[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Isolation einer auf Zug-, Druck und Schub
beanspruchten Verbindung zwischen stromableitenden Bauteilen eines Schienenfahrzeuge
mit einem Drehgestellrahmen und einem Achslenker, der mittels einer zwischen Druckplatte
und Drehgestellrahmen angeordneten Zahnplatte durch mindestens eine Verschraubung
kraftschlüssig am Drehgestellrahmen befestigt ist, wobei eine Verzahnung am Ende des
Achslenkers in die Verzahnung der Zahnplatte verrastend angeordnet ist.
Stand der Technik
[0002] Aus dem Stand der Technik (
DE 847 918 C,
DE 1 290 944 A1,
DE 23 54 434 A1,
DE 24 22 999 A1,
DE 25 40 662 A1,
DE 31 37 542 C2) ist es bekannt, den Achslenker zahnleistenartig zwischen Drehgestellrahmen und Radlagergehäuse
mittels einer Verschraubung zu befestigen. Gemäß
DE 24 22 999 A1 sind die Enden des Achslenkerblattes mit einer Verzahnung versehen, die festbockseitig
in die Verzahnung einer an den mit dem Drehgestellrahmen fest verbundenen Festblock
und achsbuchalagerseitig in die Verzahnung eines oberen Gummi-Metall-Elements eingreift.
Die gesamte Baueinheit ist achsbuchelagerseitig durch eine Dehnschraube, eine Mutter
und eine Gegenmutter fest mit dem Achslagergehäuse verbunden. Sowohl die festbockseitige
Verzahnung als auch die achsbuchslagerseitige Verbindung ist nicht gegen Stromfluss
isoliert, so dass eine Schädigung der Zylinderrollenlager an den Radsätzen nicht auszuschließen
ist.
[0003] Man hat versucht diese Nachteile durch eine keramische Schutzschicht, beispielsweise
eine Beschichtung mit Aluminiumoxid, zu beseitigen. Die keramischen Beschichtungen
haben jedoch den Nachteil, dass sie bei plötzlichen Schlag- und Druckbeanspruchungen,
insbesondere an den scharfkantigen Übergängen der Druck- und Zahnplatten unter Last
zur Rissbildung neigen, was die Isolationseigenschaften der Zahn- und Druckplatten
gegen Stromfluss nachhaltig verschlechtern.
Außerdem sind die Keramikschichten empfindlich bei der Montage und teuer.
Aufgabenstellung
[0004] Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs
genannte Vorrichtung derart zu verbessern, dass die auf Zug, Druck und Schub beanspruchte
Verbindung bei hoher Druckfestigkeit und geringer Gleitfestigkeit auch unter Belastung
ihre hochisolierende Eigenschaften langfristig unter gleichzeitiger Reduzierung der
Kosten bei ihrer Herstellung mit hoher Wartungsfreundlichkeit gewährleistet.
[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
[0006] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
[0007] Die erfindungagemäße Lösung ermöglicht es, eine gegen unerwünschten Stromfluss hochisolierte
Verbindung von unter Zug, Druck und Schub stehenden Bauteilen, insbesondere Drehgestellrahmen
und Achslenker eines Schienenfahrzeuges bereitzustellen.
Dies hat den außerordentlichen Vorteil, dass die durch den Stromfluss versursachte
Schädigung der Zylinderrollenlager an den Radsätzen sicher beseitigt wird. Die zwischen
Drehgestellrahmen und Druckplatte angeordneten Isolationslagen sind gegen Stromfluss
hochisolierend, druckfest und haben einen gegenüber Metallen sehr geringen Reibwertkoeffizienten,
so dass die Kräfte ohne ein Querfließen der Isolationslagen wesentlich besser übertragen
werden können.
[0008] Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen robusten Aufbau und ist gleichzeitig wartungs-,
montage- und reparaturfreundlich. Von besonderem Vorteil ist, dass kostengünstige
handelsübliche Schicht- oder Verbundwerkstoffe als Isolationslage zum Einsatz kommen
können, ohne dass aufwändige und teure Beschichtungen der Zahn- und Druckplatten notwendig
sind.
