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Dokumentenidentifikation DE69400560T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0633149
Titel Verfahren zur Bestimmung der Spur des axialen Querschnitts eines Rades und solches Rad
Anmelder Valdunes, Puteaux, FR
Erfinder Catot, Bernard, F-59495 Lefrinckoucke, FR;
Demilly, Francois, F-59210 Coudekerque Branche, FR
Vertreter Wilhelms, Kilian & Partner, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69400560
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 01.07.1994
EP-Aktenzeichen 944015189
EP-Offenlegungsdatum 11.01.1995
EP date of grant 18.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B60B 17/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Eisenbahnräder mit geringer Schallemission.

Beim Kontakt mit der Schiene, auf der es rollt, wird ein Eisenbahnrad zu Schwingungen angeregt, durch die es ein Rohgeräusch abgibt, dessen Leistung und Frequenzspektrum vom Entwurf des Rades, dem Zustand der in Berührung stehenden Oberflächen und der Geschwindigkeit des Zuges abhängen; insbesondere für Hochgeschwindigkeitszüge ist die emittierte Geräuschleistung sehr hoch und kann 85 dB für Geschwindigkeiten oberhalb 250 km/h erreichen.

Ein Eisenbahnrad ist ein Teil, das für eine besondere Anwendung bestimmt ist. Für jede Anwendung bildet das Rad Gegenstand eines speziellen Entwurfs, der geometrische Zwänge, Zwänge der auszuhaltenen Achslast und Zwänge des Bremsverhaltens berücksichtigt. Die Zwänge akustischer Emission werden aber nicht berücksichtigt, woraus sich ergibt, daß die Räder im allgemeinen sehr laut sind.

Zur Beseitigung dieses Nachteils wurden bereits verschiedene Techniken vorgeschlagen, die darin bestehen, an den Rädern Resonatoren oder Dämpfungselemente anzuordnen, die mit dem Rad wechselwirken, seine Eigenschwingungsbereiche verändern und die akustische Emission vermindern.

Diese Techniken haben den Nachteil, daß sie Feineinstellungen der Resonatoren oder Dämpfungselemente in Abhänigkeit von den Eigenfrequenzen des Rades erfordern, und diese Eigenfrequenzen ändern sich jedesmal, wenn man die Lauffläche durch spanende Bearbeitung auffrischt. Daraus ergibt sich, daß jedes Rad jedesmal eingestellt werden muß, wenn es neu bearbeitet wird.

In jeden Fall stellen diese Techniken einen Notlösung dar. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Radkonzipierungsverfahren vorzuschlagen, welches das akustische Verhalten des Rades berücksichtigt und es gestattet, für jede Anwendung des möglichst geräuschärmste Rad zu entwerfen.

Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs des Schnitts eines Rades für ein Schienenfahrzeug mit einer durch seine Drehachse gehenden Ebene, und insbesondere eines Eisenbahnrads mit geringer akustischer Emission, einer Art mit einer Nabe, einer Scheibe und einer Felge, welche einen Spurkranz und eine Lauffläche ausbildet, deren Form vorgeschrieben ist, bestimmt zur Verwendung auf einem Schienennetz, welches durch Schienen gebildet ist, die ein vorgegebenes Profil haben und nach dem Schienennetz eigenen Reglen verlegt sind, nach welchem man ausgehend von der Achslast des Fahrzeugs, der Nenngeschwindigkeit und den Bremsbedingungen des Fahrzeugs einen optimierten Verlauf des Schnittes des Rades mit der Axialebene bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer geringstmöglichen akustischen Emission des Rades im Betrieb

- in an sich bekannter Weise auf der Lauffläche die Lage des tatsächlichen Berührpunkts P des Rades mit der Schiene, auf welcher das Rad in Betrieb aufruht, ausgehend von der vorgeschriebenen Form der Lauffläche, dem Schienenprofil und den Verlegungsbedingungen der Schiene, bestimmt wird,

- die Verteilung der Massen des Schnitts der Felge und der Scheibe so eingestellt wird, daß der Berührpunkt P, das Trägheitszentrum G1 des Schnitts der Felge und das Trägheitszentrum G2 des Schnitts der Scheibe sich auf ein und derselben zur Achse YY' des Rades senkrechten Geraden XX' befinden, und

- ferner der Verlauf des Schnitts des Rades so eingestellt wird, daß der Punkt P ein Schwingungsknoten für die axialen Schwingungsmoden der Felge des Rades im Betrieb ist.

