DE69700441T3

DE69700441T3 - Krümmungsfestes Schienenfahrzeugrad aus Stahl

Info

Publication number: DE69700441T3
Application number: DE69700441T
Authority: DE
Inventors: Jacques Brouke; Gervais Gaborit; Francois Demilly; Bernard Catot
Original assignee: Valdunes SAS
Current assignee: Valdunes SAS
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: US5957519A; US5913988A; GR3031875T3; DK0798136T3; EP0798136B2; DE798136T1; DE69700441T2; JPH1029401A; FR2746707B1; ATE183694T1; DK0798136T4; ES2137760T5; FR2746707A1; EP0798136A1; ES2137760T3; CA2201251C; DE69700441C5; JP4051581B2; DE69700441D1; EP0798136B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Eisenbahnrad, das eine leichte Verkrümmung aufweist, wenn es durch Backen gebremst wird. Dieses Rad kann ein Rad für einen schwer beladenen Waggon sein. Es kann auch ein Rad für einen Hochgeschwindigkeitsreisezug sein und insbesondere ein Rad für einen Hochgeschwindigkeitszug mit Neigetechnik, der bis zu etwa 240 km/h fahren kann.
Es sind viele Eisenbahnräder bekannt, die aus einem Radkranz, einer Nabe und einer Radscheibe zur Verbindung zwischen der Nabe und dem Radkranz bestehen. Um die Räder leichter zu machen, was eine Minimierung der Beanspruchungen, die in dem Rad insbesondere durch die durch Bremsungen, wenn die Bremsbacke auf dem Radkranz reibt, verursachte Erhitzung ausgelöst werden, erfordert, erhält die Meridianlinie der Radscheibe eine gekrümmte Form, die einen Wendepunkt nahe des Radkranzes besitzt. Dies ist insbesondere bei dem Eisenbahnrad der Fall, das in der Patentanmeldung FR-A- 2 687 098 entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben wird.
Die in dem Rad durch Bremsungen verursachten Belastungen und Dehnungen führen zu einer Verformung der Radscheibe, der sogenannten Verkrümmung, durch die die axiale Lage des Radkranzes im Verhältnis zur Nabe verändert wird, so daß der Abstand des Radkranzes von den beiden Rädern einer Achse vergrößert oder verringert wird, je nach der Geometrie des Rades. Führt die Verkrümmung zu einer Verringerung des Abstandes der Radkränze, wird die Überquerung von Kreuzungen, wie um Beispiel Weichen, erschwert, was zu Entgleisungen führen kann, wenn die Verformung zu stark ist. Daher wird lieber eine Radgeometrie gewählt, durch die die Radkränze voneinander entfernt werden. Bei dieser Art von Rad besteht jedoch die Neigung, daß durch die Verkrümmung die Spurkränze an den Flanken der Schienen reiben, was zu einer zusätzlichen Abnutzung führt. Um die bei einer zu starken Verkrümmung auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, wird in beiden Fällen die Erhitzung der Räder im Betrieb durch eine Begrenzung der Belastung pro Achse eingeschränkt. Dies gilt insbesondere für diejenigen Eisenbahnlinien, auf denen aufgrund des Profils lange Bremsungen erforderlich sind. Dies ist zum Beispiel der Fall bei den Linien, die Pässe in gebirgigen Regionen überqueren.
Es wird unterschieden zwischen der Heißverkrümmung während der Bremszeiten und der Restverkrümmung nach Abkühlung des Rades, die das Ergebnis von permanenten Verformungen aufgrund von Erhitzung sind. Die Restverkrümmung hängt ebenfalls von der Geometrie des Rades ab und muß auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Das in der Patentanmeldung FR-A- 2 687 098 beschriebene Rad weist nach der Zeichnung eine geringe Restverkrümmung auf. Aber wie alle leichter gemachten Räder ist es dennoch anfällig für Verkrümmung, wodurch die für dieses Rad akzeptablen Betriebsbedingungen beträchtlich eingeschränkt werden. Aufgrund dieser Einschränkungen sind die Räder ungeeignet für den Einsatz bei schwer beladenen Güterwaggons, insbesondere auf Gebirgsstrecken.
