CH615865A5

CH615865A5 - Wheel for rail vehicles and method for its manufacture

Info

Publication number: CH615865A5
Application number: CH1412276A
Authority: CH
Inventors: Juerg Dipl Ing Zehnder; Jochen Warner
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1976-11-09
Filing date: 1976-11-09
Publication date: 1980-02-29
Also published as: AU3027577A; GB1566589A; JPS5361810A; DE2653990A1; ZA776382B; AU507952B2; IT1087499B; FR2369940A1; ES463928A1; SE7712607L

Description

Die Erfindung betrifft ein Rad für Schienenfahrzeuge, mit einem Radkörper aus Leichtmetall, welcher Radkörper einen Laufkranz und wenigstens einen Spurkranz aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rades. The invention relates to a wheel for rail vehicles, with a wheel body made of light metal, which wheel body has a wheel rim and at least one wheel flange, and a method for producing such a wheel.

Räder für Schienenfahrzeuge üblicher Bauweise zeichnen sich durch hohes Gewicht und grosse Massen aus. Für schnell fahrende Züge bedeuten die damit verbundenen hohen Massenkräfte vorzeitigen Verschleiss an Fahrzeug und Gleiskörper, weshalb es nicht an Bestrebungen gefehlt hat, die Räder bzw. aus diesen zusammengesetzte Radsätze leichter zu gestalten. Wheels for conventional rail vehicles are characterized by high weight and large masses. For high-speed trains, the associated high mass forces mean premature wear on the vehicle and track body, which is why there has been no lack of efforts to make the wheels or wheel sets composed of them lighter.

Es sind im wesentlichen drei Gruppen solcher bekannter Räder zu unterscheiden: There are essentially three groups of such known wheels:

1. Räder aus einer Aluminiumscheibe mit aufgezogenem 1. Wheels made of an aluminum disc with a mounted

Stahlreifen, Steel tires,

2. Ganzaluminiumräder in gegossener oder geschmiedeter 2. All-aluminum wheels in cast or forged

Ausführung, Execution,

3. gummigefederte Räder mit einer Gummilage zwischen 3. rubber-sprung wheels with a rubber layer between

Lauffläche und Radscheibe zur Gewichtsverminderung sowie zur Geräuschdämpfung. Tread and wheel disc to reduce weight and reduce noise.

Die durch den Betrieb am Rad verursachten Abnutzungen an Lauffläche und Spurkranz werden periodisch durch Abdrehen auf das gewünschte Profil ausgeglichen. Dabei verkleinert sich der Durchmesser des Rades von üblicherweise 920 auf etwa 820 mm; der letztgenannte Durchmesser stellt eine untere Grenze dar, bei deren Erreichen das Rad dann auch verschrottet wird, wenn es noch als mechanisch einwandfrei zu bezeichnen ist. Dies gilt sowohl für konventionelle Stahlräder als auch für übliche Ganzaluminiumräder. The wear on the tread and wheel flange caused by operation on the wheel is periodically compensated for by turning to the desired profile. The diameter of the wheel is reduced from usually 920 to about 820 mm; the latter diameter represents a lower limit, upon reaching which the wheel is then scrapped when it can still be described as mechanically perfect. This applies both to conventional steel wheels and to conventional all-aluminum wheels.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Rad der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches niedriges Gewicht und damit geringe Massen bei hoher Verschleissfestigkeit aufweist und darüber hinaus den Aufbau des für Signalsteuerungen geforderten magnetischen Feldes erlaubt. Zudem soll eine Erneuerung abgenutzter Räder vereinfacht werden. In view of these circumstances, the inventor has set himself the goal of creating a wheel of the type mentioned at the outset which has low weight and thus low masses with high wear resistance and, moreover, allows the magnetic field required for signal controls to be built up. In addition, the replacement of worn wheels should be simplified.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Rad, dessen Lauffläche des Laufkranzes mit einer thermisch aufgespritzten Verschleissschicht aus ferromagnetischem Stahl und die ihr benachbarte, schienenseitige Oberfläche des Spurkranzes mit einer thermisch aufgespritzten Verschleissschicht aus ferromagnetischem Stahl oder aus Keramik versehen ist. This problem is solved by a wheel, the tread of the rim of which is provided with a thermally sprayed-on wear layer made of ferromagnetic steel and the adjacent, rail-side surface of the flange is provided with a thermally sprayed-on wear layer made of ferromagnetic steel or ceramic.