[0009] Die Druck- und Zahnplatten weisen zur Isolation auf ihren jeweils dem Drehgestellrahmen
bzw. Achslenker zugewandten Seitenflächen eine durch Klebung stoffschlüssig gehaltene
Isolationslage eines Verbundes aus Glasfaserfilament und Harz auf, wobei die Isolationslage
jeweils durch Klebung am Drehgestellrahmen bzw. Achslenker gehalten ist, und dass
die mindestens eine Verschraubung durch eine Hülse aus Polytetrafluoräthylen isolierend
umschlossen ist.
[0010] Die entsprechenden Isolationslagen lassen sich in einfacher Weise auf den Oberflächen
der Zahn- bzw. Druckplatte durch Verkleben mit einem Reaktionsharz befestigen, der
der Harzmatrix der Isolationslage entspricht, so dass eine sichere Isolation von Drehgestell
und Zahnplatte bzw. Achslenker und Druckplatte gewährleistet ist.
[0011] Die Isolationslage hat eine Dicke zwischen 0,8 und 3 mm und weist gegenüber den Abmessungen
der Deckflächen von Druck- und Zahnplatte einen deutlichen umlaufenden Überstand von
etwa 1 bis 3 mm auf. Dies hat den Vorteil, dass Kriechströme auch bei äußerer Verschmutzung,
beispielsweise Feuchtigkeit, sicher verhindert werden können und die Isolationseigenschaft
der Verbindung erhalten bleibt.
[0012] Die Isolationslage besteht in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus dem
Verbund aus Harz und einer in die Harzmatrix eingebetteten Gewebelage aus Glasfilament
mit einem Durchmesser zwischen 4 und 17 µm und einem Flächengewicht von bis zu 580
g/m
2, wobei der Harzmassenanteil etwa 570 g/m
2 erreichen kann.
[0013] Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Isolierung sieht vor,
dass sich der Verbund aus mit Harz imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen
Gewebelagen, und zwar mindestens zwei übereinander angeordneten, aus 0°/90° zueinander
verlegten Gewebelagen mit einem Flächengewicht von 160 bis 280 g/m
2, zusammensetzt, wobei der Harzmassenanteil 322 bis 552 g/m
2 beträgt.
[0014] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Isolationslagen auch aus vier mit
Harz imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen Gewebelagen zusammengesetzt
sein, und zwar aus einer aus 0°/90° zueinander verlegten ersten Gewebelage mit einem
Flächengewicht von 163 bis 580 g/m
2, einer aus 45°/45° zur ersten Gewebelage angeordneten zweiten und dritten Gewebelage
mit einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m
2 und einer aus 0°/90° zueinander verlegten vierten Gewebelage mit einem Flächengewicht
von 163 bis 580 g/m
2, wobei der Harzmassenanteil zwischen 161 bis 573 g/m
2 je Lage beträgt.
[0015] Es gehört jedoch auch zu der Erfindung, wenn die Isolationslage aus drei mit Harz
imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen Gewebelagen besteht, und
zwar aus einer aus 0°/90° zueinander verlegten ersten Gewebelage mit einem Flächengewicht
von 163 bis 580 g/m
2, einer aus 45°/45° zur ersten Gewebelage angeordneten zweiten Gewebelage mit einem
Flächengewicht von 163 bis 530 g/m
2 und einer aus 0°/90° zueinander verlegten dritten Gewebelage mit einem Flächengewicht
von 163 bis 580 g/m
2, wobei der Harzmassenanteil zwischen 161 bis 580 g/m
2 je Lage liegen kann.
[0016] Besonders gut zur Imprägnierung des Glasfaserfilamentgewebes ist Epoxidharz geeignet.
Es gehört jedoch auch zur Erfindung, wenn andere geeignete Harze wie beispielsweise
Polyamidharz, Phenolharz oder Polyesterharz verwendet werden.
[0017] Von besonderem weiteren Vorteil ist, dass auch die Verschraubung von Drehgestellrahmen,
Achslenker und Druckplatte durch eine Hülse aus Polytetrafluoräthylen mit einer Dicke
von 1,5 bis 3 mm hoch isolierend ist, so dass ein Stromfluss über den Achslenker in
die Zylinderrollenlager des Radlagers sicher verhindert wird.