Außerdem führen sukzessive Erhitzungen bei dem Rad zu relativ starken verbleibenden Zugbelastungen, durch die das Betriebsverhalten eingeschränkt wird.
Das Problem der Verkrümmung und allgemein das der geometrischen Betriebsstabilität stellt sich ebenfalls bei Rädern von Hochgeschwindigkeitsreisezügen, und insbesondere bei Rädern für Neigezüge. Denn diese Züge, die mit Geschwindigkei ten von bis zu oder sogar über 240 km/h fahren, fahren einerseits auf Gleisen mit Wechselbetrieb, das heißt, deren Profil nicht speziell für hohe Geschwindigkeiten trassiert ist, und sind andererseits mit einer Mischbremsung durch auf den Achsen montierte Scheiben und durch Backen ausgerüstet. Aufgrund dieser Betriebsbedingungen ist es wünschenswert, daß die Räder eine Radscheibe besitzen, deren Meridianlinie gekrümmt ist, um ihnen ausreichende Radial- und Axialelastizität zu verleihen und damit die Verformung aufgrund von sukzessiven Bremsungen oder aufgrund von sehr starken Bremsungen, insbesondere bei Notbremsungen, möglichst gering ist. Diese Bedingungen sind erforderlich, um die Sicherheit der Züge zu gewährleisten. Diese Elastizität und diese Formbeständigkeit sind jedoch für diese Art von Zügen nicht ausreichend. Denn die Belastungen, denen die Räder ausgesetzt sind, können zu katastrophalen Brüchen durch Werkstoffermüdung führen, die um jeden Preis vermieden werden müssen, da sie sehr gefährlich sind, vor allem, wenn sie auftreten, wenn der Zug schnell fährt.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu beheben, indem ein leichtes Eisenbahnrad vorgeschlagen wird mit geringer Anfälligkeit für Heiß- und Restverkrümmungen, wobei die verbleibende Zugbelastung sehr deutlich gesenkt wurde. Diese Räder sind eventuell für Hochgeschwindigkeitsreisezüge mit Neigetechnik geeignet.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein um eine Achse XX' senkrecht zu einer Mittelebene P drehendes Eisenbahnrad mit einem Radkranz, das eine Lauffläche und einen Spurkranz aufweist, mit einer Nabe, einer Radscheibe, einer Verbindungszone der Radscheibe mit dem Radkranz, einer Verbindungszone der Radscheibe mit der Nabe, wobei der Schnitt der Radscheibe längs einer Meridianlinie AB konstruiert ist, die sich zwischen einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe und der Verbindungszone der Radscheibe mit dem Radkranz gelegenen Punkt A und einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe und der Verbindungszone der Radscheibe mit der Nabe gelegenen Punkt B erstreckt, wobei die beiden Punkte A und B auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelebene B gelegen und beide symmetrisch in bezug auf den Schnittpunkt I der Meridianlinie AB mit der Ebene P sind, wobei der Punkt I ein Wendepunkt der Kurve AB ist.
Die Entfernung des Punktes I von der Achse XX' liegt vorzugsweise zwischen dem 0,5- und 0,65-fachen des äußeren Radius des Rades. Es ist ebenfalls wünschenswert, daß die Tangente T_A an die Kurve AB in dem Punkt A und T_B an die Kurve AB in dem Punkt B parallel zur Ebene P verlaufen.
Die Auswirkung der Heißverkrümmung auf die Stabilität auf den Gleisen ist minimal, wenn der Punkt A auf der selben Seite der Ebene P liegt wie der Spurkranz (3).
Um das Rad so leicht wie möglich zu machen, ist es wünschenswert, daß entlang der Linie AB die Dicke e der Radscheibe gleichmäßig vom Punkt B bis zum Punkt A abnimmt und daß zum Beispiel die Abnahme linear in Abhängigkeit von dem entlang der Linie AB gemessenen Abstand des Punktes B verläuft. Das Verhältnis der Dicke am Punkt A zur Dicke am Punkt B sollte vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,55 betragen.
