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Aus einem Stück hergestelltes krümmungsfestes Leichtmetallrad für
Schienenfahrzeuge.
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Vorliegende Erfindung betrifft ein aus einem Stück hergestelltes
krümmungsfestes Rad für Schienenfahrzeuge, insbesondere für
Hochgeschwindigkeitszüge.
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Es ist eine große Vielzahl von einstückigen Rädern für
Schienenfahrzeuge bekannt, die aus einer Radnabe, einem Radreifen und
einer Scheibe oder Radkörper, die die Verbindung zwischen der Radnabe
und dem Radreifen sichern, bestehen. All diese Räder lassen sich in
zwei Kategorien einteilen:
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- die Räder mit Radnabe, Radreifen und Radkörper, die in Bezug auf
eine, rechtwinklig zur Radachse verlaufende gemeinsame Mittelebene
zentriert sind,
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- die Räder mit Radnabe und dezentriertem Radreifen und Radkörper.
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Die erste Kategorie hat den Vorteil, die Verwendung kurzer Achsschenkel
zu erlauben, die daher wenig gegen Drehbiegebeanspruchung empfindlich
sind, die aber wichtige Spannungen im Radkörper, insbesondere im Moment
des Bremsens, zur folge haben; durch diese Spannungen müssen die Räder
relativ dicke Radkörper aufweisen und sind daher schwer.
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Die zweite Kategorie leitet Spannungen während des Bremsvorganges sehr
viel besser ab, wodurch die Stärke des Radkörpers verringert und daher
das Rad erleichtert werden kann; hingegen benötigen diese Räder lange
Schenkel, die gegen Drehbiegebeanspruchung sehr viel empfindlicher
sind, als kurze Schenkel.
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Es ist nun aber, insbesondere für Hochgeschwindigkeitszüge, immer
vorteilhaft, die nicht aufgehängten Massen maximal zu begrenzen, und
daher die Räder zu erleichtern und soweit als möglich die
Empfindlichkeit der Schenkel gegen Drehbiegebeanspruchung zu begrenzen.
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Desweiteren sind die Schienenfahrzeugräder, die paarweise an den Enden
einer Achse befestigt sind, - in der Weise, daß ihre Laufflächen zur
Spurweiteneinstellung die Entfernung zwischen den Laufrädern des
fahrzeuges einnehmen, - während des Bremsens des fahrzeuges einer
Erwärmung ausgesetzt, die eine Verformung der Räder durch Krümmung
erzeugen kann. Die Krümmung wird durch ein Kippen der Radlauffläche in
Bezug auf eine zur Radachse rechtwinkligen Ebene übersetzt, im
allgemeinen zum Ende der montierten Achse hin.
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Die bekannten Räder von Schienenfahrzeugen weisen im allgemeinen eine
gegen Krümmung durchschnittliche Widerstandsfähigkeit auf.
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Aus der FR-A-2.254.447 ist ein aus einem Stück hergestelltes Rad für
Schienenfahrzeuge bekannt, das mit einem Radreifen, der in Bezug auf
seine Lauffläche auf einer ihrer Seitenkanten in Vorsprung mit einem
Spurkranz versehen ist, eine Radnabe und einen Radkörper aufweist,
wobei der Radreifen und die Radnabe seitlich durch symmetrische ebene
flächen, die zueinander in Bezug auf eine zur Radachse rechtwinkligen
gemeinsamen Mittelachse symmetrisch sind und wobei der Radkörper
dezentriert ist, d.h. in Bezug auf die mittlere Radialebene
unsymmetrisch ist.
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Ein solches Rad kann nicht in optimaler Weise die Probleme lösen, die
sich auf die Drehbiegebeanspruchung, auf die Erwärmung und die für die
Verbiegung verantwortlichen Spannungen beziehen.
