DE19905954C2 - Radreifen oder Rad für Schienenfahrzeuge hoher Geschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 auf

• - einen metallischen Radreifen (1) eines mehrteiligen Rades (2) - nachfolgend auch kurz "Radreifen" genannt -

oder auf

• - ein einteiliges metallisches Rad (2') - nachfolgend auch kurz "Rad" genannt.

Der Radreifen bzw. das Rad weisen einen Laufbereich auf, der eine Lauffläche (1') und einen Spurkranz (7) umfasst. Dabei ist der Radreifen (1) bzw. das Rad (2') für Schienenfahrzeuge hoher Geschwindigkeit bestimmt.

In der letzten Zeit zeigen sich gehäuft Probleme an der Dauerfestigkeit der Radreifen von Hochgeschwindigkeitszügen. Sie kumulieren in dem schweren Unfall von Eschede bei Celle. Die Anstrengungen zur Kontrolle der Räder bzw. Radreifen wurden daraufhin erhöht. Die Befürchtung, dass die gefundenen Schäden - einschließlich derer am so folgenschwer entgleisten Zuge - damit zusammenhingen, dass der Radreifen eines zweiteiligen Rades schwächer sei als ein einteiliges Rad, führte zur Renaissance der an sich altbekannten einstückigen Radkonstruktionen.

Aufgrund eigener Wahrnehmungen bezweifelt der Erfinder, dass diese Maßnahmen alleine ausreichen werden, ohne zu verkennen, dass sie bereits das Sicherheitsniveau steigern werden.

Es sind luftbereifte Fahrwerke für Schienenfahrzeuge bekannt, zum Beispiel an einer Linie der Pariser Métro. Diese Bahn hat eine Höchst­ geschwindigkeit von nur etwa 80 km/h. Wie an sich für Luftreifen üblich, so haben auch diese Reifen ein Laufflächenprofil. Es weist im wesentlichen Längsrillen auf. Über einen Prototypen für diese Bahn berichtet 1995 in der Zeitschrift "ZEV + DET" aus der Georg Siemens Verlagsbuchhandlung im Teil "Nahverkehr, Fahrwerke" ein Aufsatz von Alain Rodet und Serge Guibereau ab Seite 442. Als Vorteile dieser Konstruktion, die einen höheren Rollwiderstand hinnimmt, werden ein erheblich höherer Reibungsbeiwert und damit höhere Beschleunigung und Verzögerung sowie eine bessere Schwingungsisolation genannt.

Aus der DE-OS 19 30 543, veröffentlicht im Dezember 1970, ist ein Laufbereich für ein metallisches Schienenrad bekannt, welches eine oder mehrere Längsrillen aufweist. Diese Rillen sollen bei der weit überwiegenden Geradeausfahrt verquetschtes Metall so aufnehmen, dass es bei kurvenbedingter Verlagerung der Druckaufstandsfläche relativ zum Spurkranz nicht in der Druckaufstandsfläche abrupt überrollt wird mit ansonsten eintretenden Beschädigungen der spurkranz­ abgewandten Enden der Lauffläche. Dementsprechend sollen sich diese metallaufnehmenden Rillen am spurkranzabgewandten Rande der bei Geradeausfahrt beanspruchten Druckaufstandsfläche befinden.

Aufgabe der Erfindung ist es, zu einer noch höheren Sicherheit im schnellen Bahnverkehr zu kommen, ohne dabei zu so teuren Maßnahmen zu greifen, dass dem Schnellbahnnetz in der Konkurrenz zum Flugzeug die wirtschaftliche Grundlage entzogen wird.

Beim vorliegenden Sachverhalt liegt das größte Problem darin, dass die Kausalkette so kompliziert ist, dass selbst das mit großem Aufwande erstellte Gutachten über den Unfall von Eschede den Schadenshergang nicht vollständig plausibel erklären kann. Fest steht aber immerhin, dass ein gebrochener Radreifen eine wesentliche Zwischenstation in der Kausalkette darstellte. Die Gutachter bezweifeln, dass der Radreifen­ bruch die alleinige Ursache ist und fassen als weiteres mögliches Kausalglied eine Weiche ins Auge. Entsprechend der noch herrschenden Ungewissheit muss erfinderische Tätigkeit zur Sicherheitserhöhung an Hochgeschwindigkeitszügen mit einer kreativen Analyse des Schadensherganges beginnen.

