DE19630824A1 - Schienenrad mit Radnabe, einteiligem Radkranz und Radnabe und Radkranz verbindender Radscheibe - Google Patents

Description

Seit langem werden bei der Konstruktion von Schienenrädern große Anstrengungen unternommen, um die im Betrieb auftretenden örtlichen Belastungen klein zu halten, jedenfalls bleibende Verformungen infolge einer Überbelastung insbesondere unter Wärme zu vermeiden. Bekanntlich treten solche hohe Belastungen insbesondere bei klotzgebremsten Schienenrädern auf. So kann es bei Gefällefahrten während der Alpenüberquerung zu Erwärmungen des Radkranzes bis über 500°C kommen. Mit verschiedenen Formen, insbesondere der Radscheibe hat man versucht, diesen Belastungen Rechnung zu tragen. Während früher die Radscheibe in der Regel einen Sturz aufwies, d. h. einen Versatz zwischen Radnabe und Radkranz bestand, werden heute überwiegend Schienenräder mit sturzfreier Radscheibe eingesetzt.

Die bei der Klotzbremsung eines Schienenrades im Radkranz entstehenden hohen Temperaturen führen zu einer Ausdehnung des Radkranzes. Infolge dieser Ausdehnung wird die Radscheibe in radialer Richtung auf Zug belastet. Sofern die Radscheibe sehr steif ist, behindert sie die Ausdehnung des Radkranzes, so daß der Radkranz in Umfangsrichtung druckbelastet wird. Die dabei auftretenden Spannungen können die Dehngrenze des Werkstoffes, die mit den erwähnten hohen Temperaturen absinkt, überschreiten, so daß es zu plastischen Verformungen und zur Ausbildung neuer Eigenspannungen bei Erkaltung des Rades kommt. Bei einem bekannten, nicht ausdrücklich für die Klotzbremsung vorgesehenen Schienenrad (DE-AS 23 31 738), mit einer einen Sturz aufweisenden Radscheibe käme es bei starker Erwärmung zu einer bleibenden Verformung der Radscheibe durch auf sie radial nach außen einwirkenden Zugkräfte des Radkranzes. Diese bleibende Verformung wirkt sich in einer Änderung des Spurmaßes des Rades aus, so daß solche Räder umgepreßt werden müßten. Hinzu kommt, daß die Räder im Fahrbetrieb insbesondere an den Übergängen der Radscheibe zur Radnabe überlastet würden, weil sich den aus den radialen Zugkräften des Radkranzes ergebenden, quasistatischen Vorlasten die beim Rollen des Rades ergebenden Wechselkräfte überlagerten.

Aus diesen letzten Gründen werden, wie schon erwähnt, heute überwiegend Schienenräder mit sturzfreier Radscheibe eingesetzt. Sofern solche Schienenräder aber eine senkrecht zur Radachse liegende gerade Radscheibe haben, haben sie wegen der großen Radscheibensteifigkeit die oben geschilderten Nachteile.

Um diese Nachteile nicht in Kauf nehmen zu müssen, wurden Schienenräder entwickelt, deren Radscheiben sturzfrei sind, aber in radialer Richtung mehr oder weniger stark gewellt sind. Bei derartigen Konstruktionen wurde zusätzlich durch Reduzierung der Scheibendicke die radiale Steifigkeit weiter vermindert. Bei solchen Radscheibenformen kommt es zwar nicht mehr zu den in Umfangrichtung wirkenden extrem hohen Druckspannungen im Radkranz, weil die Radscheibe in radialer Richtung nachgeben kann, doch haben solche Schienenräder, den Nachteil, daß sie im Vergleich zu Schienenrädern mit ebener, senkrecht zur Radachse stehender Radscheibe eine geringere Tragfähigkeit und eine den Lauf im Gleis beeinflussende, geringere, axiale Steifigkeit haben. Hinzu kommt, daß sich infolge der Wellung örtlich hohe Biegebeanspruchungen mit Überschreitungen der Dehngrenze in der Radscheibe ergeben können. Zusätzlich hat sich gezeigt, daß sich infolge der Klotzbremsung hohe Umfangsspannungen im Radkranz vor allem an der spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche ergeben. Gerade an dieser Stelle sind aber hohe Spannungen besonderes kritisch, weil es zu Wärmeanrissen durch die überschleifende Bremsklötze kommen kann. Diese Anrisse sind Schwachstellen, die die Bruchgefahr des Radkranzes erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenrad insbesondere für die Klotzbremsung zu schaffen, das weitgehend gegenüber bleibenden Verformungen und örtlichen Spannungsspitzen bei hoher Beanspruchung, insbesondere durch Wärmebelastung, wie sie beim Klotzbremsen auftritt, unempfindlich ist.

Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von einem Schienenrad mit einer Radnabe, einem einteiligen Radkranz und einer mit ihren Mantelflächen über Kreis- und/oder Parabel- und/oder Korbbögen in die Mantelflächen von Radnabe und Radkranz übergehenden Radscheibe ausgegangen, deren Dicke sowohl von der Radnabe als auch von dem Radkranz bis zu ihrem mittleren Bereich abnimmt.

Ein solches Schienenrad ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Schnittpunkt, der an den radkranzseitigen Bögen im Bereich der Stirnseiten des Radkranzes anliegenden Tangenten hat von der spurkranzseitigen Stirnseite einen Abstand zwischen 1/3 und 2/3 der Radkranzbreite.
• b) Der Schnittpunkt, der an den radnabenseitigen Bögen im Bereich der Stirnseiten der Radnabe anliegenden Tangenten hat einen axialen Versatz in Richtung des Spurkranzes von 1/100 bis 1/10 der halben Summe aus dem Laufflächendurchmesser und dem Radkranzinnendurchmesser.
• c) Die kegelige Mittelebene, der mit Sturz ausgebildeten Radscheibe verläuft durch die beiden Schnittpunkte.

Bei dem erfindungsgemäßen Schienenrad treten im Betrieb nicht die bei den bekannten Schienenrädern geschilderten Nachteile auf. Insbesondere kommt es nicht zu einer hohen Spannungskonzentration an der als Ausgangspunkt für Brüche besonders kritischen spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche.

Im folgenden werden Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, die weiter dazu beitragen, daß es nicht zu örtlichen Spannungskonzentrationen, insbesondere nicht zu bleibenden Verformungen kommt, die einerseits Ausgangspunkte für Risse und Brüche bilden und andererseits zu Spurveränderungen führen.

So sollte die dünnste Stelle der Radscheibe in einem Abstand von 1/4, insbesondere 1/3, bis 2/3, insbesondere 1/2, des Abstandes der Schnittpunkte von dem radkranzseitigen Schnittpunkt liegen. Die Dicke der dünnsten Stelle ist nach der Betriebsbelastung nach der Formel dimensioniert

wobei A die Radsatzlast in t und P die Klotzbremsleistung pro Rad in kW und D der Laufkreisdurchmesser des Schienenrades in mm sind.

Als Maß für die Dickenzunahme der Radscheibe ist vorgesehen, daß die Dicke der über Bögen dicker werdenden Radscheibe auf halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt zwischen 1,1 und 1,3 der dünnsten Stelle liegt.

Die Neigungswinkel der Tangenten zur Radachse sollten zwischen 5° und 30°, insbesondere zwischen 10° und 20°, liegen.

Die Übergangsradien der radnabenseitigen Bögen sollten 1/8 bis 1/3, insbesondere 0,20, des Durchmessers der Radnabenaußenseite betragen.

Die Übergangsradien der radkranzseitigen Bögen sollten 1/6 bis 1/2, insbesondere 0,25 der Radkranzbreite betragen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung des vorgenannten Schienenrades für die Klotzbremsung.