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Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Leichtmetallrad, das gegen
Verbiegung widerstandsfähig ist und das die Drehbiegebeanspruchung des
Schenkels begrenzt, vorzuschlagen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein einstückiges Rad für
Schienenfahrzeuge, insbesondere für Hochgeschwindigkeitszüge, mit einem
Radreifen, der in Bezug auf seine Lauffläche auf einer ihrer
Seitenkanten in Vorsprung mit einem Spurkranz versehen ist, mit einer
Radnabe und einem Radkörper, der Radreifen und die Radnabe sind
seitlich durch ebene flächen, die zueinander in Bezug auf eine
gemeinsame mittlere Radialebene BB', die rechtwinklig zur Achse AA' des
Rades steht, symmetrisch sind, begrenzt, und wobei der Radkörper
dezentriert ist, d.h. in Bezug auf die genannte mittlere Radialebene
BB' nicht symmetrisch ist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß im
axialen Querschnitt die Verbindungszone zwischen dem Radkörper und dem
Radreifen, ebenso wie der Punkt C des Zusammentreffens der
Kurvenerzeugenden des Radkörpers mit der Erzeugenden des inneren
Abschnittes des Radreifens in Bezug auf die mittlere Radialebene der
dem Spurkranz gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, und dadurch,
daß die Verbindungszone zwischen Radkörper und der Radnabe, ebenso wie
der Punkt D des Zusammentreffens der Kurvenerzeugenden des Radkörpers
mit der Außenfläche der Radnabe in Bezug auf die mittlere Radialebene
derselben Seite des Spurkranzes angeordnet sind.
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Die Kurvenerzeugende des Radkörpers, welche die Mittelkurve des
Meridianquerschnitts des Radkörpers ist, weist einen Wendepunkt I auf.
Wenn 1 die Entfernung des Wendepunktes I zur äußeren Oberfläche der
Radnabe in radialer Richtung des Rades ist, L die radiale Entfernung
zwischen der äußeren Oberfläche der Radnabe und dem inneren Abschnitt
des Radreifens ist, h die Entfernung in axialer Richtung des
Wendepunktes I in zur Achse rechtwinkligen Ebene und durch den Punkt C
des Zusammentreffens der Kurvenerzeugenden des Radkörpers mit dem
inneren Abschnitt des Radreifens verlaufend ist, H die axiale
Entfernung zwischen dem Punkt D des Zusammentreffens der
Kurvenerzeugenden des Radkörpers mit der äußeren Oberfläche der Radnabe
ist, und die zur Achse des Rades rechtwinkligen Ebene, die durch den
Punkt des Zusammentreffens C der Kurvenerzeugenden des Radkörpers mit
der inneren Partie des Radreifens läuft, ist, läßt sich die Position
des Wendepunktes I kennzeichnen durch die Relation:
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1/L > 1/2 und h/H < 1/2
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Vorteilhafterweise ist die Kurvenerzeugende des Radkörpers eine Kurve
der Gleichung
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y = yc + (x - L)² (H/L³ (2x + L) + x² (αx + β))
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wobei
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α und β Lösungen des Systems zweier Gleichungen mit zwei unbekannten
sind:
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wobei in diesen Gleichungen:
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x die radiale Entfernung eines Punktes der Kurvenerzeugenden zur
äußeren Oberfläche der Radnabe darstellt,
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y die algebraische Entfernung eines Punktes der Kurvenerzeugenden
parallel zur Radachse in Mittelebene der Radnabe und des Radreifens
darstellt,
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yc die algebraische Entfernung des Punktes C der Verbindung der
Kurvenerzeugenden und des inneren Abschnittes des Radreifens in der
zuvor definierten Ebene ist,
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l, L, h, H
zuvor definierte Größen sind.
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Figur 1 ist eine Teilansicht im Schnitt eines Rades gemäß der
Erfindung, entlang einer durch die Drehachse des Rades laufenden Ebene.
