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Bei Räder der Eisenbahnen unterscheidet man zwischen Vollrädern und Rädern mit Radreifen sowie zwischen Metall- und Pneureifen. Weitere Merkmale von Rädern der Schienenfahrzeuge sind heute der Spurkranz sowie eine exakt berechnete geometrische Form. Zugräder.JPG, Bolivien]]
Radreifen
Radreifen-Bahn.jpgRadreifen-aufziehen.jpgRäder mit Radreifen bestehen aus einem Radkörper und einem diesen umschließenden Radreifen. Ein Vorteil von Radreifen ist, dass man bei verschlissenen Rädern nicht die gesamte Radscheibe austauschen muss. Es ist also nicht zwingend notwendig die Pressverbindung zwischen Radscheibe und Achse zu lösen. Da der Radreifen im Durchschnitt über 600.000 Kilometer auf den harten Schienen aus Stahl rollt, muss er selbst aus besonders widerstandsfähigem Stahl und extrem fest am Radkörper befestigt sein.
Montage und Demontage
Durch die Benutzung von Nieten oder Schrauben kann der Radreifen nicht so fest angebracht werden, dass er sich niemals lockert. Daher verwendet man die im Maschinenbau gebräuchliche Technik des Aufschrumpfens. Dabei wird die Ausdehnung des Stahles bei Erwärmung und das Zusammenziehen bei Abkühlung ausgenutzt: Der Radreifen wird so angefertigt, dass er eigentlich zu klein ist. Dann wird er erhitzt, bis er auf den Radkörper passt, also der Innendurchmesser des Radreifens etwas größer als der äußere Durchmesser des Radkörpers ist. Wenn sich der Radreifen wieder abkühlt, zieht er sich zusammen und umschließt den Radkörper extrem fest. Dadurch entsteht eine kraftschlüssige Verbindung. An der Radaußenseite hat der Radreifen einen Bund, der das Abrutschen des Reifens nach innen verhindert. Auf der Innenseite ist eine Nut eingedreht, in die ein Sprengring eingesetzt und verwalzt wird. Dies dient als Sicherung, falls ein abgefahrener Radreifen im Betrieb heißgebremst wird und sich der Schrumpfverband löst. Ein abgefahrener Radreifen wird durch Aufbrennen vom Radkörper getrennt.Überwachung
Radreifen werden von den Werkstätten ständig auf Überhitzungen und Lösung des Sitzes überwacht. Ein Radreifen, der sich verdreht hat, darf mit einer Klangprobe auf wieder festen Sitz untersucht werden. Ist der Klang an 90 % des Umfangs glockenhell und nicht dumpf, so kann der Radreifen als fest angesehen werden. Das Rad wird mit roten Strichen zur Überprüfung des Sitzes markiert und darf wieder eingesetzt werden, sofern keine Metallspäne im Sitz ausgetreten sind und es nicht zu einer erneuten Verdrehung des Radreifens kommt. Zwischen Radkörper und Radreifen wurde bei einer Sonderbauform für den ICE eine Schicht aus schalldämmenden Gummiblöcken eingesetzt. Diese Bauform verursachte aber das ICE-Unglück von Eschede und wurde deshalb bei diesen Zügen aus dem Verkehr gezogen. Bei einigen Straßenbahnen und U-Bahnen befindet sich diese Sonderbauform weiterhin im Einsatz.Belastung von Radreifen
Radreifen sind ständig durch ihren Schrumpfsitz auf Zug belastet. Bei Radreifen, die mit Bremsklötzen gebremst werden, treten auf den Laufflächen außer Abrieb auch kleine Querrisse auf. Die Abrollbewegung, bei hohen Aufstandskräften von 10t pro Rad, verschiebt das Material langsam nach außen und führt zu einer Überwalzung am Außenrand. Diese Walzarbeit auf der Lauffläche entspannt aber auch die durch das Bremsen rissbelasteten Flächen, so dass von den kleinen Querrissen keine Bruchgefahr ausgeht. Das ist anders, wenn ein Bremsklotz die äußeren Radreifenrad überschleift und Wärme in die Außenkante einbringt: Dieser Bereich wird durch die Walzarbeit nicht entspannt, was zu Spannungsrissen von der Außenseite führt. Radreifen werden mit Ultraschall gegen diese Rissbildung untersucht. Eine weitere Gefährdung tritt durch Kerbwirkung von Stempelungen auf.Vollrad (auch: Monobloc-Rad)
DBAG ICE 1 Drehgestell Triebkopf.jpg-Drehgestells]]
Das Vollrad wird heute sehr häufig eingesetzt. Fast alle Reisezugwagen und Triebwagen laufen heute mit Vollscheibenrädern. Das Vollrad ist leichter als ein bereiftes Rad. Es kann weiter abgefahren werden, weil es sich nicht lösen kann. Man umgeht bei einem Vollrad die Materialalterungsprobleme von Radscheiben nach 30-jähriger Nutzungsdauer, indem man das Rad nach seiner Laufleistung verschrottet.
