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Schienenrad, insbesondere fUr schnellaufende Schienenfahrzeuge" Die
Erfindung betrifft ein Schienenrad, insbesondere rUr schnellaufende Schienenfahrzeuge
mit innerem Spurkranz und sich verJüngender konischer Lauffläche.
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Die konische Lauffläche fUhrt dazu, daß der mit Querspiel im Gleis
laufende Radsatz Wellenbewegungen ausführt. Zur Streckung dieser Wellen, d.h., zur
Erreichung einer niedrigen Erregerfrequenz, hat man die Radsätze in der horizontalen
Ebene möglichst starr gelagert und ist so unter der Eigen frequenz des mit den Drehgestellen
gekoppelten Fahrzeugkörpers geblieben und hat damit die als Resonanz gedeuteten
unliebsamen Instabilitätserscheinungen der Querschwingungen vermeiden können. Bei
den Wellenbewegungen des Rades aur den Schienen wird Material von der Lauffläche
von innen nach außen Uber die Lauffläche gewalzt. Dieser Materialtransport von der
Spurkranzseite des Rades nach außen führt dazu, daß dbe Radrormprofil der Lauffläche
geändert wird und somit die ursprünglich günstigen geometrischen Verhältnisse Radform
zu Schiene mit dem Radverschleiß verloren gehen. Bei Rädern, bei denen sich an den
Spurkranz ein kegelförmiger Bereich mit einer Steigung von 1:40 und daran einer
mit einer Steigung von 1:20 anschließt, erfolgt dieses Verwalzen Uber die gesamte
Lauffläche und das Material sammelt sich an der Außenkante des Rades an. Außerdem
tritt infolge der großen waagerechten zum Gleis verlaufenden Wellenbewegung auch
ein nicht unerheblicher Verschleiß am Spurkranz auf.
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FUr hohe Geschwindigkeiten, etwa um 200 km/h und mehr waren die bisherigen
Räder nicht befriedigend. Studien der Forschungsanstalt der britischen Eisenbahnen
in Derby, der niederländischen Eisenbahnen, der Japanischen Eisenbahnen und der
deutschen Bundesbahn über die geometrischen Verhältnisse von Rad und Schiene und
ihr Zusammenwirken mit Radsatz und Laufwerkrahmen fanden ihren Niederschlag in den
Arbeiten von SachverständiCenausschüssen des Forschungs- und Versuchsamtes des Internationalen
Eisenbahnverbandes (ORTE = OFFICE DE RECHERCHES ET DtESSAIS). Diese Entwicklungsarbeiten
führten fUr schnellaufende Räder zu einem Radprofil, bei dem sich an den Spurkranz
als Lauffläche nach einem Übergangsbereich eine konische Fläche mit gleichbleibender
Steigung von 1:15,5 anschloß. Außerdem wurde der einheitliche Verschleißbereich
in seiner Lage so verschoben, daß es sich in Mittelstellung des Radsatzes in einem
Gleis(von 1435 mm Spurweite) bereits an den Schienenkopf anpaßt, während sich andere
Profile erst beim Anlauf des Rades an den Schienenkopf anschmiegen. Bei Querbewegung
des Radsatzes wird hierdurch eine stärkere Zentrierung im Spurkanalerreicht.
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Bei diesem Profil ergaben sich während der gesamten Laufzeit (unter
Anwendung entsprechender Laufwerkskonstruktionen) keine Änderungen der für das Laufverhalten
der Fahrzeuge maßgebenden Kenngrößen, was gleichbleibender Laufgüte während der
Betriebszeit entspricht. Die Querbewegungen (seitliches Auswandern durch die waagerechte
Bewegung bei Fahrt) im geraden Gleis ist bei dieser Radform, auch bei hohen Geschwindigkeiten,
besonders gering. Im folgenden soll diese in der Regel erfolgende Seitenbewegung
kurz Regel-Seitenbewegung genannt werden, die dem Verschleißband vom Spurkranz bis
zum Meßkreis entspricht. Der Walzvorgang endet also in der Nitte des "Werkstückes"
und erreicht nicht die nachgiebigeren Randzonen.
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Als nachteilig hat sich Jedoch herausgestellt, daß hierdurch infolge
der geringeren Regel-Seitenbewegung das Material, das durch den Walzvorgang von
der Lauf fläche nach außen verdrängt wird, nicht, wie bei anderen Rädern bis an
die Außcnkante, sondern nur ungefähr bis in die Mitte der Lauffläche (Meßkreis)
wandert. Dies führte zu Stauungen oder Verdrückungen bzw. Spannungszuständen des
Werkstoffes im Bereich des Endes bzw. Auslaufs der Regel-Seitenbewegung mit der
Folge von Ausbrüchen und damit Laufflächenschäden in dieser Zone durch Materialermüdung.
