SPANNUNGSHOMOGENISIERTES SCHIENENRAD MIT EINER RADNABE UND RADKRANZ VERBINDENDEN RADSCHEIBE

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenrad mit einer Radnabe und Radkranz verbindenden Radscheibe, die eine von der Radnabe zum Radkranz abnehmende Dicke hat und deren Außenseiten über Korbbögen als radial verlaufende Erzeugende in die benachbarten Außenseiten der Radnabe und des Radkranzes tangential übergehen.

Ein derartiges Schienenrad ist z.B. aus der DE-B-2 331 738 bekannt.

Die Hauptbeanspruchung scheibengebremster Schienenräder der eingangs genannten Art tritt in den Übergangsbereichen der Radscheibe in den Radkranz und die Radnabe infolge der im Fahrbetrieb zwischen Rad und Schiene wirkenden Kräfte auf. Diese Spannungen konzentrieren sich nur auf einen kleinen Bereich und fallen dann sehr schnell ab. Ein typischer Spannnngsverlauf für ein herkömmliches Rad zeigt Figur 1 (ERRI/ORE-Bericht B136/RP9 des Forschungs- und Versuchsamtes der Europäischen Eisenbahnen). Durch diese Spannungskonzentrationen auf kleine Bereiche wird der Werkstoff hier bis an seine Dauerfestigkeitsgrenze belastet, während benachbarte Bereiche nur noch gering belastet werden. In diesen geringer belasteten Bereichen ist also das Rad überdimensioniert.

Aus der DE-A-2 346 144 ist ein Leichtradsatz für Schienenradfahrzeuge bekannt, der Radscheiben aus Leichtmetall und Stahlbandagen aufweist, wobei die Radscheibe auf die Nabe und die Stahlbandage auf die Radscheibe jeweils aufgeschrumpft sind. An diesem Leichtradsatz ist zur Spannungsverminderung unter anderem eine Metallverklebung von Radscheibe und Radsatzwelle sowie von Stahlbandage und Radscheibe vorgesehen. Ferner ist die Radscheibe mit geradem Steg ausgeführt, um die bei gewellten Radscheiben auftretenden Spannungsspitzen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, ein Schienenrad der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem örtliche Spannungskonzentrationen im Vergleich zu einem herkömmlichen Rad abgebaut sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schienenrad der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die beiden Seiten der Radscheibe zumindest im radialen Mittenbereich geometrisch durch gerade, radial verlaufende Erzeugenden bestimmt sind, die sich im Bereich zwischen den Korbbögen am Radkranz schneiden.

Durch diese Formgebung des Schienenrades treten keine Spannungsspitzen an örtlich engbegrenzten Bereichen auf. Die Spannungen sind über größere Bereiche verteilt und in der Spitze abgebaut. Die erfindungsgemäße Formgebung führt deshalb zu einem optimalen Leichtbau.

Die Radscheibenmittelebene liegt vorzugsweise senkrecht zur Radachse. Sie kann aber auch unter einem Winkel von bis zu 5° geneigt zur Radachse liegen.

Durch weitere Maßnahmen kann das Rad im Sinne der Aufgabenstellung weiter verbessert werden.

Beim Schmieden und Walzen des Rades ist es aus Fertigungsgründen vorteilhaft, wenn die der Radscheibe benachbarten Außenseiten der Radnabe konisch sind, wobei der Schnittpunkt der geraden Erzeugenden dieser Außenseiten den Fußpunkt der Radscheibe an der Radnabe bestimmt. In entsprechender Weise können die der Radscheibe benachbarten Außenseiten des Radkranzes konisch sein, wobei der Schnittpunkt der geraden Erzeugenden dieser Außenseiten den Fußpunkt der Radscheibe am Radkranz bestimmt.

Für den Abbau von Spannungsspitzen hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Radscheibe ihre kleinste Dicke im Bereich von 2/3 bis 4/5 des Abstandes ihres Fußpunktes an der Radnabe hat. Optimal ist es, wenn die Radscheibe ihre kleinste Dicke in einem Abstand$$\mathit{\text{C}}\text{≈ 1,67}\frac{\mathit{\text{D}}}{\mathit{\text{LD}}}\text{·}\mathit{\text{B}}$$ (mit D = Abstand des Fußpunktes der Radscheibe von der Radachse, B = Abstand der Fußpunkte der Radscheibe und LD = Laufkreisdurchmesser) von dem Fußpunkt der Radscheibe an der Radnabe hat.

