-
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad, insbesondere ein Scheibenrad für Schienenfahrzeuge. Ebenso betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Fahrzeugrad ausgestatteten Radsatz und ein mit einem derartigen Radsatz versehenes Schienenfahrzeug.
-
Konventionelle Schienenfahrzeuge fahren auf Fahrzeugrädern, welche paarweise durch eine Achse zu Radsätzen verbunden sind. Dabei existieren verschiedene Bauformen für die Räder von Schienenfahrzeugen. So wird zwischen Vollrädern, die auch als „Monobloc-Räder” bekannt sind, und Rädern mit Radreifen unterschieden.
-
Vollräder werden beispielsweise aus Stahl gegossen oder geschmiedet und werden heute im Personenverkehr, insbesondere im Hochgeschwindigkeitsschienenverkehr, eingesetzt. Räder mit Radreifen bestehen aus einem Radteller und einem auf dem Radteller befestigten Radreifen.
-
Die Räder von Schienenfahrzeugen bestehen dabei üblicherweise aus unlegiertem oder geringlegierten Stahl mit einem hohen Reinheitsgrad. Die Materialeigenschaften werden hauptsächlich durch die chemische Zusammensetzung des Grundmaterials, des Ur- bzw. Umformprozesses und insbesondere durch den Wärmebehandlungsprozess bestimmt.
-
Im Schienenverkehr kommt dem Fahrzeuggewicht und damit auch dem Gewicht der Fahrzeugräder eine zunehmend große Bedeutung zu. So erfordert ein hohes Fahrzeugradgewicht einerseits größere Antriebs- und Bremskräfte, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Schienenfahrzeugbetriebs eingeschränkt wird. Gleichzeitig wirkt sich ein hohes Fahrzeugradgewicht negativ auf die Umweltverträglichkeit sowie das Crashverhalten auf.
-
Beim Antreiben, Beschleunigen und Abbremsen von Schienenfahrzeugen erfolgt die Kraftübertragung im Rad-Schiene-Kontakt ausschließlich durch Reibung. Die Fahrzeugräder übertragen im Betrieb eines Schienenfahrzeugs daher große Kräfte und gehören somit zu den am stärksten beanspruchten Komponenten. Insbesondere führen häufige Beschleunigungs- und Bremsvorgänge sowie die Belastung in Kurven zu starkem Verschleiß der Fahrzeugräder. Dabei führt ein hohes Fahrzeugradgewicht wiederum zu einem höheren Verschleiß, da beim Beschleunigen und Abbremsen größere Kräfte übertragen werden müssen.
-
Um einen idealen Rundlauf der Fahrzeugräder sowie ihren schadensfreien Betrieb zu gewährleisten ist daher in regelmäßigen Abständen eine vollständige Überarbeitung insbesondere der Radlaufflächen erforderlich, was mit einem entsprechend hohen Wartungs- und Instandhaltungsaufwand verbunden ist.
-
Zusätzlich führen immer höhere Zuggeschwindigkeiten im Betrieb von Schienenfahrzeugen zu einer weiter erhöhten Beanspruchung der Fahrzeugräder. Zum einen ergeben sich hieraus gestiegene Anforderungen an die Leistungsfähigkeit sowie die Sicherheit der Schienenräder. Darüber hinaus folgt aus den immer höheren Zuggeschwindigkeiten ein weiter steigender Wartungs- und Instandhaltungsaufwand.
-
Gleichzeitig besteht die Zielsetzung den Reisekomfort im Personenverkehr stetig zu erhöhen. Insbesondere sollen die im Betrieb von Schienenfahrzeugen durch das Abrollen der Fahrzeugräder entstehenden Schwingungen und dadurch ausgelösten Schallemissionen auf ein Minimum reduziert werden.
-
Die genannten Anforderungen werden von bestehenden Fahrzeugrädern und mit solchen Rädern ausgestatteten Radsätzen nur unzureichend erfüllt.
-
US 4,093,299 A beschreibt ein Fahrzeugrad gemäß des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
-
Aus der
WO 97/44204 A1 ist ein als Vollrad ausgebildetes Schienenrad bekannt, welches durch die Formgebung der Radscheibe sowie der Anordnung von Schwingungsabsorbern am Radkranz schallarm betrieben werden kann. Ebenso weisen Vollräder gegenüber konventionellen Rädern mit Radreifen eine höhere Betriebssicherheit, eine höhere Beständigkeit bei wechselnder thermischer Beanspruchung sowie eine größere Laufzeit aufgrund einer dickeren Verschleißzone auf. Jedoch muss im Verschleißfall das gesamte Rad ausgewechselt werden, wodurch die Wartungs- und Instandhaltungsfreundlichkeit von Vollrädern beschränkt ist. Ferner ist das Leichtbaupotential von Vollrädern letztlich durch den zwingend aus Stahl bestehenden Radkörper begrenzt.
-
Demgegenüber weisen Schienenräder mit Radreifen grundsätzlich den Vorteil auf, dass für den Radreifen und den Radteller unterschiedliche Werkstoffe einsetzbar sind und dadurch das Gewicht des Fahrzeugrades reduziert werden kann. So ist aus der
EP 0 065 086 A1 ein Schienenrad mit Radreifen bekannt, bei dem der den Radreifen und die Radnabe verbindende Radteller aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Dabei ist der Radkranz auf den Radteller aufgeschrumpft und durch einen Spleiß-Kleber oder durch ein Polyurethan-Elastomer verbunden. Demgemäß besteht in tangentialer Richtung zwischen dem Radkranz und dem Radteller eine kraft- und stoffschlüssige Verbindung. Allerdings entsteht hierdurch die Gefahr einer nur unzureichenden Verbindung zwischen Radkranz und Radteller, so dass es beim Beschleunigen oder Abbremsen des Schienenfahrzeugs zu einem Durchrutschen des Radtellers gegenüber dem Radkranz kommen kann, wodurch die Betriebssicherheit des Radtellers herabgesetzt wird.
-
Ferner besteht im Verschleißfall eines Schienenrades mit Radreifen grundsätzlich die Möglichkeit nur den Radreifen anstatt das gesamte Rad auszutauschen. Jedoch ist das Aufschrumpfen und Verkleben des Radkranzes mit hohem Aufwand verbunden, was die Montage und Demontage eines solchen Schienenrades und damit die Wartung und Instandhaltung erschwert.
-
Weiterhin ist aus der
EP 0 864 445 B1 ein gummigefedertes Schienenrad mit Radreifen bekannt, bei dem mit dem Radkranz verschraubte Mitnehmer ein Durchrutschen des Radkranzes gegenüber dem inneren Radkörper verhindern. Zum einen ist die Montage und Demontage des aus
EP 0 864 445 B1 bekannten Schienenrades mit einem hohen Aufwand verbunden. Darüber hinaus erfordert die Verschraubung der Mitnehmer auf dem Radkranz eine für den sicheren Betrieb entsprechende Dimensionierung, wodurch das Gewicht des Schienenrades erhöht wird.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrzeugrad, insbesondere ein Scheibenrad für ein Schienenfahrzeug, anzugeben, welches leicht, geräuscharm sowie montage- und wartungsfreundlich gestaltet ist und hervorragende Leichtlauf- und Dauerbelastungseigenschaften für eine zuverlässige Kraftübertragung zwischen Fahrzeugrad und Fahrgrund, insbesondere Schiene, aufweist.
