DE19939754C1

DE19939754C1 - Elastisch gefedertes Schienenrad mit einer mehrteiligen Radreifenkonstruktion und Trennung von Trag- und Spurführungsfunktion

Info

Publication number: DE19939754C1
Application number: DE19939754A
Authority: DE
Inventors: Andreas Thomasch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-08-21
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elastisch gefedertes (synthetische oder natürliche Materialien - z. B. Gummi) Schienenrad mit einer mehrteiligen Radreifenkonstruktion und Trennung von Trag- und Spurführungsfunktion. DOLLAR A Die Tragfunktionsmodule: -> äußerer Radreifen - Radreifenmodul (1) und DOLLAR A -> innerer Radreifen - Radreifenmodul (2) DOLLAR A und der Spurführungsmodul DOLLAR A mit Spurkranz -> Spurführungsmodul - Radreifenmodul (3) DOLLAR A bestehen aus geschmiedetem bzw. gewalztem Stahl. DOLLAR A Die Tragfunktionsmodule äußerer Radreifen (1) und innerer Radreifen (2) bestehen aus einem gefügten Verbundsystem und werden elastisch gelagert. DOLLAR A Der Spurführungsmodul (3) wird nicht in die gummielastische Lagerung einbezogen, sondern über einen Schrumpfverband mit dem Scheibenradkörper (8) lösbar verbunden oder der Spurführungsmodul (3) ist Bestandteil des Scheibenradkörpers (8). DOLLAR A Definierte Werkstoffeigenschaften des Verbundsystems der Radreifenkonstruktion werden gezielt positioniert, dies bezieht sich auf den Kohlenstoffgehalt und die Zähigkeitseigenschaften der eingesetzten Stahlsorten (Bruchzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Sprödbruchübergangstemperatur, Bruchdehnung, Brucheinschnürung). DOLLAR A Hierdurch ergibt sich eine definiert vorgesehene Rissstopgrenze zwischen äußerem Radreifen (1) und innerem Radreifen (2), sodass im worst-case (Bruch des mit der Schiene direkt in Kontakt stehenden und auslegungsgemäß sprödbruchempfindlichen äußeren Radreifens (1)) durch das Zusammenwirken von innerem Radreifen (2) und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad mit einer Trennung von Trag- und Spurführungsfunktion.

Elastisch gefederte Schienenräder verbessern das akustische Verhalten von Rädern/Radsätzen gleisgeführter Fahrzeuge (Reduzierung von Vibrationen).

Gleichzeitig werden die durch die Schwingspiele entstehenden Druckspitzen im Laufflächenbereich abgebaut, die dynamischen Reaktionen des Fahrzeuges werden verringert und führen zur Verschleiß reduzierung - sowohl an den Schienenrädern als auch an den Schienen des Oberbaumaterials. Die Reduzierung der Laufgeräusche infolge dieser aktiven Schallschutzmaßnahme direkt im unmittelbaren Bereich des Rad-Schiene-Kontaktes führt bekanntermaßen zu einer erheblichen Verbesserung des Fahrkomforts sowie zu deutlichen Verringerungen der Umweltbelastungen durch Lärmemissionen.

Nachteilig bei den eingesetzten elastisch gefederten Schienenrädern ist die Gefahr der Entgleisung bei plötzlicher instabiler Rissentwicklung und Bruch des Radreifens.

Beanspruchungsgerechte Konstruktion und wiederkehrende Inspektionen gewährleisten die Funktionssicherheit und Betriebssicherheit der eingesetzten Radreifenkonstruktionen. Die beanspruchungsgerechte Auslegung und wiederkehrende Inspektionen können jedoch keine singulären Ereignisse und Schädigungen während des Betriebseinsatzes erfassen, die zwischen zwei Inspektionen zur plötzlichen Rissentwicklung und zum Bruch des einteiligen Radreifens führen können (z. B. Fremdkörpereinwirkung, die bei entsprechend großer Kerbwirkung zu plötzlicher Rissinitiierung und schneller Rissentwicklung führen kann; z. B. äußere Krafteinwirkungen durch gezielte Anschläge auf das Rad-Schiene-System).

Auch bei wiederkehrenden Inspektionen nicht erkannte Mikrokerben, Anrisse im mikroskopischen Bereich und sonstige Vorschädigungen für eine Rissinitiierung (z. B. Inhomogenitäten, singuläre Störstellen im Gefüge bzw. im Kristallgitter, Bearbeitungskerben u. a.) können im Betriebseinsatz zu kritischer Rissentwicklung und zum Bruch der Radreifenmodule führen.