Schließlich ist es wünschenswert, daß das Rad zentriert ist; der Abstand der Ebene P zur Außenfläche des Spurkranzes sollte etwa zwischen 70 und 85 mm liegen.
Ist das Rad für die Verwendung bei einem Hochgeschwindigkeitszug mit Neigetechnik mit einer Höchstgeschwindigkeit von bis zu 240 km/h bestimmt, sollte es vorzugsweise aus Stahl gebildet sein, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent enthält:
0,470% ≤ C ≤ 0,570%
0,600% ≤ Mn ≤ 0,850%
0,150% ≤ Si ≤ 0,400%
S ≤ 0,010%
P ≤ 0,020%
Ni ≤ 0,300%
Cr ≤ 0,300%
Mo ≤ 0,080%
Cu ≤ 0,300%
V ≤ 0,050%
Al ≤ 0,025%
Ti ≤ 0,070%
H ≤ 0,0002%
O ≤ 0,0015%
N ≤ 0,0080%
wobei der Rest Eisen und aus der Erzeugung resultierende Unreinheiten sind,
und daß weiterhin:
– die Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse, kontrolliert durch Vergleich mit typischen Bildern gemäß der Norm ASTM E45 so ist, daß die Maßangaben A, 8, C, D kleiner als die folgenden Werte sind:

wobei die Summe der Werte B+C-D kleiner oder gleich 3 sein soll,
– der ASTM-Index der Korngröße größer oder gleich 7 ist, wobei maximal 20% der Körner einen ASTM-Index gleich 6 haben,
– die Härte an der Seitenfläche des Radkranzes zwischen 255 und 321 HB liegt und größer als 255 HB zumindest bis 35 mm unter der Lauffläche entsprechend der letzten Profilierung verbleibt,
– die Zug- und Elastizitätseigenschaiten die folgenden sind:

– bei der Ultraschallkontrolle über den gesamten Betriebsbereich der Lauffläche, ausgeführt entsprechend der Spezifikation AAR M107 Abschnitt 18, keine Mängel entsprechend einem Loch von 2 mm Durchmesser oder größer sichtbar werden.
Unter diesen Bedingungen können insbesondere Brüche von Radscheiben durch Rißbildung während des Betriebs vermieden werden.
Jetzt soll die Erfindung genauer, aber nicht begrenzend beschrieben werden, im Zusammenhand mit der Figur, die einen halben Meridiansschnitt eines Rades für einen Hochgeschwindigkeitszug mit Neigetechnik darstellt.
Da die Konzeption der Geometrie des Rades gemäß der Erfindung immer auf dem selben Prinzip beruht, ob es sich um ein Waggonrad oder um ein Rad für ein Hochgeschwindigkeitszug handelt, soll zunächst das allgemeine Prinzip ohne Bezugnahme auf die Verwendung beschrieben werden, danach wird die Geometrie eines Rades für einen Hochgeschwindigkeitszug mit Neigetechnik genauer dargelegt.
Das Eisenbahnrad, dessen halber Meridiansschnitt in 1 dargestellt ist, ist ein um eine Achse XX' senkrecht zu einer Mittelebene P drehendes Teil. Das Rad besitzt auf seinem Umfang einen Radkranz 1, dessen Halb-Dicke sich zur Hälfte in der Ebene P befindet. Der Radkranz 1 enthält eine Lauffläche 2 und einen Spurkranz 3. Das Rad enthält in seiner Achse eine Nabe 4 mit einer Axialbohrung 8 zur Aufnahme eines Achsschenkels. Eine Radscheibe 5 sichert die Verbindung zwischen der Nabe 4 und dem Radkranz 5 durch eine Verbindungszone der Radscheibe mit dem Radkranz 6 und einer Verbindungszone der Radscheibe mit der Nabe 4. Der Schnitt der Radscheibe ist längs einer Meridianlinie AB konstruiert, die sich zwischen einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe 5 und der Verbindungszone der Radscheibe mit dem Radkranz 6 gelegenen Punkt A und einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe 5 mit der Nabe 7 gelegenen Punkt B erstreckt. Die beiden Punkte A und B liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelebene P und sind beide symmetrisch in bezug auf den Schnittpunkt I der Meridianlinie AB mit der Ebene P. Der Punkt I ist ein Wendepunkt der Kurve AB. Die Kurvenabschnitte AI und IB sind im wesentlichen Kreisbögen, deren Radius R größer ist als die Hälfte der Radialdistanz h (parallel zur Ebene P gemessene Distanz) zwischen dem Punkt A und dem Punkt B. Allgemeiner gesagt sind die Kurvenabschnitte AI und BI zueinander in bezug auf den Punkt I symmetrisch.