Vorteilhafterweise ist die Verschleissschicht plasmagespritzt. The wear layer is advantageously plasma-sprayed.

Damit wird es möglich, Aluminiumräder geringen Gewichtes einzusetzen, welche gegenüber bekannten Rädern dieser Art an den hochbeanspruchten Stellen ausserordentlich ver-schleissfest sind. This makes it possible to use light-weight aluminum wheels, which are extraordinarily wear-resistant at the highly stressed points compared to known wheels of this type.

Die Massnahme, die eigentliche Lauffläche mit einer metallischen Verschleissschicht aus ferromagnetischem Stahl zu versehen, trägt der Forderung nach dem Vorhandensein eines magnetischen Feldes Rechnung; eine keramische Verschleissschicht kann vor allem an der Spurkranzinnenseite aufgespritzt werden. Hierfür wird a-Aluminiumoxid vorgeschlagen, welches bereits für Gleitringdichtungen bekannt und in besonderem Masse korrosionsunempfindlich ist. Diese keramische Verschleissschicht an den hochbeanspruchten Zonen des Spurkranzes kann nach dem Aufspritzen durch Einwalzen verdichtet werden. The measure of providing the actual running surface with a metallic wear layer made of ferromagnetic steel takes account of the requirement for the presence of a magnetic field; A ceramic wear layer can be sprayed on, especially on the inside of the wheel flange. For this purpose, a-aluminum oxide is proposed, which is already known for mechanical seals and is particularly insensitive to corrosion. This ceramic wear layer on the highly stressed zones of the wheel flange can be compacted by rolling in after spraying.

Zur Abwehr von Korrosionsangriffen zwischen dem Aluminiumkörper und der thermisch aufgespritzten Verschleissschicht kann eine ebenfalls thermisch aufgebrachte NiAl-Schicht vorgesehen werden. A NiAl layer, which is also thermally applied, can be provided to ward off corrosion attacks between the aluminum body and the thermally sprayed-on wear layer.

Die Verwendung thermisch gespritzter Verschleissschich-ten auf Radkörpern erlaubt es auch, die von Gummireifen her bekannte Farbmarkierung auf Räder von Schienenfahrzeugen zu übertragen, was bei den üblichen Stahlreifen ausgeschlossen bleibt. The use of thermally sprayed wear layers on wheel bodies also makes it possible to transfer the color marking known from rubber tires to wheels of rail vehicles, which is not possible with conventional steel tires.

Um eine innige Verbindung zwischen Aluminiumkörper und Verschleissschicht zu erreichen, kann die Oberfläche des Radkörpers durch Riefen in Längs- und/oder Querrichtung vergrössert werden. In order to achieve an intimate connection between the aluminum body and the wear layer, the surface of the wheel body can be enlarged by scoring in the longitudinal and / or transverse direction.

Das Verfahren zur Herstellung erfindungsgemässer Räder für Schienenfahrzeuge zeichnet sich dadurch aus, dass auf einen Radkörper aus Leichtmetall auf die Lauffläche des Laufkranzes eine Verschleissschicht aus ferromagnetischem Stahl und auf die ihr benachbarte schienenseitige Oberfläche des Spurkranzes eine Verschleissschicht aus ferromagnetischem Stahl oder aus Keramik durch thermisches Spritzen — The method for producing wheels according to the invention for rail vehicles is characterized in that a wear layer made of ferromagnetic steel is applied to a wheel body made of light metal on the running surface of the running ring and a wear layer made of ferromagnetic steel or ceramic is applied to the adjacent rail-side surface of the wheel flange by thermal spraying.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

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vorzugsweise durch Plasmaspritzen - aufgebracht wird, gegebenenfalls nach einer Beschichtung von Lauffläche und/oder Spurkranzoberfläche durch thermisches Aufspritzen einer NiAl-Schicht. preferably by plasma spraying - is applied, optionally after coating the tread and / or flange surface by thermal spraying of a NiAl layer.

