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Während der
vergangenen Jahre hat das Problem, das die Wirkung der Bremssysteme
auf die Lebensdauer und die physischen Eigenschaften der Eisenbahnräder darstellt,
ein wachsendes Interesse hervorgerufen. Heutzutage gibt es mehrere
Bremssysteme, die in Waggons und Eisenbahnfahrzeugen Anwendung finden.
Darunter sind die Bremsschuhe, die direkt auf die Radoberflächen, wie
zum Beispiel auf die Lauffläche
der Felge, wirken, die Bremssysteme durch Reibung auf eine entsprechende
Bremsscheibe und die elektrischen Bremssysteme mit direkter Wirkung
auf das Traktionssystem, sowie Kombinationen aus verschiedenen Systemen
zu erwähnen.
Jedes davon hat oder kann eine unterschiedliche Wirkung auf das
Eisenbahnrad haben, aber im allgemeinen ist die Zerstreuung der
Wärme,
die unter der Wirkung des Bremssystems durch das Volumen des Rades
erzeugt wird, im Prinzip ein mögliches Phänomen, ungeachtet
des Systems, sei es durch direkte Reibung der Schuhe auf dem Rad
oder durch Phänomene
der Blockierung oder Gleitung des Rades auf der Schiene. Obwohl
das Vorhandensein von Phänomenen
von Gleitung des Rades auf der Schiene während der Traktionsschritte
zu einem geringeren Anteil ebenfalls Wärmeauswirkungen auf die Eisenbahnräder haben
kann.
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Unter
allen möglichen
Auswirkungen, die die Bremssysteme auf die Eigenschaften des Rades
haben können,
muß das
Vorkommen von unumkehrbaren axialen Verschiebungen der ganzen Felge
oder eines Teiles derselben hinsichtlich der Anfangsgeometrie des
starren Festkörpers
(in horizontaler Richtung und senkrecht zu derjenigen der Fortbewegung des
Zuges) in Betracht gezogen werden, sowohl in der Zeit, wo in Anbetracht
der zerstreuten Wärme sich
das Rad bei Temperaturen befindet, die höher sind als die Umgebungstemperatur,
als auch nachher ebenfalls beim Abkühlen bis auf diese letzte Temperatur.
Eine zweite mögliche
Auswirkung auf das Rad ist die Veränderung des Wertes der Tangentialspannungen,
die im Volumen der Felge aufgrund der thermischen Zyklen der Bremsung
oder starker Bremsungen von ziemlich kurzer Dauer bestehen. Dieser Verlauf
des Feldes der Spannungen verändert
offensichtlich den Zustand der Tangentialspannungen, die zum Zeitpunkt
der Herstellung des Rades existieren, dessen Optimierung dazu beiträgt, das
Risiko vor Fehlen der Räder
im Betrieb zu minimieren (und folglich zur Sicherheit der Bewegung
des Zuges beiträgt, wie
eine Tatsache solcher Art bedeuten könnte).
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Es
sind bereits Räder
bekannt, die versuchen, die erwähnten
Probleme zu lösen,
und erlauben, eine Reduzierung der unumkehrbaren Verschiebungen
der Felge dank der Änderung
der Geometrie des Radkörpers
zu erhalten.
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Ein
Eisenbahnrad mit einem veränderten Radkörper ist
aus der
EP 0.798.136 bekannt,
wo ein Eisenbahnrad mit einer Mittelebene beschrieben ist, die zu
der Achse XX' der
Drehung des Rades senkrecht ist, und das einen Radkörper aufweist,
das eine erste Krümmung
in Verbindung zwischen dem Radkörper
und der Felge hat, das durch eine zweite Krümmung in Verbindung zwischen
dem Radkörper und
der Nabe verlängert
ist, wobei sich die erste Krümmung
rechts von der Mittelebene und die zweite links von der mittleren
Ebene befindet, und symmetrisch ist.
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Der
Anmelder ist der Ansicht, daß diese
Geometrie es nicht schafft, die erwähnten Probleme und die Anforderungen
der modernen Eisenbahnen zufriedenstellend zu überwinden.