-
Ferner soll ein Radsatz mit einem derartigen Fahrzeugrad, insbesondere Scheibenrad für Schienenfahrzeuge, und ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Radsatz geschaffen werden.
-
Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeugrades erfindungsgemäß durch Anspruch 1, hinsichtlich eines Radsatzes und eines Schienenfahrzeuges erfindungsgemäß durch die Ansprüche 24 und 27 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrzeugrades und des Radsatzes sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Durch die vorzugsweise formschlüssige und mittels einer Innenumfangskontur (Eingriffsstruktur) des Radkranzes und einer Außenumfangskontur (Eingriffsstruktur) des Radtellers, die miteinander vorzugsweise vollumfänglich in Eingriff sind, ausgeführten form-/kraftschlüssige Verbindung zwischen Radkranz und Radteller ist eine besonders homogene und daher Belastungsspitzen vermeidende Kraftübertragung innerhalb des Fahrzeugrades im Kraftfluss zwischen der Lauffläche über Radkranz und Radteller zur Radnabe und damit bei einer Radachse eines Fahrzeugaufbaus gegeben, die für eine hohe Laufruhe und ein hervorragendes Betriebsverhalten des Fahrzeugrades, insbesondere Scheibenrades, sorgt. Gleichzeitig bietet der Aufbau des Fahrzeugsrads die Möglichkeit einer Leichtbaukonstruktion ohne Beeinträchtigung von Zuverlässigkeit und Dauerfestigkeit des Fahrzeugrades. Durch vorzugsweise in Umfangsrichtung, d. h. in tangentialer Richtung, vorgesehene direkte formschlüssiger Passungseingriff zwischen Radteller und Radkranz ist eine Verbindung zwischen Radteller und Radkranz geschaffen, die weder durch Temperaturschwankungen im Betrieb noch durch mechanische Betriebsbelastungen, noch durch eine Kombination dieser Wirkungen zu einem erhöhten oder unzulässigen Spiel zwischen Radteller und Radkranz führt.
-
Unter „tangentialer Richtung” soll hier die Richtung entlang des Außenumfangs des Radtellers und die Richtung entlang des Innenumfangs des Radkranzes, also die Umfangsrichtung verstanden werden, die mit der Rotationsrichtung des Fahrzeugrades übereinstimmt.
-
Vorzugsweise ist ein direkter und unmittelbarer Formschluss zwischen der Innenumfangs-Eingriffsstruktur des Radkranzes und der Außenumfangs-Eingriffsstruktur des Radtellers, jeweils mit gegenüber einer Zylinderfläche vergrößerte Umfangsfläche vorgesehen, d. h. vorzugsweise findet ein Formschluss in einer Passung zwischen Radkranz und Radteller ohne zu Hilfenahme zusätzlicher Komponenten, wie Schrauben, Spannfeder oder dergleichen statt und greifen beide Teile direkt ineinander. Hierzu weisen die Innenumfangs-Eingriffsstruktur des Radkranzes und die Außenumfangs-Eingriffsstruktur des Radtellers miteinander korrespondierende miteinander in der Art eines Kämmeingriffs in Eingriff bringbare Formelemente auf, durch die eine Übertragung der Antriebs- und Bremskräfte in Betrieb des Fahrzeugrades gewährleistet ist.
-
Durch die direkt formschlüssige Verbindung in tangentialer Richtung wird insbesondere der Kraftfluss zwischen Radkranz und Radteller verbessert, sodass das Fahrzeugrad insgesamt leichter dimensioniert werden kann.
-
Radkranz und Radteller sind vorzugsweise entlang eines gesamten Außenumfangs des Radtellers miteinander in kraftübertragender Verbindung.
-
Gleichzeitig können hierdurch aufwendige Montage- und Demontagevorgänge, wie das Einbringen von Klebstoff in die Passfläche zwischen Radkranz und Radteller, vermieden werden, wodurch neben den Herstellungskosten auch der Wartungs- und Instandhaltungsaufwand eines solchen Fahrzeugrades reduziert wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeugrades ist entlang des Innenumfangs des Radkranzes wenigstens abschnittsweise eine Innenverzahnung und entlang des Aussenumfangs des Radtellers wenigstens abschnittsweise eine der Innenverzahnung des Radkranzes und mit dieser formschlüssig in Eingriff bringbare entsprechende Aussenverzahnung ausgebildet. Dabei greifen die Innenverzahnung und die Aussenverzahnung in tangentialer Richtung direkt formschlüssig ineinander. Derartige Verzahnungen, insbesondere Rund- oder Wellenverzahnungen sind kostengünstig herstellbar und erlauben eine einfache und sichere Montage sowie Demontage des Fahrzeugrades. Gleichzeitig gewährleisten Sie eine sichere Kraftübertragung, wodurch die Betriebssicherheit des Fahrzeugrades erhöht wird.
-
Vorzugsweise ist die Innenverzahnung entlang des gesamten Innenumfangs des Radkranzes und die Aussenverzahnung entlang des gesamten Aussenumfangs des Radtellers ausgebildet. Hierdurch wird eine über den Umfang des Radtellers besonders gleichmäßig verteilte Kraftübertragung gewährleistet, wodurch die Betriebssicherheit des Fahrzeugrades zusätzlich verbessert wird. Vorzugsweise sind die Passungen der Aussen- und Innenverzahnungen so ausgebildet, dass weder durch Temperaturschwankungen im Betrieb noch durch mechanischen Betriebslasten oder Kombination von beiden ein für den sicheren Betrieb des Fahrzeugrades unzulässiges Spiel entsteht.
-
Gegebenenfalls kann zur formschlüssigen Kraftübertragung zwischen Radteller und Radkranz in Umfangsrichtung eine kraftschlüssige hinzutreten, z. B. in Verbindung mit einer vorgegebenen Temperaturführung von/zwischen Radteller und Radkranz während der Montage.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Innenverzahnung des Radkranzes und die Außenverzahnung des Radtellers als Wellenverzahnungen ausgebildet. Hierdurch können Spannungsspitzen in den Verzahnungen des Radtellers und des Radkranzes verringert werden, so dass im Betrieb des Fahrzeugrades eine zusätzlich verringerte Materialbelastung des Radkranzes sowie des Radtellers gewährleistet wird.
-
Der Montageaufwand eines Fahrzeugrades für Schienenfahrzeuge kann dadurch weiter verringert werden, dass der Radteller einstückig ausgebildet ist. Die integrale Bauweise des Radtellers erhöht dabei zusätzlich die Belastungsfähigkeit des Fahrzeugrades, sodass dessen Betriebssicherheit weiter erhöht wird.
