DE3814344A1 - Schienenrad - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenrad nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Schienenrädern muß die die Radscheibe bilden­ de Faserverbundstruktur trotz eines geringen Baugewichts zusätzlich zu den radialen Radaufstandslasten und den in Umfangsrichtung wirkenden Brems- und Beschleunigungskräften auch starke, parallel zur Radachse wirkende Querkräfte zwi­ schen der Nabe und dem Radreifen übertragen und eine dem­ entsprechend hohe Biegesteifigkeit besitzen, was bei den bekannten Scheibenrädern dieser Art (DE-PS 33 45 555, EP-PS 65 086) dadurch erreicht wird, daß die Radscheibe in Sand­ wichbauweise mit einem die äußeren Faserverbund-Deckschich­ ten im Abstand zueinander schubfest verkoppelnden, spezi­ fisch leichten Innenkern aus Metallwaben oder Schaumstoff­ material ausgebildet ist. Ein solcher Innenkern, gleichgül­ tig ob er aus Metallwaben oder aus Schaumstoff besteht, ist jedoch bei ausreichender Festigkeit und vor allem Quer­ kraft-Steifigkeit der Radscheibe so kostspielig, daß der Einsatz von Schienenrädern dieser Bauart trotz ihrer über­ legenen Eigenschaften gegenüber üblichen Ganzmetall-Schie­ nenrädern nur im beschränkten Umfang möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schienenrad der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es eine kostengünstige, großseriengerechte Bauweise und eine hohe Festigkeit und insbesondere Querkraft-Steifigkeit im Bereich der Faserver­ bund-Radscheibe unter Beibehalt eines geringen Eigenge­ wichtes aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Schienenrad gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die dem Inneren der Radscheibe konzentrisch zur Radachse wechselweise schräg zu den Deck­ schichten angeordneten Faserverbund-Stege, die aufgrund ihrer geometrischen Anordnung und ihrer Faserorientierung als unter den erwähnten Querkraftbelastungen der Radschei­ be zug- bzw. druckbeanspruchte Verstrebungen zwischen den Deckschichten wirken, eine Radscheibe erhalten, die eine sehr hohe konstruktive, querkraftspezifische Festigkeit und Stei­ figkeit bei geringem Eigengewicht besitzt und dennoch bezüg­ lich der anderen Lastrichtungen mit einem - je nach Anwen­ dungszweck unterschiedlich - vorgegebenen Elastizitätsver­ halten ausgebildet werden kann, mit der Besonderheit, daß sich die Faserverbund-Steganordnung auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellen läßt und einen wesentlich niedri­ geren Kostenaufwand erfordert als die üblicherweise für Rad­ scheiben vergleichbarer Querkraft-Steifigkeit benötigten Schaumstoff- oder Wabenkerne.

Nach einer im Hinblick auf eine hochgradige, gezielte Quer­ kraft-Versteifungswirkung der Steganordnung besonders bevor­ zugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Stege gemäß An­ spruch 2 im Radialschnitt der Radscheibe nach Art eines Fachwerks in einem Dreiecksverbund angeordnet.

Aus Gründen einer faserverbundgerechten, lastsicheren Ver­ koppelung der Stege mit den Deckschichten besitzen die Stege gemäß Anspruch 3 vorzugsweise randseitige, einstückig mit durchlaufender Faserstruktur angeformte Verbindungs­ flansche, über die sie mit den Deckschichten kraftübertragend verbunden, und zwar gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise groß­ flächig verklebt sind.

Eine herstellungs- und festigkeitsmäßig besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 5 darin, daß jeweils zwei radial benachbarte Faserverbund- Stege einschließlich eines gemeinsamen Verbindungsflansches als einteiliges, im Querschnitt geschlossenes Hohlprofil ausgebildet sind. In diesem Fall besitzen die Hohlprofile gemäß Anspruch 6 vorzugsweise einen dreieckförmigen Quer­ schnitt und sind an ihren die Faserverbundstege bildenden Profilwänden gegenseitig flächig miteinander verklebt, wodurch auf einfache Weise eine Fachwerkstruktur mit einer lastsicheren Anbindung der Hohlprofile untereinander und an den Deckschichten entsteht.