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Die
FR
248.993 A , die am nächsten
den Stand der Technik nach der Präambel von Anspruch 1 darstellt,
umfaßt
ein vollwandiges Rad, das eine geringe Masse und eine hohe Formstabilität in einer
axialen Richtung hat. Das vollwandige Rad weist einen Radkörper, eine
Nabe und eine Felge auf, bei dem der Radkörper aus drei Teilen zusammengesetzt
ist, gekrümmt
nach einer Kosinusfunktion zwischen einem Punkt, wo der Radkörper mit
der Felge verbunden ist, und dem Punkt, wo der Radkörper mit
der Nabe verbunden ist, bei dem der Punkt, wo der Radkörper mit
der Felge verbunden ist, und der Punkt, wo der Radkörper mit
der Nabe verbunden ist, sich in der Berührungsebene zwischen dem Rad
und der Schiene befinden.
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Die
DE 27.26.871 A beschreibt
ein Eisenbahnrad, das eine auf einer Achse vorgesehene Nabe, eine
Felge und einen Radkörper,
der aus einem fest verbundenen S-förmigen Teil gebildet und zwischen
der Nabe und der Felge montiert ist, aufweist.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Eisenbahnrad
vorzuschlagen, das die oben erwähnten
Probleme beseitigt und den Ansprüchen
der modernen Eisenbahn entspricht.
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Dieser
Gegenstand wird durch ein Eisenbahnrad nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
Anmelder ist der Ansicht, daß es
wesenhaft ist, das Rad mit einer wesentlich höheren Flexibilität zu versehen,
und zu diesem Zweck entwickelt er ein Rad, das sich dadurch kennzeichnet,
daß der Radkörper zwischen
der Verbindung des Radkörpers mit
der Felge und der Verbindung des Radkörpers mit der Nabe eine erste,
eine zweite und eine dritte Krümmung
aufweist, die sich mit einem doppelten Beugungspunkt verketten,
wobei die Ebene der Außenfläche der
Felge zu der Außenoberfläche der zweiten
Krümmung
des Radkörpers
ungefähr
tangential ist.
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Mit
dieser Geometrie des Radkörpers
sind die erstrebten Ziele zur Reduzierung der Verformungen, Reduzierung
der Restspannungen und Erhöhung
der Flexibilität,
mit dem Ziel, die Schlag- oder Schwingungsbelastungen in radialer
Richtung zu beseitigen, erreicht.
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Dadurch,
daß die
Linie der radialen Belastung (vertikale Belastungen auf dem Punkt
(Z) sehr nah bei dem zentralen Punkt (T) der Verbindung des Radkörpers mit
der Nabe liegt, wird erlaubt, daß das Drehmoment, das die vertikale
Last (ständig
im Zug) auf die Verbindung des Radkörpers mit der Nabe ausübt, im Rad
nach der Erfindung viel kleiner sei als jenes im Rad, das in
EP 0798136 beschrieben ist,
bei Gleichheit der vertikalen Last des Konzepts. Da dieser Verbindungsbereich
von Radkörpers
und Nabe im normalen Betrieb am meisten belastet ist, bedeutet die
Reduktion des Drehmomentes, das auf diesen Bereich ausgeübt wird,
(und folglich die Zunahme der auf dieses Drehmoment zurückzuführenden
Zugspannungen auf der Verbindungsoberfläche), notwendigerweise eine
merkbare Erhöhung
der mechanischen Ermüdungsfestigkeit
im Betrieb des Rades.
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Dadurch,
daß der
am meisten vorspringende Punkt der äußeren Fläche des Radkörpers fast
mit der Ebene der äußeren Fläche der
Felge zusammenfällt,
wird das Maximum an axialer und radialer Flexibilität im Radkörper gesichert,
denn, falls dieser Punkt deutlich vor dieser Ebene hinausragen würde, könnte es
Montageprobleme oder gegenseitige Einwirkungen mit anderen mechanischen
Elementen geben.
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Als
Nebenergebnis erhält
man ein Rad, dessen Masse geringer ist als jene der Räder, die
heutzutage für
die gleiche höchstzulässige Last
der Eisenbahnräder
bekannt sind.
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Die
Position der beiden Verbindungspunkte (P), (T) wird vorzugsweise
auf derselben Außenseite der
theoretischen Mittelebene (Z) liegen, um die Flexibilität zu erleichtern
und die Beugungen der Massen von der Felge und Nabe auszugleichen,
obwohl andere Positionierungen zulässig seien.