Die Laufleistung eines Vollrades kann man nicht so genau angeben, weil es je nach Bauart unterschiedlichen Instandhaltungsintervallen unterliegt. Im optimalen Fall können Laufleistungen zwischen 1 Million und 2,5 Millionen Kilometern erreicht werden. Dabei kann ein Rad bis zu 10 cm seines Profils verlieren. Räder sind grundsätzlich aus weicherem Material als die Schienen, damit sich die Räder und nicht die Schienen abnutzen. Denn Räder sind günstiger und einfacher auswechselbar als Schienen.
Montage und Demontage
Das Vollrad wird mit einer Radsatzpresse auf eine Achse gepresst. Nach Montage beider Räder werden die Profile und die zeichnungsgerechten Radflächenabstände auf einer Radsatzdrehbank gedreht. Vollradachsen werden ausgewuchtet. Dazu wird die Achse außermittig gespannt und die Scheibe am inneren Felgenkranz ausgesichelt. Die Demontage erfolgt durch Abpressen.Belastungen und Prüfungen
Das klotzgebremste Vollrad unterliegt fast den gleichen Belastungen wie der Radreifen. Auch die Vollscheibe wird auf Risse der Außenseite untersucht. Es kommt aber eine zusätzliche Belastung hinzu. Wird ein Vollrad überhitzt, dann dehnt sich der Laufbereich aus. Er zieht den mittleren federnden Bereich des Rades mit. Nach dem Abkühlen des Rades drückt der gedehnte Mittelbereich nach außen auf den Laufbereich. Die Lauffläche entspannt sich wieder durch Walzarbeit, aber der Spurkranz nicht. Die Kräfte treten gebündelt am Spurkranz auf und führen zu tiefen Rissen. Aus diesem Grund sind überhitzte Vollräder zu tauschen und in der Aufarbeitung zu entspannen. Die Vollräder werden in der Aufarbeitung einer Ultraschallvollprüfung einschließlich einer Restspannungsmessung unterzogen.Bei scheibengebremsten Vollrädern, die sehr hohe Laufleistungen erreichen ohne abgedreht werden zu müssen, kann es in seltenen Fällen zu einer Materialdoppelung im Laufbereich kommen. Diese Fälle sind sehr selten und die Ursachen sind noch nicht vollständig geklärt. Das Material löst sich flächig wenige Millimeter unterhalb der Lauffläche ab, deshalb sind die Vollräder bis zur nächsten Aufarbeitung in den Laufkilometern begrenzt.