Einen besonderen Vorteil gegenüber bekannten Rädern bringt die Möglichkeit, das erfindungsgemässe Rad nach einer bestimmten Laufzeit durch thermisches Spritzen wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen. Dieses Verfahren hat sowohl kostenmässig als auch arbeitstechnisch erhebliche Einsparungen zur Folge; bekanntlich mussten Eisenbahnräder bislang durch Abdrehen erneuert werden. A particular advantage over known wheels is the possibility of returning the wheel according to the invention to its original state after a certain running time by thermal spraying. This process results in considerable savings in terms of both costs and work technology; As is well known, railway wheels had to be replaced by twisting them.

Übersichtlichkeitshalber werden im folgenden nochmals die Vorzüge von Rädern des erfindungsgemässen Aufbaus wiedergegeben: For the sake of clarity, the advantages of wheels of the construction according to the invention are again given below:

1. Verringerung des Gewichts durch Verwendung von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen; 1. Weight reduction by using aluminum or magnesium alloys;

2. kleinstmöglicher Durchmesser des Rades; bei Abnutzung im Fährbetrieb wird die Lauf- oder Spurkranzfläche durch Auftragen einer neuen Schicht korrigiert; 2. smallest possible diameter of the wheel; in the event of wear during ferry operations, the tread or flange area is corrected by applying a new layer;

3. das für die Signalsteuerung geforderte magnetische Feld im Rad wird begünstigt; 3. The magnetic field in the wheel required for signal control is favored;

4. durch den kleineren E-Modul des Aluminiumkörpers ist die Hertzsche Pressung - auf jedem Rad lasten üblicherweise etwa 8 bis 10 t — geringer; entsprechend kleiner sind auch die Schläge beim Überfahren von Schienenstössen und Weichen; 4. due to the smaller modulus of elasticity of the aluminum body, the Hertzian pressure - usually around 8 to 10 tonnes on each wheel - is lower; the blows when driving over rail joints and switches are correspondingly smaller;

5. das beschichtete Aluminiumrad ist für hohe Geschwindigkeiten geeignet, was mit den erwähnten gummigefederten Rädern technisch nicht möglich ist. 5. The coated aluminum wheel is suitable for high speeds, which is not technically possible with the rubber-sprung wheels mentioned.

6. es besteht keine Schrumpfspannung zwischen Radkörper und Mantelschicht im Gegensatz zum bekannten Rad mit aufgezogenem Stahlreifen. 6. There is no shrinkage tension between the wheel body and the outer layer, in contrast to the known wheel with mounted steel tires.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in: Further advantages and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing. This shows in:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Elektrolokomotive, 1 is a schematic side view of an electric locomotive,

Fig. 2 eine Radachse mit einer bekannten (oben) und einer erfindungsgemässen (unten) Variante eines Rades im Querschnitt, 2 shows a wheel axle with a known (above) and an inventive (below) variant of a wheel in cross section,

Fig. 3 ein vergrössertes Detail der erfindungsgemässen Variante aus Fig. 2, 3 shows an enlarged detail of the variant according to the invention from FIG. 2,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform in einem vergrösserten Detail gemäss der Darstellung nach Fig. 3. 4 shows another embodiment in an enlarged detail according to the representation according to FIG. 3.

Eine elektrisch getriebene Lokomotive A auf Schienen 1 weist auf ihrem Dach 2 Stromabnehmer 3 auf, deren Abnahmebügel 4 durch nichtdargestellte Federn gegen eine Oberleitung 5 gehalten werden. An electrically driven locomotive A on rails 1 has 2 current collectors 3 on its roof, the tapping brackets 4 of which are held against an overhead line 5 by springs (not shown).