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Das allgemein mit 1 bezeichnete Rad ist drehsymmetrisch entlang der
Achse AA'. Es weist einen Radreifen 2, der in Bezug auf seine
Lauffläche 6 auf einer ihrer Seitenkanten in Vorsprung mit einem
Spurkranz 3 versehen ist, eine Radnabe 4 und einen Radkörper 5 auf. Der
Radreifen 2 wird seitlich durch zwei, ungefähr ebene, Flächen 2a und 2b
begrenzt. Gleichfalls wird die Radnabe 4 seitlich durch zwei, ungefähr
ebene, Flächen 4a und 4b begrenzt.
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Das Rad kann als um eine zur Achse AA' rechtwinkligen Mittelachse
betrachtet werden, dessen Schnittpunkt mit der Schnittebene die Gerade
BB' ist. Wenn man den Spurkranz 3 und das Arbeitsprofil der Lauffläche
6 ausnimmt, ist die durch BB' laufende Ebene eine Symmetrieebene,
gleichzeitig für den Radreifen 2 und für die Radnabe 4. Die Flächen 2a,
2b des Radreifens 2 einerseits und 4a, 4b der Radnabe andererseits sind
parallel und zueinander in gleicher Entfernung zur Ebene BB'
angeordnet. Man sagt, daß das Rad bezüglich des Radreifens und
bezüglich der Radnabe zentriert ist.
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Auf der anderen Seite ist der Radkörper 5 um eine schiefe Drehfläche,
deren Schnittpunkt mit der axialen Schnittebene die Kurvenerzeugende CD
ist, herumkonstruiert. Diese Kurve ist nicht geradlinig und es ist eine
im wesentlichen mittlere Kurve für den Meridianschnitt des Radkörpers
des in Fig. 1 dargestellten Rades; man nennt sie die Kurvenerzeugende
des Radkörpers. Der Punkt C stellt den Verbindungspunkt des Radkörpers
mit dem Radreifen dar; der Punkt C ist an der Schnittstelle der
Kurvenerzeugenden mit der Erzeugenden 2' des inneren Abschnittes, der
durch eine zylindrische Oberfläche der Achse AA' gebildet ist, des
Radreifens 2 angeordnet; in Bezug auf die durch BB' laufende
Mittelebene ist er zu der dem Spurkranz 3 gegenüberliegenden Seite hin
verschoben. Der Punkt D stellt den Verbindungspunkt des Radkörpers mit
der Radnabe dar; der Punkt D befindet sich an der Schnittstelle der
Kurvenerzeugenden mit der Erzeugenden 4' der äußeren Oberfläche, die
durch eine zylindrische Oberfläche der Achse AA' gebildet ist, der
Radnabe 4; in Bezug auf die durch BB' laufende Ebene ist er zur Seite
des Spurkranzes hin verschoben. Man sagt, daß der Radkörper, dessen
Spurebene 11' keine Symmetrieebene ist, dezentriert ist.
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Man erhält ein Rad mit zentriertem Radreifen und zentrierter Radnabe
und mit dezentriertem Radkörper.
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Da Radnabe und Radreifen zentriert sind, ist der Achsschenkel, auf dem
das Rad montiert ist, kurz, wodurch die Biegekräfte begrenzt sind,
ebenso, wie der Achsschenkel dieses Rades einer begrenzten
Drehbiegebeanspruchung ausgesetzt ist; das Rad weist daher ein gutes
Verhalten im Betrieb auf.
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Bei dezentriertem Radkörper ist die Oberfläche, die sich für die
Abkühlung während des Bremsvorganges anbietet, sehr viel größer, als
jene eines Rades mit zentriertem Radkörper. Diese sehr viel größere
Oberfläche führt zu einer geringeren Erwärmung und zu geringeren
thermischen Spannungen.
