КОЛЕСНЫЙ ДИСК ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILWAY VEHICLE WHEEL DISC

Изобретение относится к колесному диску для рельсового транспортного средства согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Колесные диски для рельсовых транспортных средств известны из общего уровня техники. Они состоят обычно из вращающейся вокруг оси вращения колесной ступицы, а также обода колеса, который предназначен для качения по рельсам. При этом центрально лежащая колесная ступица и лежащий на наружной окружности обод колеса соединены друг с другом так называемой перемычкой. Эта перемычка, которая может быть выполнена в радиальном направлении прямой или изогнутой, обычно выполнена в виде круглого диска. Он может быть выполнен, в частности, ротационно-симметричным и иметь тем самым в каждом радиальном разрезе одинаковый или сравнимый контур. При этом под контуром в смысле данного изобретения следует понимать ограничивающую по сторонам форму поверхности колесного диска в радиальном разрезе. Таким образом, прямой колесный диск имеет образованный прямой линией контур, а изогнутый колесный диск - образованный S-образной дугой контур.
В частности, переход от колесной ступицы к перемычке и, в частности, при небольших колесных дисках, а также или альтернативно этому, переход между перемычкой и ободом колеса подвергается очень высокой нагрузке. Для противодействия этой высокой нагрузке необходимы различные значения толщины материала или подходящие стадии обработки для увеличения прочности материала в критических зонах. Это связано с большими затратами труда и средств и делает колесный диск соответственно тяжелым при использовании больших значений толщины материала.
Для противодействия этим проблемам из ЕР 0794872 А1 известна гомогенизация напряжений в колесном диске за счет сложной конструкции переходов, так что с помощью меньших значений толщины материала можно достигать высокой прочности. При этом конструкция является экстремально сложной и используется функция (парабола) пятого порядка для выполнения переходов. Это требует больших затрат труда на программирование, с одной стороны, при конструировании и, с другой стороны, при изготовлении.
Таким образом, задача данного изобретения состоит в создании колесного диска для рельсового транспортного средства, который обеспечивает еще дополнительно улучшенную прочность и который, кроме того, имеет простую и эффективную конструкцию и прост в изготовлении.
Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью колесного диска с признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения следуют из остальных зависимых пунктов формулы изобретения.
В колесном диске, согласно изобретению, для рельсового транспортного средства предусмотрено, что по меньшей мере один из переходов между перемычкой и ступицей и/или между перемычкой и ободом колеса по меньшей мере на одной осевой стороне в каждой из своих радиальных плоскостей сечения выполнен так, что выполняются три следующих условия. Переход образован, в принципе, функцией тангенса (тангенсоида). Такая тангенсоида проста, эффективна и одновременно обеспечивает возможность очень равномерного перехода с высокой прочностью и с очень хорошим распределением напряжений во всей зоне перехода. Эта тангенсоида переходит на своем одном конце непрерывно по касательной в контур перемычки. Кроме того, тангенсоида переходит на своем другом конце непрерывно по касательной в контур колесной ступицы или обода колеса, в зависимости от того, какой из переходов она образует. За счет этого сопряжения по касательной с контуром колесной ступицы и/или обода колеса возникает конструкция, которая может быть просто и эффективно сконструирована и запрограммирована для изготовления. Это обеспечивает очень высокую прочность колесного диска с минимальным использованием материала за счет равномерности распределения напряжений.
Кроме того, в одной предпочтительной модификации колесного диска, согласно изобретению, предусмотрено, что непрерывный переход по касательной тангенсоиды в контур колесной ступицы и/или обода колеса происходит в зоне перегиба тангенсоиды. Угол тангенсоиды в зоне точки перегиба относительно ординаты, т.е. радиального направления на примере прямой перемычки, можно в определенных границах выбирать свободно при конструировании тангенсоиды. Переход в зоне точки перегиба обеспечивает возможность сравнительно простого согласования, например, с прямым контуром, с заданным углом относительно радиального направления, так что переход становится соответственно гармоничным, и могут быть в последующем минимизированы пики напряжений в зоне перехода.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения колесного диска, согласно изобретению, может быть дополнительно предусмотрено, что контур колесной ступицы или обода колеса в месте сопряжения с тангенсоидой образован круговой дугой, и образована примыкающая к этой круговой дуге прямая линия, при этом круговая дуга переходит непрерывно по касательной в прямую линию. Это выполнение контура колесной ступицы или обода колеса с помощью круговой дуги и примыкающей к ней по касательной прямой линии особенно предпочтительно при конструировании колесного диска. Круговая дуга позволяет иметь приблизительно любой концевой угол тангенсоиды в зоне перехода к колесной ступице или ободу колеса за счет примыкающей непрерывно по касательной круговой дуги и переводить в примыкающую непрерывно по касательной к круговой дуге прямую линию. За счет этого возникает гармоничный и с малыми напряжениями переход от тангенсоиды в прямую линию колесной ступицы или обода колеса.
