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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schie- nen, die insbesondere zur Gleismitte zueinander geneigt sind und jeweils einen Kopf-, Steg- und Fussteil mit einer Standfläche aufweisen als auch auf eine Schiene.
Der Gleisoberbau für schienengebundene Fahrzeuge mit Querschwellen und Schotterbett oder schotterlosem Oberbau unterliegt in zwei verschiedenen Entwicklungsrichtungen wesentlichen An- derungen. Einerseits soll die Emission von Schallwellen verringert werden und andererseits soll das Gleis für immer höhere Geschwindigkeiten geeignet sein. Mit höher steigenden Geschwindig- keiten muss bei vorgegebenem Schienenprofil und vorgegebener Schienenneigung zunehmend die Differenz zwischen dem Abstand der beiden Räder des Radsatzes zueinander, dem Spurmass und der Spurweite des Gleises, das Spurspiel beachtet werden. Je kleiner dieses Spurspiel ist, umso grosser ist die äquivalente Konizität und umso geringer ist die Grenzgeschwindigkeit des Fahrzeu- ges. Ab der Grenzgeschwindigkeit kommt es zum instabilen Fahrzeuglauf (Grenzzykelverhalten bzw. Instabilitatsverhalten).
Instabilitätsverhalten führen in der Regel zu höheren Beanspruchungen an Rad und Schienen und zur Erhöhung der Beschleunigungen im Fahrzeugkasten, an den Dreh- gestellen bzw. Radsätzen. Erhöhte Beanspruchungen bedingen Verschleiss der Schienen und Räder und auch zur Veränderung der Lagegenauigkeit der Gleise. Erhöhte Beschleunigungen führen zur Verminderung des Komfortverhaltens für die Fahrgäste, erhöhen die Belastungen für zu transportierende Ladungen. Die Bauteilauslegung der Drehgestelle muss diesen erhöhten Be- schleunigungsbeanspruchungen gerecht werden
Die Schienenneigung ist ein wesentlicher Parameter für die Höhe der äquivalenten Konizität und Formstabilität der Rad- und Schienenprofile.
Eine Anpassung der Schienen- und Radprofile aneinander ist unbedingt erforderlich und es wurde in der Vergangenheit versucht, diese weitgehend durchzuführen. Das rollende Material unterschiedlicher Herkunftsländer muss geeignet sein, auf den Schienen anderer Länder ein an- standsloses Abrollen zu gewährleisten. Demgemäss sind Schienen und auch Räder mit entspre- chenden Toleranzen standardisiert.
Die EP 0 529 271 A1 hat eine Vignolschiene zum Gegenstand, die einen besonders geringen Verschleiss aufweisen soll, wobei das Schienenkopfprofil mit im Querschnitt drei teilkreisförmigen Krümmungen ausgebildet ist. Diese Krümmung weist zur Krümmung der entsprechenden momen- tanen Kontaktfläche des sich abstützenden Rades eine konstante Differenz auf oder es weisen aufeinanderfolgende Kontaktflächen von dem Gleisbauteil und dem Rad eine sich stetig andernde Krümmungsdifferenz auf. Eine derartige Ausbildung einer Schiene weist den Nachteil auf, dass die- selbe nur an eine technische Ausbildung eines Schienenrades angepasst ist, wohingegen für alle anderen Schienen entweder erhöhte Abnützungen oder auch ein unstabiler Lauf der Räder gege- ben ist, so dass die erwünschten Hochgeschwindigkeitseigenschaften nicht erreicht werden können.
In der DE 40 08 299 C1, von welchem Stand der Technik die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Eisenbahnschiene mit Verschleissprofil beschrieben. Es wird hierbei postuliert, dass ein Verschleissprofil, d. h., ein bei der Benützung der Schiene sich selbsttätig einstellendes und erhal- tenbleibendes Profil möglich ist. Hierbei ist allerdings nicht ausreichend berücksichtigt, dass der Verschleiss einer Schiene und auch eines Schienenrades jeweils an den Berührungspunkten, -flächen oder -linien zwischen Rad und Schiene auftritt. Ein Schienenrad weist einen Spurkranz auf, welcher zur Führung des Rades an der Schiene erforderlich ist. Weiters hat das Rad eine Lauffläche, welche ebenfalls am Schienenkopf zum Abrollen gelangt.