Der axiale Abstand der geraden Erzeugenden der Außenseite der Radscheibe am Fußpunkt der Radnabe kann durch die Formel$${\text{A ≈ 15 + 8,5 (f}}_{\text{D}}{\text{+ f}}_{\text{F}}\text{)}$$ mit den Korrekturfaktoren ${\text{f}}_{\text{D}}\text{= LD : 920}$ für den Laufkreisdurchmesser LD und ${\text{f}}_{\text{F}}\text{= Q : 500 + Y : 120}$ für die Radkraft Q (radiale Achsbelastung) und die Schienenkraft Y (axiale Kraft am Spurkranz) bestimmt werden.

Die Übergänge setzen sich in der Regel aus verschiedenen Bereichen zusammen. Vorzugsweise erstreckt sich der radscheibenseitige Übergangsbereich von der Radnabe und/oder dem Radkranz in die Radscheibe über eine radiale Breite$$\text{E,F ≈ 0,35 B}$$ der Radscheibe, gemessen von den jeweiligen Fußpunkten der Radscheibe, mit einem Abstand B der Fußpunkte der Radscheibe. Der radscheibenseitige Übergangsbereich von der Radnabe zur Radscheibe wird durch die Funktion bestimmt$${\mathit{\text{Y}}}_{\text{1}}\text{=}\mathit{\text{E}}{\text{(2,292·10}}^{\text{-10}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{5}}{\text{- 4,229·10}}^{\text{-8}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{4}}{\text{+ 2,930·10}}^{\text{-6}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{3}}{\text{- 8,646·10}}^{\text{-5}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{2}}{\text{+ 1,070·10}}^{\text{-3}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}\text{).}$$

Der radscheibenseitige Übergangsbereich von dem Radkranz zur Radscheibe wird durch folgende Funktion bestimmt$${\mathit{\text{Y}}}_{\text{2}}\text{=}\mathit{\text{F}}{\text{(4,870·10}}^{\text{-10}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{5}}{\text{- 9,292·10}}^{\text{-8}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{4}}{\text{+ 6,229·10}}^{\text{-6}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{3}}{\text{- 1,561·10}}^{\text{-4}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{2}}{\text{+ 1,656·10}}^{\text{-3}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}\text{).}$$

Der sich an diese Übergangsbereiche anschließende Bereich von der Radscheibe in die Radnabe hat vorzugsweise einen Krümmungsradius$$\text{G = 1,25 bis 2,5 · A,}$$ (wobei A axialer Abstand der Erzeugenden der Außenseiten der Radscheibe am Fußpunkt an der Radnabe ist).

In entsprechender Weise sollte der radkranzseitige Übergangsbereich von der Radscheibe in den Radkranz einen Krümmungsradius$$\text{H = 0,75 bis 2,0 · A}$$ (wobei A axialer Abstand der Erzeugenden der Außenseiten der Radscheibe am Fußpunkt an der Radnabe ist),

haben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 2

ein Schienenrad im halben Axialschnitt mit Spannungsdiagrammen für die Radialspannung und die Umfangsspannung (Tangentialspannung) für die beiden Seiten der Radscheibe,

Figur 3

das Schienenrad gemäß Figur 2 in vergrößerter Darstellung im Halbschnitt,

Figur 4

Radnabe und Radkranz des Schienenrades gemäß Figur 2 und 3 für verschiedene Neigungen der Radscheibenmittelebene,

Figur 5

den Übergangsbereich von der Radnabe in die Radscheibe bei einem Schienenrad gemäß Figur 2 und 3 in vergrößerter Darstellung

und

Figur 6

den Übergangsbereich von dem Radkranz in die Radscheibe bei einem Schienenrad gemäß Figur 2 und 3 in vergrößerter Darstellung.

