwischen Radsatzwelle und Rad, gerade nach dem Abrei­ ßen eines Schmierstofffilmes eine Pressschäden verhindernde Feststoffschmie­ rung erzeugt wird. Das Fügen des Radsatzes erfolgt dabei im Längspressver­ fahren.

Das mittels Plasma-Ionenimplantationsverfahren auf die Oberfläche der Radsatzwelle aufgebrachte Pulver, insbesondere sulfidhaltige Pulver wird in einer Gleitschichtdicke im einstelligen Mikrometerbereich, vorzugsweise von 50 nm bis < 2 µm aufgebracht.

Durch das Längsdrehen der Oberfläche der Radsatzwelle wird eine maximale Oberflächenrauhigkeit von R_a = 1,2 µm erreicht.

Die Plasma-Oberflächenbehandlung kann dabei mehrmals im Instandhaltungs­ prozess durchgeführt werden. Der Festschmierstoff wird auf die rotierende Radsatzwelle mit einem Vorschub von 5-50 mm/min., vorzugsweise 10 mm/min. aufgebracht.

Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass zwei entgegengesetzte Vorschub­ richtungen bei der spanenden Bearbeitung im zylindrischen und im kegelförmi­ gen Endbereich der Radsatzwelle zu einer stark verbesserten Unterdrückung der Pressriefenbildung führt.

Der zylindrische Endbereich der Radsitzes wird mit einem optimiertem Vor­ schub im ersten Schritt von außen nach innen längsgedreht oder -geschliffen.

Der kegelförmige Endbereich der Radsitzes wird dagegen von innen nach au­ ßen längsgedreht oder -geschliffen. Ein entstehender Übergangsbereich wird geglättet und/oder abgerundet.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vorzugsweise eine Drehmaschine ist und die längsge­ drehte oder -geschliffene Radsatzwelle des Weiteren in eine Plasma- Ionenimplantationsanlage eingebunden ist, deren mit reaktionsfähigem Gas als Trägergas gespeiste Plasmaentladung unter Atmosphärendruck ein fein ver­ teiltes Festschmierstoff-Pulver auf die Welle aufbringt, wobei die Plasmaentla­ dung vorzugsweise im Winkel von 90° auf die rotierende Welle gerichtet ist.

Die Plasmaentladung ist in einem Abstand von 20-80 mm, vorzugsweise 30 mm, von der Radsatzwelle entfernt angeordnet mit einem Vorschub zur Ober­ fläche der Radsatzwelle versehen, so dass der Plasmastrahl eine größere Flä­ che bestreichen kann.

Dabei ist die Vorrichtung zur Plasmaentladung vorzugsweise an einem Support einer Drehmaschine oder einer ähnlichen Einrichtung befestigt.

Durch die Plasmabehandlung werden die Festschmierstoff-Partikel in die Ober­ fläche implantiert und bewirken eine Feststoffschmierung gerade dort, wo der Schmierstofffilm des Presshilfsmittels abreißt. Mit dem verwendeten Reaktions­ gas als Trägergas diffundiert dieses bzw. dessen Inhibitoren in die Oberfläche des Radsitzes ein und bewirken über die Härtesteigerung zusätzlich einen er­ höhten Werkstoffwiderstand gegen das Auftreten von Pressriefen.

Die Implantation von Festschmierstoffpartikeln und die Eindiffusion von Reakti­ onsgas findet in Nano-/Mikrometerbereich in die Oberfläche statt. Somit wird die Dauerfestigkeit des Radsitzes nicht verringert.

An das Plasma-Ionenimplantieren anschließend wird der Radsatz im Längs­ pressverfahren unter Verwendung vorzugsweise einer Molybdändisulft-Paste als Presshilfsmittel gefügt.

Im Pressvorgang wird durch die Vorbehandlung ein Haftbeiwert gegen Lösen in Längsrichtung ν_ll von max. 0,15 und ein Haftbeiwert gegen Rutschen ν_rl von max. 0,12 erzielt.

Im Instandhaltungsprozess kann die Ionen-Implantationsanlage aufgrund von kurzen Behandlungszeiten (Minutenbereich) sowie geringem Platz- und Ener­ giebedarf in den Fertigungsprozess integriert werden. Es ist möglich, das Plasma-Ionenimplantieren zu wiederholen, wenn im Instandhaltungsprozess z. B. eine Durchmesseranpassung des Radsitzes notwendig wird. Ebenso kann das Verfahren gleichermaßen in Neufertigung und Instandhaltung angewendet werden.

Zur arbeitsplatz- und umweltfreundlichen Charakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung trägt die Verwendung nichttoxischer Gase, die sehr geringe Ge­ räuschentwicklung der Plasmaimplantationsanlage, die Vermeidung von auf­ wändigen elektrischen Schutzmaßnahmen und der Verzicht auf spezielle Vor­ richtungen zur industrieüblichen Absicherung des 230/400 V-Netzes bei.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll nachfolgend die Erfindung näher er­ läutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zum Aufbringen der Plasma- Gleitschicht auf die Radsatzwelle im Längsschnitt

Fig. 2 die Entstehung von Adhäsionsriefen.