Nachfolgend entwickelt der Erfinder seine Hypothese zum Schadens­ ablauf und der damit verbundenen Kausalkette, die Elemente enthält, die die überdurchschnittlichen Fachleute des Eisenbahnbaues im Gutachten zum Bahnunglück von Eschede nicht gesehen haben:

Gemäß der Hertzschen Theorie zur Berührung zweier elastischer Körper, hier in erster Näherung betrachtbar als Berührung eines - in etwa - zylinderförmigen Rades auf einer - in etwa - ebenen Schiene der Breite b, führt zu einer Länge der Aufstandsfläche in Fahrtrichtung von 2a, wobei a etwa das 1,522-fache aus der Wurzel des Quotienten aus Aufstandskraft und Radradius des Rades als Faktoren im Zähler und E- Modul und Schienenbreite b als Faktoren im Nenner. Im Folgenden sei für eine Überschlagsrechnung von einem Radradius von 500 mm ausgegangen bei einer Schienenbreite von (für die stärkste Type S64) 74 mm. Die Aufstandskraft pro Rad betrage 70.000 N, also etwa 7 Tonnen. Mit diesen Werten kommt man auf a = 2,284 mm. Die gesamte Aufstandsflächenlänge beträgt also nur 4,568 mm.

Ausgehend vom eigenen Hören der Laufgeräusche scheint sich Folgendes auf nassen Schienen abzuspielen: Von der nassen Schiene wird Wasser nur im Bereich vor dem Druckmaximum verdrängt, also auf einer Aufstandsflächenlänge von 2,284 mm. Dabei staut sich das Wasser vor dem Radeinlauf, was die Wasserabfuhr nach vorne nahezu unmöglich macht. Gemäß dieser Theorie wird daher das Wasser nur nach axial außen hin unbehindert aus der Aufstandsfläche heraus gedrückt und nach axial innen hin behindert durch den Spurkranz. Wegen der Behinderung innenseitig ist ferner angenommen, dass die Wasserabfuhr nach axial außen dreimal so groß ist wie die nach axial innen. Mit diesen Annahmen ergibt sich ein axialer Wasserabfuhrweg zur Fahrzeugaußenseite von 55,5 mm. Er ist also um den Faktor 24,3 länger als die halbe Aufstandsflächenlänge in Fahrtrichtung.

Die größtmögliche Wasseraustriebsgeschwindigkeit ist gleich der Schall­ geschwindigkeit des Wassers. Gemittelt über dem Wasserabfuhrweg ist die Austriebsgeschwindigkeit kleiner, weil das Wasser zunächst vom Stillstand aus beschleunigt werden muss. Wird die Wasserabfuhr über steigender Fahrgeschwindigkeit betrachtet, so ist also spätestens mit dem 24,3. Bruchteil der Schallgeschwindigkeit die Grenzgeschwindigkeit erreicht, ab der nicht mehr alles Wasser aus der Aufstandsfläche ausgetrieben werden kann. Mit der Schallgeschwindigkeit im Wasser von etwa 1.460 m/s, also 5256 km/h, ist die Zug-Grenzgeschwindigkeit bei 216,3 km/h abzuschätzen, also unterhalb der Geschwindigkeit, die die aktuellen ICE erreichen. Den Beschleunigungsbedarf des Wassers am Anfang der Aufstandsfläche mitberücksichtigend schätzt der Erfinder die tatsächliche Kavitationsgrenzgeschwindigkeit um gut 20% niedriger liegend, also etwa bei 170 km/h. Diese an sich einfach erscheinenden, aber bislang in der Eisenbahntechnik nie angestellten Überlegungen lehrten dem Erfinder, dass in der Aufstandsfläche zwischen Rad und Schiene bei den gefahrenen hohen Geschwindigkeiten Wasser verbleibt. Ab einer - wie oben abgeschätzten - Grenzgeschwindigkeit wird dem Wasser nämlich nicht mehr genügend Zeit eingeräumt die Aufstands­ fläche vor Erreichung des Druckmaximums vollständig zu verlassen.

Im folgenden wird ein Rad betrachtet, das oberhalb der Grenz­ geschwindigkeit betrieben wird: Das noch im Bereich des Druck­ maximums vorhandene Wasser zwischen Rad und Schiene gelangt beim Weiterrollen des Rades in eine Zone rasch abnehmenden Druckes und alsbald sogar - etwa am in Fahrtrichtung gesehen hinteren Ende der Aufstandsfläche - in eine Zone von Unterdruck. Dabei wird der Dampf­ druck unterschritten. Es treten also feine Wasserdampfbläschen aus, die in küzester Zeit danach, wo der äußere Luftdruck wieder die Oberhand gewinnt, implodieren. Kurzum, es herrschen Kavitationsbedingungen.