В другом, очень предпочтительном варианте выполнения колесного диска дополнительно предусмотрено, что непрерывный по касательной переход тангенсоиды в круговую дугу происходит в зоне максимальной кривизны тангенсоиды. Математически точку максимальной кривизны тангенсоиды можно просто определять. Круговую дугу можно сопрягать в этой точке или в зоне этой точки непрерывно по касательной с тангенсоидой. За счет этого достигается дополнительно улучшение прочности.
Это справедливо, в частности, когда согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения радиус круговой дуги соответствует радиусу максимальной кривизны тангенсоиды. За счет этого достигается переход, при котором не происходит изменения радиуса кривизны в зоне перехода от тангенсоиды в круговую дугу. Исследования и расчеты показали, что это является идеальным относительно распределения напряжений, так что за счет этого особого выполнения достигаются наилучшие результаты относительно прочности перехода тангенсоиды в контур колесной ступицы и/или обода колеса.
Как уже указывалось выше, угол тангенсоиды в точке перегиба относительно ординаты можно свободно выбирать в определенных границах. При этом для достижения идеальных условий относительно прочности за счет применения тангенсоиды идеальным является угол относительно ординаты от 35° до 55°, предпочтительно от 40° до 50°, особенно предпочтительно примерно 45°. За счет выбора угла в этих интервалах можно достигать наилучшей прочности перехода.
Кроме того, в одной предпочтительной модификации колесного диска, согласно изобретению, может быть предусмотрено, что контур перемычки в точке сопряжения с тангенсоидой имеет соединительный контур в виде дуги. Такая дуга, которая непрерывно по касательной переходит в тангенсоиду, является особенно предпочтительной, в частности при изогнутых перемычках, т.е. проходящих в радиальном сечении S-образно перемычках.
В противоположность этому в одном альтернативном варианте выполнения предусмотрено, что контур перемычки в месте примыкания к тангенсоиде имеет наружный контур в форме прямой линии, при этом прямая линия выполнена с наклоном под углом меньше 2°, предпочтительно 0,5°-15° относительно радиального направления. Радиальное направление проходит при описываемой здесь прямой перемычке перпендикулярно осевому направлению. Прямые линии примыкающего контура проходят не параллельно этому вертикальному радиальному направлению, а под углом к нему. При этом угол выбран так, что перемычка сужается исходя из конца тангенсоиды. Угол может предпочтительно составлять больше 0,5°. Обычно он составляет меньше 20°, предпочтительно меньше 15°. Угол обеспечивает идеальный переход в тангенсоиду. Таким образом, подходящим образом выбранный в этой зоне угол обеспечивает возможность очень гармоничного непрерывного перехода по касательной от тангенсоиды в контур перемычки и уменьшает тем самым пики напряжений в зоне перемычки, так что с помощью использования минимального количества материала может быть увеличена прочность.
В одной особенно предпочтительной модификации, независимо от того, выполнен ли примыкающий контур в виде прямой линии или в виде дуги, предусмотрено, что тангенсоида выполнена так, что непрерывный переход по касательной к примыкающему контуру заканчивается перед расположением по меньшей мере в одном радиальном сечении соединительной зоны для приемного элемента и/или элемента присоединения на перемычке. Тангенсоида, а также переход тангенсоиды в примыкающий контур перемычки выбран в своем радиальном прохождении так, что она в любом случае заканчивается перед элементами присоединения и/или приемными элементами, например приемными элементами для тормозного диска или других подлежащих присоединению к колесному диску элементов. Это обеспечивает, что такие элементы присоединения и/или приемные элементы, которые могут мешать прохождению предполагаемой тангенсоиды, не появляются в этой зоне. Таким образом, тангенсоида в своем радиальном прохождении согласована так, что созданный с помощью тангенсоиды гармоничный переход с наилучшими свойствами прочности не прерывается такими создающими помехи местами. Это обеспечивает наилучшую прочность. Независимо от этого может быть предусмотрено, что в нижней зоне перемычки в материале колесной ступицы предусмотрено смазочное отверстие для смазки колесной ступицы на ее оси. Такое смазочное отверстие не следует рассматривать в качестве создающего помехи места в смысле данного изобретения.