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Das
Vorkommen von unumkehrbaren Verschiebungen in der Felge oder in
Teilen von dieser in seitlicher oder axialer Richtung bei Wärme oder
Kälte,
abgesehen davon, wie auch die Richtung sei, bedeutet notwendigerweise
eine Veränderung
der Entfernung, die zwischen den Flächen der Felge und den seitlichen
Oberflächen
der Nabe des Rades besteht, und also, der Entfernung zwischen den
inneren Flächen
der Felgen der Räder,
die eine Eisenbahnachse bilden. Eine Erhöhung dieser Entfernung zwischen
den Flächen
der Radfelgen verursacht eine übermäßige Reibung
der Wülste
auf den Schienen und ihre verfrühte
Abnutzung. Eine Senkung dieser Entfernung steigert ihrerseits das
Risiko vor Problemen und sogar vor Entgleisung bei dem Übergang des
Zuges im Bereich von Weichen, Weichengeräten oder Zonen mit größerer Entfernung
zwischen den Schienen. Eine Art, um dieses Problem zu vermeiden,
ist die traditionelle Begrenzung der Achsenlast und der Betriebsgeschwindigkeit,
insbesondere auf Linien mit starkem Gefälle, um die Zerstreuung der Wärme, die
durch die Wirkung der Bremsen im normalen Betrieb und bei Notbremsungen
erzeugt wird, zu reduzieren. Eine weitere Alternative besteht in
der Einführung
einer angemessenen Geometrie des Radkörpers, die die Tendenz zum
Vorkommen von Verformungen des Radkörpers bei Kälte oder Wärme vermindert, was sich später in unumkehrbaren
Verschiebungen der Felge äußert, wie
dies der Fall bei dem neuen vorgeschlagenen Radkonzept ist, das gleichzeitig
als Zusatzvorteil die Verminderung des Gesamtgewichts des Rades
im Vergleich zu anderen früheren
Konzepten aufweist.
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Außer dem
Problem der unumkehrbaren Felgenverschiebungen, die in den vorgehenden
Paragraphen beschrieben wurden, ist eine zweite Zielsetzung unseres
hier vorgestellten Radkonzepts die Beibehaltung der Werte der Tangentialspannungen in
der Felge auf einem annehmbaren Sättigungsniveau. In der Tat
sind die einstückigen
Eisenbahnräder
mittels einer Reihe von Arbeitsgängen
hergestellt, die Erzeugung von negativen Tangentialspannungen im
Volumen der Felge anstreben, die einen zusammendrückenden
Zustand derselben erzeugen, der dazu neigt, sie durch Reduzierung
ihres Durchmessers zu schließen.
Allerdings sind starke oder sich wiederholende Anwendungen der Bremssysteme
oder -zyklen Ursache für
die Erzeugung von Wärme,
die infolge der starken Erhöhung
der Temperatur der äußeren Schichten
der Radfelge unter bestimmten Umständen das Vorkommen von Phänomenen einer
Strukturumwandlung des Stahls, der die Felgen bildet, veranlassen
kann, und in den extremsten Fällen
kommt es sogar vor, daß auf
der Lauffläche
Risse erscheinen. Jedenfalls und selbst wenn es keine starken Umwandlungen
gibt, führen
die thermischen Zyklen mit der Zeit zu einer Entwicklung der Tangentialspannungen
in Richtung höherer,
ja sogar positiverer Werte, die jetzt dazu neigen, die Felge zu öffnen. Somit
können
kleine Rollrisse eine Zunahme erfahren, die durch einen Ermüdungsmechanismus
begünstigt ist,
der bis dahin gehen kann, erhebliche Brüche oder Störungen in den Rädern der
Eisenbahnfahrzeuge zu verursachen, ja sogar die Laufsicherheit des
Zuges zu gefährden.
Wie zuvor hervorgehoben wurde, ist die Beibehaltung des Wertes der
Tangentialspannungen im Betrieb auf annehmbare Niveaus eine zweite
Zielsetzung des neuen vorgeschlagenen Radmodells. Sowohl diese Zielsetzung
als auch jene zur Minimierung der unumkehrbaren Verschiebung der Felge
ist dank einer innovativen Form des Radkörpers erreicht.
