Eisenbahnrad
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Räder der Eisenbahnen sind Teil des Radsatzes und haben verschiedene Bauformen. Sie waren ursprünglich Speichenräder, später auch Vollräder, Radkörper mit Radreifen sowie auch Pneureifen. Weitere Merkmale von Rädern der Schienenfahrzeuge sind heute der Spurkranz sowie eine exakt berechnete geometrische Form.
Nach der Funktion wird auch unterschieden nach den angetriebenen Treibrädern und den nur tragenden Laufrädern.
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[Bearbeiten] Speichenräder
Erste Eisenbahnräder waren durch die Kutschenbau-Tradition beeinflusst oft als hölzerne Speichenräder ausgeführt. Von der 1830 gebauten amerikanischen Lokomotive John Bull ist folgende Ursprungsausführung der Treibräder bekannt: die Radnaben bestanden aus Gusseisen, die Speichen und Felgen aus hartem Robinienholz, die dreiviertel Zoll dicken Radreifen wiederum aus Schmiedeeisen.
Die großen Treibräder moderner Dampflokomotiven wurden später zwar durchgehend aus Stahl und Eisen gefertigt, dennoch zur Gewichtsersparnis weiterhin als Speichenräder ausgeführt. Die ersten Vollbahn-Elektrolokomotiven hatten ebenfalls Speichenräder. Bei den ersten Einzelachsantrieben mit leistungsstarken Motoren waren die Speichenräder auch eine funktionelle Notwendigkeit. Hier führten Ausleger vom Motorgetriebe auf der Achse durch die Speichen hindurch auf die Außenseite der Räder, wo sie über Federelemente (stählerne Topffedern/„Federtopfantrieb“ oder Gummisegmente/„Gummisegmentfederantrieb“) mit dem Radkörper verbunden waren.
Eine Variante des Speichenrades ist die US-amerikanische "Boxpok"-Bauweise, bei der die volle Radscheibe mehrere gerundete Aussparungen hat, die einerseits das Gewicht mindern, aber höhere Belastungen als „echte“ Speichenräder zulassen. Zudem ließ die Boxpok-Bauweise an Dampflokomotiven durch unterschiedlich bemessene und verteilte Aussparungen einen besseren Unwucht-Ausgleich der Kolbendampfmaschine zu als die standardmäßig aufgebrachten zusätzlichen Gegengewichts-Blöcke.
[Bearbeiten] Radreifen
Räder mit Radreifen bestehen aus einem Radkörper und einem diesen umschließenden Radreifen. Diese Materialkombination bietet Vorteile gegenüber
- einem homogenen Graugusskörper (bruchanfällig am Umfang),
- einem homogenen Stahlgusskörper (im 19. Jahrhundert noch nicht wirtschaftlich herzustellen) oder
- einem homogenen Drehkörper (im 19. Jahrhundert noch nicht wirtschaftlich herzustellen) oder
- einem homogenen Schmiedekörper (im 19. Jahrhundert noch nicht wirtschaftlich herzustellen)
1852/1853 erfindet Alfred Krupp den nahtlosen Radreifen: Ein geschmiedetes längliches Stück Stahl wird mittig gespalten, ringförmig auseinandergetrieben, gereckt und schließlich gewalzt. Krupp verkauft für Jahrzehnte seine Radreifen an die meisten nordamerikanischen Eisenbahnen und begründet damit den Erfolg des späteren Kruppschen Industrieimperiums. Die drei Ringe des Kruppschen Firmensymbols erinnerten daran.
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.
Spätestens seit dem Unfall mit ICE bei Eschede sind Räder mit Radreifen nicht mehr die erste Wahl. Aktueller Stand der Technik sind Stahlgussreifen, die eine bessere Stabilität gegenüber Schockbelastungen aufweisen.
[Bearbeiten] Montage und Demontage
Durch die Benutzung von Nieten oder Schrauben kann der Radreifen nicht so dauerhaft montiert werden, dass er sich nicht im Betrieb lockert oder die Verbindungselemente brechen. Daher verwendet man die im Maschinenbau gebräuchliche Technik des Aufschrumpfens. Dabei wird die Wärmeausdehnung des Stahls 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 fest. Dadurch besteht eine schockfeste kraftschlüssige Verbindung. An der Reifenaußenseite hat der Radreifen am inneren Umfang einen Bund, der das Abrutschen des Reifens nach innen verhindert. Auf der Innenseite ist eine Nut eingedreht, in die ein stählerner Sprengring eingesetzt und verwalzt wird. Dies dient als Sicherung, falls ein abgefahrener Radreifen im Betrieb heißgebremst wird und sich der Schrumpfverband lockert. Ein abgefahrener Radreifen wird durch Aufbrennen vom Radkörper getrennt und recycelt.