-
Die Anzahl der Komponenten des Fahrzeugrades kann dadurch weiter verringert werden, dass der Radteller in axialer Richtung an einem Stützabschnitt des Radkranzes anliegt. Somit ist in einer axialen Richtung des Fahrzeugrades eine formschlüssige Sicherung des Radtellers gegenüber dem Radkranz gewährleistet, ohne dass hierfür weitere Komponenten oder Baugruppen erforderlich sind. Vorzugsweise ist der Stützabschnitt als ein Stützkragen ausgebildet, der entlang des Innenumfangs des Radkranzes verläuft und somit eine ununterbrochene axiale Abstützung des Radtellers in dessen Aussenumfangsbereich erlaubt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Radteller in axialer Richtung durch einen Sprengring mit dem Radkranz verbunden. Die axiale Sicherung des Radtellers durch einen Sprengring ist mit nur geringem Montageaufwand verbunden und gewährleistet zudem eine große Betriebssicherheit.
-
Ebenso ist es möglich anstelle eines Stützkragens zur Anlage des Radtellers an den Radkranz einen weiteren Sprengring vorzusehen, um auf diese Weise den Radteller beidseitig in axialer Richtung relativ zum Radkranz zu sichern.
-
Vorzugsweise greift der Sprengring in eine an dem Innenumfang des Radkranzes umlaufende Nut. Die axiale Sicherung des Radtellers relativ zum Radkranz kann hierdurch mit nur geringem Handhabungsaufwand erfolgen und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Betriebssicherheit.
-
In vorteilhafter Weise kann die am Innenumfang des Radkranzes umlaufende Nut einen keilförmigen Querschnitt aufweisen. Demgemäß kann auch der Sicherungsring einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt der Nut entspricht. In der Betriebslage des Sprengrings kann hierdurch dessen axiales Spiel minimiert werden, wodurch einerseits die Betriebssicherheit erhöht und gleichzeitig die Schallemissionen im Betrieb des Fahrzeugrades minimiert werden. Gleichzeitig wird durch die keilförmige Gestaltung der Nut und des Sprengrings die Gefahr verringert, dass der Sprengring bei der Montage verkantet und die Handhabungssicherheit beeinträchtigt wird.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Sprengring aus wenigstens zwei bogenabschnittförmigen Segmenten. Vorzugsweise besteht der Sprengring aus insgesamt vier gleichen bogenabschnittförmigen Segmenten. Durch eine Segmentierung des Sprengrings in zwei oder mehrere bogenabschnittförmige Teile besteht die Möglichkeit den Sprengring ohne oder mit nur geringer Spannung in die Nut einzubringen, wodurch die Gefahr von Verletzungen des Montage- und Wartungspersonals verringert wird.
-
In weiterer Ausgestaltung des Fahrzeugrads ist ein Sicherungsring mit einem Befestigungsabschnitt und mit einem Stützabschnitt vorgesehen, wobei der Sicherungsring über den Befestigungsabschnitt mit dem Radkranz verbunden ist und wobei der Stützabschnitt in den Sprengring greift und den Sprengring zumindest in radialer Richtung abstützt. Insbesondere beim Einsatz eines segmentierten Sprengrings kann dieser somit sicher und einfach in der Nut des Radkranzes gehalten und folglich eine axiale Sicherung des Radtellers relativ zum Radkranz gewährleistet werden. Jedoch kann ein Sicherungsring auch bei einem einteiligen Sicherungsring die Betriebssicherheit des Fahrzeugrades erhöhen, da der Sicherungsring ein unerwünschtes Herausspringen des Sprengrings aus der Nut verhindert.
-
Um den Sprengring in seiner Betriebsstellung mit einer zusätzlichen Kraft in radialer Richtung zu beaufschlagen, können der Innenumfang des Sprengrings und der Aussenumfang des Stützabschnitts des Sicherungsrings eine konische Passung bilden. Beim Verschrauben des Sicherungsrings übt der Stützabschnitt demgemäß eine radiale Kraft auf den Sprengring aus und presst diesen zusätzlich in die am Innenumfang des Radkranzes ausgebildete Nut.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Fahrzeugrades sieht vor, dass die Radnabe und der Radteller in axialer Richtung formschlüssig in Verbindung stehen, wodurch die Betriebssicherheit des Fahrzeugrades insbesondere in Kurven erhöht wird.
-
In besonders vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die Radnabe und der Radteller über eine Mutter, die auf einem Gewinde der Radnabe aufgeschraubt und an einer ersten Seitenfläche des Radtellers abgestützt ist, axial zueinander vorgespannt sind. Dabei kann das Anzugsmoment der Mutter vorzugsweise so eingestellt werden, dass weder durch Temperaturschwankungen im Betrieb noch durch mechanische Belastungen ein unzulässiges Spiel zwischen Radteller und Radnabe entsteht und gleichzeitig die Grenzflächenpressung des Radtellerwerkstoffs nicht überschritten wird.
-
Dabei kann die axiale Verbindung zwischen Radteller und Radnabe sowie deren axiale Verspannung besonders leicht und mit einer nur geringen Anzahl an Komponenten dadurch bewerkstelligt werden, dass die Radnabe eine Stützschulter aufweist, die an einer zweiten Seitenfläche des Radtellers abgestützt ist, wobei die zweite Seitenfläche auf einer zu der ersten Seitenfläche axial gegenüberliegenden Seite des Radtellers ausgebildet ist.
-
Schließlich können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugrades der Aussenumfang der Radnabe und der Innenumfang des Radtellers eine konische Passung bilden. Vor der Montage des Fahrzeugrades auf die jeweilige Radachse besteht so die Möglichkeit, die Radnabe mit dem Radteller auch in radialer Richtung vorzuspannen. Insbesondere kann bei Vorliegen einer solchen konischen Passung mittels einer Mutter, die wie voranstehend beschrieben, auf einem Gewinde der Radnabe aufgeschraubt und an einer ersten Seitenfläche des Radtellers abgestützt ist, eine radiale Verspannung des Radtellers mit der Radnabe erzeugt werden.
-
Der zur Erzeugung des zur Übertragung von Antriebs- und Bremsmomenten notwendigen Kraftschlusses in der konischen Passung, stellt sich vorzugsweise erst beim Fügen des kompletten Fahrzeugrads mit der Achswelle dadurch ein, dass die am Innenumfang mit Untermaß hergestellte Nabe auf die Achswelle gepresst wird. Hingegen erlaubt eine Vorspannung der Radnabe und des Radtellers in radialer Richtung vorzugsweise eine Voreinstellung der Passung zwischen Radteller und Radnabe, so dass im Betrieb des Fahrzeugrades weder durch Temperaturschwankungen noch durch mechanische Belastungen ein sowohl in radialer als auch in axialer Richtung unzulässiges Spiel zwischen Radteller und Radnabe entsteht und gleichzeitig die Grenzflächenpressung der Fahrzeugradkomponenten nicht überschritten werden.
-
Vorzugsweise weist das Fahrzeugrad, insbesondere Scheibenrad der vorbeschriebenen Art, eine Radnabe, über die das Fahrzeugrad mit der Radachse eines Radsatzes verbunden werden kann, einen eine Lauffläche aufweisenden Radkranz sowie einen die Radnabe und den Radkranz verbindenden Radteller auf. Erfindungsgemäß besteht der Radteller zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff. Insbesondere sind Verstärkungsfasern, die aus Faserbündeln bestehen können, des Faserverbundwerkstoffs wenigstens abschnittsweise entlang von Hauptspannungsrichtungen des Radtellers orientiert.