Gemäß einem weiteren, vor allem im Hinblick auf eine günsti­ ge Serienfertigung bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Hohlprofile nach Anspruch 7 vorzugsweise im Wickelverfahren mit einer Schaumstoff-Füllung als Wickelkern hergestellt. Ebenfalls aus Fertigungsgründen sind die einzelnen, zur Rad­ achse konzentrischen Hohlprofil-Kreisringe gemäß Anspruch 8 zweckmäßigerweise aus Hohlprofil-Segmenten zusammenge­ setzt, wobei eine gute gegenseitige Verbindung der Hohlpro­ fil-Segmente durch eine versetzte Stoßstellen-Anordndung sichergestellt wird. Ferner sind nach Anspruch 9 zweckmäßi­ gerweise die schaumstoffgefüllten Hohlprofile des Innenkerns im ungehärteten Zustand zusammengefügt und gemeinsam ausge­ härtet, wodurch ein einwandfreier Hohlprofil-Verbund für den Innenkern und eine weitere Fertigungserleichterung erreicht werden.

Eine im Hinblick auf eine hohe Lastfestigkeit besonders zweckmäßige Ausgestaltung betrifft die Verbindung der Faser­ verbund-Radscheibe mit dem Radreifen. So ist die Radscheibe mit dem Radreifen aus Gründen einer querkraftsicheren Ver­ koppelung gemäß Anspruch 10 vorzugsweise sowohl verklebt als auch in Axialrichtung formschlüssig verbunden, und zur formschlüssigen Sicherung ist gemäß Anspruch 11 vorzugs­ weise ein in eine Umfangsnut des Radreifens eingreifender Faserverbund-Ring vorgesehen, der gemäß Anspruch 12 zur Ver­ minderung von Spannungsspitzen einen abgeschäfteten Faser­ lagenaufbau aufweist.

Ebenfalls im Hinblick auf eine großseriengerechte Ausbildung und eine gezielte örtliche Versteifung der Radscheibe sind gemäß Anspruch 13 beide Deckschichten gemeinsam als einteilig über die äußere Mantel- und beide Seitenflächen des Innen­ kerns sich erstreckendes Wickellaminat hergestellt, das eine die Nabe umschlingende und von dieser tangential nach außen verlaufende Faserorientierung und eine radial nach außen ab­ nehmende Wanddicke aufweist, wobei die in der Ebene der Deckschichten wirkende radialen Kräfte zumindest teilweise durch die Flächenpressung zwischen Radscheibe und Radnabe übertragen werden, so daß auf teure Verklebelaschen im Naben­ bereich verzichtet werden kann. Gemäß Anspruch 14 ist das die Deckschichten bildende Wickellaminat vorzugsweise beid­ seitig im Umschlingungsbereich der Nabe in in dieser aus­ gebildete, nutartige Vertiefungen gewickelt, wodurch auf herstellungsmäßig einfache Weise auch im Nabenbereich eine wiederum formschlüssige, axiale Sicherung auf beiden Seiten der Radscheibe erzielt wird, ohne daß eine geteilte Nabe benötigt wird.

Schließlich ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 15 möglich, auch kegelstumpfförmig geform­ te Radscheiben mit einem an beiden Seitenflächen des Innen­ kerns einwandfrei anliegenden, deckschichtbildenden Wickel- Laminat zu versehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Halbschnitt eines Schienenrades mit einer Radscheibe in Faserverbund-Bauweise nach der Erfindung;

Fig. 2 die Anordnung der Faserverbund-Hohlprofilseg­ mente der Radscheibe nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines aus drei Segmenten bestehenden Hohlprofil-Kreisringes;

Fig. 4 eine Wickelvorrichtung zur Herstellung der Hohl­ profil-Segmente;

Fig. 5a b die Querschnittsform eines Faserverbund- Sicherungsringes und das zugehörige Formwerk­ zeug;

Fig. 6 eine kegelstumpfförmige Radscheibe im unteren Halbschnitt zu Beginn und im oberen Halbschnitt am Ende des Deckschicht-Wickelvorgangs.

Gemäß Fig. 1 enthält das Schienenrad 2 mit der Radachse A eine metallische Radnabe 4, eine Radscheibe 6 in Faserver­ bundbauweise und einen Radreifen 8 aus Metall.

Die Radscheibe 6 besteht aus äußeren Faserverbund-Deckschich­ ten 10.1 und 10.2 und einem zwischen diesen schubkraftüber­ tragend angeordneten Innenkern 12. Die Deckschichten 10.1 und 10.2 werden durch ein sich einteilig über die Seiten­ flächen und die äußere Mantelfläche des Innenkerns 12 er­ streckendes Faserverbund-Wickellaminat 14 gebildet, das auf beiden Seiten des Innenkerns 12 in als Umfangsnut ausge­ bildete Vertiefungen 16 der Radnabe 4 eingreift.

Zur lastfesten Verkoppelung zwischen Radscheibe 6 und Rad­ reifen 8 ist zum einen das Deckschichtlaminat 14 mit der Innenfläche des Radreifens 8 verklebt und zum anderen eine formschlüssige Sicherung vorgesehen, die auf der einen Seite der Radscheibe 6 durch einen am Radreifen 8 angeform­ ten Anschlagbund 18 und auf der anderen Seite durch einen aus Einbaugründen mehrteiligen Faserverbundring 20 gebil­ det wird, welcher in eine Umfangsnut an der Innenfläche des Radreifens 8 eingreift und in dieser verklebt ist.

Zur Versteifung der Radscheibe 6 bezüglich der an der Nabe 4 und dem Radreifen 8 parallel zur Radachse A eingeleiteten Querkräfte enthält der Innenkern 12 eine Anordnung von konzentrisch zur Radachse verlaufenden Faserverbund-Stegen 22, 24, die jeweils kraftübertragend mit den Deckschichten 10 verkoppelt und zu diesen abwechselnd schräg geneigt sind, so daß die Faserverbundstruktur der Radscheibe 6 im Radial­ schnitt bezüglich der Querkräfte nach Art eines Fachwerk­ trägers im Dreiecksverbund ausgebildet ist, wobei die Faser­ verbund-Stege 22, 24 als Zug- bzw. Druckstäbe wirken. Aus diesem Grund verläuft die Faserorientierung der Stege 22, 24 vorwiegend senkrecht, nämlich zwischen etwa ±75° und 90° zur Steg-Längsachse, wie durch die Kreuzschraffuren in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist.

An ihren Längsrändern sind die Stege 22, 24 mit einstückig mit durchlaufender Faserstruktur angeformten Verbindungs­ flanschen 26 versehen, über die sie flächig mit der jeweili­ gen Deckschicht 10.1 bzw. 10.2 verklebt sind.

Jeweils zwei gegensinnig geneigte Stege 22, 24 und der zugehö­ rige Verbindungsflansch 26 sind als einteiliges, im Quer­ schnitt dreieckförmiges, geschlossenes Faserverbund-Hohlpro­ fil 28 ausgebildet, das im Inneren mit Schaumstoff 30 ausge­ füllt ist. Die einzelnen Hohlprofile 28 sind als Segmente von zur Radachse A konzentrischen, in Umfangsrichtung ge­ schlossenen Ringteilen hergestellt und werden im ungehärte­ ten Zustand in einem Form- und Preßwerkzeug (nicht gezeigt) in der aus Fig. 2 ersichtlichen, an ihren Stoßstellen 32 zueinander versetzten Anordnung zusammengefügt und unter gegenseitiger Verklebung ihrer flächig aneinander liegenden, stegbildenden Profilwände 22 bzw. 24 gemeinsam zu dem Innen­ kern 12 ausgehärtet. In Fig. 3 sind drei Hohlprofile 28 vor dem Zusammenfügen zu einem solchen Ringteil des Innenkerns 12 perspektivisch dargestellt.

Die Herstellung der einzelnen Hohlprofilstücke 28 erfolgt im Wickelverfahren mit der Schaumstoffüllung 30 als Wickel­ kern, z. B. mit Hilfe der in Fig. 4 schematisch darge­ stellten Wickelmaschine. Diese enthält als Hauptbestand­ teile einen Wickelkernhalter 34 mit einem mit der Vor­ schubgeschwindigkeit v um eine vertikale Drehachse hin- und hergehend angetriebenen Schwenkarm 36, an dem das vorgeformte Schaumstoffstück 30 konzentrisch zur Drehachse des Halters 34 befestigt ist, sowie einen mit der Dreh­ zahl n um eine horizontale Achse in einer durch die Dreh­ achse des Schwenkarms 36 verlaufenden Ebene rotierend ange­ triebenen Spulenträger 38 mit mehreren Fadenrollen 40, von denen beim Umlauf des Spulenträgers 38 jeweils ein mit Harz vorimprägnierter Verstärkungsfaden 42 über einen Fadenführungsring 44 auf das Schaumstoffstück 30 gewickelt wird. Damit die Verstärkungsfäden 42 mit einer zur Längs­ achse des Schaumstoffkerns 30 annähernd senkrechten Faser­ orientierung abgelegt werden, wird die Vorschubgeschwindig­ keit v während des Wickelvorgangs sehr viel kleiner als die Drehzahl n eingestellt. Hiervon abweichend können zur Ver­ besserung der Laminatqualität auch geringe Anteile des Wickellaminats durch Änderung des Vorschub-Drehzahlver­ hältnisses mit anderen, z. B. zur Längsachse des Schaum­ stoffstücks 30 schwach geneigten Wickelwinkeln abgelegt werden. Nach Erreichen der gewünschten Laminatdicke wird der das ringsegmentförmige Hohlprofil 28 bildende Wickel­ körper vom Schwenkarm 36 abgenommen und dann auf die oben beschriebene Weise gemeinsam mit den übrigen Hohlprofil­ stücken 28 zum fertigen Innenkern 12 ausgehärtet.

Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung des im Querschnitt abgeschäfteten Faserverbundrings 20 mit einer zur Ring- Seitenfläche 46 parallelen Laminatschichtung 48 (Fig. 5a). Die Herstellung erfolgt in einem in Fig. 5b im Querschnitt gezeigten, ringförmigen Einlegwerkzeug 50 mit zugehörigem Preßstempel 52, in welches Faserver­ bund-Prepreg-Bänder oder -Schläuche mit einer ±45°-Faser­ orientierung bezüglich der Bandlängsrichtung eingelegt und nach dem Schließen des Preßstempels 52 ausgehärtet werden. Nach dem Durchtrennen des in Umfangsrichtung zunächst noch geschlossenen Sicherungsringes 20 ist dieser einbaufertig.

Das Umwickeln des Innenkerns mit dem Deckschichtlaminat wird gemäß Fig. 6 anhand eines Ausführungsbeispiels erläu­ tert, bei dem der Innenkern einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, die Radscheibe also für ein Schienenrad mit einem gegenüber der Nabe axial versetzten Radreifen kegelstumpf­ förmig ausgebildet ist. Die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauteile sind durch ein um 100 erhöhtes Be­ zugszeichen gekennzeichnet.

Der Innenkern 112 wird im wesentlichen in gleicher Weise wie der Innenkern 12 hergestellt, abgesehen davon, daß die einzelnen Hohlprofilstücke 128 einen geänderten Dreiecks­ querschnitt aufweisen und ein der Trapezform des Innenkerns 112 entsprechendes Formwerkzeug zum gemeinsamen Aushärten der Hohlprofilstücke 128 verwendet wird.

Nachdem der Innenkern 112 mit der Nabe 104 zwischen den Umfangsnuten 116 verklebt ist, wird er gemeinsam mit dieser auf einem Dorn 54 befestigt und kontinuierlich mit einem durch ein Fadenauge 56 laufenden Verstärkungsfaden 58 in Form eines harzgetränkten Faserverbund-Rovings mit dem Deck­ schichtlaminat 114 bewickelt. Das Fadenauge 56 ist kinema­ tisch so gesteuert, daß der Endlosfaden 58 mit einem verän­ derlich vorwählbaren Umschlingungswinkel in den Umfangs­ nuten 116 abgelegt wird, wobei die Wickelebene nach jeder Fadenumschlingung zyklisch gewechselt wird, so daß der Endlosfaden 58 vom Umschlingungsbereich auf der einen Seite des Innenkerns 112 radial nach außen und über die äußere Mantelfläche des Innenkerns 112 und von dort wiederum tangential zur Nabe 104 nach innen zum Umschlingungsbereich auf der anderen Seite des Innenkerns 112 abgelegt wird.

Wenn der Innenkern 112 auf diese Weise gleichförmig und in der erwünschten Dicke mit dem Deckschicht-Laminat 114 bewickelt ist, wird nach dem Aushärten des Deckschicht- Laminats 114 der Radreifen 8 montiert und das Schienenrad ist fertiggestellt.

Für die in Fig. 6 gezeigte, kegelstumpfförmige Radscheibe 104 wird - anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel - durch eine zusätzliche, wickeltechnische Maßnahme sicher­ gestellt, daß sich der Endlosfaden 58 an die im nabensei­ tigen gegenüber dem radreifenseitigen Randbereich zurück­ versetzte Seitenfläche des Innenkerns 112, also die im Sinne der Fig. 5 rechte Innenkernseite ordnungsgemäß anlegt. Zu diesem Zweck ist auf dem Dorn 54 ein Rutschkegel 60 angeordnet, der durch eine Druckfeder 62 axial in Richtung auf den Innenkern gedrückt wird und gemeinsam mit der zu­ rückversetzten Innenkern-Seitenfläche einen rotations­ symmetrisch zur Nabe 104 hin V-förmig werdenden Wickelspalt 64 begrenzt, der bewirkt, daß der Endlosfaden 58 und somit das Deckschicht-Laminat 114 auch auf der zurückver­ setzten Innenkernseite, also im Bereich der Deckschicht 110.1, mit einwandfreier, lückenlos anliegender Faser­ struktur abgelegt wird. Mit zunehmender Wanddicke des Deckschichtlaminats 114 im Bereich der Nabe 104 schiebt sich der Rutschkegel 60 entgegen der Federkraft axial zu­ rück, so daß der Wickelspalt 64 während des gesamten Wickelvorgangs eine gleichförmig gute Fadenführungswirkung beibehält.