Die einzelnen Funktionsbe- reiche eines Schienenrades weisen zwar zwangsweise eine idente Winkelgeschwindigkeit auf, jedoch sind aufgrund der unterschiedlichen Radien unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten bedingt. Das Schienenrad muss somit zwangsweise zumindest teilweise am Schienenkopf eine Gleitbewegung durchführen Diese Gleitbewegung bedingt sodann einen Verschleiss, wohingegen im Bereich der rein rollenden Bewegung kein Verschleiss bzw. ein wesentlich geringerer Verschleiss auftritt. Eine Schiene, insbesondere der Schienenkopf, kann somit kein Profil aufweisen, das derart ausgestaltet ist, dass ein gleichmassiger Verschleiss entlang des gesamten Kopfes auftritt.
Der vorliegenden Erfindung ist zur Aufgabe gesetzt, einen Gleisoberbau und eine Schiene zu schaffen, welcher/welche erlaubt, bei einer gegebenen Schrägstellung der Schienen die Höhe der äquivalenten Konizität auf einen niedrigen Wert zu halten, jedoch weiters erlaubt, unerwünscht niedrige Werte zu vermeiden, um instabilen Fahrzeuglauf und Fahrzeugkastenresonanzen bei Überschreitung der Grenzgeschwindigkeit hintanzuhalten. Dadurch wird ein geringer Verschleiss an
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Schiene, Rad und Fahrzeug, die Lagegenauigkeit der Gleisroste über längere Instandhaltungs- perioden sowie eine Herabsetzung der Schallemissionen erreicht.
Weiters werden durch die Veränderung der Profilkontur der Schiene, insbesondere bei engen Spurweiten, die Berührungspunkte zwischen Schiene und Rad möglichst weit zur Gleisaussenseite verlegt.
Der erfindungsgemässe Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen die insbe- sondere zur Gleismitte geneigt sind und jeweils einen Kopf-, Steg- und Fussteil mit einer Standflä- che aufweisen, wobei die Kopfteile beider Schienen einen, vorzugsweise prismatischen, fussnahen Bereich und einen fussfernen Bereich mit der Kontaktfläche zum Rad besitzen, welche Kontakt- flächen im Normalschnitt zur Schienenlangsrichtung eine erste und/oder eine zweite gekrümmte Profilkurve, insbesondere mit drei Teilkreisen, aufweisen, besteht im wesentlichen darin, dass die erste gekrümmte Profilkurve im vierten Quadranten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve, insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve und einer zweiten Grenz- kurve, liegt, wobei die erste Grenzkurve durch zumindest drei aneinanderschliessende Teilkreise gebildet ist,
und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist, dem Schnittpunkt der Kontakt- fläche mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 0,0, y =-1,806 . b und einen Radius von 1,806 .
b, der zweite Teilkreis einen Mittelpunkt mit
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der ersten gekrümmten Profilkurve zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve durch Subtrak- tion absoluter y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten erhalten ist, und das Vorzeichen des Wertes dem der ersten Grenzkurve entspricht, wobei die zu substrahierenden y-Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier einander schneidende Geraden definiert sind, und die erste Gerade durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschliessend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden durch diese mit der Gleichung y =-0,17 x-0,0375 b gegeben sind, wobei die zweite gekrümmte Profilkurve im dritten Quadranten in einer dritten Grenzkurve, insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve und einer vierten Grenzkurve, liegt,
wobei die Werte der dritten Grenzkurve und die der vierten Grenzkurve durch Multiplizieren der x-Werte mit -1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkur- ve erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind.
Der Verlauf der Grenzkurven wurde empirisch ermittelt. Die Schienenköpfe müssen nicht sym- metrisch, bezogen auf die Symmetrieebene durch den Stegteil, ausgebildet sein, sondern es ist bei im Einsatz befindlichen Schienen ausreichend, wenn jene Bereiche der Kontaktflächen geschliffen werden, welche tatsächlich als Kontaktflächen zu den Rädern dienen. Bei der Neuanfertigung von Schienen ist es jedoch zweckmässig, dieselben symmetrisch auszugestalten, da einerseits die Aus- tauschbarkeit der Schienen gegeben ist und gleichzeitig eine Material- und damit auch Gewichts- ersparnis erhalten werden kann.
Durch die Kontaktflächen, deren Normalschnitt zur Schienen- längsrichtung innerhalb der beiden Grenzkurven liegt, kann erreicht werden, dass auch bei unter- schiedlicher Spurweite und unterschiedlichster Neigung der Schienen zur Gleismitte die Bereiche der Berührung mehr zur Symmetrieebene, die durch den Steg gelegt werden kann, gebracht wer- den. Durch die angegebenen Grenzen wird das auch bei Schienen erreicht, die in Geraden aber auch in Bögen bis zu 700 m bzw. 600 m liegen. Durch die weitere Bedingung, dass die Krümmung der Laufflache stetig sein soll, werden bevorzugte Stellen der Abnützung, die zwangsweise auch zu Schwingungen führen, vermieden. Durch die weitere Bedingung, dass die Kurvenprofile monoton sein sollen, wird erreicht, dass durchgehende Kontaktflachen vorliegen.