Das Schienenrad ist als Vollrad ausgebildet und besteht aus einer Radnabe 1, einem Radkranz 2 und einer Radscheibe 3. Die Radscheibe 3 steht mit ihrer Mittelebene M senkrecht auf der Radachse RA. Bezüglich dieser Mittelebene M sind ihre Außenseiten symmetrisch und gehen über Korbbögen tangential in die Außenseiten der Radnabe 1 und des Radkranzes 2 über. Gemäß Figur 4 kann die Mittelebene M aber auch um einen Winkel α +/- 5° geneigt sein.

Die radscheibenseitigen Außenseiten der Radnabe 1 und des Radkranzes 2 sind konisch. Ihre geraden Erzeugenden Z1*,Z1**,Z2*,Z2** schneiden sich in einem Punkt P₁,P₂ auf der Mittelebene M, der den jeweiligen Fußpunkt der Radscheibe 3 an der Radnabe 1 und dem Radkranz 2 bildet. Die Außenseiten der Radscheibe 3 werden im mittleren Bereich E von radial verlaufenden geraden Erzeugenden Z3*,Z3** bestimmt, die am radnabenseitigen Fußpunkt P₁ einen axialen Abstand A haben und sich radkranzseitig zwischen den Übergangsbereichen, insbesondere im radkranzseitigen Fußpunkt P₂, schneiden.

Die Radscheibe 3 hat im Abstand C vom radnabenseitigen Fußpunkt P₁ eine kleinste Dicke. Der Abstand C beträgt 2/3 bis 4/5 des Abstandes B der Fußpunkte P₁,P₂. Vorzugsweise ist der Abstand$$\mathit{\text{C}}\text{≈ 1,67}\frac{\mathit{\text{D}}}{\mathit{\text{LD}}}\text{·}\mathit{\text{B}}$$ wobei D der Abstand des Fußpunktes P₂ von der Radachse RA und LD der Laufkreisdurchmesser des Rades sind.

Der mittlere Bereich I mit den radialen geraden Erzeugenden Z3*,Z3** der Radscheibe 3 erstreckt sich in einem Abstand$$\text{E ≈ 0,35 · B}$$ vom Fußpunkt P₁ bis zu einem Abstand$$\text{F ≈ 0,35 · B}$$ vom Fußpunkt P₂. Der Abstand B der Fußpunkte P₁,P₂ ist in gewissen Grenzen unter Berücksichtigung der Konstruktionsregeln für die Radnabe 1, den Radkranz 2 und den Laufkreisdurchmesser LD frei wählbar.

Die Korbbögen für die Übergänge der Radscheibe 3 in die Radnabe 1 beziehungsweise in den Radkranz 2 setzen sich aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Funktionen zusammen. So beträgt der Krümmungradius G im radnabennahen Abschnitt$$\text{G = 1,25 bis 2,5 · A,}$$ während der Krümmungsradius für den radkranznahen Bereich$$\text{H = 0,75 bis 2,0 · A}$$ beträgt. Daran schließen sich die Bereiche E und F an, die folgenden Funktionen genügen$${\mathit{\text{Y}}}_{\text{1}}\text{=}\mathit{\text{E}}{\text{(2,292·10}}^{\text{-10}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{5}}{\text{- 4,229·10}}^{\text{-8}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{4}}{\text{+ 2,930·10}}^{\text{-6}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{3}}{\text{- 8,646·10}}^{\text{-5}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}{\text{}}^{\text{2}}{\text{+ 1,070·10}}^{\text{-3}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{1}}\text{)}$$$${\mathit{\text{Y}}}_{\text{2}}\text{=}\mathit{\text{F}}{\text{(4,870·10}}^{\text{-10}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{5}}{\text{- 9,292·10}}^{\text{-8}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{4}}{\text{+ 6,229·10}}^{\text{-6}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{3}}{\text{- 1,561·10}}^{\text{-4}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}{\text{}}^{\text{2}}{\text{+ 1,656·10}}^{\text{-3}}{\mathit{\text{X}}}_{\text{2}}\text{)}$$

Obgleich die Erfindung am Ausführungsbeispiel eines Vollrades mit einem einstückigen Radkranz 2 erläutert ist, ist sie auch bei anderen Schienenrädern, wie einem wiederbereifbaren Vollrad oder einem gummigefederten Rad mit Vorteil anwendbar.