Другие предпочтительные варианты выполнения колесного диска, согласно изобретению, следуют из приведенного ниже описания примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - колесный диск на виде сбоку;
фиг. 2 - радиальный разрез половины колесного диска; и
фиг. 3 - выполнение, согласно изобретению, перехода между колесной ступицей и перемычкой.
На фиг. 1 чисто в качестве примера показан на виде сбоку колесный диск 1. Такой колесный диск 1 применяется в качестве колеса для рельсового транспортного средства. Конструкция показана на фиг. 2 в разрезе по линии II-II на фиг. 1. Показанную на фиг. 2 конструкцию следует понимать чисто схематично в качестве иллюстрации элементов колесного диска 2. Конструкция, согласно изобретению, поясняется затем со ссылками на фиг. 3. В радиальном разрезе на фиг. 2 показано, что колесный диск 1 состоит из окружающей ось 2 вращения колесной ступицы 3. Эта колесная ступица 3 соединена через дискообразный конструктивный элемент, который называется перемычкой 4, с ободом 5 колеса, который при использовании колесного диска 1 катится по рельсам. Эта показанная на фиг. 2 конструкция широко известна и традиционна. На фиг. 2 показана конструкция с так называемой прямой перемычкой 4, которая проходит перпендикулярно оси 2 вращения в радиальном направлении. Вместо такой прямой перемычки возможно также применение S-образной перемычки, которая составлена из двух противоположно изогнутых дуг в радиальном направлении.
Особенно критичным в колесных дисках является переход между колесной ступицей 3 и перемычкой 4, соответственно между перемычкой 4 и ободом 5 колеса. Поэтому предусмотрено, что по меньшей мере один из этих обозначенных на фиг. 2 позицией 6 переходов выполнен поясненным ниже на примере перехода между колесной ступицей 3 и перемычкой 4 образом. При этом переход 6 выполнен так, что он в радиальном, перпендикулярном оси 2 направлении, которое на фиг. 3 обозначено позицией R, заканчивается перед началом изображенной утолщенно на фиг. 2 примыкающей зоной 7, которая предназначена для размещения присоединяемых элементов или приемных элементов для присоединяемых элементов. В качестве примера это показано на фиг. 2 в виде отверстия 8, которое служит для размещения присоединяемых элементов. Это могут быть, например, тормозные диски, поглотители колесного шума или т.п.
Переходы 6 или по меньшей мере один из изображенных на фиг. 2 переходов 6 контура колесного диска 1 выполнен поясняемым ниже на основе предпочтительного варианта выполнения образом. Это схематично показано на фиг. 3. При этом отдельные участки показаны не в масштабе и не математически точно. Изображение на фиг. 3 является схематичным и служит для облегчения описания контура. Основу перехода 6 образует обозначенная на фиг. 3 позицией Т тангенсоида, которая проходит в качестве примера от точки 9 в радиальном направлении вниз до точки 10. При этом точка 10 в идеальном случае является точкой перегиба тангенсоиды Т и переходит в круговую дугу 11, которая является частью изображенного штриховой линией круга. Затем в точке 12 примыкает прямая линия 13, которая затем само по себе известным образом, например по радиусу, переходит в проходящее перпендикулярно к нему осевое ограничение колесной ступицы 3. Осевое направление задается в свою очередь осью 2 вращения, перпендикулярно ему проходит на фиг. 3 радиальное направление, которое обозначено позицией R. Зона перемычки 4 в направлении не изображенного здесь обода 5 колеса проходит после точки 9 дальше в виде прямой линии 14, при этом эта прямая линия имеет угол φ относительно радиального, соответственно вертикального, направления R. Угол φ показан на фиг. 3 между прямой линией 14 и проходящей параллельно радиальному направлению R осью 15. Он должен быть в любом случае больше 0, предпочтительно больше 0,5°. Угол φ обычно составляет меньше 20°. В показанном здесь примере выполнения он выбран равным примерно 1,5°-2°.