Eine weitere Positionierung der zweiten Grenzkurve liegt dann vor, wenn die zweite Gerade sich mit einer dritten Geraden der Gleichung y = 0,0475 . b schneidet und ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten subtrahiert und das Vorzeichen dem des Wertes der ersten Grenzkurve entspricht, wobei durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve gegeben ist.
Damit wird auch im untersten Bereich der Kontaktfläche des Schienenkopfes eine genaue Definiti- on des Verlaufes der zweiten Krummung angegeben, wobei sich die zweite Grenzkurve an die erste Grenzkurve sich immer mehr annähert und fast in dieselbe übergeht
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Weist die Standflache der Schiene normal zur Schienenlängsrichtung gesehen und auf die Fahrbahn bezogen eine Neigung von 1 : bis 1 : insbesondere 1 : auf, so ist eine beson- ders gute Übereinstimmung zwischen der Neigung der Schienen zueinander und der Ausbildung der Kontaktfläche gegeben.
Weist der Stegteil eine in Schienenlangsrichtung verlaufende Symmetrieebene auf, in welcher die y-Achse des Koordinatensystems liegt, so ist eine besonders gute Kraftweiterleitung von dem Rad auf die Schiene und auf den darunter befindlichen Gleisoberbau gewährleistet Weist die x-Achse eine Neigung auf, die einer Neigung 1 : bis 1 : 42,insbesondere 1 . 40, entspricht, so ist die Ausbildung der Kontaktfläche der Schiene unabhängig von der Neigung der Schienenfüsse bzw. Schienenstege. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere bei der nachträgli- chen Formgebung des Schienenkopfes, beispielsweise durch Schleifen, von besonderer Bedeu- tung, da eine fast den theoretischen Werten entsprechende Optimierung der Kontaktfläche erreicht werden kann.
Die erfindungsgemässe Schiene mit einem Steg-, Fuss- mit einer Standfläche und einem Kopfteil mit einem, vorzugsweise prismatischen fussnahen Bereich und einem fussfernen Bereich mit der Kontaktfläche zum Rad, welche im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder zweite gekrümmte Profilkurve, insbesondere mit drei Teilkreisen, aufweist, besteht im wesentlichen darin, dass die erste gekrümmte Profilkurve im vierten Quadranten eines rechtwinkeligen Koordina- tensystems in einer ersten Grenzkurve, insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve und einer zweiten Grenzkurve, liegt, wobei die erste Grenzkurve durch zumindest drei aneinanderschliessen- de Teilkreise gebildet ist, und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist,
dem Schnittpunkt der Kontaktfläche mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koor- dinaten x = 0,0, y =-1,806 . b und einen Radius von 1,806 . b, der zweite Teilkreis einen Mittel-
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Normalabstand der ersten gekrümmten Profilkurve zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve durch Subtraktion der absoluten y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorge- gebenen x-Werten erhalten ist, und das Vorzeichen des Wertes dem der ersten Grenzkurve ent- spricht, wobei die zu substrahierenden y-Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier ein- ander schneidende Geraden definiert sind, wobei die erste Gerade durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschliessend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden durch diese mit der Gleichung y =-0,17 x -0,0375 .
b gegeben sind, und die gekrümmte Profilkurve eine stetige und monotone Kurve darstellt. Damit ist eine Schiene gegeben, die sowohl für die Gerade als auch für Bögen mit einem Radius bis zu 600 m besonders geeignet ist, wobei die Ausgestaltung eine überaus genaue Führung der unterschiedlichsten standardisierten Schienenrä- der erlaubt und durch geeignete Neigung auch sichergestellt ist, dass selbst bei engeren Spurwei- ten die Berührungsbereiche mehr zur Mitte des Schienenkopfes gebracht sind. Weiters können die bereits zu Anspruch 1 angeführten Vorteile erreicht werden.
Schneidet sich die zweite Gerade mit einer dritten Geraden der Gleichung y = 0,0475 . b und sind ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden von den absoluten y-Wer- ten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten substrahiert und entspricht das Vorzeichen dem des Wertes der ersten Grenzkurve und ist durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve gegeben, so kann eine besonders gute Anpassung der Kontaktfläche am Schienen- kopf auch im schienenfussnahen Bereich erreicht werden. Der schienenfussnahe Bereich ist von be- sonderem Interesse, da das Rad mit seinen Kooperationsflächen in diesem Bereich die grösste Um- laufgeschwindigkeit aufweist.