-
Demgemäß werden die im Betrieb eines solchen Fahrzeugrades auf den Radteller einwirkenden Lastpfade zumindest abschnittsweise durch Verstärkungsfasern des Faserverbundwerkstoffs nachgebildet, was auch unter der Bezeichung „Tailored Fiber Placement” (TFP) bekannt ist. Durch dieses Prinzip wird es ermöglicht, das Gewicht des Radtellers und damit des gesamten Fahrzeugrades zu reduzieren und gleichzeitig dessen Belastungsfähigkeit und Betriebssicherheit zu steigern.
-
Dabei bestehen Radkranz und Radnabe des Fahrzeugrades in bekannter Weise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem hochfesten Stahl.
-
Vorzugsweise sind die im Betrieb des Fahrzeugrades auf den Radteller einwirkenden Lastpfade jeweils entlang ihrer gesamten Länge durch zumindest eine Verstärkungsfaser nachgebildet.
-
Die Lehren der voranstehenden beschriebenen Vorrichtungen sind in besonders vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar. Insbesondere kann bei einem Fahrzeugrad der Radteller aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, bei dem Verstärkungsfasern nach dem Prinzip des „Tailored Fiber Placement” orientiert sind, wobei gleichzeitig vorgesehen ist, dass der Radkranz und der Radteller, wie voranstehend beschrieben, in tangentialer, d. h. Umfangsrichtung direkt formschlüssig, vorzugsweise durch Wellenverzahnungen am Innenumfang des Radkranzes und am Aussenumfang des Radtellers, miteinander verbunden sind. Hierdurch wird bei einem hohen Leichtbaupotential des Fahrzeugrades dessen Betriebssicherheit weiter verbessert.
-
Die Verbindungssicherheit zwischen Radteller und Radkranz lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugrades insbesondere dadurch erhöhen, dass Verstärkungsfasern in einem an den Aussenumfang grenzenden Aussenbereich des Radtellers der Aussenumfangsgeometrie folgend in Umfangsrichtung orientiert sind. Bei einer wellenzahnförmigen Aussenumfangsgeometrie des Radtellers können demgemäß Verstärkungsfasern entlang der Wellenverzahnung verlaufen und dadurch diese verstärken. Über die Verzahnung des Radtellers können somit größere Antriebs- und Bremskräfte übertragen werden, ohne dass es einer massiveren und damit schwereren Ausführung der Komponenten des Fahrzeugrades bedarf.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Fahrzeugrades sind Verstärkungsfasern in einem an eine Innenöffnung grenzenden Innenbereich des Radtellers, der inneren Öffnungsgeometrie folgend, in Umfangsrichtung der Innenöffnung orientiert. Hierdurch wird sichergestellt, dass der innere Öffnungsbereich des Radtellers eine ausreichend große Steifigkeit besitzt. Insbesondere dienen die umlaufenden Verstärkungsfasern im Innenbereich des Radtellers dazu, eine in tangentialer Richtung (Umfangsrichtung) wirksame kraftschlüssige Verbindung zwischen Radteller und Radnabe sicherzustellen, die beim Aufpressen der mit Untermaß hergestellten Nabe auf eine Achswelle erzeugt wird.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass Verstärkungsfasern in im Wesentlichen radialer Richtung des Radtellers durch diesen verlaufen. In diesem Zusammenhang sollen unter radialer Richtung auch Richtungen einbezogen sein, die einen Winkel von weniger als 30°, insbesondere von weniger 15°, insbesondere von weniger als 5° gegenüber der genauen Radialrichtung aufweisen. Durch die Faserverstärkung des Radtellers in radialer Richtung werden einerseits radiale Druckkräfte aus dem auf der Radachse lastenden Gewicht optimal aufgenommen. Andererseits stützen die radial orientierten Verstärkungsfasern den Radteller gegenüber Querkräften, die beispielsweise während Kurvenfahrten auftreten.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Fahrzeugrades können Verstärkungsfasern parabelförmig von dem an den Aussenumfang grenzenden Aussenbereich des Radtellers zu dem an die Innenbohrung grenzenden Innenbereich des Radtellers verlaufen. Derartig verlaufende Verstärkungsfasern gewährleisten, dass Antriebs- und Bremsmomente optimal zwischen Radkranz und Radnabe übertragen werden, ohne dass es zu unzulässigen Belastungen des Radtellers kommt. Ebenso sichern die parabelförmig angeordneten Verstärkungsfasern den Radteller gegen Querkräfte.
-
Eine besonders effiziente Kraftübertragung zwischen Radnabe und Radteller kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die parabelförmig orientierten Verstärkungsfasern tangential durch den Innenbereich des Radtellers an der Innenbohrung vorbei verlaufen und im Aussenbereich des Radtellers Scheitelpunkte bilden. Insbesondere wird somit die Anzahl von Faserenden innerhalb des Radtellerkörpers verringert, wodurch die Entstehung von Schwachstellen im Radteller vermieden wird.
-
Weist der Radteller für die formschlüssige Verbindung mit dem Radkranz eine Aussenverzahnung auf, kann in vorteilhafter Weise innerhalb eines Zahns der Aussenverzahnung jeweils ein Scheitelpunkt der parabelförmig orientierten Verstärkungsfasern angeordnet sein. Die Übertragung von Antriebs- und Bremsmomenten über die Aussenverzahnung des Radtellers kann hierdurch mit noch größerer Sicherheit erfolgen.
-
Die Verstärkungsfasern des Faserverbundwerkstoffs bestehen vorzugsweise aus Kohlenstoff, wodurch das Gewicht des Radtellers und damit des gesamten Fahrzeugrades auf ein Minimum reduziert wird. Ebenso können die Verstärkungsfasern auch aus anderen hochfesten Materialen, wie bestehen. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern auch aus einem metallischen Werkstoff bestehen, wodurch der Radtellers insbesondere kostengünstig herstellbar ist.
-
Die Matrix des Faserverbundwerkstoffs besteht in vorteilhafter Weise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunstharz. Dies gewährleistet einerseits ein geringes Gewicht des Radtellers und damit des gesamten Fahrzeugrads sowie andererseits eine geeignete Einbettung der Verstärkungsfasern.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Verstärkungsfasern aus wenigstens einem zweidimensionerstreckenden Fasergeflecht, sogenannten „2D Preforms”, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit des Radtellers und gleichzeitig eine sichere Orientierung der Verstärkungsfasern in den Hauptspannungsrichtungen des Radtellers gewährleistet ist.
-
Vorzugsweise weist der Radteller mehrere Lagen zweidimensionalen Fasergeflechts auf, die in axialer Richtung des Radtellers verbunden, vorzugsweise zu einem dreidimensionalen Fasergeflecht verstrickt oder verwirkt sind. Dies gewährleistet eine optimale Faserverstärkung des Radtellers über dessen gesamte Dicke, ohne dass die Gefahr einer Delamination einzelner Lagen gegeben ist. Darüber hinaus eignet sich ein dreidimensionales Fasergeflecht für gängige Harzinjektionsverfahren.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeugrades weist der Radteller einen Kern aus einem Füllmaterial auf. Dabei ist der Kern vorzugsweise in einem nur gering belasteten Bereich des Radtellers um dessen Innenbohrung umlaufend ausgebildet und das Füllmaterial weist eine gegenüber den Verstärkungsfasern sowie dem Matrixwerkstoff geringe Dichte auf. Dies erlaubt eine weitere Gewichtsreduzierung des Radtellers, die mit einer nur minimalen und tragbaren Verringerung der Radtellersteifigkeit einhergeht.