[0018] Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Isolierung liegt darin, dass sie mit einem
Isolationswert von 1 GΩ nicht nur hochisolierend gegen Stromübergang ist, sondern
auch einen minimalen Gleitreibungskoeffizient von 0,15 bei Flächenpressungswerten
von 60 N/mm
2 erreicht, so dass die Axialkräfte der Schraubverbindung ohne nennenswerte Axialkräfte
und ohne Fließen der Isolationslage auch bei Querkraftbeanspruchung aufgenommen werden
können
[0019] Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Ausführungsbeispiel
[0020] Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigt
[0021] Fig. 1a und 1b eine Prinzipdarstellung der Isolationslage in einer verschraubten
Verbindungekonstruktion,
[0022] Fig. 2 die Einbaulage der erfindungsgemäßen Isolierung zwischen Drehgestellrahmen
und Achslagergehäuse eines Schienenfahrzeugs in schematischer Darstellung,
[0023] Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau der Isolationslage der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
[0024] Fig. 4 ein Beispiel einer mit dem Drehgestellrahmen verklebten Zahnplatte mit Isolationslage,
[0025] Die Fig. 1a und 1b zeigen schematisch die Anordnung der erfindungsgemäßen isolationslage
1 zwischen zwei durch mindestens eine Verschraubung miteinander verbundenen Teilen
2 und 3, in denen der Stromübergang vom Teil 1 auf Teil 2 oder umgekehrt wirksam verhindert
werden soll und gleichzeitig große Kräfte übertragen werden müssen. Die Isolationslage
1 muss dabei einen sehr hohen Isolationswert im MΩ-Bereich in Abhängigkeit von ihrer
gewählten Dicke besitzen, eine zulässige Flächenpressung von mindestens 60 N/mm2 erreichen,
um die Axialkräfte der Schraubverbindung 4 ohne nennenswerte Elastizität und ohne
ein Fließen der Isolationslage in Querrichtung aufnehmen zu können, einen minimalen
Gleitreibungskoeffizienten von µ= 0,15 haben, um die notwendige Gleitfestigkeit bei
Querbeanspruchung (siehe Kraftkomponenten F in Fig. lb) der Schraubverbindung zu gewährleisten
und hinreichende Isolationseigenschaften auch bei Verschmutzung der Verschraubung
zu sichern.
[0026] Die Fig. 2 zeigt die Einbaulage einer solchen in Fig. 1a und 1b erläuterten Isolationslage
1 zwischen einem Drehgestellrahmen 5 und einer Druckplatte 6 eines nicht weiter gezeigten
Schienenfahrzeugs.
Der Achslenker 7 weist an seinem eine Ende 8 eine Verzahnung 10 auf, die quer zur
Längsrichtung des Achslenkers 7 verläuft und welche in eine Verzahnung der Zahnplatte
11 eingreift, die am Drehgestellrahmen 5 mittels eines an der Zahnplatte 11 angeformten
Zapfens 12 fixiert ist. Die endseitige Verzahnung 10 des Endes 8 des Achslenkers 7
und die Zahnplatte 11 sind zwischen Drehgestellrahmen 5 und Druckplatte 6 angeordnet
und werden in ihrer Lage durch einen die Druckplatte 6, das Ende 8 des Achslenkers
7 und den Drehgestellrahmen 5 durchsetzenden Schraubbolzen 13 gehalten.
[0027] Auf die zuvor durch Sandstrahlen gereinigte, dem Drehgestellrahmen 5 zugewandte Deckfläche
DF der quadratischen Zahnplatte 11 aus Stahl ist eine 1 mm dicke Isolationslage 1
aus einem Verbund aus Epoxidharz und einer in die Harzmatrix eingebetteten Gewebelage
aus Glasfilament mit einem Durchmesser zwischen 4 und 17 µm und einem Flächengewicht
bis zu 580 g/m
2 aufgeklebt. Der Harzmassenanteil des Verbundes kann je nach Anforderung bis etwa
570 g/m
2 erreichen. Natürlich ist es auch möglich, andere geeignete Harze wie Polyamid-, Polyester-
oder Phenolharze zu verwenden. Ebenso kann der Aufbau des Verbundes entsprechend den
an die Verbindung gestellten Erfordernissen variiert werden. So ist es beispielsweise
möglich, mehrlagige Verbunde mit gleicher oder unterschiedlicher Ausrichtung der Gewebelagen
des Glasfaserfilamentes unter Variation des Harzmassenanteils einzusetzen. Als besonders
geeignet haben sich Verbunde aus Hartfaserfilamnentgewebe mit der Bezeichnung HGW
2372.2 nach EP GV 203 erwiesen. Ein Beispiel des Aufbaus eines solchen mehrlagigen
Verbunden zeigt Fig. 3, aus der man deutlich die unterschiedliche Orientierung der
zweiten und dritten Gewebelage II und III gegenüber der ersten Gewebelage I und der
vierten Gewebelage IV erkennen kann.
