Nahtwechsel

Bei Räder der Eisenbahnen unterscheidet man zwischen Vollrädern und Rädern mit Radreifen sowie zwischen Metall- und Pneureifen. Weitere Merkmale von Rädern der Schienenfahrzeugesind heute der Spurkranz sowie eine exakt berechnete geometrische Form.

Radreifen

Räder 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 Schienenaus Stahlrollt, 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 Ausdehnungdes 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. 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 ICEeine Schicht aus schalldämmenden Gummiblöcken eingesetzt. Diese Bauform verursachte aber das ICE-Unglück von Eschedeund 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 Ultraschallgegen diese Rissbildung untersucht. Eine weitere Gefährdung tritt durch Kerbwirkungvon Stempelungen aus.

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 Million und 2,5 Millionen Kilometern erreicht werden. Dabei kann ein Rad bis zu 10 cm seines Profils verlieren. Räder sind grundsätzlich weicher als Schienen, damit sich die Räder und nicht die Schienen abnutzen. Dies ist günstiger und einfacher zu beheben.

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.</br> 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 Milimeter unterhalb der Lauffläche ab, deshalb sind die Vollräder bis zur nächsten Aufarbeitung in den Laufkilometern begrenzt.

Radkranzhärtung

Es läuft das Rad auf der Schiene. In dieser Paarung erfährt das Rad den größeren Verschleiß. Dies rührt daher, dass das Gefüge des Rades perlitisch ist. Hierzu wird lediglich der Laufkranz (das sind Lauffläche und Spurkranz) des schmiederohen Rades in einem HEESS-Abschreckbad durch Wasseraufspritzung gehärtet. Der Steg und die Nabe des Rades werden nicht gehärtet. Es entstehen infolge der Wärmebehandlung am Rand des Laufkranzes 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. In Europa werden niedriglegierte Schmiedebaustähle für die Eisenbahnräderproduktion verwendet. Gängige Bezeichnungen 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 Brinellin 30 mm Tiefe
• Kerbschlagzähigkeit
• Zugfestigkeit
• Gefüge des abgedrehten Teils
• Höhe der Eigenspannungen

Laufeigenschaften von Rädern

Die Laufeigenschaften von Rädern werden von zahlreichen Faktoren bestimmt.

Spurkranz

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 Spurmaßgenannt. Die Gesamtheit der beiden Räder mit Spurkränzen, der mit ihnen fest verbundenen Radsatzwelle und gegebenenfalls den Bremsscheibenheißt 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 Sinuslaufstabilisiert.

Um in Kurven Geräuschentwicklungenund übermäßigen Verschleißdes 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 Bergbauesund wurde bei der Entwicklung der Eisenbahn nicht weiter verfolgt.

Spurkranz und Doppelkegel

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 Schienfahrzeuge werden heute oft als Kegelstümpfegefertigt, die Scheiben eines Doppelkegels entsprechen.

Aus geometrischen Gründen ist es einem Doppelkegel schwer möglich, eine Schiene, die er entlang rollt, zu verlassen, da jeder Auslenkung nach rechts oder links aufgrund räumlicher Geometriegesetzezu einer entgegen gesetzten Lenkung führt. Doppelkegel taumelnsich so in ein Gleichgewicht ein und stabilisieren sich unter höheren Geschwindigkeiten sehr genau. Es ist möglich, einen Doppelkegel eine Schiene entlang rasen zu lassen, wobei er mittlig läuft und seine stabilisierte Lage nicht mehr verläßt. Diese kann technisch so exakt justiert werden, dass nur noch Taumelbewegungen im Millimeterbereich auftreten und das ermöglicht, die überstehenden Bestandteile des Doppelkegels einfach weg zu lassen. 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.

Ökonomische Aspekte von Schienenrädern

Dies spielt bei der Konstruktion von modernen, hochleistungsfähigen Schienefahrzeugen ebenso eine Rolle wie bei der Konstruktion von Gleisenund Schienenbetten. Auch die zulässige Höchstgeschwindigkeit von konventionellen Schienenfahrzeugen wird durch die geometrische Beschaffenheit der Räder und dem Zusammenspiel von Spurkranz und Radreifenmaßgeblich mit bestimmt. Dies ist unter anderem ein Grund dafür, dass Schienfahrzeuge, sobald sie Gleissysteme befahren, die nach unterschiedlichen 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.

Schienfahrzeuge ziehen einen großen wirtschaftlichen Vorteil daraus, daß sie Kraftstoff wesentlich effizienter umsetzen können als viele andere Fahrzeuge. Die geringere Reibungdes Rades auf der Schiene, die einerseits das allgemein schlechtere Bremsverhalten von Schienenfahrzeugen bewirkt, führt andererseits zu einer effizienteren Ausnutzung der benötigten Energie. Eine optimale Ausnutzung der Laufeigenschaften von Schienfahrzeugen erfordert jedoch einheitliche Standards in Rädern und Gleisen.

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