-
In besonders vorteilhafter Weise ist das Füllmaterial geschlossenzellig, wodurch einerseits eine optimale Gewichtsreduktion des Radtellers und andererseits eine kostengünstige Herstellbarkeit des Radtellers im Harzinjektionsverfahren ermöglicht wird.
-
Um eine besonders große Gewichtsreduzierung des Radtellers zu erreichen, kann das Füllmaterial als Kunststoffschaum ausgebildet sein. Ebenso ist denkbar, dass das Füllmaterial aus einem Metallschaum besteht, der aufgrund guter mechanischer und akustischer Dämpfungseigenschaften eine weitergehende Reduzierung der Schallemissionen im Betrieb des Fahrzeugrades ermöglicht.
-
Weiterhin kann in bevorzugter Ausgestaltung des Fahrzeugrades der Radteller in radialer Richtung gewellt vorzugsweise konzentrisch gewellt, ausgebildet sein. Demgemäß weist der Radteller eine sich in axialer Richtung erhebende Wölbung auf, die vorzugsweise zwischen dem Aussen- und Innenbereich des Radtellers konzentrisch umlaufend ausgebildet ist. Eine solche Formgebung erlaubt eine weitergehende Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Fahrzeugrades.
-
Ein erfindungsgemäßer Radsatz für Fahrzeuge, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einem Scheibenrad der vorbeschriebenen Art weist eine Radachse sowie zwei Fahrzeugräder der vorbeschriebenen Art auf, wobei die Fahrzeugräder über die Radnabe mit der Achswelle verbunden sind. Ein solcher Radsatz weist ein nur geringes Gewicht auf, gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit und kann schallarm betrieben werden.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Radsatzes stehen die Radnabe und die Achswelle vollumfänglich kraftschlüssig in Verbindung. Dies kann, wie voranstehend beschrieben, vorteilhaft dadurch bewerkstelligt werden, dass die Innenbohrung der Nabe mit Untermaß hergestellt wird und die Nabe auf die Achswelle aufgepresst wird. Eine solche Verbindung ist kostengünstig bereitzustellen und gewährleistet bei hoher Einsatzsicherheit eine gute Kraftübertragung im Betrieb des Radsatzes.
-
Weiterhin kann bei einem Radsatz in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Radnabe und der Radteller in vollumfänglich kraftschlüssig in Verbindung stehen. Wie voranstehend beschrieben, kann eine solche kraftschlüssige Verbindung dadurch erzeugt werden, dass die am Innenumfang mit Untermaß hergestellte Nabe auf die Achswelle gepresst wird. Dies führt zu einer Weitung der Radnabe in radialer Richtung so dass es zwischen dem Aussenumfang der Radnabe und dem Innenumfang des Radtellers zu einer kraftschlüssigen Verbindung kommt, die eine sichere Übertragung von Antriebs- und Bremsmomenten erlaubt.
-
Das voranstehend beschriebene Fahrzeugrad sowie ein mit einem solchen Fahrzeugrad ausgestatteter Radsatz eignen sich für jegliche Art von Schienenfahrzeugen des Personen- und Güterverkehrs. Aufgrund des hohen Leichtbaupotentials, der erhöhten Leistungsfähigkeit sowie der akustischen Verbesserung liegt insbesondere eine Eignung für den Hochgeschwindigkeitsschienenverkehr vor.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugrades (schematisch) in perspektivischer Explosionsdarstellung;
-
2a das Fahrzeugrad (schematisch) nach 1 im Halbschnitt;
-
2b das Fahrzeugrad (schematisch) nach 1 im Halbschnitt in einer weiteren radialen Schnittebene;
-
3 eine schematische Vorderansicht eines Radtellers unter prinzipieller Darstellung von Verstärkungsfasern
-
1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispieles eines Fahrzeugrades 1, mit einer Radnabe 2, einem Radkranz 4 und einem Radteller 8, die zusammen die Hauptkomponenten eines Fahrzeugrades 1 bilden, wobei die einzelnen Elemente nachstehend unter Berücksichtigung ihrer form- und Verbindungselemente erläutert und auch die zusätzlichen, in 1 dargestellten Verbindungsvorrichtungen (Sprengring 16, Sicherungsring 20, Schrauben 26) dargestellt sind.
-
Der topfförmige Radkranz 4 weist an seinem Außenumfang eine Lauffläche 6 auf, mit der das Fahrzeugrad 1 auf einer hier nicht dargestellten Schiene abrollt. Ein Radteller 8 weist an seinem Außenumfang eine wellenförmige Außenverzahnung 12 auf, der zu einer wellenförmigen Innenverzahnung 10 entlang des topfförmigen Innenumfanges des Radkranzes 4 in einer formschlüssigen Eingriffspassung korrespondiert, so dass der Radteller 8 formschlüssig in einer Art Kämmeingriff in die Innenverzahnung 10 des Radkranzes 4 eingreift. Auf diese Weise wird eine vollflächige und spielfreie Kraftübertragung zwischen Radkranz 4 und Radteller 8 gewährleistet. Der topfförmige Radkranz 4 weist in seinem Inneren einen Nabenabschnitt 7 in Rotationsrichtung des Fahrzeuggrads 1 zum kräfteübertragenden Eingriff mit einer Radnabe 2 auf, über die das Fahrzeugrad 1 mit einer hier nicht gezeigten Achswelle verbunden werden kann.
-
Der Sprengring 16, der Sicherungsring 20 und die Schrauben 26 dienen der Befestigung des Radtellers 8 in dem Radkranz 4. Abgesehen von dem Radteller 4, welcher vorzugsweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (z. B. CFK) aufgebaut ist, sind alle anderen Elemente des Fahrzeugrades 1 vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen. Ein Aspekt des Ausführungsbeispieles besteht darin, dass die drehmomentübertragende Verbindung zwischen Radteller 8 und Radkranz 4 im Wesentlichen formschlüssig durch das auf dem Außenumfang des Radtellers 8 gebildete Umfangsprofil, hier eine Außenverzahnung 12 in Wellenform, und das Umfangsprofil auf einer zugehörigen Innenfläche des Radkranzes (wellenförmige Innenverzahnung 10) desselben im mit enger Spielpassung ausgeführt ist, während eine kraftschlüssige axiale Aufnahme des Radtellers 8 in Verbindung zum Radkranz 4 vorgesehen ist. Es wird also sowohl auf eine Verschraubung oder eine stoffschlüssige Verbindung im Umfangsbereich des Radtellers 8 wir auch der korrespondierenden Innengeometrie des Radkranzes 4 verzichtet.