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Um
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen, hat
man auf den Zeichnungen eine bevorzugte praktische Ausführungsform gezeigt,
geeignet, zusätzliche Änderungen
zu erfahren, die die Grundlage nicht entstellen. Es zeigt
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1,
eine Ansicht im vertikalen Querschnitt einer praktischen Ausführungsform
des Rades, das Gegenstand der Erfindung ist.
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Nachstehend
wird ein nicht einschränkendes praktisches
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das
vorgeschlagene Rad ist der Art Monoblock (aus einem einzigen Stück, plus
Zubehöre)
und seine Form entspricht jener eines Drehvolumens um eine zentrale
Achse α-α (außer für mögliche Einzelheiten,
die nicht mit Hilfe der Drehung um diese Achse erhalten wurden,
wie das bzw. die Öleinspritzlöcher, Herstellermarken,
Bohrlöcher
für die
Befestigung von Zubehören
wie Schalldämpfungsringe, Bremsscheiben
usw.). In dem in 1 gezeigten Querschnitt kann
man die wesentlichen Teile des Rades, insbesondere die Felge (A),
die Verbindung der Felge mit dem Radkörper (B), den Radkörper oder Kern
(C), die Verbindung des Radkörpers
mit der Nabe (D) und die Nabe (E) mit dem Verkeilungsloch (F) sehen.
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Die
Felge (A) kann von der Art sein, die in der Figur gezeigt ist, oder
mit Vertiefungen, die auf der einen oder auf den beiden Seiten bearbeitet
sind, für die
Befestigung von Schalldämpfungsringe
oder jeder weiteren Zubehörart
ausgestattet sein. Diese Ringe können
durch gegenseitige Einwirkung mit der bearbeiteten Vertiefung (Verkeilung)
oder mit Hilfe von anderen Systemen wie Löcher, Öffnungen usw. befestigt sein,
die sowohl in der Felge als auch in anderen Bereichen des Rades
vorgesehen sind. Das Vorliegen oder nicht einer Abnutzungsgrenze
ist optional und ist nicht bei der Definition des vorgeschlagenen
Radkonzeptes berücksichtigt.
Der Übergang
von der Felge (A) zum Radkörper
(C) erfolgt mittels der Verbindung (B), die hauptsächlich in
der Benutzung einer ungefähr
kreisförmigen
Geometrie auf den beiden Flächen
bis zur Höhe
des Punktes (P), wo der Radkörper
(C) beginnt, besteht. Dieser Punkt (P) befindet sich nicht unbedingt
unter dem Zentrum der Felge (theoretischer Berührungspunkt zwischen dem Rad
und der Schiene (Z) auf der Lauffläche), sondern eher verschoben
in Richtung der Außenfläche (1)
des Rades.
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Die
Tatsache, daß der
Punkt (P) in Richtung der inneren Fläche des Rades verschoben ist,
geht in den Gegenstand des Patents hinein.
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Die
Radnabe (E) bildet ein massives Drehvolumen um die Achse α-α, abgesehen
von dem Verkeilungsloch (F) und den Elementen wie Öleinspritzungslöchern, Bohrlöchern mit
oder ohne Gewinde für
die Elementbefestigung, usw. Die Nabe (E) erstreckt sich bis zur
Verbindung (D) mit dem Radkörper,
der auch hier aus einer Oberfläche
besteht, die eine ungefähr
kreisförmige
Geometrie auf beiden Flächen
des Rades bis zu der Höhe
des Punktes (T), wo der Radkörper
(C) beginnt, aufweist.
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Schließlich besteht
der Radkörper
(C) aus einem massiven Drehvolumen um die Achse α-α, abgesehen von dem möglichen
Vorhandensein von Bohrlöchern
in demselben, die für
verschiedene Anwendungen vorgesehen sind. Die Geometrie des Querschnittes
des Radkörpers
(C) bildet die Basisinnovation, die mit dieser Erfindung eingebracht
ist. Dieser Querschnitt ist von einer gebogenen theoretischen Mittellinie
durchquert, die vom Punkt (P) bis zum Punkt (T) reicht, wobei sie
aufeinanderfolgend die Punkte (Q, (R) und (S) geht. Diese Linie
bildet die Stelle der Punkte, die in gleicher Entfernung von den beiden
Oberflächen
oder Flächen
des Radkörpers über seine
ganze Länge
angeordnet sind. Die Linie (P) (S) ist dank der aufeinanderfolgenden
Zusammenfügung
von drei gebogenen Abschnitten gebaut, die an zwei Beugungspunkten
(Q und (S) vereinigt sind.