Kritisch sind im Besonderen bei gummigefederten Radreifen die Innenseiten (Innenflächen). Diese erfahren infolge der Überrollungen Zugspannungen, die hinsichtlich Rissentstehung und Riss entwicklung besonders kritisch werden können. (Knothe, K. u. Böhmer, A.: Eschede - Bemerkungen zur Dauerfestigkeit von Eisenbahnradsätzen. Internationales Verkehrswesen (50) 11/1998 S. 542-546).

Es ist bekannt, dass sich diese Zugspannungsspitzen im Bereich der Innenflächen gummigefederter Radreifenkonstruktionen beim Vorliegen von Radunrundheiten (Radpolygonalisierung - reale Praxis beim Rad-Schiene-System) verschärfen. Der harte Oberbau bei den heute im Hochgeschwindigkeits verkehr verwendeten "festen Fahrbahnen" führt zu einer weiteren Verschärfung dieses Belastungsbildes. (Knothe, K. u. Böhmer, A.: Eschede - Bemerkungen zur Dauerfestigkeit von Eisenbahnradsätzen. Internationales Verkehrswesen (50) 11/1998 S. 542-546).
(Madeyski v., T.: Zusammenwirken Fahrzeug/Fahrweg und Maßnahmen zur gegenseitigen Senkung der Beanspruchung. ZEV + DET Glas. Ann. (122) 9/10 1998 S. 613-619).

Rissinitiierung und Rissentwicklung beginnen somit ggfs. von der einer unmittelbaren Beobachtung nicht zugänglichen Radreifeninnenseite und führen zum Risswachstum von innen nach außen (Ergebnisse der Untersuchungen der beim ICE-Eisenbahnunfall von Eschede eingesetzten gummi gefederten Radreifenkonstruktion). Ziel ist es, diese bekannten Restrisiken beim Einsatz von elastisch gefederten Schienenrädern vollständig zu beherrschen.

Aus der DE 24 28 078 B2 ist ein Schienenrad mit auf Gummikörpern gelagertem Laufring und getrennt angeordnetem und starr mit dem Radkörper verbundenen Spurkranz bekannt. Der auf Gummikörpern gelagerte einteilige Laufring hat die Aufgabe, den Sinuslauf zu stabilisieren. Ein Bruch des hier verwendeten einteiligen Laufringes führt zum unmittelbaren Verlust der Tragfunktion und damit zum Verlust der Laufsicherheit und der Systemsicherheit (unmittelbare Entgleisungsgefahr).

In der DE 41 25 885 A1 wird ein Eisenbahnrad beschrieben, bei welchem in den Radreifen eine Hart gummilage integriert ist. Ein Bruch des einteiligen Radreifens führt bei dieser Lösung zum sofortigen Verlust von Spurführung und Tragfunktion.

Aus der EP 0 733 493 A2 ist ein gummigefedertes mehrteiliges Schienenrad bekannt, bei dem der Vorteil der Gewichtsreduzierung durch Verwendung von nichteisenhaltigen Werkstoffen und Verbund werkstoffen für Radkörper, Spannring und auch den innenliegenden Ring des Radreifens erreicht wird. Ein Bruch des außen angeordneten Radreifens der Radreifenkonstruktion (Tragfunktion und Spurführungsfunktion wurden nicht getrennt) führt zum unmittelbaren Vertust von Trag- und insbesondere der Spurführungsfunktion und damit der Systemsicherheit.

Eine weitere Lösung der Leichtbauweise wird in DE 196 28 792 C1 bekanntgegeben. Der Radkörper wird zur Gewichtsreduzierung aus Aluminium ausgeführt, der Radreifen besteht aus einem Material verbund mit einer äußeren verschleißgerechten Stahlbandage und einem inneren, leichteren Alu miniumring. Nach Verschleiß der Stahlbandage ist der Verbundreifen einfach wechselbar. Der Ver bundreifen kann auch gummigefedert ausgeführt werden. Wie bei EP 0 733 493 A2 führt ein Bruch der außen angeordneten Verschleißbandage oder des gesamten Verbundreifens (Tragfunktion und Spurführungsfunktion wurden nicht getrennt) zum unmittelbaren Verlust von Trag- und insbesondere der Spurführungsfunktion und damit der Systemsicherheit.

Die nach DE 37 13 270 C2 bekanntgegebenen einteiligen Radreifenkonstruktionen führen gleichfalls bei Bruch des auf Gummikörpern gelagerten Radreifens zum direkten Verlust der Spurführung und der Tragfunktion.