-
Der Formschluss durch die in tangentialer (Rotations-)Richtung wirksame, wellenförmige Außenverzahnung 12 des Radtellers 8 mit der wellenförmigen Innenverzahnung 10 des Radkranzes 4 ist dabei hinsichtlich der zur Anwendung kommenden Passungen so gewählt, dass durch Temperaturschwankungen im Betrieb und/oder durch mechanische Betriebslasten kein unzulässiges Spiel zwischen beiden Bauteilen entsteht. In axialer Richtung wird der Radteller 8 über den hier 4-teilig segmentierten Sprengring 16 so gesichert, dass die Betriebslasten in axialer Richtung aufgenommen werden. Diese Segmentierung ist montagegünstig, jedoch nicht zwingend. Bei einem einteiligen Sprengring 16 könnte der hier zur Sicherung der Einzelsegmente gegen unbeabsichtigtes Herausfallen vorgesehene Sicherungsring 20 auch entfallen. Der Sprengring 16 könnte überdies auch zweiteilig oder z. B. aus 120°-Segmenten gebildet sein.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist, wie nachfolgend anhand von 2 noch erläutert ist, der Sicherungsring 20 einen konischen Stützabschnitt 24, der über seine konische Innenpassung die Segmente des Sprengringes 16 in eine keilförmige Nut 18 am Innenumfang des Radkranzes 4 drückt, so dass der Radteller 8 durch die Segmente des Sprengringes 16 axial gegen eine Innenschulter des Radkranzes 6 gedrückt und vorgespannt wird. Der Sicherungsring 20 wird über die Schrauben 26 so mit dem Radkranz 4 verschraubt, dass der Radteller 8 nicht durchbohrt und ein Kraftfluss von dem Radkranz 4 durch den Radteller 8 hindurch nicht gestört wird.
-
Wie insbesondere auch den Schnittdarstellungen in 2a und 2b zu entnehmen ist, liegt der Radteller 8 in axialer Richtung an einem Stützabschnitt 14 des Radkranzes 4 an. Dabei ist der Radteller 8 in axialer Richtung durch einen Sprengring 16, der in eine an dem Innenumfang des Radkranzes 4 umlaufende Nut 18 greift, formschlüssig mit dem Radkranz 4 verbunden. Sowohl der Sprengring 16 als auch die Nut 18 weisen eine keilförmige Querschnittsform auf, wobei die Querschnittsform des Sprengrings 16 komplementär zu der der Nut 18 ausgebildet ist.
-
Wie in 1 zu erkennen besteht der Sprengring 16 aus 4 bogenabschnittförmigen Segmenten. Zur Sicherung der Position des Sprengrings 16 in der Nut 18 ist ein Sicherungsring 20 vorgesehen, der, wie insbesondere aus 2a und 2b entnommen werden kann, einen Befestigungsabschnitt 22 sowie einen Stützabschnitt 24 aufweist. Dabei ist der Befestigungsabschnitt 24 des Sicherungsring 20 mittels Schrauben 26 mit dem Radkranz verschraubt. Gleichzeitig greift der Stützabschnitt 24 in den Sprengring 16 und den stützt den Sprengring 16 in radialer Richtung ab und sichert diesen in der Nut 18.
-
Ferner bilden der Innenumfang des Sprengrings 16 und der Aussenumfang des Stützabschnitts 24 eine konische Passung, sodass beim Verschrauben des Sicherungsrings 16 der Stützabschnitt 24 eine radiale Kraft auf den Sprengring 16 ausübt und diesen zusätzlich in die Nut 18 presst.
-
Die Radnabe 2 ist in axialer Richtung formschlüssig mit dem Radteller 8 verbunden. Insbesondere sind die Radnabe 2 und der Radteller 8 über eine Mutter 30, die auf einem Gewinde 32 der Radnabe 2 aufgeschraubt ist und an einer ersten Seitenfläche 34 des Radtellers 8 abgestützt ist, axial zueinander vorgespannt. Weiterhin weist die Radnabe 2 eine Stützschulter 36 auf, die an einer zweiten Seitenfläche 38 des Radtellers abgestützt ist. Dabei ist die zweite Seitenfläche 38 auf einer zu der ersten Seitenfläche 34 axial gegenüberliegenden Seite des Radtellers 8 ausgebildet.
-
Schließlich bilden der Aussenumfang der Radnabe 2 und der Innenumfang des Radtellers 8 eine konische Passung 40, sodass bei der axialen Vorspannung der Radnabe 2 und des Radtellers 8 auch eine radiale Vorspannung erzeugt wird.
-
Wie weiterhin in den 2a und 2b gezeigt ist, weist der Radteller 8 einen Kern aus einem Füllmaterial 42 auf, wobei das Füllmaterial 42 vorzugsweise ein geschlossenzelliger Metall- oder Kunststoffschaum ist. Der Kern ist dabei in einem nur gering belasteten Bereich des Radtellers 8 um dessen Innenbohrung umlaufend ausgebildet. Eine gezielte Verringerung der Schallemissionen wird ferner durch die in radialer Richtung konzentrische Wellenform des Radtellers 8 erreicht.
-
Zusammenfassend ist die in den und dargestellte Nabe innen zylindrisch gebohrt, während die äußere Passfläche als Konus ausgeführt ist, auf dem der Radteller 8 mit seiner konischen Innenbohrung sitzt, gehalten durch die Mutter 30, so dass der Radteller 8 über eine konische Passung 40 zwischen der Radnabe 2 und der Mutter 30 auf der Radnabe 2 axial gespannt ist. Über die Mutter 30 wird also der Radteller 8 gegen die Nabe 2, die teilweise einen entsprechenden Außengewindeabschnitt für die Mutter 30 besitzt, gegen einen inneren Nabenbereich des Radkranzes 4 verspannt bzw. der Radteller 8 in Verbindung mit der Stützschulter 36 der Radnabe 2 gegen einen inneren Nabenbereich mit der Mutter 30 des Radkranzes 4 axial vorgespannt. Die konische Passung 40 zwischen Radnabe 2 und Radteller 8 ist wiederum so gestaltet, dass weder durch Temperaturschwankungen im Betrieb des Fahrzeugrades 1 noch durch mechanische Betriebslasten oder eine Kombination von beiden Beanspruchungen, ein unzulässiges Spiel entsteht. Ein Anzugsmoment der Mutter 30 ist bei Verbindung von Radteller 5 und Radnabe 2 so eingestellt, dass die Stützschulter 36 der Radnabe 2 an einer Flanke des Radtellers 8 anliegt und insoweit dieser vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial oder Kunstharzmaterial besteht, eine Grenzflächenspannung eines Faser-Kunststoff-Verbundes bzw. einer faserverstärkten Kunstharzmatrix des Radtellers 8 nicht überschritten wird.
-
Die Mutter 30 dient hier nicht zur Erzeugung des zur Übertragung von Fahrzeugrad-Rotationsmomenten notwendigen Kraftschlusses innerhalb der konischen Passung 40 zwischen Radteller 8 und Radnabe 2. Dieser Kraftschluss stellt sich vielmehr erst beim Fügen des kompletten Fahrzeugrades 1, insbesondere Scheibenrades, mit einer hier nicht gezeigten Achswelle dadurch ein, dass die auf Untermaß gebohrte Radnabe 1 auf diese Achswelle aufgepresst wird.
-
3 zeigt eine Ansicht eines Radtellers 8 einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugrades 1. Der Radteller 8 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Matrix 44 aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff sowie Verstärkungsfasern (oder Faserbündel) 46, 48, 50, 52 aus Kohlenstoff (Karbonfasern) oder auch Glasfasern aufweist.