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Desweiteren hat man festgestellt, daß durch das Dezentrieren des
Radkörpers in der durch die vorliegende Erfindung angegebenen Weise man
die Spannungen in den Anpassungszonen 7 und 8 in Bezug auf ein Rad mit
zentriertem Radkörper oder ein Rad mit dezentriertem Radkörper in
gegenüber der Anordnung gemäß der Erfindung in inverser und
symmetrischer Anordnung beträchtlich reduzieren kann, d.h. mit einer
Anpassungszone des Radkörpers mit dem Radreifen der Spurkranzseite und
einer Anpassungszone des Radkörpers mit der Radnabe der dem Spurkranz
gegenüberliegenden Seite, wie es auch aus den Simulationsberechnungen
hervorgeht. Es ist darüber hinaus möglich, die Dicke des Radkörpers zu
verringern und das Rad zu erleichtern.
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Für das Rad gemäß der Erfindung kann die Kurvenerzeugende durch den
Punkt (ox, oy) dargestellt werden, wobei o der Verbindungspunkt der
Gerade BB' mit der Erzeugenden 4' des durch die äußere Oberfläche der
Radnabe gebildeten Zylinders, x die radiale Entfernung eines Punktes
der Kurvenerzeugenden im Punkt o, y die Entfernung dieses Punktes zum
Punkt o der Länge der Erzeugenden der Radnabe ist.
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Diese Kurve weist in D (x = o) eine Tangente auf, die parallel zur
Geraden ox ist. Sie weist gleichfalls im Punkt C der Abszisse xc = L
eine Tangente, parallel zu ox, auf.
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Die Kurve CD weist desweiteren zwischen D und C einen Wendepunkt I auf.
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Es sind: xD = o und yD die Koordinaten des Punktes D
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xI= l und yI die Koordinaten des Punktes I
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xc = L und yc die Koordinaten des Punktes C
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im Punkt (ox, oy).
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Man stellt:
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yI - yc = h
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yD - yc = H.
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Man hat festgestellt, daß zur Minimierung der Spannungen im Radkörper
des Rades, insbesondere während des Bremsvorganges durch Anlegen eines
Bremsklotzes auf den Radkörper, es nötig ist, daß:
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H den größtmöglichen Wert annehmen muß.
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Und wobei gilt:
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h/H < 1/2
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l/L > 1/2,
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d.h., daß der Wendepunkt I zum einen Teil zum Radkörper 2 hin und zum
anderen Teil zu dem Spurkranz 3 gegenüberliegenden Seite hin verschoben
sein muß.
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Die Kurve DC stellt sich durch folgende Gleichung dar:
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y = yc + (x - L)² (H/L³ (2x + L) + x² (αx + β))
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wobei α und β Lösungen des Systems zweier Gleichungen mit zwei
Unbekannten sind:
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In diesen Gleichungen haben die Symbole die höchstmöglichen gegebenen
Werte.
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Mit einer Kurve dieser Art hat man ein Rad mit einem Außendurchmesser
von 920 mm erhalten, dessen Gewicht von 292 kg um 86 kg kleiner ist als
das Gewicht eines Rades mit zentriertem Radreifen, Radnabe und
Radkörper desselben Durchmessers, welches dasselbe Gewicht tragen kann.
Desweiteren sind die maximal festgestellten Spannungen im Radkörper
während intensiver Bremsungen bedeutend geringer als jene, welchen die
Räder gemäß alter Art unterworfen sind.
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Im Ergebnis ist das Rad gemäß der Erfindung geringeren Verbiegungen
ausgesetzt, als die Räder alter Art. Die Erfinder haben festgestellt,
daß, je weiter der Punkt C der Anpassung des Radkörpers mit dem
Radreifen nach außen hin (d.h. vom Spurkranz weg) verschoben ist, und
je weiter der Punkt D der Anpassung des Radkörpers mit der Radnabe zum
Inneren (d.h. zur Seite des Spurkranzes hin) verschoben ist, je länger
kann das Rad erwärmt werden, bevor eine Verbiegung eintritt.