In dem an seinen Stirnseiten von jeweils einem Führerstand 6 begrenzten Fahrzeuginnenraum J befinden sich unterhalb jener Stromabnehmer 3 Vertikallüfter 7 für am Fahr615 865 In the vehicle interior J, which is delimited on each end by a driver's cab 6, there are vertical fans 7 for driving 615 865 below those pantographs 3

zeugboden 9 angeordnete Fahrmotoren 10; diese treiben auf den Schienen 1 lastende Räder 11 an. Stuff floor 9 arranged traction motors 10; these drive wheels 11 loading the rails 1.

Zwischen den Vertikallüftern 7 sind im Fahrzeuginnenraum J über einem Luftbehälter 8 ein Hauptumspanner 12 mit einem Ölkühler 13 untergebracht sowie Batterien 14 und Zusatzumspanner 15. A main transformer 12 with an oil cooler 13 and batteries 14 and additional transformer 15 are accommodated between the vertical fans 7 in the vehicle interior J above an air container 8.

Neben dem Hauptumspanner 12 erkennt man in Fig. 1 eine Motorluftpumpe 16 sowie einen Lüfter 17 für den Ölkühler 13. In addition to the main transformer 12, an engine air pump 16 and a fan 17 for the oil cooler 13 can be seen in FIG. 1.

In Fig. 2 wird eines der durch eine Radachse 20 des Durchmessers d = 165 mm verbundenen Räder 11 eines Radsatzes 19 wiedergegeben mit einem über die Radaussenfläche 22 hinausragenden Achsschenkel 21 engeren Durchmessers di von 120 mm. 2 shows one of the wheels 11 of a wheel set 19 connected by a wheel axle 20 of diameter d = 165 mm, with a steering knuckle 21 having a narrower diameter di of 120 mm projecting beyond the wheel outer surface 22.

Das Rad 11 ist auf den sich in einem Konus von 0,2 Prozent verjüngenden Nabensitz 23 aufgeschrumpft. Die Tiefe t der Radnabe 25 beträgt 200 mm, die maximale Radbreite b 13 mm. The wheel 11 is shrunk onto the hub seat 23, which tapers in a cone of 0.2 percent. The depth t of the wheel hub 25 is 200 mm, the maximum wheel width b is 13 mm.

Von der Radnabe 25 bis zu dem auf dem Kopf 26 der Schiene 1 ruhenden Laufkranz 27 mit seitlichem Spurkranz 28 erstreckt sich eine mit Laufkranz 27 und Radnabe 25 einstük-kige Radscheibe 29; deren Radialprofil Q etwa von Nabenmitte bis Laufkranzmitte geschwungen sowie mit Ausnehmungen 30 versehen ist. Extending from the wheel hub 25 to the tread 27 resting on the head 26 of the rail 1 with a lateral flanged wheel 28 is a wheel disc 29 with a tread ring 27 and wheel hub 25; whose radial profile Q is curved from the center of the hub to the center of the tread and provided with recesses 30.

Bei der in Fig. 2 oberhalb der Achsenmitte A dargestellten, bekannten Ausführungsform umgibt den aus Aluminium oder Magnesium bestehenden Laufkranz 27f geringer Höhe h ein aufgeschrumpfter Stahlreifen 30 der Stärke k von 40 mm; der gesamte Radius rj des Rades 11 entspricht dem Radius r2 von 460 mm der unten erkennbaren Ausführungsform mit Laufkranz 27. In the known embodiment shown in FIG. 2 above the center axis A, the tread ring 27f of low height h made of aluminum or magnesium is surrounded by a shrunk-on steel tire 30 with a thickness k of 40 mm; the entire radius rj of the wheel 11 corresponds to the radius r2 of 460 mm of the embodiment recognizable below with the race 27.