Für die Einschätzung, dass es sich im wesentlichen um ein Kavitations­ problem handelt, sprechen die wahrnehmbaren und zuvor nie so gedeuteten Fahrgeräusche. Dass - insoweit der Erfinder Kenntnis erlangt hat - sämtliche Eisenbahnfachleute auf diese Hypothese bislang nicht gekommen sind, liegt möglicherweise daran, dass Eisenbahnfachleute kaum etwas mit Schiffspropellern oder Wasserturbinen zu tun haben. Auch die bleibenden Spuren an solchen witterungsausgesetzten Schienenabschnitten, die nur von Hochgeschwindigkeitszügen befahren werden, also nicht durch langsamere Züge immer wieder geglättet werden, sprechen für diese neuartige Hypothese.

Es kommt also sowohl am Rad als auch an den Schienen zu winzigen, linienartig aufgereihten Materialausbrüchen. Dieser Effekt ist am Rade weitaus größer als an den Schienen, zum einen, weil hier die Überrollungszahl für jedes Flächenelement viel höher ist und zum anderen, weil hier zur Kavitations- und Biegewechselbelastung noch erhebliche Fliehkräfte hinzutreten. So gut eine solchermaßen aufgerauhte Oberfläche für den Kraftschluss sein mag, für die Dauerfestigkeit müsste sie drastische Nachteile bedeuten.

Am einfachsten zu betrachten ist der Extremfall, bei dem die Ausbruch­ tiefe gleich oder größer der Radeinfederung nach der Hertzschen Pressungstheorie ist. Dann ist die Druckschwellungszahl nicht mehr gleich der Raddrehzahl und die zumindest bei Radreifen relevantere Biegewechselzahl nicht mehr gleich dem Doppelten der Raddrehzahl, sondern die jeweilige Wechselzahl liegt um Zehnerpotenzen höher, weil nicht mehr ein rundes Rad, sondern quasi ein Zahnrad mit sehr vielen Zähnen abläuft. Vor Erreichen dieses Extremfalles wird der - schwer zu quantifizierende - Fall erreicht, dass den nach Hertz zu berechnenden Druckschwellspannungen und Biegewechselspannungen sehr viel höherfrequente Schwellspannungen überlagert werden. Aber auch für diesen Fall ist klar, dass die viel höhere Belastungsfrequenz zu einer viel rascheren Werkstoffermüdung, also einem nach den hergebrachten Kenntnissen unerwartet frühen Werkstoffversagen führen muss.

Kavitationsnarben beschleunigen auch die Korrosion. Während sie selbst am Rade deutlicher sind, müssen deren Folgeschäden an den Schienen stärker sein, auf denen vermehrt Wasser stehen bleibt und deren Angriffsoberfläche zudem durch die Narbungen vergrößert wird. Und bei der nächsten Überrollung wird Wasser unter hohem Druck in jede Kaviatationsnarbe hereingedrückt. Dieser Folgeeffekt müsste besonders rasch verlaufen an relativ biegeweichen Schienenstücken, müssten sich also konzentrieren auf Weichenzungen und Weichenherzen.

Entsprechend dieser Analyse und dem Wunsche, die Geschwindigkeit eines mit Flugzeug und Magnetschwebebahn konkurrierenden Zuges nicht auf ca. 170 km/h zu begrenzen, möchte der Erfinder der Kavitation das Wasser entziehen, bevor das Druckmaximum in der Aufstandsfläche überschritten ist. Dafür erwog er zunächst:

• 1. den Durchmesser des Laufbereiches - das ist die Lauffläche und der Spurkranz - zu vergrößern

und/oder

• 1. schmalere und/oder balligere Gestaltung der Aufstandsfläche zwischen Schiene und Radlauffläche.

Zu 1

Wenn diese Maßnahme in Alleinstellung betrachtet wird, sollte also der Radradius für eine Geschwindigkeit v folgenden Wert haben:

r = 500 mm × (v/170 km/h)².