Die Entfernung der Punktes I von der Achse XX` liegt zwischen dem 0,5- und 0,65-fachen des äußeren Radius des Rades, wobei dieser Radius die Distanz des Schnittpunktes C der Ebene P mit der Lauffläche 2 zur Achse XX' ist, wenn das Rad neu ist, bzw. die Distanz des Punktes C' zur Achse XX', wenn das Rad abgenutzt ist.
Die Tangente T_A an die Kurve AB in dem Punkt A kreuzt die Spur J₁J₂ der Grenze zwischen der Radscheibe und dem Radkranz in einem Punkt J, und die Tangente T_B an die Kurve AB im Punkt B kreuzt die Spur M₁M₂ der Grenze zwischen der Radscheibe und der Nabe in einem Punkt M. Die Spur J₁J₂ kreuzt die Spur der Ebene P in einem Punkt P₁, und die Spur M₁M₂ kreuzt die Spur der Ebene P in einem Punkt P₂. Die Distanzen P₁J und P₂M sind im wesentlichen gleich, das heißt abgesehen von den Herstellungstoleranzen. Vorzugsweise dergestalt, daß die Tangenten T_A und T_B parallel zur Ebene P verlaufen, abgesehen von den Herstellungstoleranzen.
Der Punkt A befindet sich auf derselben Seite der Ebene P wie der Spurkranz 3.
Die Dicke der Radscheibe nimmt entlang der Linie AB gleichmäßig, im wesentlichen linear vom Punkt B bis zum Punkt A ab.
Das Eisenbahnrad ist schließlich zentriert, was bedeutet, daß die Ebene P sich gleichzeitig auf der halben Stärke des Radkranzes und auf der Halb-Dicke der Nabe befindet.
Die Verkrümmung wird zunächst durch die Anordnung der Punkte A und B, die symmetrisch zum Punkt I liegen, und durch die Tatsache, daß der Punkt I ein Wendepunkt der Kurve AB ist, eingeschränkt. Durch diese Anordnung besteht durch die durch die Bremsung ausgelöste Erhitzung die Neigung zur Verformung der Linie AB parallel zur Ebene P. Die Verkrümmung ist umso geringer, je näher der Wendepunkt I beim Halb-Radius des Rades liegt. Sie ist ebenfalls begrenzt, wenn die Tangen ten T_A und T_B im wesentlichen parallel zur Ebene P verlaufen.
Die Kurve AB besteht nicht notwendigerweise aus zwei Kreisbögen. Sie kann zum Beispiel ein Kurvenabschnitt dritten Grades sein.
Der Punkt A befindet sich nicht zwangsweise auf der selben Seite der Ebene P wie der Spurkranz, jedoch ist diese Anordnung günstig, weil durch eine eventuelle Krümmung die Neigung besteht, daß sich der Abstand der Räder vergrößert, was eine gute Stabilität auf dem Gleis begünstigt.
Auch die Zentriertheit des Rades ist nicht obligatorisch, aber dadurch können die Drehbiegespannungen in den Achsschenkeln vermindert werden.
Schließlich ist es durch die progressive Veränderung der Dicke der Radscheibe möglich, das Rad möglichst leicht zu machen, insbesondere, wenn die Radscheibe roh geschmiedet ist. Diese Gewichtsverringerung wird insbesondere möglich, weil die stärksten dynamischen axialen Beanspruchungen, den die Radscheibe unterworfen ist, sich in der Nähe der Nabe befinden. Es ist also nicht erforderlich, daß die Stärke der Radscheibe in der Nähe des Radkranzes ebenso groß ist wie in der Nähe der Nabe.