D.h. also, der in der Laufzone plastisch verformte Werkstoff kann nicht ausweichen,
so daß es zu Materialverschiebungen und Stauungen im Bereich des Endes der Regel-Seitenbewegung
(Meßkreis) und zwar im uebergang vom verfestigten Werkstoff des Laüfspiegels zum
weichen Material kommt mit (etwa 25mm) breiten ZerrUttungs~ zonen und Ausbröckelungen
des Materials.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die
Aufgabe, ein insbesondere schnell laufendes Schienenrad der eingangs erwähnte Gattung
so zu gestalten, daß es trotz der beim Fahren während der Lebensdauer des Rades
unvermeidlichen Materialverschiebung von innen nach außen bis in einen mittleren
Bereich der Lauffläche (Meßkreis) keine vorzeitigen Ausfall bewirkende Beschädigung
der Lauffläche, insbesondere ein Ausbrechen von Laufflächenteilen, erleidet.
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Errindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lauffläche
eine oder mehrere ringförmig verlaufende Vertiefungen aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schienenrad lagert sich das beim Rollen
des Rades nach außen gewalzte Material in der oder den Vertiefungen ab, und- Materialermüdung
und Ausbrüche werden
mit Sicherheit vermieden. Uberraschenderweise
stören die Vertiefungen weder beim Fahren in der Geraden noch in Kurven, wo, vor
allem bei hohen Geschwindigkeiten, auch teilweise eine seitliche Bewegung Uber die
gesamte Lauffläche erfolgt.
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Auch bei Fahrten über Weichen treten keine Störungen auf.
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Durch das gelegentliche Auswandern über die gesamte Lauffläche erhebt
sich das in die Vertiefungen fließende Material nicht über die allgemeine Höhe des
Profiles der Lauffläche hinaUs, sondern wird gleichmäßig in der Vertiefung verteilt.
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Die Erfindung ist auch vorteilhaft anzuwenden bei langsam laufenden
Schienenrädern, bei denen sich dann die Vertiefungen weiter innen und/oder außen
befinden. Insbesondere eignet sie sich auch ?Ur Schienenräder, die sehr langsam
und unter hoher Last laufen, wie z.B. Schienenräder von Schlackenwagen.
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Im einzelnen kann die Erfindung in folgender Weise vorteilhaft ausgestaltet
sein. Ein ruhiger Lauf auch bei Kurven fahrt und bei Fahrt durch Weichen, beidenen-auch
der mit der oder den Vertiefungen versehene Teil der Lauffläche durch die stärkere
seitliche Auswanderung in den auf der Schiene tragenden Bereich gelangt, wird dadurch
erreicht, daß die Öffnungsweite der Vertiefung in der Lauffläche so gewählt ist,
daß auch bei Fahrt durch Kurven und Weichen wenigstens eine Stelle der Lauffläche
außerhalb der Vertiefung auf der Schiene trägt.
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Fertigungstechnisch einfach ist,. mit nur einer Vertiefung zu arbeiten.
Diese befindet sich dann am vom Spurkranz abgelegenen Ende des Bereiches der Lauffläche,
der durch die Regel-Seitenbewegung zum Tragen auf der Schiene kommt. Dadurch werden
bei der Fahrt im geraden Gleis, die den größten Teil der Laufstrecke des Rades ausmacht,
nur solche Stellen der Laufläche beansprucht, die vollen Querschnitt haben und damit
auf der Schiene tragen. Gleichwohl wird das von der Radinnenseite nach
außen
gewalzte Material durch die Über streichung der Vertiefung insbesondere bei Kurvenfahrten
infolge des größeren Querbewegungen in die Vertiefungen hineingedrückt. Das Volumen
der Vertiefung ist so gewählt, daß die Vertiefung das Material aufzunehmen vermag,
das beim Fahren einer Strecke, die zwischen zwei turnusmäßigen Untersuchungen zurückgelegt
wird, abgewalzt wird. Zeigt sich bei eIner Untersuchung, daß die Vertiefung weitgehend
oder völlig ausgefüllt ist, so wird sie vor dem Wiedereinsatz des Rades nachgearbeitet.
Bei Rädern, die mit sehr unterschiedlichen Belastungen und/oder unterschiedlichen
Geschwindigkeiten und/oder unteseSchiedenen Fahrzeugen laufen, wodurch auch die
Größe der Regel-Seitenbewegung verschieden wird, schlägt die Erfindung mehrere Vertiefungen-vor,
die an den spurkranz-abgewandten Enden derjenigen Bereiche der Lauffläche liegen,
die bei den verschiedenen Fahrbedingungen zum Tragen auf der Schiene kommen.