Für 250 km/h ergäbe sich also der an Waggons kaum (an Lokomotiven oder Triebköpfen schon eher) verwirklichbare Radius von 1.081 mm. Nun kann aber um den Faktor, um den der Radradius bzw. Radreifen­ radius vergrößert wird, bei Konstanthaltung der maximalen Pressung, die Anpresskraft vergrößert werden, also - bei gleichem Zuggewicht - die Achsenanzahl reduziert werden. Wird diese Maßnahme mit der oben genannten Möglichkeit der Radienvergrößerung kombiniert, so entfällt die Quadrierung des Geschwindigkeitsquotienten; die Formel für den benötigten Radius lautet also dann:

r = 500 mm × (v/170 km/h).

Für 250 km/h sollte also dann der Radius auf etwa 735 mm vergrößert werden, die Belastung pro Rad sollte ebenfalls um 47% steigen, die Anzahl der Achsen pro Zuglänge entsprechend reduziert werden, beispielsweise durch Verlängerung der Waggons ohne Erhöhung der Achsenanzahl pro Waggon oder durch Übergang auf an sich bekannte Einachsen-Drehgestelle.

So gründlich das bestehende Problem augenscheinlich durch eine Radradiusvergrößerung gelöst werden kann, so deutlich ist aber auch, dass dies nur im Rahmen eines ganz neuen Fahrzeugkonzeptes möglich wäre und überdies, dass selbst dann das Problem der Raumausnutzung oberhalb der Drehgestelle ohne Erhöhung des Schwerpunktes kaum möglich wäre, es sei denn, dass eine so große Spurweite gewählt würde, dass Raum zwischen statt über den Rädern genutzt würde. Kurzum, dies könnte eine Lösung für übermorgen sein, ist aber viel zu aufwendig - technisch und politisch - um eine für morgen zu sein.

Zu 2

Die Radbreite zu verringern würde in Weichen eine besonders genaue Radführung oder engere Schienenspalten erfordern, berührt also Fragen der Sicherheit und Kompatibilität. Sie wird darum verworfen. Eine Verringerung der Schienenbreite, beispielsweise Übergang auf die Gleistype S49 mit einer Kopfbreite von 67 mm, würde die Kavitations­ grenzgeschwindigkeit nur auf ca. 190 km/ erhöhen, reichte also nicht aus und würde zudem die Schienenfestigkeit und die Kompatibilität des Schienennetzes zu anderen Schienenfahrzeugen beeinträchtigen.

Natürlich würde die Kombination aus den Maßnahmen 1 und 2, also die Schienenköpfe schmaler zu halten und den Radradius zu vergrößern, besonders viel Erfolg versprechen, ist jedoch, wie oben schon dargelegt, in den bestehenden Konzepten nur in sehr engen Grenzen möglich. Darum werden in dieser Anmeldung die folgenden Möglichkeiten herausgestellt:

• 1. Anordnung mindestens einer in Umfangsrichtung verlaufenden Rille (5) in der Lauffläche (1'), welche die Aufstandsfläche zwischen Radreifen (1) bzw. Lauffläche (1') einerseits und Schiene (4) andererseits in mindestens zwei axial nebeneinander liegende Einzelaufstandsflächen aufteilt, und/oder
• 2. Ausbildung der Kehle zwischen Spurkranz (7) und Lauffläche (1') als Hohlkehle.

Zu 3

Schon durch eine einzige Rille wird der axiale Wasserabfuhrweg verkürzt und das in der Längsnut aufgenommene Wasser kann in Längsrichtung, insbesondere nach hinten, abgeführt werden.

Gegenüber der zuvor genannten DE-OS 19 30 543 liegt die unter 3. genannte Rille also etwa mittig in dem Bereich der Druckfläche, der überwiegend genutzt wird, vorzugsweise sogar etwas näher am Spurkranz; siehe dazu auch die Ansprüche 5 und 6.

Zu 4

Die Hohlkehle verringert die den Wasserabfluss nach axial innen drosselnde Wirkung des Spurkranzes. Die Hohlkehle sieht aus wie ein überdimensionierter Freistich; seine Haupterstreckungsrichtung im Querschnitt kann radial, oder axial oder - bevorzugt - diagonal, sein.