Alle diese Merkmale der Formgebung des Schienenrades tragen dazu bei, zu einer wesentlich günstigeren Spannungsverteilung im Radkranz als bei bekannten Schienenrädern zu kommen. Der Sturz der Radscheibe führt zu einer ausreichend hohen Elastizität der Radscheibe. Die großen bögenförmigen Übergänge von dem Radkranz einerseits und der Radnabe andererseits bis zur dünnsten Stelle in der Radscheibe halten die auftretenden Spannungen auf einem ertragbaren Niveau, ohne daß es zu Überschreitungen der Dehngrenze kommt. Da die Dehngrenzen nicht überschritten werden, kommt es auch nicht zu neuen schädlichen Eigenspannungen mit Anrissen an der Lauffläche. Deshalb bleibt das Rad auch spurmaßstabil. Insgesamt erhält man durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein auf Dauer betriebssicheres Schienenrad.

Im folgendem wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Schienenrad im halben Radialschnitt,

Fig. 2 den Radkranz des Schienenrades gemäß Fig. 1 mit Linien gleicher Spannung,

Fig. 3 das Schienenrad gemäß Fig. 1 mit einer infolge eines stark erwärmten Radkranzes verformten Radscheibe im halben Axialschnitt,

Fig. 4 das Schienenrad gemäß Fig. 1 im halben Axialschnitt mit Diagrammen für die Spannung im Bereich der Radscheibe.

Das in Fig. 1 dargestellte einstückige Schienenrad besteht aus einer Radnabe 1, einer Radscheibe 2 und einem Radkranz 3. Die Radscheibe 2 ist mit Sturz ausgebildet, d. h., daß die Radnabe 1 gegenüber dem Radkranz 3 zu dessen Spurkranzseite hin axial versetzt ist. Solche Schienenräder haben einen Durchmesser D = 500 bis 1300 mm.

Sowohl die radial außen liegenden Mantelflächen 1a, 1b der Radnabe 1 als auch die radial innenliegenden Mantelflächen 3a, 3b des Radkranzes 3 gehen über Bögen mit den Radien R1, R2, R3, R4 in die Mantelflächen 2a, 2b der Radscheibe 2 über. Tangenten T1, T2, T3, T4 an den radnabenseitigen und radkranzseitigen Mantelflächen 1a-1d der Bögen haben einen Neigungswinkel α1, α2, der vorzugsweise zwischen 10° und 20° liegt. Der Schnittpunkt der Tangenten T3, T4 am Radkranz 3 liegt in einem Abstand B1 von der spurkranzseitigen Stirnseite, der vorzugsweise zwischen 0,42×B und 0,58×B liegt, wobei B die Breite des Spurkranzes 3 ist. Der Schnittpunkt der Tangenten T1, T2 an der Radnabe 1 ist gegenüber dem vorerwähnten Schnittpunkt in Richtung des Spurkranzes axial um s = 0,03 bis 0,05 der halben Summe des Laufflächendurchmessers D und des Innendurchmessers D1 des Radkranzes 3 axial versetzt. Die Radscheibe 2 hat ihre kleinste Dicke d in einem Abstand von 0,5 bis 0,3 des Abstandes l der Schnittpunkte vom radkranzseitigen Schnittpunkt. Die Dickenzunahme der Radscheibe 2 nach beiden Seiten erfolgt über Bögen, insbesondere Kreis- oder Parabelbögen. Der Grad der Zunahme beträgt beim halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt 1,1 d bis 1,3 d.

Die kleinste Dicke d (mm) rechnet sich nach folgender Formel

mit A = Radsatzlast in t und P = Klotzbremsleistung ja Rad in kW und D = Laufkeisdurchmesser in mm.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile ergeben sich aus den Darstellungen der Fig. 2 bis 4.

Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die höchste Spannungskonzentration im mittleren weniger gefährdeten Bereich der Lauffläche 3c vorhanden ist, daß aber zur höher gefährdeten, spurkranzabgewandten Kante der Lauffläche 3c hin diese hohe Spannung schnell abgebaut wird. Bei herkömmlichen Schienenrädern sind die Verhältnisse gerade umgekehrt, d. h., daß der Bereich höchster Spannung nahe an der spurkranzseitigen Kante liegt und in diesem Bereich die Linien gleicher Spannung weit auseinander liegen, ja sich sogar bis an den Fußpunkt der Radscheibe 2 erstrecken.