Die Flächengewichte der einzelnen Gewebelagen liegen zwischen 163 bis 580 g/m
2 und der Harzmassenanteil zwischen 161 bis 572 g/m
2. Als Kleber für die Verklebung von Zahnplatte 11 und Isolationslage 1 kommt ein Reaktionskleber
zum Einsatz, der der Harzqualität und des Härters des Verbundes entspricht. Die Isolationslage
1 hat eine solche Abmessung, dass die Isolationslage 1 die Deckfläche DF der Zahnplatte
11 mit einem umlaufenden Überstand Ü überkragt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
dass der Überstand Ü etwa zwischen 1 und 3 mm beträgt. Dies verhindert eine Stromübertragung
durch Kriechströme infolge von Verschmutzung. Nachdem der Reaktionskleber ausgehärtet
ist, wird auf den an der Zahnplatte 11 angeformten Zapfen 12 eine Hülse 14 aus Polytetrafluoräthylen
mit einer Wanddicke von 2 mm aufgeschoben. Die Zahnplatte 11 mit der aufgeklebten
Isolationslage 1 wird sodann ebenso mittels eines entsprechenden Reaktionsklebers
am Drehgestellrahmen 5 verklebt. Der für die Verklebung vorgesehene Bereich des Drehgestellrahmens
5 wird zuvor gereinigt und Reaktionskleber auf diesen Bereich aufgebracht. Anschließend
wird der mit der Hülse 14 versehene zapfen 12 der Zahnplatte 11 in die entsprechend
vorgesehene Aufnahmebohrung 15 im Drehgestellrahmen 5 eingeschoben, so dass nicht
nur die Zahnplatte 11 durch die Isolationslage 1 elektrisch vom Drehgestellrahmen
5, sondern auch der zapfen 12 der zahnplatte 11 durch die Hülse 14 gegenüber dem Drehgestellrahmen
5 isoliert ist. Der Isolationswert der Isolationslage 1 und der Hülse 14 erreicht
in diesem Beispiel Werte von 1 GΩ.
[0028] Auf die der Verzahnung 10 des Achslenkers 7 der Druckplatte des Achslenkers 7 abgewandten
Seite ist die Druckplatte 6 angeordnet, auf die ebenso eine 1 mm dicke Isolationslage
1 aus einem Verbund aus Epoxidharz und einer in die Harzmatrix eingebetteten Gewebelage
aus Glasfilament mit einem Durchmesser zwischen 4 und 17 µm und einem Flächengewicht
bis zu 580 g/m
2 aufgeklebt wird, so dass auch ein Stromübergang vom Achslenker 7 in das nicht dargestellte
Zylinderrollenlager des Radlagers sicher verhindert wird.
[0029] Der durch Bohrungen 16 in der Zahnplatte 11, Achslenker 7 und Druckplatte 6 geführte
Schraubbolzen 13 wird durch eine zweiteilige Hülse 17 aus Polytetrafluoräthylen mit
einer Wanddicke von 2 mm gegenüber der Zahnplatte 11, Druckplatte 6 und Achslenker
7 isoliert, so dass ein Stromübergang vom Achslenker 7 auf das Radlagergehäuse ausgeschlossen
ist.
[0030] Die Fig. 4 zeigt eine durch Klebung am Drehgestellrahmen 5 befestigte Zahnplatte
11.