Claims (15)

1. Schienenrad mit einer Radnabe, einem Radreifen und einer die Radnabe mit dem Radreifen verbindenden, biegesteifen Radscheibe in Faserverbundbauweise aus zwei äußeren Faserverbund-Deckschichten und einem zwischen diesen angeordneten, spezifisch leichten Innen-, insbesondere Schaumstoffkern, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (12) in konzentrischer Anordnung zur Radachse (A) mit den beiden Deckschichten (10.1, 10.2) jeweils kraftübertragend verkoppelte in Radialrichtung der Radscheibe (6) aufeinander folgend bezüglich der Deckschichten abwechselnd schräg geneigte Faserver­ bund-Stege (22, 24) mit einer zur Steglängsrichtung annähernd senkrechten Faserorientierung enthält.

2. Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstege (22, 24) im Radialschnitt der Radscheibe (6) nach Art eines Fachwerks in einem Drei­ ecksverbund angeordnet sind.

3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Stege (22, 24) über randseitige, ein­ stückig mit durchlaufender Faserstruktur angeformte Verbindungsflansche (26) mit den Deckschichten (10.1, 10,2) verkoppelt sind.

4. Schienenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Stege (22, 24) an den Verbindungs­ flanschen (26) flächig mit den Deckschichten (10.1, 10.2) verklebt sind.

5. Schienenrad nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei radial benachbarte Faserverbund-Stege (22, 24) einschließlich eines gemeinsamen Verbindungsflan­ sches (26) als einteiliges, im Querschnitt geschlossenes Hohlprofil (28) ausgebildet sind.

6. Schienenrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofile (28) jeweils einen dreieckförmigen Quer­ schnitt aufweisen und an ihren die Faserverbund-Stege (22, 24) bildenden Profilwänden gegenseitig flächig mit­ einander verklebt sind.

7. Schienenrad nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofile (28) im Wickelverfahren mit einer Schaum­ stoffüllung (30) als Wickelkern hergestellt sind.

8. Schienenrad nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofile (28) jeweils als Segmente von in Umfangs­ richtung geschlossenen Kreisringen ausgebildet und die Stoßstellen (32) zwischen den einzelnen Hohlprofil- Segmentstücken des einen gegenüber denen der radial be­ nachbarten Kreisringe versetzt angeordnet sind.

9. Schienenrad nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofile (28) des Innenkerns (12) im ungehärteten Zustand zusammengefügt und gemeinsam ausgehärtet sind.

10. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem von der Radscheibe getrennt hergestell­ ten Radreifen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkern (12) und die Deckschichten (10.1, 10.2) mit der Radreifen-Innenfläche verklebt und an die­ ser in Axialrichtung formschlüssig gesichert sind.

11. Schienenrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur formschlüssigen Sicherung ein mehrteiliger, in eine Umfangsnut des Radreifens (8) eingreifender und mit dieser verklebter Faserverbundring (20) mit einer ±45°-Faserorientierung vorgesehen ist.

12. Schienenrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundring (20) einen zum Innenumfang hin abgeschäfteten Faserlagenaufbau (48) aufweist.

13. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten (10) einteilig als durchgehend über beide Seiten - und die äußere Mantelfläche des Innenkerns (12) gewickeltes Faserverbund-Laminat (14) mit einer die Nabe (4) umschlingenden und von dieser tangential nach außen verlaufende Faserorientierung ausgebildet sind.

14. Schienenrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das die Deckschichten (10) bildende Faserverbund- Laminat (14) zur formschlüssigen, axialen Verankerung beidseitig des Innenkerns (12) im Umschlingungsbe­ reich der Nabe (4) in in dieser nutartig ausgebilde­ te Vertiefungen (16) gewickelt ist.

15. Schienenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem gegenüber der Nabe axial versetzten Rad­ reifen und einem kegelstumpfförmigen Innenkern, dadurch gekennzeichnet, daß die im nabenseitigen gegenüber dem radreifenseitigen Randbereich zurückversetzte Deckschicht (110.1) mit Hilfe eines axial in Richtung auf den Innenkern (112) federbelasteten, gemeinsam mit diesem einen rotations­ symmetrisch zur Nabe (104) hin V-förmig sich verengen­ den Wickelspalt (64) begrenzenden Rutschkegels (60) gewickelt ist.