-
In 3 ist die Orientierung der Verstärkungsfasern 46, 48, 50, 52 strichpunktiert angedeutet. Die Verstärkungsfasern 46, 48, 50, 52 des Faserverbundwerkstoffs sind dabei entlang der Hauptspannungsrichtungen des Radtellers 8 orientiert.
-
So sind Verstärkungsfasern 46 in einem an den Aussenumfang grenzenden Aussenbereich 54 des Radtellers 8 entsprechend der Aussenumfangsgeometrie in Umfangsrichtung orientiert. Dementsprechend verlaufen die Verstärkungsfasern 46 der Wellenverzahnung 12 des Radtellers 8 folgend und verstärken diese.
-
Weiterhin sind Verstärkungsfasern 48 in einem an die Innenbohrung grenzenden Innenbereich 56 des Radtellers 8 entsprechend der Innenbohrungsgeometrie in Umfangsrichtung der Innenbohrung orientiert, wodurch die Belastungsfähigkeit der Innenbohrung des Radtellers 8 erhöht wird. Ferner verlaufen Verstärkungsfasern 50 in radialer Richtung des Radtellers 8, wodurch der Radteller 8 erhöhte Achs- und Querlasten aufnehmen kann.
-
Schließlich verlaufen Verstärkungsfasern 52 parabelförmig von dem an den Aussenumfang grenzenden Aussenbereich 54 des Radtellers zu dem an die Innenbohrung grenzenden Innenbereich 56 des Radtellers 8. Dabei verlaufen die Verstärkungsfasern 52 tangential durch den Innenbereich 56 des Radtellers 8 an der Innenbohrung vorbei und bilden im Aussenbereich 54 des Radtellers 8 Scheitelpunkte 58. Dies gewährleistet eine optimale Übertragung von Antriebs- und Bremskräften zwischen Radnabe 2 und Radkranz 4 durch den Radteller 8. Die Scheitelpunkte 58 sind dabei jeweils innerhalb eines Zahns 60 der Aussenverzahnung 12 angeordnet.
-
Die Verstärkungsfasern 46, 48, 50, 52 bestehen aus mehrere Lagen zweidimensionalen Fasergeflechts, die in axialer Richtung des Radtellers 8 zu einem dreidimensionalen Fasergeflecht verstrickt oder z. B. durch ein Wirkverfahren verwirkt sind. Die Faserstruktur wird durch ein Fasergelege maschinell erzeugt und anschließend mit Kunstharz imprägniert.
-
Zusammenfassend wird also der Radteller 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise durch einen faserverstärkten Kunststoff- bzw. Kunstharzkörper gebildet, wobei für die Fasern bzw. Faserbündel vorzugsweise Kohlefasern vorgesehen sind, aber auch andere hochfeste Fasermaterialien, wie Glas- oder Basaltfasern in Betracht kommen. Durch den Kunstharzfaserverbund des Radtellers 8 und die vorerläuterten Verstärkungsfasern bzw. Faserbündel insbesondere z. B. durch die konzentrischen Umfangswicklungen 48 der Faserbündel im Bereich der Radnabe 2 wird für die notwendige Steifigkeit des Radtellers 5 in radialer Richtung im Bereich der konischen Passung 40 gesorgt.
-
Durch den Faser-Kunstharz-Verbundkörper des Radtellers 8 wird dieser im Vergleich zu herkömmlichen Radtellern aus Metall wesentlich leichter, wobei überdies die Leistungsverluste entfallen, die bei isotropen Materialien bei der Herstellung eines Radtellers 8 mit Wellenverzahnung 12 durch Fräsen aus einem Grundkörper anfallen würden. Mit anderen Worten kann die Wellenkontur der Außenverzahnung 12 des Radtellers 8 besonders vorteilhaft durch gezieltes Ablegen des Fasern bzw. Faserbündel entlang der Außenverzahnung 12 (vgl. Verstärkungsfasern 46 in 3) verstärkt werden.
-
Die Verläufe der weiteren Fasern oder Faserbündel 46 bis 52 sind so gestaltet, dass jede einwirkende Kraft eines im Betrieb des Fahrzeugrades 1 entstehenden Lastpfades auf kürzestem Wege mit Fasern oder Faserbündeln des Faser-Verbund-Körpers, d. h. im Wesentlichen in axialer Richtung der Verstärkungsfasern 46 bis 52 nachgebildet wird. Durch diese Ausrichtung der Fasern/Faserbündel entlang von Hauptspannungen nach dem Prinzip des Tailored Fibre Placements (TFP) wird die Kraftaufnahmestruktur eines Faser-Kunstharz-Verbundkörpers wie des Tragtellers 8 bestmöglich ausgeschöpft. Dabei werden Momente um die Radachse, die durch Antrieb bzw. Abbremsen erzeugt werden, über die auf dem gesamten Radteller 5 parabelförmig verteilt angeordneten Fasern bzw. Faserbündel 52 speichenförmig nach innen zum Nabenbereich bzw. zur Radnabe 2 hingeleitet. Radial wirkende Druckkräfte aus dem auf der Achse lastenden Gewicht werden durch die radiale Faserorientierung der Verstärkungsfasern 50 wie auch durch die parabelförmigen Faserorientierungen der Faserbündel 52 gestützt. Sowohl die Verstärkungsfasern 50 als auch 52 stabilisieren den Radteller 8 gegen Querkräfte, wie sie bei Kurvenfahrten auftreten.
-
Die Faserorientierung durch die Verstärkungsfasern 48 im Nabenbereich in Umfangsrichtung bewirken eine vorteilhafte kraftschlüssige Verbindung zur Mutter 30 bzw. Radnabe 2. Übrigens kann die Mutter 30 sowohl integral mit dem Radkranz 4 als auch separat von diesem vorgesehen sein.
-
Vorzugsweise erfolgt eine Ablage der Verstärkungsfasern 46 bis 52 in einem Fasergelege in oben beschriebener Weise als zweidimensionale Preform lagenweise und eine dreidimensionale Verstärkung in axialer Richtung des Radtellers 8 über Verstrickung oder Verwirkung der zunächst separaten zweidimensionalen Preforms (zweidimensionale Fasergelege), so dass eine Delamination der einzelnen Prefom-Lagen vermieden wird und der komplette, trockene dreidimensionale Faserkörper aus Verstärkungsfasern schließend in einem Kunstharz-Injektionsverfahren einer Kunststoff- bzw. Kunststoffmatrix versehen wird. Als Kunstharz kommen sowohl thermoplastische als auch duroplastische Materialien (Kunststoffe) in Frage.
-
Alternativ zu einem monolitischen Aufbau des Radtellers 8 kann mittels der Verstärkungsfasern 46 bis 52 bzw. aus diesen gebildeter Faserbündel mit hoher Steifigkeit bei ebenso hoher Festigkeit in weniger stark belasteten Bereichen außerdem ein Kernmaterial aus geschlossenzelligem Schaumstoffmaterial wie Kunststoffschaum oder Metallschaum in den Radteller vorgesehen sein, wodurch eine noch leichtere und akustisch verbesserte Gestaltung des Radtellers 8 erreichbar ist. Auch durch die in axialer Richtung gewellte Form des Radtellers 8 wird eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften erreicht, die durch einen wahlweise zusätzlich vorgesehenen Schaumkern, z. B. aus Metallschaum sowohl hinsichtlich mechanischer als auch akustischer Dämpfungseigenschaften weiter verbessert wird. Diese Ausführungsform ist hier nicht gezeigt.