Die Maßnahmen zu 3. und 4. sind gut miteinander kombinierbar und vergrößern dabei den erwünschten wasserabführenden Effekt. Im Gegensatz zu schräg zur Umfangsrichtung verlaufenden Nuten, die auch eine gewisse Verbesserung der Entwässerung bringen, erhöhen die Maßnahmen zu 3. und 4. nicht das Laufgeräusch; es ist sogar eine Verringerung des Laufgeräusches zu erwarten. Überdies sind die Maßnahmen zu 3. und 4. auch mit denen zu 1. und 2. kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert, auf die sich jeweils eine Figur bezieht. Jede dieser Figuren im 1 : 4 verkleinernden Maßstabe illustriert ein Mittel oder eine Kombination von Mitteln zur verbesserten Wasserabfuhr aus der Aufstandsfläche eines Schienenrades, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine nach radial außen sich öffnende Umfangsrille in einem Radreifen

Fig. 2 eine einem übergroßen "Freistich" ähnliche Hohlkehle am Übergang von der Lauffläche zum Spurkranz

Fig. 3 eine Kombination aus zwei sich nach radial außen öffnenden Umfangsrillen in einer Radlauffläche und einer Hohlkehle an deren Übergang zum Spurkranz.

Das erste Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1. Auf der ausschnittsweise gezeigten Achse 3 sitzt ein zweiteiliges Rad 2. Dessen Radreifen 1 passt zu einer Schiene 4 der Bemessung "S64" nach DIN 5902 mit 74 mm Kopfbreite. Als Mittel zur verbesserten Wasserabfuhr weist dieser Radreifen eine einzige, in Längsrichtung verlaufende, Nut 5 auf. Diese beginnt in einem Abstande von 25 mm vom Spurkranz und ist 7 mm breit. Sie ist 11 mm tief und in ihrem Grunde 6 verrundet. Sie hat eine Querschnittsfläche von etwa 70 mm².

Die leicht außermittige Anordnung der Nut 5 verbessert vor Allem die Entwässerung der an den Spurkranz 7 angrenzenden Hälfte der Lauf­ fläche 1'. Darum wird angenommen, dass nur noch die Hälfte und nicht mehr drei Viertel der Radbreite nach axial außen entwässert wird. Der größte Wasserabfuhrweg beträgt also nur noch 37 mm anstatt früher 55,5 mm. Dementsprechend steigt - wenn sich nicht die Pressung verändert - die Kavitationsgrenzgeschwindigkeit von ehedem 170 km/h auf 255 km/h, reicht also aus. Besonders für noch höhere Fahr­ geschwindigkeiten empfiehlt sich eine größere Zahl von Längsnuten.

Die von 74 auf 67 mm gesunkenen Aufstandsflächenbreite lässt die Pressung um 5,1% steigen. In vielen Fällen erscheint dies akzeptabel; wo nicht, könnte die Pressung durch eine Erhöhung des Abrollradius um gut 10%, nämlich (von ehedem 500 mm) auf 552 mm, gesenkt werden, was für sich schon die Kavitationsgrenzgeschwindigkeit um gut 5% weiter steigen lässt, also unter den getroffenen Annahmen auf 268 km/h. Wo auch dieses unmöglich ist, muss entweder das Zuggewicht pro Zuglänge reduziert werden oder es muss die Achsenanzahl pro Zuglänge erhöht werden, beispielsweise durch kürzere Waggons.

Im folgenden wird abgeschätzt, bis zu welcher Wasserstandshöhe auf den Schienen die erfindungsgemäße Rille 5 wirkt: Ausgehend davon, dass die Rille 5 ein Viertel des insgesamt zu verdrängenden Wassers aufnehmen soll, also aus einer Wasserspurbreite von 18,5 mm belastet wird, folgt bei einer Rillenweite von 7 mm, dass der Wasserstand in der Rille etwa um den Faktor 18,5/7, also 2,64, größer sein muss als auf der Schiene. Da Verwirbelung und Vernebelung zur Aufnahme von Luftbläschen führen, ist anzunehmen, dass sich die Rille nur etwa zur Hälfte mit Wasser füllen lässt. Hiervon ausgehend muss die Rille also etwa um den Faktor 5,3 tiefer sein als der Wasserfilm auf den Schienen. Andersherum gesagt: Die in diesem ersten Ausführungsbeispiel empfohlene Rillentiefe von 11 mm müsste für eine Wasserfilmhöhe von gut 2 mm ausreichen; und mehr sollte wohl kaum vorkommen.

Wie an sich bekannt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel zur Verringerung der Körperschallübertragung zwischen dem Schienenrad­ reifen einerseits und dem radial inneren Teil 9 des mehrteiligen Rades 2 zwei ringförmige Gummifedern oder dergleichen angeordnet.

Neben dem für die Erfindung unwesentlichen Unterschied, dass hier das Rad 2' einteilig ausgeführt ist, unterscheidet sich das Beispiel gemäß Fig. 2 insofern von Fig. 1, als hier ein anderes Mittel zur verbesserten Abfuhr von Wasser aus der Aufstandsfläche gezeigt ist: Eine Hohlkehle 8 an der Wurzel des Spurkranzes 7.