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Die
Definition der Punkte der Außenoberflächen des
Radkörpers,
die "auf der Höhe" der Punkte (P),
(R) und (T) befindlich sind, muß wie
jene der Punkte angesehen werden, die an dem Schnittpunkt mit den äußeren Oberflächen des
Radkörpers
der zu der Achse α-α parallelen
Linien befindlich sind, wobei jede davon durch den Punkt (Q oder
(S) und das Zentrum der Krümmung
des Umrisses der entsprechenden Oberfläche (Punkte (U), (V), (X) und
(Y)) übergeht.
Diese Definitionen finden Anwendung auf die vorgehenden und auf
die folgenden Paragraphen.
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Gewisse
Verhältnisse
zwischen den verschiedenen Verbindungsradien sind mit dem Ziel vorzuziehen,
um das Maximum an axialer und radialer Elastizität des Radkörpers und damit die in den
vorgehenden Paragraphen definierten Endzielsetzungen zu erhalten.
Auf diese Art und Weise ist der Verbindungsradius (R2)
der äußeren Fläche des
Radkörpers
zwischen den Höhen
der Punkte (P) und (Q) ähnlich
dem Radius (R0) der Verbindung der Felge mit
dem Radkörper
(B) auf dieser Fläche.
Dieser Radius (R0) ist ebenfalls ähnlich dem
Radius (R6) der äußeren Fläche des Radkörpers zwischen
den Höhen
der Punkte (S) und (T), seinerseits ähnlich dem Radius (R4) der Krümmung
der Verbindung des Radkörpers
mit der Nabe (D) auf dieser Außenfläche. Diese
Radien (R0), (R4),
(R6), (R4) können außerdem gleich
den Radien (R1), (R3)
der Verbindungen der Felge mit dem Radkörper (B) und des Radkörpers mit der
Nabe (B) auf der inneren Fläche
des Rades sein. Schließlich
können
der Radius (R7) der Verbindung der inneren
Fläche
zwischen der Höhe
der Punkte (P) und (Q und der Radius (R8)
der Verbindung derselben inneren Fläche zwischen der Höhe der Punkte (S)
und (T) ebenfalls gleich untereinander sein. Schließlich sind
die Radien (R9), (R5)
der Verbindung der inneren und äußeren Fläche des
Radkörpers
zwischen den Höhen
der Punkte (Q) und (S) notwendigerweise unterschiedlich untereinander.
In dem neuen vorgeschlagenen Rad sind gerade die angemessene Kombination
der Krümmungsradien
der inneren und äußeren Flächen jedes
der drei Radkörperabschnitte,
die zwischen den Punkten (P) und (T) eingeschlossen sind, die Position
der jeweiligen Krümmungszentren
und die Position der Gesamtheit des Radkörpers hinsichtlich der Felge
und der Nabe, die das Erreichen der vorgeschlagenen Zielsetzungen erlauben.
Insbesondere dank der Benutzung einer solchen Kombination, erlaubend:
- – die
dreifache Höchstkrümmung des
Radkörpers zwischen
den Punkten (P) und (T), derart, daß die äußere Fläche des Radkörpers im
Bereich des Punktes (R) ungefähr
mit der äußeren Fläche der Felge
zusammenfällt,
die vor dieser vorspringen kann oder in einer leicht innereren Position
in Abhängigkeit
von den Anforderungen des besonderen Konzepts oder den Herstellungstoleranzen verbleiben
kann.
- – das
Erhalten von sanften Übergängen zwischen den
verschiedenen Abschnitten der äußeren Oberflächen des
Radkörpers
und zwischen diesen und den Verbindungen der Felge mit dem Radkörper und
der Nabe mit dem Radkörper.