Radkranzhärtung / gezieltes Härten von Laufflächen
Es läuft das Rad auf der Schiene. In dieser Paarung erfährt das Rad den größeren Verschleiß. Dies rührt daher, dass das Gefüge im Radkranz des fertigbearbeiteten Rades perlitisch ist. Hierzu wird lediglich der Radkranz (das sind Lauffläche und Spurkranz) des schmiederohen Rades in einem HEESS-Abschreckbad durch gezielte Wasseraufbringung gehärtet. Der Steg und die Nabe des Rades werden nicht gehärtet. Die Wärmebehandlung wird prinzipiell wie folgt durchgeführt:- Erwärmen des Eisenbahnrades im Hochtemperaturofen auf ca 860°C (=Austenitisieren)
- Halten auf 860°C (Haltezeit ist werkstoff- und querschnittabhängig)
- Radkranzhärtung mit Wasser bzw Wasser/Luftgemisch im HEESS Abschreckbad
- Erwärmen des Eisenbahnrades im Niedertemperaturofen auf ca 550°C (Anlassen = Entspannen)
- Halten auf 550°C (Haltezeit ist werkstoff- und querschnittabhängig)
- Abkühlen an Luft
Es entstehen infolge der Wärmebehandlung am Rand des Radkranzes von außen nach innen gesehen folgende Schichten
- 1 Harte Schicht reiner Bainit
- 1 Mischschicht aus Bainit, Perlit
- Grundgefüge: Schicht aus ca. 95% Perlit + 5% Ferrit
Die Harte Schicht und die Mischschicht werden in der anschließenden Hartbearbeitung abgedreht, so dass das Grundgefüge, nämlich im Wesentlichen Perlit, übrig bleibt. Somit läuft ein verhältnismäßig weiches Rad auf harter Schiene; d.h. das Rad erfährt die Abnutzung - und nicht die Schiene. Entsprechend wird das Rad nach Erreichen seines maximal zulässigen Abnutzungsgrades ersetzt - und nicht die Schiene. In Europa werden niedriglegierte Schmiedebaustähle für die Eisenbahnräderproduktion verwendet. Gängige Werkstoffbezeichnungen sind R7, R8, R9. Die UIC 812-3 Norm des internationalen Eisenbahnverbandes spezifiziert die geforderten technischen Eigenschaften vor und nach der Wärmebehandlung. Schlüsselvorgaben werden gemacht für:
- Härte nach Brinell in 30 mm Tiefe
- Kerbschlagzähigkeit
- Zugfestigkeit
- Gefüge des abgedrehten Teils
- Höhe der Eigenspannungen
Eigenspannungsarme Radsätze
Um der beim Einsatz von Kompositbremssohlen auftretenden zusätzlichen Erwärmung und den daraus resultierenden möglichen Spannungsrissen engegenzuwirken, werden seit Ende der 1980er versuchsweise und seit Mitte der 1990er in größerem Umfang eigenspannungsarme Radsätze eingesetzt. Die Kompositionsbremssohlen können die entstehende Bremswärme weniger gut abführen als die Graugussbremssohlen, so dass die Radscheibe mehr Wärmeenegie abführen muss und damit stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
Um durch Temperaturschwankungen entstehende Spannungsrisse wirksam zu bekämpfen, wurde eine Radscheibe entwickelt, die weniger empfindlich auf solche Spannungen reagiert. Diese Radscheibe unterscheidet sich vor allem durch ihre ausgeprägte S-Form zwischen Radnabe und Laufflächenkörper, wodurch ein besserer Spannungsabbau erreicht wird als bei flachen Radscheiben. Im Nebeneffekt bewirkt die größere Oberfläche auch eine verbesserte Wärmeabfuhr. Solche Radsätze sind bei Güterwagen mit einem unterbrochenen, senkrechten weißen Strich auf dem Lagergehäuse gekennzeichnet.
Laufeigenschaften von Rädern
Die Laufeigenschaften von Rädern werden von zahlreichen Faktoren bestimmt.
Spurkranz
Spurkranz1.jpg Der Spurkranz ist heute ein immer notwendiger Bestandteil der Räder von Schienenfahrzeugen. Er sorgt für eine sichere Führung des Fahrzeuges auf den zugehörigen Schienen.Er besteht in einer Auswölbung an der Innenseite des Eisenbahnrades, die etwa 3 cm (Spurkranzhöhe) über die Lauffläche hinausragt. Der Spurkranzkuppe schließt sich die in der Regel 70° geneigte Spurkranzflanke an, bevor der Spurkranz über die Hohlkehle in die Lauffläche übergeht. Der Abstand der beiden Spurkränze eines Radsatzes wird Spurmaß genannt. Die Gesamtheit der beiden Räder mit Spurkränzen, der mit ihnen fest verbundenen Radsatzwelle und gegebenenfalls den Bremsscheiben heißt Radsatz. Durch die Spurkränze wird das Spurspiel, innerhalb dessen sich das Eisenbahnfahrzeug in Querrichtung bewegen kann, jeweils durch einen Spurkranzanlauf, also das Anlaufen eines Spurkranzes an den inneren Schienenkopf, begrenzt. Dadurch wird eine sichere Spurführung von Eisenbahnfahrzeugen gewährleistet. Zusätzlich wird in der Regel das Laufverhalten durch den Sinuslauf stabilisiert.
Um in Kurven Geräuschentwicklungen und übermäßigen Verschleiß des Spurkranzes durch das Anlaufen an die Schienenflanke zu vermeiden, verfügen viele Lokomotiven, Steuerwagen und Triebzüge über Einrichtungen zur Spurkranzschmierung.