Es ist anzumerken, daß ein Eisenbahnrad entweder ein geschmiedetes Teil oder ein geformtes Teil ist, das heißt, ein Teil mit einer gewissen geometrischen Ungenauigkeit. Auch sind die beschriebenen Eigenschaften nur im wesentlichen realisiert, das heißt auf einige mm genau.
Das so hergestellte Rad ist insbesondere für Waggons geeignet, deren Belastung pro Achse bis zu 25 Tonnen betragen kann und die eine Bremsleistung pro Rad von bis zu 40 kW während 30 Minuten aushalten müssen.
Das Rad ist ebenfalls für Hochgeschwindigkeitszüge mit Neigetechnik geeignet, die mindestens bis zu 240 km pro Stunde schnell fahren. In diesem Fall besitzt das Rad vorzugsweise eine Symmetrieebene P, die durch die Halb-Dicke des Radkranzes 1 verläuft, aber es ist nicht vollständig zentriert, da die Nabe 4 gegenüber der Seite des Spurkranzes 3 etwas versetzt ist. Die Radscheibe 5 ist um eine Meridianlinie AB herum konstruiert, die einen in der Ebene P gelegenen Wendepunkt I hat. Der äußere Radius R₁ des neuen Rades beträgt 457,2 mm, die Punkte A und B liegen auf Kreisen mit einem Radius von R₂ = 316, 2 mm bzw. R₃ = 204, 6 mm, so daß der Punkt I auf einem Kreis mit einem Radius R₄ = 260,4 mm liegt. Das Verhältnis R₄/R₁ beträgt 0,57. Die Radialdistanz h zwischen den Punkten A und B beträt 111,6 mm. Die Abschnitte AI und IB der Meridianlinie sind Kreisbögen mit einem Radius von R₅ = 65 mm bzw. R₆ = 65 mm, wobei beide größer sind als die Hälfte der Radialdistanz h. Die Dicke der Radscheibe, die auf der Seite der Nabe e₁ = 32 mm beträgt, nimmt gleichmäßig bis auf e₂= 19,05 mm auf der Seite des Radkranzes ab, und diese Abnahme verläuft fast linear. Die Tangenten T_A und T_B an die Punkte A und B verlaufen parallel zur Ebene P. Der Schnittpunkt I der Tangente mit der Linie J₁J₂, die Spur der Grenze zwischen der Radscheibe 5 und dem Radkranz 1, befindet sich auf der Seite des Spurkranzes 3 in einer Entfernung von der Ebene P von 32,2 mm. Der Schnittpunkt M der Tangente T_B mit der Linie M₁M₂, die Spur der Grenze zwischen der Radscheibe 5 und der Nabe 4, befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Spurkranzes 3 in einer Entfernung von 27,8 mm von der Ebene P. Die Dicke e₃ des Radkranzes beträgt 136,5 mm, die Nabe hat eine Dicke von e₄ = 169,1 mm, und die Ebene P befindet sich in einer Axialdistanz von 69,9 mm von der auf der gegenüberliegenden Seite des Spurkranzes gelegenen Vordersei te der Nabe. Die Seitenfläche des Radkranzes, auf der Seite des Spurkranzes, springt um 22,225 mm von der Seitenfläche der auf der Seite des Spurkranzes gelegenen Nabe zurück. Außerdem enthält das Rad ein Loch 9 zur Einspritzung von Öl, das in die Bohrung 8 der Nabe 4 mündet und das zur Druckeinspritzung von Öl dienen soll, um die Demontage des Rades zu erleichtern, wenn es auf einer Achse montiert ist.
Das derart ausgestaltete Rad hat eine gute Radialelastizität und einen guten Bremswiderstand. Die Verkrümmung ist gering, und die verbleibenden Beanspruchungen in der Verbindungszone zwischen dem Radkranz und der Radscheibe bleiben Druckbelastungen.
Die genauen Abmessungen des Rades, die oben genannt wurden, werden für eine spezielle Anwendung optimiert und können gegebenenfalls vom Fachmann abgeändert werden, um sie an abweichende Nutzungsbedingungen anzupassen.