Das Wasseraufnahme- und Wasserableitvermögen dieser groß bemessenen Hohlkehle 8 verschiebt die Wasserscheide - das ist die Grenzlinie, auf deren Linken das Wasser nach links abgeleitet wird und auf deren Rechten das Wasser nach rechts abgeleitet wird - weiter in Richtung Laufflächenmitte, allerdings natürlich ohne diese exakt erreichen zu können. Es wird im Folgenden angenommen, dass sich die Wasserscheide bei einem Drittel der wirksamen Breite der Lauffläche 1' einstellt. (Der Teil der Lauffläche 1', der den Schienenkopf zur axial äußeren Seite des Fahrzeuges hin überragt, ist für das hier behandelte Problem unwirksam.) Der maximale Wasserabfuhrweg beträgt dann also nur noch 49,7 mm anstelle von ehedem 55,5 mm.

Die Kavitationsgrenzgeschwindigkeit steigt damit immerhin von ehemals 170 km/h auf 190 km/h. Trotz beträchtlicher Wirksamkeit ist dieses Mittel also bei isolierter Anwendung weniger wirksam als das zuerst gezeigte Mittel einer Längsnut etwa mittig im Aufstandsflächenbereich.

Bei der Bemessung kommt es darauf an, dass a) der Spurkranz 7 zu beiden axialen Seiten hin die Führungsfunktion - vor Allem beim Passieren von Weichen - erfüllen kann, b) ausreichend fest mit dem Rade 2' verbunden ist und c) die Hohlkehlenquerschnittsfläche genügend groß und umlenkungsarm für das aufzunehmende Wasser ist, um die gewünschte entwässernde und damit kavitationsverhindernde Wirkung wirklich zu erfüllen. Im vorliegenden Beispiel ist die etwa diagonale Hohlkehle 8 so bemessen, dass sich gemessen vom Kopf der Schiene 4 bis zum Grunde der Hohlkehle eine wirksame Kehlentiefe von 15 mm ergibt bei einer Kehlenweite von etwa 7 mm. Damit die Kehle die Anbindung oder Wurzel des Spurkranzes 7 nicht zu sehr schwächt, ist ein Querschnittsflächenausgleich durch eine umlaufende Verdickung des Rades 2' nach axial innen hin geschaffen. Zur weiteren Steigerung der Festigkeit ist ein Druckeigenspannungen erzeugendes Kugelstrahlen der Hohlkehlenoberfläche möglich. Selbstverständlich ist die Hohlkehle besonders glatt und verrundet zur Vermeidung von Kerbspannungen. Wie schon in der Fig. 1 so sind auch hier und bei der nächsten Figur die üblichen Maßnahmen zur Gewichtsreduktion des Rades 2 bzw. 2' - wie ein Speichenmuster ergebende Abfolge in Umfangsrichtung von im wesentlichen radialen Verjüngungen Verdickungen, eine Einschnürung zwischen Laufflächenteil 1 bzw. 1' und Nabenteil oder auch eine hohle rohrartige Ausführung der Achse 3 nicht dargestellt, weil sie für die Erfindung genauso unwesentlich sind wie die Frage der Lagerung der Achse 3. Die Nicht-Darstellung solcher Mittel und Maßnahmen bedeutet also nicht etwa, dass sie nicht vorhanden sein dürften.

Ein Vorteil des in Fig. 2 gezeigten Mittels liegt darin, dass es keinen Einfluss auf die Pressung zwischen Rad und Schiene hat. Deshalb ist es beonders leicht einsetzbar und überdies mit dem in Fig. 1 gezeigten Mittel kombinierbar.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Es bezieht sich in seiner Bemessung wie die beiden vorherigen auf eine Schiene 4 der Type S64. Hier jedoch sind zwei Umfangsnuten 5 in die Lauffläche 1' eines einteiligen Rades 2' gedreht. Das Rad ist mit einer Achse 3 verbunden, die ausschnittsweise dargestellt ist. Grundsätzlich kann mit einer erhöhten Anzahl von Umfangsrillen 5 die Kavitations­ grenzgeschwindigkeit noch weiter erhöht werden, weil die axialen Wasserabfuhrwege noch kürzer werden und so mehr Wasser vor Erreichen des Pressungsmaximums aus der Aufstandsfläche heraus gedrückt werden kann.