Eine andere Führungstechnik ist der Spurnagel. Dieser befindet sich direkt am Fahrzeug und greift in den Zwischenraum der in diesem Falle sehr breiten Schienen. Dieses Prinzip der Spurführung findet sich bei sehr alten Schienenfahrzeugen des Bergbaues und wurde bei der Entwicklung der Eisenbahn nicht weiter verfolgt.
Spurkranz und Doppelkegel (Sinuslauf)
Doppelkegel2.jpg Der Spurkranz kann nur bei langsamen Geschwindigkeiten verhindern, dass das Schienrad von der Schiene springt. Bei höheren Geschwindigkeiten würde der Kranz seine Funktion nicht mehr zuverlässig erfüllen oder sehr schnell verschleißen. Er ist aber nicht die einzige Einrichtung, die einen spurigen Lauf der Räder gewährleisten kann. Räder moderner Schienenfahrzeuge werden heute oft als Kegelstümpfe gefertigt, die Scheiben eines Doppelkegels entsprechen.Aus geometrischen Gründen ist es einem Doppelkegel schwer möglich, eine Schiene, die er entlang rollt, zu verlassen, da jede Auslenkung nach rechts oder links aufgrund räumlicher Geometriegesetze zum Entstehen einer Kraft in der entgegengesetzten Richtung führt. Doppelkegel taumeln sich so in ein Gleichgewicht ein und stabilisieren sich unter höheren Geschwindigkeiten sehr genau. Es ist möglich, einen Doppelkegel eine Schiene entlang laufen zu lassen, wobei er mittig läuft und seine stabilisierte Lage nicht mehr verlässt. Der Lauf in der Schiene kann technisch so exakt justiert werden, dass nur noch Taumelbewegungen im Millimeterbereich auftreten. Dies ermöglicht es, die überstehenden Bestandteile des Doppelkegels einfach wegzulassen. Schienenräder entsprechen dann nur jenen Scheiben des Doppelkegels, die die Schiene berühren. Beide Spitzen und die zentralen Bestandteile des Doppelkegels werden für diesen Effekt nicht benötigt.
Der beschriebene Effekt spielt bei der Konstruktion von modernen, hochleistungsfähigen Schienenfahrzeugen ebenso eine Rolle wie bei der Konstruktion von Gleisen und Schienenbetten. Bei Kurvenfahrten beispielsweise verschiebt sich die Spurlage durch die Zentrifugalkraft nach außen, weshalb das kurvenäußere Rad die längere Strecke auf einem größeren Raddurchmesser befährt und das kurveninnere Rad demgegenüber im Bereich eines geringeren wirksamen Raddurchmessers läuft; bei den üblichen Starrachsen verringern sich dadurch die beim Durchfahren von Kurven entstehenden Reibungsverluste. Auch die zulässige Höchstgeschwindigkeit von konventionellen Schienenfahrzeugen wird durch die geometrische Beschaffenheit der Räder und das Zusammenspiel von Spurkranz und Radreifen maßgeblich mitbestimmt.
Ökonomische Aspekte der Schienenräder
Schienenfahrzeuge ziehen einen großen wirtschaftlichen Vorteil daraus, dass sie die Antriebsenergie wesentlich effizienter umsetzen können als viele andere Fahrzeuge. Denn die geringe Reibung des Rades auf der Schiene, die einerseits das allgemein schlechtere Bremsverhalten von Schienenfahrzeugen bewirkt, führt andererseits zu einer effizienten Ausnutzung der benötigten Energie.
Eine optimale Ausnutzung der Laufeigenschaften von Schienenfahrzeugen setzt allerdings einheitliche Standards bei der geometrischen Ausführung von Rädern und Gleisen voraus. Die unterschiedlichen Passungen von Rädern und Schienen sind ein Grund dafür, dass Schienenfahrzeuge, sobald sie Gleissysteme befahren, die nach verschiedenen Standards gebaut wurden (andere Länder, andere Gleistypen), einen Teil ihrer technischen Effizienz einbüßen. Langsamere oder andere Durchschnittsgeschwindigkeiten bewirken einen erhöhten Energieverbrauch, die Beanspruchung des Spurkranzes (besonders in Kurven) kann zu höheren Wartungskosten führen.
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