Для тангенсоиды Т и, в частности, для перехода тангенсоиды Т в прямую линию 14 в точке 9, а также в контур колесной ступицы 3, который состоит из круговой дуги 11 и прямой линии 13, должны соблюдаться определенные условия. В принципе, переходы являются непрерывными по касательной. Если принять уравнение функции тангенса как
<img file="00000001.tif" he="7" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" />,
Уравнение 1
то на функцию тангенса можно оказывать влияние с помощью некоторых параметров. Для исключения слагаемого с последующие выкладки делаются на основе системы координат, начало которой лежит в точке перегиба тангенсоиды Т, которая на фиг. 3 соответствует точке 10. Исходя из этой системы координат получается тангенсоида в виде
<img file="00000002.tif" he="6" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" />,
Уравнение 2
где переменную х следует понимать в направлении оси 2 вращения, т.е. как осевую переменную.
Прямая линия 14 может быть представлена уравнением
<img file="00000003.tif" he="6" wi="35" img-content="undefined" img-format="tif" />.
Уравнение 3
На основании возможно заданных контуров, которые заданы, в частности, присоединяемыми элементами и/или приемными элементами, которые часто требуют нормированных присоединений, получается ограничение тангенсоиды Т по радиальной высоте. Это приводит, в свою очередь, к ограничению координаты Х, которую можно использовать для расчета подходящей тангенсоиды. Вторая возможность выбора тангенса состоит в задании угла γ тангенса в точке 10 перегиба относительно обозначенной на фиг. 3 позицией 16 вертикали в выбранном здесь варианте системы координат, т. е. ординаты этой системы координат. Для особенно прочного перехода с очень равномерным распределением напряжений можно выбирать этот угол γ в диапазоне от 35° до 55°, предпочтительно в диапазоне между 40° и 50°.
Для следующего примера выбран угол γ, равный 45°. В этом случае tan(γ) принимает в этой точке значение 1, так что из уравнения 2 непосредственно следует
<img file="00000004.tif" he="11" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />.
Уравнение 4
1
1
С помощью обозначенного как х заданного расстояния в направлении х, а также исходной точки прямой линии 14 в радиальном направлении d получается с учетом угла φ координата х в виде
<img file="00000005.tif" he="24" wi="82" img-content="undefined" img-format="tif" />,
Уравнение 5
а также коэффициент b в виде
<img file="00000006.tif" he="17" wi="56" img-content="undefined" img-format="tif" />.
Уравнение 6
Таким образом, при подходящем выборе угла φ можно просто и эффективно определять тангенсоиду Т и в точно заданной точке перехода непрерывно по касательной сопрягать с прямой линией 14.
Поскольку переход между тангенсоидой Т и контуром колесной ступицы 3 не допускает любого сопряжения, а очень сильно ограничивает его на основе функции тангенса, если контур является прямой линией, то в идеальном случае обозначенная позицией 11 круговая дуга примыкает непрерывно по касательной к тангенсоиде Т, а затем снова непрерывно по касательной переходит в прямую линию 13 контура. При этом круг, часть которого образует круговая дуга 11, может быть, в принципе, выбран любым и в любой точке тангенсоиды Т непрерывно по касательной переходить в нее. Однако было установлено, что переход к круговой дуге 11 в точке 10 перегиба тангенсоиды Т, как показано на фиг. 3, является особенно простым относительно математического расчета.
Другая, особенно предпочтительная возможность состоит в реализации перехода между тангенсоидой Т и круговой дугой 11 так, что непрерывный (плавный) по касательной переход происходит в точке, соответственно в зоне, вокруг точки максимальной кривизны тангенсоиды Т. Этот переход в точке, соответственно в зоне, вокруг точки максимальной кривизны является идеальным, в частности, относительно распределения напряжений тогда, когда круговая дуга 11 в качестве радиуса имеет как раз этот радиус максимальной кривизны определенной ранее тангенсоиды Т. За счет того, что кривизны (криволинейные участки) непрерывно переходят друг в друга, получается идеальная конструкция относительно распределения напряжений. Это приводит к высокой прочности выполненного так перехода 6. Эта круговая дуга 11 может затем снова непрерывно по касательной переходить в прямую линию 13, которую на основании лежащей между тангенсоидой Т и прямой 13 круговой дуги 11 можно сравнительно свободно выбирать относительно ее положения и ее угла, с целью, например, обеспечения возможности получения желаемого или заданного осевого наружного контура колесной ступицы 3.
В целом, конструкция обеспечивает за счет гармонизации распределений напряжений очень высокую прочность при минимальном использовании материала и без необходимости затратных способов, таких как, например, повышение прочности материала в зоне перехода. Несмотря на это можно дополнительно повышать прочность с помощью таких способов упрочнения поверхности. При этом способы можно выполнять как механически (дробеструйная обработка, накаточное полирование роликами и т. д.), так и металлургически/химически (закалка на мартенсит, нитрирование и т. д.).