Bei den in der DE-PS 754 553 vorgesehenen Lösungen für verschleißfeste, auswechselbare Auflagen von Drehkörpern (auch Schienen- und Kranrädern) handelt es sich um herkömmliche (nicht gummi elastisch gefederte) Radkonstruktionen. Vorgestellt werden verschiedene Alternativen zum Befestigen und Wechseln der verschleißfesten Auflagen.

Die in der DE 29 40 424 A1 beschriebenen Lösungen haben das Ziel, durch werkstofftechnische und konstruktive Veränderungen der Laufflächen den Reibwert Rad-Schiene zu verändern (Verbesserung des Gleit- und Rutschverhaltens) sowie den Verschleiß und auch die ungefederten Massen zu verringern.

Die bekannten technischen Lösungen verfolgen Zielstellungen wie Sinuslaufstabilisierung, Reduzierung der ungefederten Massen und Verringerung der Verschleißparameter. Ein Bruch der bekannten elastischen Radreifenkonstruktionen führt zum unmittelbaren Verlust der Funktionsfähigkeit und der Systemsicherheit, in der Regel zum Verlust der Tragfunktion des Radsystems und/oder der Spurführung des Radsystems und damit des gesamten Radsatzes und nachfolgend zur Entgleisung des Fahrzeuges und ggfs. des Zuges.

Technische Lösungen, die beim Bruch des elastisch gefederten Radreifens die weitere sichere Aufnahme der aus den Betriebsbelastungen resultierenden Vertikal- und Horizontalkräfte des Rades bzw. des Radsatzes bis zum kontrollierten Halt des Fahrzeuges/Zuges gewährleisten, sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad anzugeben, welches in jeder Situation die ununterbrochene Übertragung der Radkräftean der Schnittstelle Rad-Schiene und damit die Systemsicherheit, d. h. Tragfunktion und Spurführungsfunktion, auch bei Bruch des direkt mit der Schiene in Kontakt stehenden äußeren Radreifenmodules des Radreifens bis zum kontrollierten Halt des Fahrzeuges/Zuges sicherstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche kennzeichnen weitere vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Schienenrad besteht im Wesentlichen aus einem Scheibenradkörper und aus einer aus mehreren Teilen bestehenden Radreifenkonstruktion unterschiedlicher Stahlsorten. Der Radreifen setzt sich aus einem Tragfunktionsmodul und einem Spurführungsmodul mit Spurkranz (Radreifenmodul 3) zusammen, wobei das Tragfunktionsmodul aus einem aüßeren Radreifen (Radreifenmodul 1) und einem inneren Radreifen (Radreifenmodul 2) besteht. Der aüßere Radreifen, der innere Radreifen und das Spurführungsmodul bestehen in der Regel aus geschmiedetem bzw. gewalztem Stahl.

Kennzeichnend für die Radreifenkonstruktion ist der mehrteilige Aufbau aus Stahlsorten mit unterschiedlichen, gezielt positionierten Werkstoffparametern (Kohlenstoffgehalt und Zähigkeits eigenschaften) zwischen den Tragfunktionsmodulen äußerer Radreifen (1) und innerer Radreifen (2) in Verbindung mit einer Trennung von Tragfunktion und Spurführungsfunktion.

Die elastische Lagerung wird nur auf das Tragverbundsystem aus äußerem Radreifen (1) und innerem Radreifen (2) bezogen und direkt zwischen innerem Radreifen (2) und dem Spurführungs modul (3) bzw. zwischen innerem Radreifen (2) und dem Scheibenradkörper ausgeführt (in diesem Fall ist der Spurführungsmodul Bestandteil des Scheibenradkörpers).

Weiterhin ist eine elastische Zwischenlage aus synthetischen oder natürlichen Materialien zwischen den benachbarten seitlichen Kontaktflanken der Module (1); (2) und Modul (3) vorgesehen. Die Anordnung der ein- bzw. mehrteiligen elastischen Ringe, Ringsegmente oder Einzelelemente aus synthetischen oder natürlichen Materialien - z. B. Gummi - erfolgt wie gemäß Stand der Technik aus Patentschriften bekannt ist (EP 0 733 493 A2; DE 24 28 078 B2; DE 196 28 792 C1).

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Schienenrades besteht in der besonderen mehrteiligen und getrennten Anordnung und werkstofftechnisch definierten Positionierung der Radreifenmodule. Kennzeichnend für diese Lösung ist, dass die elastisch gelagerten Radreifenmodule (1) und (2) ein tragendes Verbundsystem bilden und aus Stahlsorten mit definierten Werkstoffeigenschaften gefügt werden, die dem beschriebenen besonderen Belastungsbild gummigefederter Radreifen Rechnung tragen.