Solche Gestaltungen empfehlen sich auch, wenn der Waggonleichtbau zu leichteren Waggons führt, was ansonsten zu geringeren Pressungen führen würde und damit einer Verschärfung des Kavitationsproblemes. Eine erhöhte Nutenanzahl führt infolge des Verlustes an Aufstands­ flächenbreite zu einer Vergrößerung der Aufstandsflächenlänge und lässt dem Wasser damit mehr Zeit zum Entweichen. Weiterhin wird die - allerdings schwer abschätzbare - Wasserbeschleunigungszeit durch den hohen Druck verkürzt. Und wie gesagt, was den stärksten Effekt hat, wird der axiale Wasserabfuhrweg noch weiter verkürzt.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 haben beide Nuten 5 eine Breite von 6 mm und eine Tiefe von 10 mm mit verrundetem Nutengrund 6. Vom Spurkranz 7 aus gezählt beginnt die erste Nut in einem Abstande von 18 mm und reicht bis 24 mm Radbreite. Die nächste Nut beginnt bei 44 mm Radbreite und reicht bis 50 mm Radbreite. Das nächste Positiv reicht also von 50 mm bis 74 mm. Der längste Wasserabfuhrweg ist also so noch weiter auf 24 mm verkürzt.

Zur weiteren Verbesserung der Wasserabfuhr an der schwierigeren, dem Spurkranz 7 zugewandten Seite ist die Spurkranzwurzel als Hohlkehle 8, womit ein Hinterschnitt gemeint ist, ausgebildet. Hier kann Wasser aufgenommen werden ohne die Aufstandsfläche zu verkleinern.

Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf die drei konkret gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Ähnliche Wirkungen lassen sich mit jeder Art von im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen in der Lauffläche oder der Verbindung zwischen Lauffläche und Spurkranz erzeugen. Es sind sogar leicht schräg gestellte Nuten und/oder Bohrungen möglich, was allerdings zu höherem Laufgeräusch führen muss. Das Entscheidende ist, dass es zu einer Verringerung der Werkstoffermüdung infolge Kavitation kommt, dass also die Kavitationsgrenzgeschwindigkeit höher getrieben wird als die maximal vorgesehene Fahrgeschwindigkeit.

Die Beschreibung zusammenfassend geht es also darum, die Dauerfestigkeit der Radreifen (1) bzw. Radlaufflächen (1') von Hochgeschwindigkeitszügen zu verbessern. Hierzu wird erfindungs­ gemäß vorgeschlagen, Mittel zur Erhöhung der Wasserabfuhr aus der Aufstandsfläche am Rade und/oder den Schienen anzuordnen. Damit soll sichergestellt werden, dass - in Fahrtrichtung gesehen - hinter dem Pressungsmaximum kein Wasser sich mehr in dem aufgehenden Spalt zwischen Radreifen (1) bzw. Radlauffläche (1') befindet, welches infolge dort auftretenden Unterdruckes ansonsten - so die neue Erkenntnis - Kavitation erzeugen könnte.

Mit der "Kavitationsgrenzgeschwindigkeit" wird ein für Schienen­ fahrzeuge neuer Begriff eingeführt. Die Kavitationsgrenzgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, ab der hinter dem Pressungsmaximum bei feuchter Witterung Kavitation entsteht. Sie soll erfindungsgemäß höher liegen als die Höchstgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges. Es werden Rechenverfahren zur Vorausabschätzung der Kavitations­ grenzgeschwindigkeit angegeben.

Als Mittel zur Wasserabfuhr werden besonders in Umfangsrichtung verlaufende Rillen empfohlen, die im Bereich der Lauffläche (1') selber und/oder an dessem axial inneren Rande, also in der Kehle zum Spurkranz (7) angeordnet sein können; eine Rille in letztgenannter Anordnung wird als Hohlkehle (8) bezeichnet. Darüberhinaus können diese Mittel mit denen einer Durchmesservergrößerung, Schienen­ verschmalerung, Spurweitenerhöhung und Erhöhung der Balligkeit des Schienenprofiles und/oder der Radlauffläche (1') kombiniert werden.