Insbesondere kann der Verlauf des Schnitts der Felge so eingestellt werden, daß die Trägheitsmatrix des Schnitts der Felge, berechnet in einer Markierung (G1X, G1Y1), deren Ursprung im Trägheitszentrum G1 des Schnitts liegt, deren Achse G1X auf der Geraden XX' liegt und deren Achse G1Y1 zur Achse YY' des Rades parallel ist, Kreuzterme Ixy und Iyy aufweist, die unter 10% jedes der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

Vorzugsweise wählt man den Verlauf des Schnitts der Scheibe symmetrisch in Bezug auf die Gerade XX'.

Man kann auch den Verlauf des Schnitts der Scheibe so einstellen, das die Trägheitsmatrix des durch den Schnitt der Felge und den Schnitt der Scheibe gebildeten Aufbaus Kreuzterme Ixy und Iyx aufweist, die unter 10% und vorzugsweise unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Eisenbahnrad mit geringer akustischer Emission der Art mit einer Nabe, einer Scheibe und einer Felge, die mit einem Spurkranz und einer Lauffläche versehen ist, bei welcher für den gesamten Schnitt des Rades mit einer durch die Drehachse des Rades gehenden Ebene der tatsächliche Berührpunkt der Lauffläche mit einer Schiene das Trägheitszentrum des Schnitts der Felge und das Trägheitszentrum des Schnitts der Scheibe auf einer zur Achse des Rades senkrechten Geraden XX' liegen.

Vorzugsweise ist der Schnitt der Scheibe symmetrisch in Bezug auf die Gerade XX' und ist noch besser der Schnitt der Scheibe gerade, d.h., daß er durch zwei zur Gerade XX' im wesentlichen parallele Geraden begrenzt wird.

Insbesondere kann der Schnitt der Felge eine Formschräge auf der Innenseite des Rades und ein Gewicht auf der Außenseite des Rades aufweisen, wobei das Gewicht mit dem Rad einstückig oder an dieses angesetzt ist. Die Scheibe und das Gewicht können also zwischen sich eine Nut bestimmen, in welcher ein Ring, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, angeordnet werden kann.

Zur Verbesserung des akustischen Verhaltens des Rades kann man auf die Scheibe mittels eines Harzes eine Flanke kleben; man kann auch die Lauffläche prägepolieren.

Vorzugsweise weist die Trägheitsmatrix des Schnitts der Felge Kreuzterme Ixy und Iyx auf, die unter 10%und vorzugsweise unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

Die Erfindung wird nun anhand der einzigen beigefügten Figur beschrieben, welche den Halbschnitt eines Eisenbahnrades mit einer durch die Radachse gehenden Ebene darstellt.

Ein Eisenbahnrad ist ein Rotationskörper, der durch Drehung eines Schnitts 1 mit einer Axialebene um eine Achse YY' erzeugt wird. Der Schnitt 1 unterteilt sich in drei Abschnitte: den Schnitt der Nabe 2, den Schnitt der Scheibe 3, den Schnitt der Felge 4. Der Schnitt der Felge 4 weist Profile auf, die der Innenfläche 5, dem Spurkranz 6, der Lauffläche 7 und der Außenfläche 8 des Rades entsprechen.