[0031] Bezugszeichenliste
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Isolationslage |
1 |
Teile einer Schraubverbindung |
2, 3 |
Schraubverbindung |
4 |
Drehgestellrahmen |
5 |
Druckplatte |
6 |
Achslenker |
7 |
Endes des Achslenkers |
8 |
Verzahnung der Zahnplatte 11 |
9 |
Verzahnung am Ende 8 von 7 |
10 |
Zahnplatte |
11 |
Zapfen von 11 |
12 |
Schraubbolzen 13 |
13 |
Hülse für Zapfen 12 |
14 |
Aufnahmebohrung in 5 |
15 |
Bohrungen in 6, 7, 11 |
16 |
Hülse für 13 |
17 |
Deckfläche von 6, 11 |
DF |
Kraftkomponenten |
F |
Überstand von 1 |
Ü |
Gewebelagen |
I,II,III,IV |
1. Vorrichtung zur Isolation einer auf Zug-, Druck und Schub beanspruchten Verbindung
zwischen stromableitenden Bauteilen eines Schienenfahrzeuge mit einem Drehgestellrahmen
(5) und einem Achslenker (7), der mittels einer zwischen Druckplatte (6) und Drehgestellrahmen
(5) angeordneten Zahnplatte (11 ) durch mindestens eine Verschraubung (13) kraftschlüssig
am Drehgestellrahmen (5) befestigt ist, wobei eine Verzahnung (10) am Ende (8) des
Achslenkers (7) in eine Verzahnung (9) der Zahnplatte (11) verrastend angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnplatte (11) und die Druckplatte (6) auf ihren jeweils gegenüber dem Drehgestellrahmen
(5) bzw. Ende (8) des Achslenkers (7) zugewandten Deckflächen (DF) eine durch eine
Klebung stoffschlüssig gehaltenen Isolationslage (1) eines 0,8 bis 3 mm dicken Verbundes
aus Glasfaserfilament und Harz aufweisen, wobei die Isolationslagen (1) jeweils zusätzlich
durch Klebung am Drehgestellrahmen (5) bzw. Ende (8) des Achslenkers (7) stoffschlüssig
gehalten sind, und dass die mindestens eine Verschraubung (13) durch eine isolierend
Hülse (17) aus Polytetrafluoräthylen umschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationslage (1) gegenüber den Abmessungen der Deckflächen von Druckplatte
(6) bzw. Zahnplatte (11) jeweils einen umlaufenden Überstand (Ü) von 1 bis 3 mm besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebung von Isolationslage (1) und Druck- bzw. Zahnplatte (6,11) aus einem Reaktionskleber
besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionskleber aus einem auf den Verbund abgestimmten Harz und Härter besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfaserfilament des Verbundes einen Filamentdurchmesser von 4 bis 17 µm hat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Harz und einer in die Harzmatrix eingebetteten Gewebelage aus Glasfilament
mit einem Durchmesser zwischen 4 und 17 µm und einem Flächengewicht von 580 g/m2 besteht, wobei der Harzmassenanteil etwa 570 g/m2 beträgt
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verbund aus mit Harz imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen
Gewebelagen, und zwar mindestens zwei übereinander angeordneten, aus 0°/90° zueinander
verlegten Gewebelagen mit einem Flächengewicht von 160 bis 280 g/m2, zusammensetzt, wobei der Harzmassenanteil 322 bis 552 g/m2 beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus drei mit Harz imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen
Gewebelagen besteht, und zwar aus einer aus 0°/90° zueinander verlegten ersten Gewebelage
(I) mit einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m2, einer aus 45°/45° zur ersten Gewebelage (I) angeordneten zweiten Gewebelage (II)
mit einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m2 und einer aus 0°/90° zueinander verlegten dritten Gewebelage (III) mit
einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m2, zusammensetzt, wobei der Harzmassenanteil zwischen 161 bis 580 g/m2 je Lage beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus vier mit Harz imprägnierten und durch das Harz miteinander verbundenen
Gewebelagen zusammengesetzt ist, und zwar aus einer aus 0°/90° zueinander verlegten
ersten Gewebelage (I) mit einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m2, einer aus 45°/45° zur ersten Gewebelage angeordneten zweiten und dritten Gewebelage
(II,III) mit einem Flächengewicht von 163 bis 580 g/m2 und einer aus 0°/90° zueinander verlegten vierten Gewebelage (IV) mit einem Flächengewicht
von 163 bis 580 g/m2, zusammensetzt, wobei der Harzmassenanteil zwischen 161 bis 573 g/m2 je Lage beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Imprägnierung des Glasfaserfilamentgewebes verwendete Harz ein Epoxidharz,
Polymidharz, Phenolharz oder Polyesterharz ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (14,17) aus Polytetrafluoräthylen eine Dicke von 1,5 bis 3 mm aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (17) mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekenazeichnet, dass der Isolationslage (1) und die Hülse (14, 17) einen Isolationswert von mindestens
1 GΩ, eine Flächenpressung von 60 N/mm2 und einen minimalen Gleitreibungekoeffizienten gegen Metall von 0,15 aufweist.