Diese Räder können aus Ganzstahl hergestellt werden, der durch die Normen über Stahl für Eisenbahnräder definiert ist und insbesondere durch die amerikanische Spezifikation AAR M-107 vom 2.01.1994. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß die Einhaltung der von diesen Normen auferlegten Eigenschaften nicht ausreichend ist, um katastrophale Brüche während des Betriebs zu vermeiden, wenn die Räder auf Hochgeschwindigkeitszügen montiert sind. Die Erfinder haben hingegen festgestellt, daß das Rad, um die Sicherheit unter Betriebsbedingungen bei einem Neigezug, der auf einem Gleis mit Wechselbetrieb mit einer Geschwindigkeit von bis zu 240 km/h fährt, zu gewährleisten, geschmiedet sein muß, um eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, und aus Stahl mit folgenden Eigenschaften gebildet sein muß:
a) chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
0,470% ≤ C ≤ 0,570%
0,600% ≤ Mn ≤ 0,850%
0,150% ≤ Si ≤ 0,400%
S ≤ 0,010%
P ≤ 0,020%
Ni ≤ 0,300%
Cr ≤ 0,300%
Mo ≤ 0,080%
Cu ≤ 0,300%
V ≤ 0,050%
Al ≤ 0,025%
Ti ≤ 0,070%
H ≤ 0,0002%
O ≤ 0,0015%
N ≤ 0,0080%
wobei der Rest Eisen und aus der Erzeugung resultierende Unreinheiten sind,
b) Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse:
kontrolliert durch Vergleich mit typischen Bildern gemäß der Norm ASTM E45, wobei die Werte unter folgenden Maximalwerten bleiben müssen:
Außerdem muß die Summe der Werte B+C-D kleiner oder gleich 3 sein.
c) Korngröße:
Das Korn muß fein sein und der ASTM-Index größer oder gleich 7, es sind höchstens 20% der Körner mit einen ASTM-Index gleich 6 zulässig.
d) mechanische Eigenschaften:
Die Härte an der Seitenfläche des Radkranzes muß zwischen 255 und 321 HB betragen und größer als 255 HB zumindest bis 35 mm unter der Lauffläche entsprechend der letzten Profilierung bleiben.
Die Zug- und Elastizitätseigenschaften müssen wie folgt sein:
e) Ultraschallkontrollen:
Bei der Ultraschallkontrolle über den gesamten Betriebsbereich der Lauffläche, ausgeführt entsprechend der Spezifikation AAR M107 Abschnitt 18, dürfen keine Mängel entsprechend einem Loch von 2 mm Durchmesser sichtbar werden.
Die chemische Zusammensetzung wird so gewählt, daß durch die Härtung des Radkranzes eine ferrito-perlitische Struktur mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften erzielt wird. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Rad kranzes und der Härte lassen sich Abblätterungen und Verformungen der Schienenlauffläche verringern. Insbesondere wird die Elastizitätsgrenze so gewählt, daß eine ausreichende Schwerkraftfestigkeit unter der Schienenlauffläche erzielt wird und somit Verformungen der Schienenlauffläche vermieden werden, die zu Stabilitätsverlusten an dem mit dem Rad ausgestatteten Wagen führen können. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Radscheibe kann ein leichtes Rad entworfen werden, das den dynamischen Beanspruchungen während des Betrieb gut standhält. Aufgrund des unterschiedlichen Zugwiderstandes Rm zwischen dem Radkranz und der Radscheibe können verbleibende Zugbelastungen in der Verbindungszone zwischen der Radscheibe und dem Radkranz erzielt werden. Durch die Kombination zwischen den mechanischen Eigenschaften des Radkranzes, insbesondere die Elastizität, die Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse und die Ergebnisse der Ultraschallkontrolle, kann der Verlust von Segmenten des Radkranzes durch Rißbildung während des Betriebs vermieden werden, wobei diese Art von Störung besonders gefährlich ist.