[Bearbeiten] Belastung von Radreifen
Radreifen sind durch ihren Schrumpfsitz ständig auf Zug belastet. Bei Radreifen, die mit Bremsklötzen gebremst werden, treten auf den Laufflächen außer dem Abrieb auch kleine Querrisse auf. Durch die Abrollbewegung verschiebt sich bei hohen Aufstandskräften von zehn Tonnen pro Rad 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 Radreifenränder 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 auf diese Rissbildung untersucht. Eine weitere Gefährdung tritt durch Kerbwirkung von Stempelungen auf.
[Bearbeiten] Überwachung
Radreifen werden von den Werkstätten ständig auf Folgen von Überhitzungen wie Haarrisse und Lösung des Sitzes überwacht. Haarrisse können durch Ultraschall- Untersuchungen und Röntgen-Feinstrukturbilder erkannt werden. Ein Radreifen, der sich gelockert hat, kann mittels einer Klangprobe vom festen Sitz unterschieden werden. Ist der Klang an 90 Prozent 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.
Der homogene Klangkörper ist wesentliche Ursache des Kreischens von rollenden Bahnen bei Kurvenfahrt. Zwischen Radkörper und Radreifen wurde bei einer schallmindernden Sonderbauform auch für Hochgeschwindigkeitszüge wie den ICE ein Ring aus einzelnen schallhemmenden Gummiblöcken eingesetzt. Ein Bruch des Radreifens dieser Bauform verursachte das ICE-Unglück von Eschede und wurde deshalb bei diesen Zuggarnituren aus der Ausrüstung genommen. Bei Straßenbahnen und U-Bahnen mit geringerem Geschwindigkeitsprofil befindet sich diese Bauform weiterhin im Einsatz.
[Bearbeiten] Spurkranz
Moderne Eisenbahnfahrzeuge haben an der zur Gleismitte gerichteten Seite ihrer Räder einen etwa drei Zentimeter hohen vertikalen Wulst, der als Spurkranz bezeichnet wird. Der Spurkranzkuppe schließt sich die in der Regel 70 Grad 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 vor allem im unteren Geschwindigkeitsbereich eine sichere Spurführung gewährleistet. 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.
[Bearbeiten] Kegelprofil
Der Spurkranz kann nur bei niedrigen Geschwindigkeiten den Verbleib des Rades auf der Schienenoberfläche gewährleisten. Bei höheren Geschwindigkeiten würde der Kranz seine Funktion nicht mehr zuverlässig erfüllen oder sehr schnell verschleißen. Die Entwicklung des Rad-Schiene-Systems hat daher dazu geführt, die Räder geometrisch als Kegelstümpfe bzw. als Scheiben eines Doppelkegels auszuführen. Sie bewirken auf den parallelen Profilschienen den selbstzentrierenden Sinuslauf.
Darüber hinaus erfüllt das Kegelprofil in Kurven eine ähnliche Aufgabe wie ein Differentialgetriebe in einem Kraftfahrzeug: Das auf der Aussenseite der Kurve rollende Rad muss - bei gleicher Drehzahl - den längeren Weg zurücklegen als das Innere. Die Zentripetalkraft drückt das Schienenfahrzeug in Richtung Aussenseite der Kurve und sorgt so dafür, dass das äussere Rad auf einem größeren, dem Spurkranz näheren Durchmesser abrollt als das Innere.
[Bearbeiten] Vollrad (auch: Monobloc-Rad)
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 und 2,5 Millionen Kilometern erreicht werden. Dabei kann ein Rad bis zu zehn Zentimeter 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.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] 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 etwa 860 °C (= Austenitisieren)
- Halten auf 860 °C (Haltezeit ist werkstoff- und querschnittabhängig)
- Radkranzhärtung mit Wasser bzw. Wasser-Luft-Gemisch im HEESS-Abschreckbad
- Erwärmen des Eisenbahnrades im Niedertemperaturofen auf etwa 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
- Eine harte Schicht reiner Bainit
- Eine Mischschicht aus Bainit und Perlit
- Grundgefüge: Schicht aus etwa 95 Prozent Perlit und fünf Prozent 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; das heißt 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 und 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 Millimeter Tiefe
- Kerbschlagzähigkeit
- Zugfestigkeit
- Gefüge des abgedrehten Teils
- Höhe der Eigenspannungen
[Bearbeiten] Eigenspannungsarme Radsätze
Um der beim Einsatz von Kompositbremssohlen auftretenden zusätzlichen Erwärmung und den daraus resultierenden möglichen Spannungsrissen entgegenzuwirken, 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.
[Bearbeiten] Ökonomische Aspekte
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.