Für jede Anwendung, die durch ein Eisenbahnfahrzeug definiert ist, welches durch eine gegebene Achslast charakterisiert ist und mit einer festgelegten Geschwindigkeit auf einem bestimmten Schienennetz unter Verwendung einer besonderen Bremstechnik laufen muß, bestimmt der Fachmann in bekannter Weise den Radquerschnitt so, daß eine ausreichende mechanische Festigkeit, ein zufriedenstellendes Bremsverhalten und im allgemeinen ein minimales Gewicht des Rades gewährleistet ist. Dabei berücksichtigt er die bestimmten Problemen eigenen Zwänge, wie die Form des Spurkranzes und der Lauffläche, den Raddurchmesser, und er verwendet an sich bekannte Rechenmodelle.

Diese Konzipierungsmethode berücksichtigt jedoch nicht das akustische Verhalten des Rades. Sie läßt jedoch ausreichend Freiheitsgrade für die Optimierung des akustischen Verhaltens des Rades.

Hierzu bestimmt man in dem Fachmann an sich bekannter Weise den wahrscheinlichsten tatsächlichen Berührpunkt P der Lauffläche mit der Schiene unter Berücksichtigung des Profils der Lauffläche, des Profils der Schiene und der Schienenverlegungsregeln, die dem Schienennetz, auf dem das Rad eingesetzt werden soll, eigen sind. Bei der Konzeption des Rades schreibt man dann vor, das der Funkt P, das Trägheitszentrum G1 des Felgenschnitts und das Trägheitszentrum G2 des Scheibenschnitts auf einer Geraden XX' liegen sollen, die senkrecht zur Achse YY' des Rades ist. Dies läuft auf eine Verteilung der Massen der Schnitte der Felge und der Scheibe so hinaus, daß die vorstehende Bedingung eingehalten wird. Schließlich stellt man den Verlauf des Profils des Schnitts 4 der Felge so ein, daß der Punkt P ein Knoten für die Axialschwingungen (d.h. die Schwingungen parallel zur Achse YY') der Felge ist. Hierzu geht man probierend vor, entweder unter Benutzung von an sich bekannten Rechenmodellen für das Schwingungsverhalten eines Eisenbahnrads oder unter Durchführung von Versuchen.

Ferner ist es vorzuziehen, die Bedingung aufzuerlegen, daß die Trägheitsmatrix des Querschnitts 4 der Felge, berechnet in der Markierung (G1X, G1Y1), deren Ursprung das Trägheitszentrum G1 des Schnitts 4 der Felge ist und deren Achsen parallel zu den Achsen X'X und Y'Y sind, quasi-diagonal ist, was besagen soll, daß die Kreuzterme Ixy und Iyx klein sind verglichen mit den Diagonaltermen Ixx und Iyy. In der Praxis verlangt man, daß Ixy und Iyx unter 10% von Ixx und Iyy liegen.

Die Resultate sind um so besser, je kleiner Ixy und Iyx sind; es ist auch vorzuziehen, daß verlangt wird, daß Ixy und Iyx kleiner als 3% von Ixx und Iyy sind, wobei das Ideal ist, daß Ixy und Iyx null sind.

Diese Bedingungen lassen wenig Freiheit für die Wahl der Form des Schnitts 3 der Scheibe und insbesondere ihrer Neutralfaser. Es ist jedoch vorzuziehen, eine gerade Neutralfaser, die von der Geraden XX' getragen wird, und eine Form für den Schnitt 3 der Scheibe symmetrisch zur Geraden XX' zu wählen.

Zur Optimierung der Form des Schnitts 3 der Scheibe kann man ferner verlangen, daß die Trägheitsmatrix des durch den Schnitt 3 der Scheibe und den Schnitt 4 der Felge gebildeten Aufbaus quasi-diagonal ist, d.h., daß die Kreuzterme Ixy und Iyx unter 10% und vorzugsweise unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

Indem man so vorgeht, erhält man ein Rad, dessen akustischen Emission gering ist. Das Rollgeräusch wird durch die Axialschwingungen der Scheibe hervorgerufen. Nun werden diese Schwingungen durch die Radialkräfte, die auf den Punkt P durch den Kontakt Schiene/Rad wirken, hervorgerufen und die beschriebenen Konzipierungsregeln sind von solcher Art, daß die Kopplung zwischen einer Radialerregung und den Axialschwingungen sehr gering ist.