Dabei besteht der innenliegende Radreifenmodul (2) dieses Verbundmoduls aus einer Stahlsorte mit signifikant höherer Zähigkeit - und damit gegenüber dem äußeren Radreifenmodul (1) definiert geringerer Sprödbruchneigung -, die eine kritische Rissentwicklung und Bruch des inneren Radreifens (2) des Verbundmoduls auslegungsgemäß zuverlässig ausschließt.

Die Spurführungskomponente - Radreifenmodul (3) - wird dagegen nicht elastisch gelagert, sondern z. B. über einen Schrumpfverband mit dem Scheibenradkörper verbunden (bzw. Radreifenmodul (3) ist Bestandteil des Scheibenradkörpers).

Die getrennte Anordnung und gezielte Werkstoffpositionierung von Radreifenmodul (2) gegenüber Radreifenmodul (1) sichert in Interaktion mit Radreifenmodul (3) sowohl Tragfunktion als auch Spurführung erfindungsgemäß in der Weise, dass beim auslegungsgemäß nicht erwarteten plötzlichen Bruch des definiert sprödbruchempfindlicheren Radreifenmoduls (1) die Fügeebene zwischen Modul (1) und Modul (2) als gezielt vorgesehene Rissstopgrenze wirkt und der innere Radreifenmodul (2) und der Spurführungsmodul (3) unabhängig vom gebrochenen, d. h. fehlenden äußeren Radreifenmodul (1) die weitere Übertragung der betriebsgemäßen System kräfte zwischen Rad - Schiene sicherstellen und somit die Betriebssicherheit des Systems bis zum kontrollierten Systemstop zuverlässig aufrechterhalten.

Eine kritische Rissentwicklung mit der Folge eines plötzlichen Bruches des unmittelbar mit der Schiene in Kontakt stehenden, aufgrund des Belastungsbildes in der Kontaktfläche Rad-Schiene auslegungsgemäß sprödbruchempfindlicheren äußeren Radreifenmoduls (1) führt somit nicht gleichzeitig zum Verlust der Betriebssicherheit des Systems (Entgleisungen), da jetzt der innenliegende Radreifenmodul (2) auslegungsgemäß weiterhin die Tragfunktion sicherstellt und in Wechselwirkung mit der jetzt direkt wirksamen Spurkranzflanke von Spurführungsmodul (3) die ununterbrochene Spurführung und damit die Entgleisungssicherheit erhält.

Das betroffene Fahrzeug und der Fahrzeugverband können somit unter Aufrechterhaltung einer sicheren Tragfunktion und einer sicheren Spurführung kontrolliert weiterbewegt und betriebsgemäß zum Halten gebracht werden - Notlaufeigenschaft des erfindungsgemäßen Radsystems.

Insbesondere in Verbindung mit während des Betriebes wirksamen Rad- bzw. Radsatzüberwachungs systemen können bei Verwendung der erfindungsgemäßen mehrteiligen Radreifenkonstruktion Entgleisungen und daraus entstehende Eisenbahnbetriebsunfälle - auch im Falle des Versagens des dynamisch hoch belasteten und sprödbruchempfindlicheren äußeren Radreifenmodules (1) der Radreifenkonstruktion - sicher ausgeschlossen werden.

Der modulare Aufbau der Radreifenkonstruktion gestattet einerseits im Rahmen der Instandhaltung die Durchführung von Reprofilierungen der mehrteiligen Radreifenkonstruktion und andererseits gleichfalls einen einfachen Tausch der Radreifenkomponenten bei Erreichen der vorgegebenen Verschleißgrenzmaße.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 beispielhaft erläutert.

Das elastisch gefederte Schienenrad besteht nach Fig. 1 aus einer mehrteiligen Radreifenkonstruktion. Die Tragfunktionsmodule äußerer Radreifen 1 und innerer Radreifen 2 bestehen aus einem gefügten Verbundsystem (z. B. Schrumpfverbindung, z. B. Klebeverbindung).

Definierte Werkstoffeigenschaften dieses Tragfunktionsverbundsystems werden gezielt positioniert, dies bezieht sich auf den Kohlenstoffgehalt und die Zähigkeitseigenschaften der eingesetzten Stahlsorten (Bruchzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Sprödbruchübergangstemperatur, Bruchdehnung, Brucheinschnürung).