Weist der Stegteil eine in Schienenlängsrichtung verlaufende Symmetrieebene auf, in welcher die y-Achse des Koordinatensystems liegt, so ist eine symmetrische Ausbildung des Schienenkop- fes bedingt, wodurch Schienen gewendet werden können. Weiters ist eine besonders gute Kraft- einleitung von dem Rad auf die Schiene und von der Schiene in den Gleisoberbau gewährleistet.
Liegt anstelle der oder zusätzlich zur ersten gekrümmten Profilkurve eine zweite gekrümmte Profilkurve im dritten Quadranten in einer dritten Grenzkurve, insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve und einer vierten Grenzkurve, wobei die Werte der dritten Grenzkurve und die der
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vierten Grenzkurve durch Multiplizieren der x-Werte mit-1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkurve erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind, so ist eine vollkommen symmetnsche Ausbildung der Schienen gewahrleistet, die auch bei Wenden der Schiene sicherstellt, dass die Kontaktfläche zum Rad, bezogen auf die Neigung der Schiene, also Neigung der Schiene zur Schienenmitte, optimiert ausgebildet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Schnitt durch einen Gleisoberbau,
Fig. 2 den Normalschnitt durch eine Schiene.
Fig. 3 den Normalschnitt durch eine Schiene im Bereich des Kopfteiles,
Fig. 4 ein Diagramm von drei Geraden,
Fig. 5 die äquivalente Konizität in Abhängigkeit von der Spurweite und der Schienenneigung nach dem Stand der Technik und
Fig. 6 die Abhängigkeit der aquivalenten Konizität von der Spurweite und der Schienennei- gung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gleisoberbau sind zwei Schienen 1,2 auf einer Trägerplatte 3 eines schotterlosen Oberbaues lösbar befestigt. Die Schienen 1,2 sind zur Gleismitte hin geneigt und liegen auf geneigt ausgebildeten Aufstandsflächen 4 auf. Durch die Neigung der Schienen zueinander kann die Spurweite s, die durch den geringsten Abstand der Schienenköpfe zueinander bestimmt ist, erreicht werden.
Die in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Vignolschiene weist einen Fussteil 5 mit einer Standfläche 6, einen Stegteil 7 und einen Kopfteil 8 auf. Der Kopfteil gliedert sich in einen fussnahen Bereich 9 und einen fussfernen Bereich 10. Der fussferne Bereich des Kopfteiles umschliesst die Kontaktfläche 11.
Die Schiene weist eine maximale Breite b von 72 mm auf. Durch die Symmetrieebene M wird die Schiene, sowohl bezogen auf den Fuss, den Stegteil als auch den Kopfteil, in zwei spiegelgleiche idente Teile geteilt. Der Schnitt durch die Symmetrieebene M und der Normalebene, durch welche der Schnitt der Schiene erhalten wurde, stellt die y-Koordinate eines rechtwinkeligen Koordinaten- systemes dar. Der Nullpunkt des Koordinatensystemes liegt in der Kontaktfläche 11, durch wel- chen die auf die y-Koordinate normal stehende x-Koordinate geführt ist, welche ebenfalls in der Normalebene zu liegen kommt.
In Fig. 3 ist der fussferne Bereich 10 eines Kopfteiles der Schiene im Schnitt in dem Koordina- tensystem gemäss Fig. 2 dargestellt. Durch die Krümmung U ist die Krummung einer Standard- schiene gemäss UIC 60 wiedergegeben, wohingegen durch die Grenzkurven G1 und G2 bzw. G3 und G4 die beiden Bereiche im IV bzw 111 Quadranten angeführt sind, zwischen welchen die erfin- dungsgemässe Ausbildung einer Kontaktfläche des Schienenkopfes liegt. Die in Fig. 3 dargestellte Ausbildung eines Schienenkopfes ist symmetrisch. Es kann jedoch der Schienenkopf, insbesonde- re wenn Schienen nachgeschliffen werden sollen, asymmetrisch ausgebildet werden, so dass ledig- lich jene Kontaktfläche, die zur Gleismitte weist, die erfindungsgemässe Ausbildung besitzt.
Die Grenzkurve G1 ist eine stetige und monotone Krümmung und kann auch bereits die Krummung der Kontaktfläche sein Alle anderen Ausbildungen der Krümmung müssen in dem Bereich zwischen den Grenzkurven G1 und G2 liegen und zusätzlich noch die Bedingung erfüllen, dass sie stetig und
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wie folgt.
M1 x = y = -1,806 . b = -130,0 mm
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Die Breite b der Schiene beträgt 72 mm.
Zu dieser so erhaltenen Grenzkurve G1 die auch im Mittelbereich keine ebene Fläche, sondern eine gekrümmte Flache ist, werden sodann die im Diagramm der Fig. 4 von drei Geraden g, g2 und g3 dargestellten Koordinatenwerte x und y addiert
Die Gerade g1 ist in dem ersten Quadranten durch die Gleichung y = 0,02 x, die Gerade g2 durch die Gleichung y = 0,17 x-0,0375 . b und die dritte Gerade g3 durch die Gleichung y = 0,0475 b definiert Bei symmetrischer Ausbildung des Schienenkopfes liegt ein spiegelsym-
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g2, wobei die Werte, die zur Substraktion gelangen, ab dem Schnittpunkt zum Einsatz kommen.
Die Gerade g2 schneidet die Gerade g3, wonach die Werte von g3 zum Einsatz kommen. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, kann der fussnahe Bereich des Kopfteiles beliebig ausgebildet sein.
Die Profilkurve K2 im dritten Quadranten 11 liegt zwischen den Grenzkurven G3 und G4, welche spiegelsymmetrisch zu den Grenzkurven G1 und G2 sind. Die x-Werte der Grenzkurven G3 und G4 werden durch Multiplizieren der Werte der Grenzkurven G1 und G2mit -1 erhalten.
In dem Diagramm gemäss Fig. 5 ist die äquivalente Konizität in Abhängigkeit von der Spurweite eines Gleises, u. zw. einer Schiene UIC 60, wie sie in Fig. 3 mit der Krümmung U angegeben ist, dargestellt. Bei einer Konizität von 0,4 liegt ein Grenzwert vor, der nicht überschritten werden soll.
Durch die Linie a ist die äquivalente Konizität mit einem Gleis dargestellt, bei dem die Schienen keine Neigung aufweisen, mit a2 mit einer Schienenneigung von 1 : und a3 einer Schienenneigung von 1 : Wie diesem Diagramm zu entnehmen, ist der Grenzwert bei der Schiene ohne Neigung bereits bei einer Spurweite von ca. 1. 434 mm, bei einer Schienenneigung von 1 : bei 1. 431 mm und bei einer Schienenneigung 1 : bei 1. 427,5 mm überschritten.
Bei der erfindungsgemässen Ausbildung der Kontaktfläche sind die äquivalenten Konizitätswer- te wesentlich besser, u. zw. 0,1 bis 0,25, wie Fig. 6 zu entnehmen. Die Linie a4 gibt das Verhalten einer erfindungsgemässen Schiene bzw. Gleis wieder, die keine Schienenneigung aufweist, as die eine Schienenneigung von 1 : und a6, die eine Schienenneigung von 1 : aufweist. Der kriti- sche Wert von 0,4 von der aquivalenten Konizität wird bei der Schiene ohne Neigung erst bei einer Spurweite von 1. 229 mm erreicht, wohingegen bei den beiden anderen Schienenneigungen, selbst bei einer Spurweite von 1.428 mm, der kritische Wert noch längst nicht erreicht ist.
Es ist nicht erforderlich, dass die gesamte Schiene eine bestimmte Neigung aufweist, sondern es kann der Schienenkopf, wie in Fig. 2 strichliert dargestellt, geneigt ausgebildet sein, d. h , dass das Koordinatensystem x' und y' geneigt zur Symmetrieebene M angeordnet ist. Die Kontaktfläche 11' entspricht somit der erfindungsgemässen Ausbildung bei einem symmetrischen Schienenkopf und einer bevorzugten Neigung von 1 : Bei der erfindungsgemässen Ausbildung der Schienen wird erreicht, dass die Berührungsflächen zwischen Rad und Schiene in den fussfernen Bereich verschoben werden, so dass die Relativge- schwindigkeitsunterschiede in den Berührungsflächen des Rades geringer werden, so dass die Abnützung sowohl des Rades als auch der Schiene geringer werden.
Gleichzeitig werden auch die Berührungsflächen mehr zur Schienenmitte verlagert, wodurch auch ein erhöhtes Stabilitätsverhal- ten des Fahrzeuges auf der Schiene erreicht wird, so dass die Beanspruchung der einzelnen Kon- struktionsteile des Fahrzeuges geringer gehalten werden kann.
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