Der Mindestgehalt an Kohlenstoff wird festgelegt, um eine ausreichende Härte zu erzielen, um die Abnutzung des Rades durch die Rollbewegung zu begrenzen. Der Höchstgehalt wird festgelegt, um die Abnutzung des Rades durch die Backenbremsung zu vermindern, die sehr starke Oberflächenerhitzungen auslöst, die zur Bildung von Martensitlinsen führen kann, die umso zerbrechlicher sind, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. Außerdem ist es besser, den Kohlenstoffgehalt zu begrenzen, damit die Härte der Schienenlauffläche nicht größer ist als die Härte der Schienen, um die Abnutzung der Schienen zu vermindern.
Bei bestimmten Rädern, die nur durch Scheiben gebremst werden, wie die Lokomotivenräder, die unter etwas anderen Bedingungen arbeiten als die Räder von Zugwagen, kann man einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt zwischen 0,570% und 0,670% wählen. Die Härte muß dann an der Seitenfläche des Radkranzes zwischen 255 und 321 HB betragen und größer als 255 HB zumindest bis 35 mm unter der Lauffläche entsprechend der letzten Profilierung bleiben.
Die Zug- und Elastizitätseigenschaften müssen wie folgt sein:
Alle anderen Eigenschaften, insbesondere die Reinheit und die Ergebnisse der Ultraschallkontrollen, müssen identisch mit denen sein, die im vorhergehenden Fall festgelegt wurden.
Es ist anzumerken, daß die Radscheibe des Rades gerade sein kann, wenn das Rad überhaupt nicht durch Bremsbacken gebremst wird, aber insbesondere die mechanischen Eigenschaften und die Eigenschaften hinsichtlich der Reinheit müssen beachtet werden, um Brüche während des Betriebs zu vermeiden.
Als Beispiel und zum Vergleich wurden Räder für einen Neigezug, der bis zu 240 km/h schnell fahren kann, mit folgenden Eigenschaften hergestellt:
1) Serie Nr. 1, gemäß der Erfindung:
– Rad für Wagen mit S-förmiger Radscheibe, wie oben beschrieben, gemischte Bremsung, 85% durch Scheiben, 15% durch Bakken.
– chemische Zusammensetzung des Metalls (in Tausendstel Gewichtsprozenten):
– mechanische Eigenschaften:
– Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse:
– Ultraschallkontrollen: keine Mängel entsprechend Löchern von 2 mm Durchmesser.
– Kornstruktur und -größe:
Ferrrit-Perlit, Korn ASTM 8
2) Serie Nr. 2, zum Vergleich:
– Rad für Lokomotive mit gerader Radscheibe, Bremsung 100% durch Scheiben.
- chemische Zusammensetzung des Metalls (in Tausendstel Gewichtsprozent):
– mechanische Eigenschaften:
– Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse:
– Ultraschallkontrollen:
keine Mängel entsprechend Löchern von 2 mm Durchmesser.
– Kornstruktur und -größe:
Ferrrit-Perlit, Korn ASTM 8
3) Serie Nr. 3, zum Vergleich:
– Rad für Wagen mit gerader Radscheibe, gemischte Bremsung 85% durch Scheiben, 15% durch Backen.
- chemische Zusammensetzung des Metalls (in Tausendstel Gewichtsprozenten):
– mechanische Eigenschaften:
– Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse:
– Ultraschallkontrollen:
keine Mängel entsprechend Löchern von 3 mm Durchmesser.
– Kornstruktur und -größe:
Ferrrit-Perlit, Korn ASTM 6
Beim Betrieb dieser Radserien wurden folgende Ergebnisse erreicht:
Aus diesen Ergebnissen geht einerseits hervor, daß durch die S-förmige Radscheibe gemäß der Erfindung die Verkrümmung sehr deutlich gesenkt wird (Vergleich A und C), und insbesondere, daß aufgrund der Eigenschaften des Metalls gemäß der Erfindung Brüche des Radkranzes durch Rißbildung vermieden werden.