Das Spurführungsmodul 3 mit Spurkranz ist über eine Schrumpfverbindung mit dem Scheibenrad körper 8 lösbar verbunden. Der bzw. die elastischen Ringe, Ringsegmente, Einzelelemente 4 werden zwischen dem inneren Radreifen 2 und dem Spurführungsmodul 3 mittels keilförmigen Spannringes 6 vorgespannt, der mit über den Umfang verteilten Befestigungsschrauben 7 lösbar mit dem Spurführungsmodul 3 verbunden ist.

Die seitliche dynamische Ankoppelung von äußerem Radreifen 1 und innerem Radreifen 2 zur benachbarten Kontaktflanke des Spurführungsmoduls 3 erfolgt über eine elastische Zwischenlage 5.

Bezugszeichenliste

1

äußerer Radreifen (Tragfunktionsmodul)

2

innerer Radreifen (Tragfunktionsmodul)

3

Spurführungsmodul

4

elastischere Ring/Ringe, - Ringsegmente, - Einzelelemente (synthetische oder natürliche Materialien)

5

elastische Zwischenlage zwischen

1

;

2

und

3

(synthetische oder natürliche Materialien)

6

Spann- und Sicherungsring

7

Befestigungsschrauben

8

Scheibenradkörper

9

Sicherungsring

10

Radnabe

11

Hydraulikanschluss

12

Radsatzwelle

Claims

1. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad mit Trennung von Tragfunktion und Spurführungsfunktion, dadurch gekennzeichnet,
dass der aus Stahl hergestellte Radreifen aus mehreren Teilen besteht,
einem Verbundsystem mit Tragfunktion und einem Spurführungsmodul (3) mit Spurkranz,
wobei das Verbundsystem mit Tragfunktion elastisch gelagert ist (synthetische oder natürliche Materialien) und aus mindestens zwei Bauteilen, einem äußeren Radreifen (1) und einem inneren Radreifen (2) gefügt wird, wobei der innen positionierte Radreifen (2) im Vergleich zum aüßeren Radreifen (1) aus einer Stahlsorte mit den nachfolgend definierten Werkstoff kenngrößen besteht

- signifikant niedrigere Sprödbruchübergangstemperatur (Kerbschlagbiegeversuch) und
- signifikant höhere Kerbschlagzähigkeit (Kerbschlagbiegeversuch - Prüftemperatur 20°C) und
- signifikant höherer Bruchzähigkeitsverlauf K_Ic in Abhängigkeit von der Temperatur und
- signifikant geringerer Kohlenstoffgehalt,

dass zur elastischen Federung zwischen dem inneren Radreifen (2) und dem Spurführungs modul (3) ein- bzw. mehrteilige elastische Ringe, Ringsegmente oder Einzelelemente (4) positioniert sind und
dass zwischen den benachbarten Kontaktflächen vom aüßeren Radreifen (1), inneren Radreifen (2), der elastischen Ringe (4) und dem Spurführungsmodul (3) eine elastische Zwischenlage (5) aus synthetischen oder natürlichen Materialien, z. B. aus gummielastischen Werkstoffen, angeordnet ist,
dass der aüßere Radreifen (1) mit Spurflanke ausgeführt ist und die im Betrieb wirkenden Spurführungskräfte auf diese Weise unmittelbar über den aüßeren Radreifen (1) und die elastische Zwischenlage (5) auf das Spurführungsmodul (3) übertragen werden.

2. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aüßeren Radreifen (1) und/oder inneren Radreifen (2) um ein Radreifenmodul handelt.

3. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zum äußeren Radreifen (1) innenliegend ein oder mehrere Radreifenmodule positioniert werden und diese innenliegenden Radreifenmodule des Tragfunktionsverbundsystems aus Werkstoffen mit von Stahl abweichenden Elastizitätsmodulen (E-Modul) gefügt werden.

4. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Zwischenlage (5) gleichzeitig als elastische Versiegelung des Radreifensystems gegen Umwelteinflüsse ausgeführt wird,

5. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spann- und Sicherungsring (6) die ein- bzw. mehrteiligen elastischen Ringe, Ring segmente oder Einzelelemente (4) zwischen dem mehrteiligen Tragverbundsystem und Spurführungsmodul (3) bzw. der Radscheibe verspannt und das Tragverbundsystem sichert.

6. Elastisch gefedertes, mehrteiliges Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spurführungsmodul (3) unmittelbar Bestandteil des Scheibenradkörpers (8) ist oder mittels Schrumpfverband und/oder Schraubverbindung mit dem Scheibenradkörper (8) gefügt ist.