In den gekrümmten Abschnitten der Schienenwege werden die Fahrzeuge seitlichen Kräften unterworfen, die den Berührpunkt P des Rades mit der Schiene (je nachdem, ob sich das Rad kurveninnenseitig oder kurvenaußenseitig befindet) nach P' oder P" versetzen. Damit das Rad ein zufriedenstellendes akustisches Verhalten nicht nur auf gerader Strecke, sondern auch in der Kurve hat, muß verifiziert werden, daß für Erregungen in P' und P" das Rad ein annehmbares Schwingungsverhalten hat, und, falls nötig, durch Probieren die Querschnittsform der Felge und ggf. des Schnitts 3 der Scheibe justiert werden.

Dieses Verfahren gestattet es, ein Rad für einen Hochgeschwindigkeitszug mit geringer akustischer Emission zu konzipieren, bei dem der wahrscheinlichste tatsächliche Berührpunkt P, das Trägheitszentrum G1 des Schnitts 4 der Felge und das Trägheitszentrum G2 des Schnitts 3 der Scheibe auf einer zur Radachse YY' senkrechten Geraden XX' liegen. Der Schnitt 3 der Scheibe ist symmetrisch in Bezug auf XX' und gerade, d.h. es sind, die Anschlußbezirke 9 und 10 zum Schnitt 2 der Nabe einmal beiseite gelassen, die Ränder 11 und 12 des Schnitts 3 zu XX' parallele Strecken.

Über das Profil des Spurkranzes 6, die Lauffläche 7, die Innenfläche 5 und die Außenfläche 8 hinaus, weist der Schnitt 4 der Felge auf der Seite der Innenfläche 5 eine zur Geraden XX' geneigte Formschräge 13, welche die Innenfläche 5 mit der Scheibe verbindet, und auf der Seite der Außenfläche 8 ein Gewicht 14 auf, welches zusammen mit der Scheibe 3 eine Nut 15 bestimmt. Das Gewicht 14, welches an dem Rad einen Kranz bildet, ist mit dem Rad einstückig, könnte aber auch durch ein angesetztes Gewicht ersetzt sein, welches beispielsweise mittels einer Schraube befestigt ist.

Zur Verbesserung des akustischen Verhaltens dieses Rades kann man insbesondere in der Nut 15 einen Ring 16 aus rostfreiem Stahl anordnen, was Knirschgeräusche vermindert.

Man kann schließlich auf der Scheibe des Rades eine Flanke 17 anordnen, die mittels einer Schicht 18 aus Harz, beispielsweise Nepuran, angeklebt ist.

Die vorliegende Erfidnung gilt für alle Arten von Eisenbahnrädem und kann noch allgemeiner an die Konzeption aller Räder von Landfahrzeugen angepaßt werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs des Schnitts eines Rades für ein Schienenfahrzeug (1) mit einer durch seine Drehachse (YY') gehenden Ebene, und insbesondere eines Eisenbahnrades mit geringer akustischer Emission, einer Art mit einer Nabe (2), einer Scheibe (3) und einer Feige (4), welche einen Spurkranz (6) und eine Lauffläche (7) bildet, deren Form vorgeschrieben ist, bestimmt zur Verwendung auf einem Schienennetz, welches durch Schienen gebildet ist, die ein vorgegebenes Profil haben und nach dem Schienennetz eigenen Regeln verlegt sind, nach welchem man ausgehend von der Achsiast des Fahrzeugs, der Nenngeschwindigkeit und den Bremsbedingungen des Fahrzeugs einen optimierten Verlauf des Schnitts des Rades (1) mit der Axialebene bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer geringstmöglichen akustischen Emission des Rades (1) im Betrieb

- in an sich bekannter Weise auf der Lauffläche (7) die Lage des tatsächlichen Berührpunkts P des Rades (1) mit der Schiene, auf welcher das Rad (1) im Betrieb aufruht, ausgehend von der vorgeschriebenen Form der Lauffläche (7), dem Schienenprofil und den Verlegungsbedingungen der Schiene, bestimmt wird,