Wie insbesondere die Fig. 3, 4 erkennen lassen, ist die aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bestehende Lauffläche 31 des Laufkranzes 27a mit einer auf dem Wege des Plasmaspritzens aufgebrachten Verschleissschicht 32 versehen; diese Verschleissschicht 32 ist als ferromagnetische Stahlschicht ausgebildet, um ein sicheres Ansprechen der elektromagnetisch arbeitenden Signale der Schienenanlage — nicht dargestellt — zu gewährleisten. An den hochbeanspruchten Innenzonen des Spurkranzes 28 ist gemäss Fig. 4 eine keramische Verschleissschicht 33 vorgesehen, die nach dem Plasmaspritzen durch Einwalzen verdichtet worden ist. As can be seen in particular in FIGS. 3, 4, the running surface 31 of the running ring 27a, which is made of an aluminum or magnesium alloy, is provided with a wear layer 32 applied by means of plasma spraying; this wear layer 32 is designed as a ferromagnetic steel layer in order to ensure reliable response of the electromagnetically operating signals of the rail system - not shown. According to FIG. 4, a ceramic wear layer 33 is provided on the highly stressed inner zones of the flange 28, which has been compressed by rolling in after the plasma spraying.

Je nach Abrieb schwanken die Schichtdicken u zwischen 1 und 5 mm. Depending on the abrasion, the layer thicknesses u vary between 1 and 5 mm.

Damit das Mass der Abnutzung sichtbar wird, sind beide Schichten mit einer in der Zeichnung mit F kenntlich gemachten Farbmarkierungsschicht versehen. So that the degree of wear is visible, both layers are provided with a color marking layer marked F in the drawing.

Mit 34 ist eine thermisch aufgebrachte NiAl-Schicht zwischen dem Laufkranz 27a und der Verschleissschicht 32, 33 bezeichnet; diese Zwischenschicht 34 soll einen eventuellen Korrosionsangriff verhindern. 34 denotes a thermally applied NiAl layer between the running ring 27a and the wear layer 32, 33; this intermediate layer 34 is intended to prevent a possible corrosion attack.

Lauffläche 31 und Spurkranz 28 sind in Fig. 3 mit Riefen R versehen, welche die entsprechenden Oberflächen vergrössern. Tread 31 and flange 28 are provided in Fig. 3 with grooves R, which enlarge the corresponding surfaces.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

S S

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

615 865

Is 1 to 5 mm.

1. Wheel for rail vehicles, with a wheel body made of light metal, which wheel body has a running ring and at least one wheel flange, characterized in that the running surface (31) of the running ring (27a) with a thermally sprayed wear layer (32) made of ferromagnetic steel and the adjacent, rail-side surface of the flange (28) is provided with a thermally sprayed wear layer (33) made of ferromagnetic steel or ceramic.

2. Wheel according to claim 1, characterized in that the wear layer (32, 33) is plasma-sprayed.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Wheel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the ceramic layer consists of a-aluminum oxide.

4. Wheel according to one of claims 1 to 3, characterized in that the wear layer (32, 33) is compressed.

5. Wheel according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the wear layer (32, 33) a color layer (F) is introduced.

6. Wheel according to one of claims 1 to 5, characterized in that a thermally sprayed NiAl layer (34) is arranged between the wheel body (27 to 29) and the wear layer (32, 33).

7. Wheel according to one of claims 1 to 6, characterized in that the thickness (u) of the wear layer (32, 33)

8. Wheel according to one of claims 1 to 7, characterized in that the surface of the wheel body (27 to 29)

is enlarged by scoring (R).

9. A method for producing a wheel according to claim 1, characterized in that on a wheel body (27 to 29) on the tread (31) of the rim (27a) a wear layer (32) made of ferromagnetic steel and on the adjacent, rail-side surface a wear layer (33) made of ferromagnetic steel or ceramic is thermally sprayed onto the flange (28).

10. The method according to claim 9, characterized in that the wear layer (32, 33) is plasma-sprayed.

11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that a NiAl layer (34) is applied before the wear layer (32, 33) is sprayed on.

12. The method according to claim 11, characterized in that the NiAl layer (34) is thermally sprayed, preferably plasma sprayed.

13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that a color layer (F) is applied to a first part of the wear layer (32, 33) and a second part of the wear layer (32, 33) from this paint layer (F) the same material as the first part of the wear layer (32, 33) is sprayed on.