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Vorzugsweise
und ungefähr
haben die äußeren Oberflächen der
ersten, der zweiten und der dritten Krümmung des Radkörpers einen ähnlichen Krümmungsradius.
Im allgemeinen sind die dimensionalen Verhältnisse zwischen den Radien,
die bis hier erklärt
wurden, eine Bevorzugung und ein Beispiel, ohne daß dies bedeutet,
daß der Gegenstand des
Patents nicht weitere Verhältnisse
zwischen den Radien abdeckt, die diesen nicht ähnlich sind.
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Man
kann sagen, daß vorzugsweise
der Umriß der äußeren Oberfläche und
der inneren Oberfläche
des Radkörpers
von 1 der Aufeinanderfolge von drei sanft verbundenen
Kreisabschnitten entspricht. Dies ist nicht wesenhaft notwendig,
denn es kann sich um drei Abschnitte in gekrümmter Linie von größeren Rangordnungen
handeln. Auch ist es nicht wesenhaft notwendig, daß die Werte
der Krümmungsradien
jedes der sechs Segmente, je drei pro Fläche, die den Umriß des Radkörpers darstellen, untereinander
gleich sind.
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Das
Rad wird gemäß den Normen
und Spezifikationen, die heutzutage bestehen, veröffentlicht sind
oder mangels der Veröffentlichung
(z. B. prEN 13262), hergestellt.
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Schließlich ist
zu erwähnen,
daß das
Vorhandensein von dimensionalen Abweichungen, die auf Fertigungsverfahren
zurückzuführen sind,
die wirklichen Abmessungen des Rades hinsichtlich der dimensionalen
Kriterien, die in den vorgehenden Paragraphen definiert wurden,
mehr oder weniger bedeutend variieren lassen kann.
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Als
besondere Anwendung des zuvor dargestellten Radkonzeptes wurde ein
Rad mit einem Bremssystem mit einem Schuh auf der Lauffläche entwickelt,
wo die höchstzulässige Achsenlast
im Grundsatz auf 22,5 Tonnen (obwohl es auch möglich sei, größere Lasten
anzuwenden) und für
solche Bremsbedingungen aufgestellt ist, die für diese Last im Normentwurf
UIC 510-5 definiert sind.
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Es
handelt sich um ein Rad, das aus Kohlenstoffstahl mittels Schmieden
und Walzen hergestellt wird, mit vollständig bearbeiteten äußeren Oberflächen. Der
Rolldurchmesser des Rades in seinem Anfangszustand (Herstellung)
beträgt
920 mm, der Berührungspunkt
zwischen dem Rad und der Schiene (Z) befindet sich in 70 mm von
der inneren Fläche
der Felge. Die Entstehung des Radkörpers beginnt im Punkt (P),
der sich in 15 mm befindet, mit Verschiebung in Richtung der Außenfläche hinsichtlich
des Punktes (Z). Die drei Abschnitte der Außenfläche des Radkörpers weisen
aufeinanderfolgend Krümmungsradien
von 50, 62,09 und 50 mm auf. Gleichzeitig sind die Krümmungsradien
der drei Abschnitte der inneren Oberfläche des Radkörpers gleich
70, 42,66 und 70 mm. Schließlich
betragen die Radien der Verbindung auf den beiden Flächen, der äußeren und der
inneren Fläche,
zwischen der Felge und dem Radkörper,
und ebenfalls zwischen dem Radkörper und
der Nabe, 50 mm. Die Dicke des Radkörpers nimmt allmählich ab,
wobei sie von 28 mm bei dem Punkt (T) auf 17 mm bei dem Punkt (P)
zurückgeht.
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Der
Punkt (T) ist um 10 mm nach außen
hinsichtlich des Berührungspunktes
(Z) auf der Lauffläche
verschoben. Die Zentren der Krümmung
der beiden Flächen
des Zwischenabschnittes des Radkörpers
sind auf derselben Ebene befindlich, beabstandet in 4,57 mm. Die äußere Fläche des
Zwischenabschnittes fällt
ihrerseits in ihrem am meisten vorspringenden Punkt mit dem Bereich
der äußeren Fläche der
Felge zusammen.
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Die
mit diesem Rad erhaltenen Ergebnisse waren deutlich höher als
diejenige, die mit einem Rad mit doppelter Krümmung erhalten werden.