- die Verteilung der Massen des Schnitts der Feige (4) und der Scheibe (3) so eingestellt wird, daß der Berührpunkt P, das Trägheitszentrum G1 des Schnitts der Felge (4) und das Trägheitszentrum G2 des Schnitts der Scheibe (3) sich auf ein und derselben zur Achse (YY') des Rades (1) senkrechten Geraden (XX') befinden, und

- ferner der Verlauf des Schnitts des Rades so eingestellt wird, daß der Punkt P ein Schwingungsknoten für die axialen Schwingungsmoden der Feige (4) des Rades (1) im Betrieb ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Schnitts der Feige (4) so eingestellt wird, daß die Trägheitsmatrix des Schnitts der Feige (4) berechnet in einer Markierung (G1X, G1Y1), deren Ursprung im Trägheitszentrum (G1) des Schnitts liegt, deren Achse G1X auf der Geraden XX' liegt und deren Achse G1Y1 zur Achse YY' des Rades parallel ist, Kreuzterme Ixy und Iyx aufweist, die unter 10% jedes der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Schnitts der Feige (4) so eingestellt wird, daß die Kreuzterme Ixy und Iyx der Trägheitsmatrix unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlauf des Schnitts der Scheibe symmetrisch in Bezug auf die Gerade XX' definiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Schnitts der Scheibe so eingestellt wird, daß die Trägheitsmatrix des durch den Schnitt der Feige (4) und den Schnitt der Scheibe (3) gebildeten Aufbaus, berechnet in der Markierung (G1X, G1Y1), Kreuzterme Ixy und Iyx aufweist, die unter 10% und vorzugsweise unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.

6. Eisenbahnrad mit geringer akustischer Emission der Art mit einer Nabe (2), einer Scheibe (3) und einer Feige (4), die mit einem Spurkranz (6) und einer Lauffläche (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für den gesamten Schnitt des Rades (1) mit einer durch die Drehachse XX' des Rades gehenden Ebene der tatsächliche Berührpunkt der Lauffläche (7) mit einer Schiene, auf welcher das Rad (1) im Betrieb auf ruht, das Trägheitszentrum G1 des Schnitts der Feige (4) und das Trägheitszentrum G2 des Schnitts der Scheibe (3) auf einer zur Achse YY' des Rades (1) senkrechten Geraden liegen.

7. Eisenbahnrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt der Scheibe (3) in Bezug auf die Gerade XX' symmetrisch ist.

8. Eisenbahnrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt der Scheibe (3) durch zwei zur Geraden XX' im wesentlichen parallele Geraden begrenzt wird.

9. Eisenbahnrad nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt der Feige (4) eine Formschräge (13) auf der Innenseite des Rades (1) und ein Gewicht (14) auf der Außenseite des Rades (1) aufweist, wobei das Gewicht (1) mit dem Rad (1) einstückig oder an dieses angesetzt ist.

10. Eisenbahnrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (14) und die Scheibe (3) zwischen sich eine Nut (15) bestimmen.

11. Eisenbahnrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es einen in der durch das Gewicht (14) und die Scheibe (3) gebildeten Nut (15) angeordneten Ring (16), vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, aufweist.

12. Eisenbahnrad nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine an die Scheibe (3) mittels eines Harzes (18) geklebte Flanke (17) aufweist.

13. Eisenbahnrad nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (7) prägepoliert ist.

14. Eisenbahnrad nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitsmatrix des Schnitts der Felge, berechnet in einer Markierung (G1X, G1Y1), deren Ursprung im Trägheitszentrum G1 des Schnitts liegt, deren Achse G1X auf der Geraden XX' liegt und deren Achse G1Y1 zur Achse YY' des Rades parallel ist, Kreuzterme Ixy und Iyx aufweist, die unter 10% und vorzugsweise unter 3% der Diagonalterme Ixx und Iyy liegen.







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