Die folgende Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Beschreibung. 1 Radreifen aus Metall, vorzugsweise einer Stahllegierung
1' Lauffläche eines metallischen Radreifens 1 oder eines einteiligen metallischen Rades 2
2 mehrteiliges Rad
2' einteiliges Rad aus Metall, vorzugsweise einer Stahllegierung
3 Achse
4 Schiene
5 in Längsrichtung verlaufende Rille (= Nut) in 1 oder 1'
6 Nutengrund
7 Spurkranz
8 Hohlkehle an der Spurkranzwurzel
9 radial inneres Teil von 2
10 ringförmige Gummifeder zwischen 1 und 9 von 2

Claims (12)

1. Metallischer Radreifen (1) eines mehrteiligen Rades (2) oder einteiliges metallisches Rad (2')

• - mit einem Laufbereich der eine Lauffläche (1') und einen Spurkranz (7) umfasst,
• - wobei der Radreifen (1) bzw. das Rad (2') für Schienenfahrzeuge hoher Geschwindigkeit bestimmt ist und

dadurch gekennzeichnet ist,

• - dass der Radreifen (1) bzw. das einteilige Rad (2') im Laufbereich (Lauffläche 1', Spurkranz 7) zumindest ein Mittel (Rille 5, Hohlkehle 8) zur Verkürzung des axialen Wasserabfuhrweges und somit zur rascheren Wasserabfuhr aus seiner Aufstandsfläche enthält.

2. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - dass ein Mittel zur Verkürzung des axialen Wasserabfuhrweges eine oder mehrere Rillen (5) ist bzw. sind.

3. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - dass die Kehle zwischen dem axial inneren Ende der Lauffläche (1') und dem axial äußeren und radial inneren Ende des Spurkranzes (7) als Hohlkehle (8) ausgeführt ist
• - und somit als ein Mittel zur Verkürzung des axialen Wasserabfuhrweges wirkt.

4. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine der Rillen (5) und/oder die Hohlkehle (8) in Umfangsrichtung erstrecken.

5. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Rillen (5) schräg zur Umfangsrichtung verlaufen.

6. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

• - dass sich mindestens eine in Umfangsrichtung erstreckende Rille (5)
• - etwa mittig in der Lauffläche (1') befindet,
  sodass hierdurch die Aufstandsfläche zwischen Radreifen (1) bzw. Lauffläche (1') einerseits und Schiene (4) andererseits in mindestens zwei axial nebeneinander liegende Einzelaufstandsflächen aufgeteilt ist.

7. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - dass sich genau eine in Umfangsrichtung erstreckende Rille (5) in der Lauffläche (1') befindet,
• - wobei deren Mitte um 30% bis 45%
  vorzugsweise um 35% bis 40%
  der größten für diesen Radreifen (1) bzw. dieses einteilige Rad (2')
  vorgesehenen Schienenkopfbreite
  axial außerhalb des axial äußeren Endes des Spurkranzes (7) angeordnet ist.

8. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - dass sich genau zwei in Umfangsrichtung erstreckende Rille (5) in der Lauffläche (1') befinden,
• - wobei die Mitte der ersten (5) um 20% bis 35% vorzugsweise um 25% bis 30%
• - und wobei die Mitte der zweiten (5) um 55% bis 70%
  vorzugsweise um 60% bis 65%
  der größten für diesen Radreifen (1) bzw. dieses einteilige Rad (2')
  vorgesehenen Schienenkopfbreite
  axial außerhalb des axial äußeren Endes des Spurkranzes (7) angeordnet ist.

9. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - dass zwecks weitestgehender Vermeidung von Werkstoffermüdung infolge Kavitation der Radreifen (1) bzw. das einteilige Rad (2') in der Lauffläche (1') zwei in Umfangsrichtung verlaufende Rillen (5) aufweist
• - einer Tiefe von mindestens 8 mm, vorzugsweise etwa 11 mm und
• - einer Breite von mindestens 5 mm, vorzugsweise etwa 7 mm,
• - welche die Gesamt-Aufstandsfläche in drei axial nebeneinander liegende Einzelaufstandsflächen aufteilen, und,
• - dass der Radreifen (1) bzw. das einteilige Rad (2') eine Hohlkehle (8) von
• - mindestens 10 mm Tiefe und
• - mindestens 5 mm Breite, an der axial äußeren Wurzel des Spurkranzes (7) aufweist.

10. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkehle (8) glatt und im Querschnitt verrundet ausgebildet ist zur Verminderung von Kerbspannungen.

11. Metallischer Radreifen (1) oder einteiliges metallisches Rad (2') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Hohlkehle (8) unter Druckeigenspannungen steht.

12. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Radreifens (1) oder eines einteiligen metallischen Rades (2') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Hohlkehle (8) einem Kugelstrahlen unterzogen wurde.