Bei Fig. 3 ist das Verformungsverhalten des Schienenrades bei starker Erwärmung des Radkranzes 3 stark übertrieben dargestellt, um deutlich zu machen, daß die Radscheibe weniger steif ist und eine radiale Ausdehnung des Radkranzes 3 im elastischen Bereich ermöglicht. Deshalb können sich keine hohen quasistationären Druckspannungen in Umfangsrichtung im Radkranz 3 ausbilden. Auch kommt es nicht im Bereich der Radscheibe 2 zu unzulässig hohen Biegespannungen, die die Dehngrenze überschreiten. Dafür verantwortlich sind die großen Übergangsradien und Bögen bis zum Bereich der dünnsten Stelle. Dies zeigt auch die Fig. 4. Die zu beiden Seiten des Rades dargestellten Diagramme zeigen in der unteren Kurve das Spannungsverhalten des erfindungsgemäßen Rades und darüber das Spanungsverhalten konventioneller Räder mit hohen Spannungsspitzen.

Claims (8)

1. Schienenrad mit einer Radnabe (1), einem einteiligen Radkranz (3) und einer mit ihren Mantelflächen über Kreis- und/oder Parabel- und/oder Korb-Bögen in die Mantelflächen (1a, 1b, 3c, 3d) von Radnabe (1) und Radkranz (3) übergehenden Radscheibe (2), deren Dicke sowohl von der Radnabe (1) als auch von dem Radkranz (3) bis zu ihrem mittleren Bereich abnimmt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Schnittpunkt, der an den radkranzseitigen Bögen (3a, 3b) im Bereich der Stirnseiten des Radkranzes (3) anliegenden Tangenten (T3, T4) hat von der spurkranzseitigen Stirnseite einen Abstand (B1) zwischen 1/3 und 2/3 der Radkranzbreite (B).
• b) Der Schnittpunkt an den radnabenseitigen Bögen (1a, 1b) im Bereich der Stirnseiten der Radnabe (1) anliegenden Tangenten (T1, T2) hat einen axialen Versatz (s) in Richtung des Spurkranzes von 1/100 bis 1/10 der halben Summe aus dem Laufflächendurchmesser (D) und dem Radkranzinnendurchmesser (D1).
• c) Die kegelige Mittelebene der mit Sturz ausgebildeten Radscheibe (2) verläuft durch die beiden Schnittpunkte.

2. Schienenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnste Stelle der Radscheibe (2) in einem Abstand (b) von 1/4, insbesondere 1/3, bis 2/3, insbesondere 1/2, des Abstandes (l) der Schnittpunkte von dem radkranzseitigen Schnittpunkt liegt.

3. Schienenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der dünnsten Stelle nach der Betriebsbelastung nach der Formel dimensioniert ist mit A = Radsatzlast in t und P = Bremsleistung je Rad in kW und D = Laufkreisdurchmesser in mm.

4. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d1) der über Bögen dicker werden Radscheibe (2) auf halben Abstand zwischen der dünnsten Stelle und dem radnabenseitigen Schnittpunkt zwischen 1,1 d und 1,3 d liegt.

5. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel (α1, α2) der Tangenten (T1, T2, T3, T4) zwischen 5° und 30°, insbesondere 10° und 20° liegen.

6. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsradien (R1, R2) der radnabenseitigen Bögen 1/8 bis 1/3, insbesondere 0,20 des Radnabenaußendurchmesser (D2) betragen.

7. Schienenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsradien (R3, R4) der radkranzseitigen Bögen 1/6 bis 1/2, insbesondere 0,25 der Radkranzbreite (B) betragen.

8. Verwendung eines Schienenrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Klotzbremsung.