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Dadurch, daß die Vertiefungen in verschiedenen Abständen vom Spurkranz
liegen, steht für die verschiedenen Größen der Regel-Seitenbewegung Je eine an deren
Rand liegende Vertiefung für die Materialaufnahme zur Verfügung. Das Gesamtvolumen
der Vertiefungen ist so groß, daß es das zwischen zwei Untersuchungen abgewalzte
Material aufnehmen kann. Die während der Laufzeit nach außen gewalzte Werkstoffmenge
ist hauptsächlich von Werkstoffqualität, Achslast und Fahrgeschwindigkeit abhängig
und wird zweckmäßigerweise für einen Fahrzeugtyp empirisch ermittelt. Dadurh,daß
die ringförmige Vertiefung eine flache Mulde ist und kantenlos in die Lauffläche
übergeht, wird ein ruhiger Lauf auch beim Wechseln der Schiene über die Vertiefung
hinweg, so auch bei Beginn und Ende der Kurvenrahrt-und bei Fahrt durch Weichen
erreicht. Des weiteren ist das Schienenrad durch die Vermeidung von scharfen Kanten
und die Muldenform der Vertiefung ohne senkrecht zur Lauffläche stehende Flächen
oder gar Hinterschneidungen auch im Vertiefungsbereich kerbunempfindlich, widerstandsfähig
gegen
senkrechte Belastungsstöße und vorteilhaft dem Fließverhalten
des Materials angepaßt, das ohne Brllckenbildung mit der Gefahr der Ablösung in
die Vertiefung fließt. Bei größeren aufzunehmenden Materialmengen empfiehlt die
Errindung für die Muldenform im Querschnitt eine annähernde Sinusbogenabschnittsform
oder Korbform mit knicklosem Übergang in die Schnittlinie der Lauffläche. Trotz
größerer MaterialauRnahme kann auch bei dieser Form die Öffnungsweite der Vertiefungen
in der Lauffläche klein gehalten werden, was sich auf die Laufeigenschaften bei
Kurven- und Weichen fahrt günstig auswirkt. Einen besonders großen Raum für die
Materialaufnahme bietet eine Muldenform, die im Querschnitt eine flachere, spurkranznähere
und eine steilere, spurkranzfernere Flanke hat. Diese Form-ermeglicht durch die
flachere Flanke ein gutes Einfließen des vom Spurkrlnz nach außen gewalzten Materials
ohne Überwalzung und Brückenbildung und wirkt durch die steilere, als Gegenlager
wirkende Flanke einem Ausfließendes verdrängten Materials aus der Vertiefung entgegen.
Eine bogenförmige Ausführung der Flanken entspricht der natürlichen Fließrichtung
des Materials. Fertigungstechnisch leicht herstellbar sind gerade Flanken mit kurzen,
verbindenden Bogenstücken, die scharfkantige Übergänge mit Xerbwirkung vermeiden.
Die Vertiefungen können spanabhebend geformt werden oder aber auch spanlos beim
Walzvorgang. Es besteht auch die Möglichkeit, sie durch andere Verfahren, z.B.
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Funkenerrosion herzustellen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnung naher erläutert.
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Es zeigen im einzelnen: Fig.l einen Schnitt durch den Laufflächen-
und Spurkranzbereich eines Schienenrades mit einer Vertiefung,
Fig.
2 den entsprechenden Schnitt durch ein Schienenrad mit drei Vertiefungen, Fig. 3
entsprechende Schnitte bei Rädern mit verschiedenen Formen von Vertiefungen.
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Das Schienenrad 1 für schnellaurende Schienenfahrzeuge mit Innenspurkranz
2 hat eine sich verjüngende konische Lauffläche 3, deren Winkel gegen die Horizontale
nach einem Übergangsbereich 4 zum Spurkranz 2 hin beispielsweise 15,5 Crad beträgt.
Die Lauffläche 3 hat in ihrem mittleren Bereich eine ringförmig verlaufende Vertiefung
5 (Fig. 1).
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Das Schienenrad nach Fig. 2 weist drei ringförmig verlaufende Vertiefungen
5 auf. Fig. 3 zeigt verschiedene Formen von Vertiefungen, und zwar 5 eine flache
Mulde in Form eines Kreisbogenabschnitts, der ohne Knick in die Schnittlinie der
Laufrlache 3 vergeht, 6 eine tiefere Mulde mit annäherndem Sinusbogenabschnitt,
ebenfalls mit Übergang ohne Knick und 7 eine Mulde mit einer flachcrcn,spurkranznäheren
Flanke und einer steileren, spurkranzferneren Flanke, wobei die Flanken bogenförmig
ausgeführt sind. Nach 8 sind die Flanken geradlinig und die Übergänge abgerundet.
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Naturgemäß können ringförmige Vertiefungen auch fUr alle anderen Radprofile,
z.B. auch mit Innen- und Außenspurkranz, angewendet werden.
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Patentansprüche: