Das Rad ist ein prinzipiell kreisrundes, scheibenförmiges Fahrzeugteil oder Maschinenelement, das - seit der bronzezeitlichen Erfindung des Speichenrades - von innen nach außen betrachtet aus Nabe, Speichen sowie Radkranz besteht. Um seinen Mittelpunkt drehbar auf einer Achse gelagert dient es mit einer Trageeinheit versehen dem Transport von Gütern und Personen. Auf einer Welle befestigt dient es der Übertragung von Kräften in Form von Drehmomenten. Seine Funktionsmöglichkeiten wurden über die letzten sechstausend Jahre ständig erweitert. In unserer heutigen mechanisierten Welt leistet das Rad einen größeren Beitrag.

Geschichte

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Das Rad gilt als eine der ältesten, ist sicher jedoch eine der wichtigsten Erfindungen der Menschheit. Lange galt seine Erfindung in der sumerischen Kultur um 4.000 v. Chr. als gesichert. Heute ist klar, dass sie früher oder zeitgleich und zwar unabhängig voneinander in zwei europäischen Kulturen geschah. So gibt es Funde von Scheibenrädern mit Wellen (Starrachsen) aus dem zirkumalpinen Raum und mit festen Achsen und drehenden Rädern aus dem kaukasischen Georgien.

Da der Widerstand bei der Rollreibung weitaus geringer ist als bei der zuvor für Transporte benutzten Gleitreibung (Schlitten, Schleifen Travois), wurden z.B. unter den günstigen Voraussetzungen einer ebenen Steppenlandschaft mit fahrfesten Böden Räder entwickelt.

Sogar mit steinernen Werkzeugen war es möglich, aus Baumstämmen Scheiben herauszuschneiden und diese mit einer Achse oder einer Welle zu verbinden. Mittels des Achssatz war es möglich Lastenträger die wir als Karren oder Wagen kennen, zu bewegen. Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die vor 1.200 v. Chr. im Orient eingeführt wurde. Mit dem soliden Speichenrad baute man so genannte Streitwagen also zweirädrige Wagen die eigentlich Karren heißen müssten. Mit modernen Maschinen sind auch hölzerne Speichenräder zu bauen. Australian_cart.jpg Vorgänger des Rades waren in keinem Fall Rollen bzw. Walzen, da sie nur auf völlig ebener Trasse mit Erfolg einzusetzen sind. Erst die Ägypter legten vermutlich zuerst Gegenstände auf ein stabile und gerade Unterlage, die sie dann auf einen relativ kurzen ebenen Strecke über Rollen schoben. Nachteilig war daran, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder von hinten weggenommen und vorn wieder vor den beförderten Gegenstand gelegt werden mussten.

Experimente siehe ^*

Mesopotamische und ägyptische Töpfer gelten als die Ersten, die etwa 3000 v. Chr. Töpferscheiben bei der Keramikherstellung eingesetzt haben sollen. Andere Quellen sprechen von einer noch früheren Erfindung in der Induskultur.

Siehe auch Geschichte des Transportwesens im Altertum

(Hinweis: Achsen dienen zum Tragen von Lasten, werden deshalb hauptsächlich auf Biegung beansprucht; Wellen übertragen Drehmomente, werden deshalb hauptsächlich auf Verdrehung (Torsion) beansprucht.)

System Rad und Achse

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Trier Bahnhof Triebachse Baureihe 44.jpg]] Das System Rad und Achse wird vor allem für Transportmittel angewandt; zum einen an Fahrzeugen, zum anderen als Kraftumlenkung an Hebezeugen.

Räder für Fahrzeuge

Werden Räder mit Hilfe von Lagern rotierend auf Achsen - heute meist nur auf Achszapfen - eines Fahrzeugs montiert, so wird mit diesem, im Vergleich zum Schleifen des zu transportierenden Gegenstandes, über eine zurückzulegende Strecke eine wesentliche Verminderung der Reibungskräfte und damit ein Energie sparender Transport von schweren Gütern bzw. eine schnelle Fortbewegung von Gütern und Personen, primär auf relativ ebenen Trassen erzielt.

Zum Vergleich: Um eine Stahlplatte von 100 kg Masse über eine Strecke von 10 m zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten. Hierbei ergibt sich die jeweilig auftretende Reibkraft aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert. Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauher Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl 0,1. Beim Schleifen ist die Stahlplatte über die gesamten 10 m in Kontakt mit der rauhen Oberfläche, somit ergibt sich die Arbeit W(s) zu

W(s) = 100 kg x 9,81 N/kg x 0,5 x 10 m = 4905 J

Beim Fahren mit Rädern vom Durchmesser 1000 mm und Achsdurchmesser 50 mm reduziert sich der Weg der Stahlnabe, die sich an der Stahlachse reibt, im Verhältnis der Durchmesser und somit ergibt sich die Arbeit W(f) zu

W(f) = 100 kg x 9,81 N/kg x 0,1 x 50 mm / 1000 mm x 10 m = 49 J

(zur Dimensionsbetrachtung: 1 Newton Meter ist äquivalent zu 1 Joule)

Selbst wenn wir die Arbeit, die auf Grund der Masse des Wagens und des Rollwiderstandes der Räder zu leisten ist, in der Größenordnung des Transportes der Stahlplatte annehmen, ist die Energieeinsparung enorm.

Für die schnelle Fortbewegung, den Bau schneller Fahrzeuge ist eine weitere Eigenschaft des Rades entscheidend: es dreht sich ab einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit, wie der Kreisel, stabil um die Achse und verhilft dem Fahrzeug hierdurch zu einem stabilisierenden Geradeauslauf bei hohem Fahrkomfort.

Beispiele hierzu:

• freihändiges Radfahren.
• Radrennfahrer werden, wie bei spektakulären Bergabfahrten zu sehen, bei nicht angepasster Geschwindigkeit und nicht entsprechender Schräglage des Fahrrades geradeaus in den Graben gedrängt.
• Bei Autofahrten durch Kurven erfahren wir den Effekt. Wenn wir in der Kurve das Steuer loslassen, bringen die dadurch freiwerdenden, durch den Kreiseleffekt erzeugten Rückstellkräfte das Fahrzeug im selben Augenblick und schnell zum Geradeausfahren.
• Würden die Räder " eiern ", würden wir im Fahrzeug ziemlich durcheinander geschüttelt.

Materialien

Als Materialien wurde Jahrtausende lang nur Holz verwendet. Ab der Bronzezeit wurden die Naben mit Lagerhülsen und die Radkränze mit Reifen aus Metall versehen, die entsprechend den Fortschritten der Metallurgie in immer beständigeren Materialien ausgeführt wurden. Erst mit der Erfindung von Dampfmaschine und Verbrennungsmotoren, die höhere Leistungen und Geschwindigkeiten ermöglichten, wurden die Räder vollkommen in Eisen, später aus Stahlblech zusammengeschweißt als Felge ausgeführt. Die geschmierten Nabenhülsen wurden durch Rolllager ersetzt. Räder für geringe Belastungen wurden in Leichtbauweise mit Drahtspeichen versehen.

Die Ausbildung der Räder wurde immer auf die zu befahrende Oberfläche (erst später Wege- und Straßen) abgestimmt, bzw. die Oberfläche entsprechend den erhöhten Anforderungen verbessert. So entstanden :

• Stahlreif auf Holzkranz für Räder von Schubkarren, zwei- oder vierrädrige Wagen, Fuhrwerke oder Kutschen auf Acker, Feld-/Bohlenwege oder Pflasterstraßen
• Hartgummireif auf Holz- oder Gusseisenkranz für die ersten Kraftfahrzeuge, länger auch noch für die Lastwagen auf Pflasterstraßen
• Luftreifen auf Felge für die Straßenfahrzeug und Flugzeuge auf Asphalt- oder Betonstraßen

Spezielle Entwicklungen des Rades für andere Transportmittel als Straßenfahrzeuge sind :

• der Spurkranz auf Stahlrad für die Schienen von Bahnen und Kränen und Rolltreppen
• die Seilrollen/-räder zur Unterstützung des endlosen Zugseiles bei Seilbahnen und Sessel/Skiliften

Heute werden Hartgummireifen auf Stahlrädern als Stützräder z.B. für Kettenfahrzeuge, für Karuselle, für Seilbahnen und Sessellifte oder bei Industriefahrzeugen, wie dem Gabelstapler, verwendet.

Fahrzeuge mit dem Wortteil -rad:

Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei

• Einrad
• Rhönrad
• Fahrrad und seinen Vorgängern, dem Hochrad und dem Laufrad
• Motorrad
• Dreirad
• Raddampfer

Sonderfälle

In Mittelamerika erfanden die Maya das Rad. An Tempeln ist es auf Steinornamenten auch als Speichenrad oder Zahnrad zu sehen. Wie bisher aus Funden belegt, nutzten sie dieses aber nur in Anwendungen, die keine äußeren Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Völkerkundemuseum Berlin).

In China wurden Fahrzeuge mit ovalen Rädern ausgerüstet, um zum Vergnügen der Mitfahrer, diese eine Berg- und Talfahrt erleben zu lassen. Eine solche Erlebnisfahrt boten bei uns noch die Jahrmärkte in den zwanziger Jahren des 20. Jhd., heute bieten uns diese noch manche Karusselle.

Das Riesenrad, ein stationäres "Fahrzeug/Beförderungsmittel".

Räder für die Kraftumlenkung

Räder, bei diesen Anwendungen oftmals Rollen genannt, werden stationär auf Achsen installiert, um Kräfte an Hanf- oder Drahtseilen angreifend umzulenken. Der Radkranz ist hierbei mit einer umlaufenden Nut versehen, um dem Seil Führung zu geben.

Beispiele sind :

• die Maurerrolle, wie man sie an kleinen Baustellen sieht, wo eine Hilfskraft eimerweise Material händisch nach oben zieht
• Förderräder an Fördertürmen bei Schachtanlagen des Bergbaus
• Räder an Fahrstühlen
• der Flaschenzug, bei dem sowohl Rollen an stationären, sogenannten Flaschen installiert sind, als auch an beweglichen, wobei ein durchgehendes Seil so um zugehörige Paare von Rollen an den beiden Flaschen gelegt wird, dass sie entsprechend den Hebelgesetzen über einen langen Seilzugweg größere Lasten über kürzere Strecken heben.

System Rad und Welle

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Wird die Nabe des Rades fest auf einer gelagerten Welle installiert - siehe hierzu Welle-Nabe-Verbindung - , kann es der Übertragung von Drehmomenten dienen bzw. angetrieben Kräfte entlang eines Weges übertragen, somit Arbeit leisten. Für diesen Zweck wurden die Bestandteile des Rades zu verschiedensten Formen abgewandelt. Auch kann das Rad als Energiespeicher eingesetzt werden.

Überträger von Drehmomenten

Zum Übertragen von Drehmomenten wird der Radkranz entsprechend der Antriebsart gestaltet, so als

• Riemenscheibe oder -triebrad bei Transmissionswellen
• Reibrad
• Kettenrad
• Seilrollen/-räder
• Zahnrad bei z.B. Getrieben, Uhrwerken (Chronometer, Astronomische Uhren), mechanischen Rechenmaschinen, Zählwerken wie bei Gasuhr und Wasseruhren

Zusammengehörige Reib- und Zahnräder drehen die Drehrichtung um. Bei Riementrieben geschieht dies durch um 180° verdreht Riemen; um 90° gedrehte Riemen ermöglichen eine Drehung der Rotationsebene aus der horizontalen in die vertikale. Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des angetriebenen Rades im Vergleich zum antreibenden können die Winkelgeschwindigkeiten oder entsprechend den Hebelgesetzen die Drehmomente den Bedürfnissen angepasst werden.