Claims

Um eine Achse XX' senkrecht zu einer Mittelebene P drehendes Eisenbahnrad mit einem Radkranz (1), dessen Halb-Dicke sich in der Ebene P befindet, der eine Lauffläche (2) und einen Spurkranz (3) aufweist, mit einer Nabe (4), einer Radscheibe (5), einer Verbindungszone (6) der Radscheibe mit dem Radkranz, einer Verbindungszone (7) der Radscheibe mit der Nabe, wobei der Schnitt der Radscheibe längs einer Meridianlinie AB konstruiert ist, die sich zwischen einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe (5) und der Verbindungszone der Radscheibe mit dem Radkranz (6) gelegenen Punkt A und einem an der Verbindungsstelle der Radscheibe (5) und der Verbindungszone der Radscheibe mit der Nabe (7) gelegenen Punkt B erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Punkte A und B auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelebene P gelegen und beide symmetrisch in bezug auf den Schnittpunkt I der Meridianlinie AB mit der Ebene P sind, wobei der Punkt I ein Wendepunkt der Kurve AB ist.
Eisenbahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Punktes I von der Achse XX' zwischen dem 0,5- und 0,65-fachen äußeren Radius des Rades liegt.
Eisenbahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zur Ebene P des Schnittpunktes J der Tangente T_A an die Kurve AB in dem Punkt A mit der Spur J₁J₂ an der Grenze zwischen der Radscheibe und dem Radkranz gleich dem Abstand zur Ebene P des Schnittpunktes M der Tangente T_B an die Kurve AB in dem Punkt B mit der Spur M₁M₂ an der Grenze zwischen der Radscheibe und der Nabe ist, und daß vorzugsweise die Tangenten T_A und T_B an die Kurve AB in den Punkten A bzw. B parallel zur Ebene P sind.
Eisenbahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenabschnitte AI und BI zueinander in bezug auf den Punkt I symmetrisch sind.
Eisenbahnrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenabschnitte AI und BI Kreisbögen sind.
Eisenbahnrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisbögen einen Radius R haben, der größer als die Hälfte der Radialdistanz h zwischen den Punkten A und B ist.
Eisenbahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt A auf der gleichen Seite der Ebene P wie der Spurkranz (3) gelegen ist.
Eisenbahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Linie AB die Dicke e der Radscheibe gleichmäßig zwischen dem Punkt B und dem Punkt A abnimmt.
Eisenbahnrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke e der Radscheibe linear als Funktion des Abstandes zum Punkt B abnimmt, gemessen längs der Linie AB.
Eisenbahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zentriert ist.
Eisenbahnrad für Hochgeschwindigkeitszüge nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Stahl gebildet ist, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent enthält 0,470% ≤ C ≤ 0,570% 0,600% ≤ Mn ≤ 0,850% 0,150% ≤ Si ≤ 0,400% S ≤ 0,010% P ≤ 0,020% Ni ≤ 0,300% Cr ≤ 0,300% Mo ≤ 0,080% Cu ≤ 0,300% V ≤ 0,050% Al ≤ 0,025% Ti ≤ 0,070% N ≤ 0,0002% O ≤ 0,0015% N ≤ 0,0080% wobei der Rest Eisen und aus der Erzeugung resultierende Unreinheiten sind, daß weiterhin – die Reinheit hinsichtlich der Einschlüsse, kontrolliert durch Vergleich mit typischen Bildern gemäß der Norm ASTM E45 so ist, daß die Maßangaben A, B, C, D kleiner als die folgenden Werte sind:
wobei die Summe der Werte B+C+D kleiner oder gleich 3 soll, – der ASTM-Index der Korngröße größer oder gleich 7 ist, wobei maximal 20% der Körner einen ASTM-Index gleich 6 haben, – die Härte an der Seitenfläche des Radkranzes zwischen 255 und 321 HB liegt und größer als 255 HB zumindest bis 35 mm unter der Lauffläche entsprechend der letzten Profilierung verbleibt, – die Zug- und Elastizitätseigenschaften die folgenden sind:
– die Ultraschallkontrolle über den gesamten Betriebsbereich der Lauffläche, ausgeführt entsprechend der Spezifikation AAR M107 Abschnitt 18, keine Fehler äquivalent einem Loch von 2 mm Durchmesser oder größer erscheinen läßt.