-
Durch den Einsatz einer Faserverbundstruktur zwischen Radkranz 4 mit der Lauffläche 6 und einer Buchse (Radnabe 2) aus Stahl, wird ein Schienenrad als Scheibenrad geschaffen, dass leicht und hervorragend gedämpft und durch eine akustisch optimierte Oberflächengestaltung (gewellte Form des Radtellers 8) geräuscharm ist und gleichzeitig den komplexen Anforderungen an ein solches Fahrzeugrad 1 im Hinblick auf Kraftübertragung, elektrische sowie Bremsfunktion und Verschleißbeständigkeit erfüllt. Der zielgerichtete Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbundmaterial führt zu einem ultraleichten Fahrzeugrad 1, das aufgrund optimierter Oberflächengestaltung des Radtellers 8 (gewellte Form) akustisch besonders vorteilhaft ist und durch einen mehrteiligen Aufbau instandhaltungsfreundlich gestaltet ist.
-
Durch die Verwendung eines Radkranzes 4 mit Lauffläche 6 aus Stahl ebenso wie einer Radnabe aus Stahl wird eine gegenüber konventionellen Eisenbahn-Fahrzeugrädern vergleichbare Verschleißbeständigkeit und Überarbeitbarkeit erreicht. Eine Lasttragfläche zwischen Lauffläche 6 (Radkranz 4 und Radnabe 2) aus z. B. kohlefaserverstärktem Kunststoff führt zu bedeutenden Gewichtseinsparungen und aufgrund verbesserter, konzentrisch gewellter Form des Radtellers 8 zu besonders vorteilhaften akustischen Eigenschaften. Die wellenförmig gestaltete Innen- bzw. Außenverzahnung (10, 12 von Radkranz 4 und Radteller 8) führt in Kombination mit zusätzlichen Sicherungselementen zu einer langzeitbeständigen kraft- und formschlüssigen Verbindung der einzelnen Bauteile des Fahrzeugrades. Das Fahrzeugrad ist besonders für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsbereich vorgesehen und geeignet.
-
Ein Faser-Kunststoff-Verbundkörper, insbesondere zur radialen Kraftübertragung nach den vorbeschriebenen Gestaltungsgrundsätzen ist nicht auf ein Fahrzeugrad, insbesondere für Schienenfahrzeuge, beschränkt, sondern vielfältig auch in anderen Zusammenhängen anwendbar, wo es auf vergleichbare Kraftübertragungen in scheibenförmigen Systemen ankommt, auch wenn ein Scheibenrad ein bevorzugtes Anwendungsgebiet eines solchen Verbundkörpers bildet.
-
Das Fahrzeugrad 1 ist dazu vorgesehen, über die Radnabe 2 mit einer hier nicht gezeigte Achswelle eines ebenfalls nicht gezeigten Radsatzes verbunden zu werden. Dabei kann die Radnabe 2 und die hier nicht gezeigte Achswelle in Umfangsrichtung dadurch kraftschlüssig verbunden werden, dass die Radnabe 2 an ihrem Innenumfang auf Untermaß hergestellt und auf die Achswelle aufgepresst wird. Durch das Aufpressen der Radnabe 2 auf die Achswelle wird zudem auch eine in tangentialer Richtung kraftschlüssige Verbindung zwischen der Radnabe 2 und des Radtellers 8 erzeugt.
-
Durch die Erfindung wird ein Fahrzeugrad in Gestalt eines mehrteiligen Scheibenrades geschaffen, welches vorzugsweise für Schienenfahrzeuge vorgesehen ist und zu einer äußerst leichten, hochfesten und zuverlässigen Konstruktion führt, mit geringem Instandhaltungsaufwand zu betreiben ist, dabei äußerst geräuscharm im Betriebsverhalten ist und alle Anforderungen an moderne Radsysteme für Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeuge in einer ultraleichten, leisen und wartungsfreundlichen Konfiguration erfüllt. Der Einsatz von Faser-Kunststoffverbunden in Gestalt des Radtellers und dessen in axialer Richtung gewellte Form führt zu einer starken Verbesserung der akustischen Eigenschaften, die durch geschlossenzellige Schaummaterialien im Inneren (im Nabenbereich des Fahrzeugrades noch weiterverbessert wird). Alle anderen Komponenten des Fahrzeugrades bestehen aus Stahl.
-
Durch die Faserverbundstruktur zwischen Radkranz und Nabe wird eine leichte Bauweise mit akustischer hervorragender Dämpfung, optimierter Oberflächengestaltung und hervorragender Kraftübertragung durch einen vollflächigen Kämmeingriff zwischen dem Faserverbundkörper und dem Stahl-Radkranz erreicht.
-
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, das eine Radnabe, über die das Fahrzeugrad mit der Radachse eines Radsatzes verbunden werden kann, einen eine Lauffläche aufweisenden Radkranz sowie einen die Radnabe und den Radkranz verbindenden Radteller aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Radkranz und der Radteller in tangentialer Richtung unmittelbar formschlüssig ineinander greifen. Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung besteht der Radteller aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei Verstärkungsfasern des Faserverbundwerkstoffs wenigstens abschnittsweise entlang der Hauptspannungsrichtungen des Radtellers orientiert sind. Hierdurch wird die Aufgabe gelöst, ein Fahrzeugrad anzugeben, welches Wartungsfreundlich ist, bei hoher Belastungsfähigkeit ein verringertes Gewicht aufweist und schallarm betrieben werden kann. Ebenso betrifft die Erfindung einen mit einem solchen Fahrzeugrad ausgestatteten Radsatz.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeugrad
- 2
- Radnabe
- 4
- Radkranz
- 6
- Lauffläche des Radkranz 4
- 8
- Radteller
- 10
- Innenverzahnung des Radkranz 4
- 12
- Aussenverzahnung des Radtellers 8
- 14
- Stützabschnitt des Radkranz 4
- 16
- Sprengring
- 18
- Nut an Innenumfang des Radkranz 4
- 20
- Sicherungsring
- 22
- Befestigungsabschnitt des Sicherungsrings 20
- 24
- Stützabschnitt des Sicherungsrings 20
- 26
- Schrauben
- 28
- konische Passung
- 30
- Mutter
- 32
- Gewinde
- 34
- erste Seitenfläche des Radtellers 8
- 36
- Stützschulter
- 38
- zweite Seitenfläche des Radtellers 8
- 40
- konische Passung
- 42
- Füllmaterial
- 44
- Matrix
- 46
- Verstärkungsfasern
- 48
- Verstärkungsfasern
- 50
- Verstärkungsfasern
- 52
- Verstärkungsfasern
- 54
- Aussenbereich des Radtellers 8
- 56
- Innenbereich des Radtellers 8
- 58
- Scheitelpunkt der Verstärkungsfasern 52
- 60
- Zahn der Aussenverzahnung 12