Besonders bei Zahnrädern ist die Entwicklung zu verbessertem Kraftschluss und energiesparender Ausführungen in Abhängigkeit von den zu den jeweiligen Zeiten gegebenen Werkstoffen und Verarbeitungsmöglichkeiten vorangetrieben worden:

• in Holz mit Holzzapfen (Kammrad) seitlich am Radkranz versehen als Kronrad oder bei großen Kräften mit zwei Rädern als Käfigrad, mit Zapfen außen am Radkranz als Stirnrad
• in Metall mit verschiedenen ausgeführten Zähnen entsprechend der Lage der Wellen zueinander als Stirn-, Kegel-, Schrauben- oder Schneckenrad

Arbeit verrichtende Maschinenteile oder Arbeitsmaschinen

Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:

• Töpferscheibe mit Fußantriebsrad zur Verformung des Tons
• riemenradgetriebene Drechsel-/Drehbank oder Bohrmaschine, später mit E-Motor über Getriebe angetrieben
• Schöpfrad zum Anheben des Wasserspiegels bzw. zur Bewässerung in seiner frühesten Form z.B. als Rad mit Zapfen, an denen Tonkrüge angebunden wurden
• Schaufelrad bei Dampfern, d.h. als Doppelrad mit Schaufeln/Paddeln an den Radkränzen
• Laufrad von Gebläsen, Kreiselpumpen oder Radialverdichtern, d.h. ursprünglich als Rad mit gekrümmten Schaufeln auf der Radscheibe, mit oder ohne Laufkranz
• Laufrad von Axialverdichtern, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen
• Propeller sind rudimentäre, dafür hochspezialisierte Ausführungen des Rades
• Antriebsräder für die endlosen Seile von Seil- und Gondelbahnen, von Sessel- und Skiliften
• Zentrifugen zur Trennung von Substanzen sind auf einer vertikalen Achse rotierende Räder.

Drehmoment erzeugende Maschinenteile oder Kraftmaschinen

Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim:

• einfachsten, dem Steuerrad, dem Lenkrad
• Tretrad der Tretmühle hauptsächlich für Verlade- und Baukräne
• Mühlrad als Doppelrad mit Trögen zwischen den Radkränzen
• Windrad z.B. im Mittelmeerraum als Speichenrad mit Dreieckssegeln an den Speichen und einem Seil quasi als Radkranz (eindrucksvoll auf alten Fotos vom Tal der Windmühlen auf Kreta)
• langsam laufenden Windrad als Rad, dessen Speichen als Flügelprofil ausgebildet sind und der Radkranz als stabilisierendes Element gegen Schwingungen weiter innen im Flügel angebracht wird: z.B. zum Wasserpumpen auf Mallorca, in der Ebene östlich von Palma, oder auf den weitläufigen Viehweiden im Mittleren Westen Amerikas
• Laufräder von Dampf- und Gasturbinen, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen

Energiespeicher

Als Energiespeicher wird das Rad entsprechend den auszugleichenden Kräften mit genügend großer Masse ausgeführt; vor allem, um bei oszillierenden Kräften die auftretenden Todpunkte oder den kraftlosen Rücktritt zu überwinden, bzw. um genügend Energie für den ausstoßenden und den verdichtenden Hub zur Verfügung zu stellen, so beim

• fußbetriebenen Antriebsrad z.B. der Töpferscheibe
• beim Trittbrett des Spinnrades, der Nähmaschine
• bei ein- und zweizylindrischen Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren

Sonderfälle

Die Radsätze der Eisenbahnen bestehen aus mit Wellen fest verbundener Räder, die normal keine Drehmomente übertragen, mit Ausnahme der angetriebenen Räder der Lokomotiven. Diese Konstruktion wurde gewählt, um eine hohe Spurtreue zu erzielen und die in Kurven auftretenden Seiten-/Axialkräfte mit einem einfacher ausgeführten Lager aufzunehmen. Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass das kurveninnere Rad durchdreht und dadurch Schiene und Rad " wellig "werden.

Literatur

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• Veronika R. Meyer, Marcel Halbeisen: Nur scheinbar ein Paradox: Warum gibt es in der Natur keine Räder? Biologie in unserer Zeit 36(2), S. 120 - 123 (2006), ISSN 0045-205X

Weblinks

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• In Australien im Jahr 2001 angemeldetes Patent: Ein Rad

Siehe auch

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• Eisenbahnrad: Radscheibe, Lauffläche, Radprofil, Spurkranz
• Reifen (Sommerreifen, Winterreifen, Allwetterreifen)
• Felge
• Geschichte des Transportwesens im Altertum
• Liste bedeutender Erfindungen
• Nabe
• Speiche
• Scheibenrad
• Mecanum Rad
• Omniwheel

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