Mittels des Plasma-Ionenimplantierens wurden die Radsitze einer Radsatzwelle behandelt, wobei die Plasma-Implantationsanlage auf dem Support einer Dreh­ maschine befestigt war. Die Presssitzübermaße wurden so gewählt, dass ein Radsitz die untere Grenze und ein Radsitz die obere Grenze der zulässigen Presssitzübermaße nach UIC 813 verkörperte.

Zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) der Plasmaentladung wird dabei durch eine frequente Hochspannung das Trägergas mit den Festschmierstoff- Partikeln (3) vermischt und in einen ionisierten Kalt-Plasmazustand überführt.

Das ionisierte Reaktionsgas-Plasma (5) wird auf den Radsitz (6) der rotieren­ den Radsatzwelle (7) gelenkt. Durch die Translationsbewegung der Plas­ maentladung wird die gesamte Oberfläche des Radsitzes behandelt.

Nach dem Plasma-Ionenimplantieren wurden die Räder unter Produktionsbe­ dingungen auf einer Radsatzpresse aufgepresst und nach 48 Stunden ohne Ölweitungsverfahren abgepresst. Insgesamt wurden die Radsitze achtmal ge­ fügt und gelöst, ohne dass Pressriefen auftraten.

Zum Nachweis der Dauerfestigkeit wurde der Radsatz auf einem Rollprüfstand 10 Millionen Überrollungen mit einer Radaufstandskraft von 170 kN und Quer­ kraft von 60 kN unterworfen. Während des Versuches traten keine Risse und keine bleibende Verschiebung des Rades auf.

Claims (11)

1. Verfahren zur Vermeidung von Presssitzschäden an Radsätzen, insbe­ sondere an Radsätzen von Schienenfahrzeugen, wobei eine Behandlung der Oberfläche einer Radsatzwelle durchgeführt und der Radsatz gefügt wird, gekennzeichnet dadurch, dass
vorab in mindestens einem Schritt die Radsatzwelle in ihrem zy­ lindrischen sowie kegelförmigen Endbereich längsgedreht oder - geschliffen und
der entstandene Übergang geglättet und/oder abgerundet wird, so dass die
Behandlung der Oberfläche der Radsatzwelle mittels eines Plas­ ma-Ionenimplantationsverfahrens in derart durchgeführt wird, dass unter Atmosphärendruck durch ein reaktionsfähiges Gas als Trä­ gergas aufweisendes kaltes Plasma ein fein verteiltes, den Rei­ bungskoeffizienten reduzierendes Pulver, insbesondere ein sulfid­ haltiges Pulver, auf die rotierende Radsatzwelle aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Fügen des Radsatzes im Längspressverfahren durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Plasma-Behandlung mehrmals im Instandhaltungsprozess der Radsatz­ welle durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, dass die Fest­ schmierstoff-Partikel durch den Plasmastrahl ionisiert auf die Oberfläche der rotierenden Radsatzwelle mit einem Vorschub von 5-50 mm/min., vorzugsweise 10 mm/min., aufgebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, dass in einem ersten Schritt der zylindrische Bereich des Radsitzes mit optimiert gerin­ gem Vorschub von außen nach innen längsgedreht oder -geschliffen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, dass in einem zweiten Schritt der kegelförmige Endbereich der Radsitzes mit optimiert geringem Vorschub von innen nach außen längsgedreht oder -geschliffen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, gekennzeichnet dadurch, dass der Über­ gang zwischen zylindrischem Bereich des Radsitzes und kegelförmigem Endbereich bedarfsgerecht verrundet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Vermeidung von Press­ sitzschäden an Radsätzen, insbesondere an Radsätzen von Schienen­ fahrzeugen, wobei eine Radsatzwelle drehbar in einer Vorrichtung gela­ gert ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung eine Drehmaschine ist und die längsgedrehte oder -geschliffene Radsatzwelle des Weiteren in eine Plasma-Ionenimplantationsanlage eingebunden ist, deren mit re­ aktionsfähigem Gas als Trägergas gespeiste Plasmaentladung unter At­ mosphärendruck ein fein verteiltes Festschmierstoff-Pulver auf die Welle aufbringt, wobei die Plasmaentladung vorzugsweise im Winkel von 90° auf die rotierende Welle gerichtet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Plasma- Ionenimplantationsanlage in einem Abstand von 20-80 mm, vorzugswei­ se von 30 mm, zur Radsatzwelle angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, gekennzeichnet dadurch, dass die rotierende Radsatzwelle zur Plasmaentladung mit einem Vorschub verse­ hen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8-10, gekennzeichnet dadurch, dass die Plasmaentladung auf dem Support der vorzugsweise zu benutzenden Drehmaschine befestigt ist.