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Schienenrad Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Schienenfahrzeuge
und bezieht sich im besonderen auf Gußstahlräder für Eisenbahnwagen. Seit langen
Jahren werden umfangreiche Versuche unternommen, um ein Schienenrad für Eisenbahnwagen
zu entwickeln, das eine lange Lebensdauer gewährleistet und wirtschaftlich hergestellt
werden kann.
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Obwohl viele Arten von Rädern vorgeschlagen worden sind, die mannigfaltige
Formen und Abmessungen im Hinblick auf Felgen, Kranz und Nabe offenbaren, sind alle
diese Räder grundsätzlich gleichartig mit Bezug auf die ihnen zugrunde liegende
Entwurfstheorie. Alle bekannten Räder unterliegen daher in einem größeren oder geringeren
Ausmaß Spannungsrissen der Radscheiben in den Bereichen, welche an Nabe und Kranz
anschließen.
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Es wurde gefunden, daß Spannungsrisse im Felgenteil des Rades in erster
Linie durch häufiges Bremsen verursacht werden. Während einer Bremsung werden große
Wärmemengen auf Grund der Reibung zwischen Bremsschuh und Radkranz erzeugt. Der
Temperaturanstieg im Radkranz hat dessen Ausdehnung in radialer Richtung zur Folge.
Diese Ausdehnung ruft hohe Dehnungsspannungen in der Felge des Rades hervor. Die
dadurch hochbeanspruchten Bereiche neigen dazu, Risse zu entwickeln. Diese dehnen
sich aus, wenn die eingeleitete Bremsung anhält oder neue, durch Wärme bedingte
Spannungen auf die Felge einwirken. Am Ende dieser Entwicklung steht der Bruch des
Rades.
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Um dieser Entwicklung vorzubeugen, ist unter anderem schon vorgeschlagen
worden, den Radius zwischen Nabe und Radscheibe zu vergrößern sowie ebenfalls den
Radius zwischen Radscheibe und Kranz. Außerdem ist es bekannt, die übergänge zwischen
diesen Teilen - ganz allgemein gesprochen - allmählich zu gestalten. Ein anderer
Vorschlag zielt außer auf eine beträchtliche Vergrößerung des Radius für die Kehlflanken
auf eine stärkere Wanddicke ab.
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Eine reine Vergrößerung des jeweiligen Kehlflankenradius führt jedoch
nur zu einer Verlagerung des Bereichs, in dem Spannungsrisse auftreten. Eine Verstärkung
der Wanddicke ist als Lösung für Probleme der Wärmeabführung bzw. für die Vermeidung
von Dehnungsspannungen infolge Erwärmung unangebracht, da dann die Wärmeabfuhr infolge
des ungünstigeren Verhältnisses von Inhalt zu Oberfläche noch erschwert würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenrad zu schaffen,
das widerstandsfähig gegen Spannungsrisse ist und eine lange Lebensdauer gewährleistet,
auch wenn es im Betrieb häufigen Bremsbeanspruchungen unterworfen wird. Das Schienenrad
soll ferner verbesserte Oberflächeneigenschaften aufweisen, und seine Radscheibe
soll derart gestaltet sein, daß sie keine Neigung entwickelt, Spannungsrisse zu
bilden.
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Bei einem Schienenrad, dessen Nabe und Kranz durch eine Radscheibe
unter Bildung von Kehlflanken mit allmählichen Übergängen untereinander verbunden
sind, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Übergang
mindestens einer der Kehlflanken nach einer Kurve verläuft, deren Krümmungsradien
mit wachsendem Abstand von der Radachse kontinuierlich zunehmen.
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Eine Weiterbildung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche Kehlflanken nach Kurven verlaufen, deren Krümmungsradien mit wachsendem
Abstand von der Radachse kontinuierlich zu- bzw. abnehmen. Außerdem wird vorgeschlagen,
daß die Kehlflanken im wesentlichen parabolisch gekrümmt sind.
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Eine weiter gehende Anwendung des Erfindungsgedankens besteht darin,
daß die Kehlflanken sich über einen größeren Teil der Radscheibe ausdehnen, als
zum übergang von Nabe und Radkranz zur Radscheibe erforderlich wäre. Hierzu wird
erfindungsgemäß ergänzend vorgeschlagen, daß die Mittellinie der gebogenen Radscheibe
die Nabe in deren Mitte und den Radkranz etwa in dessen Schwerlinie schneidet.
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Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines
Anwendungsbeispiels deutlich, die auf die Zeichnung Bezug nimmt.
Die
Zeichnung zeigt einen Schienenradteil, von der Seite gesehen, mit Nabe, Radscheibe
und Kranz im Schnitt.
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Man erkennt in der Zeichnung, daß das Rad eine Nabe 10 mit einer zentralen
Bohrung 12 enthält, welche in üblicher Weise ein Ende der nicht dargestellten Radachse
aufnimmt. Einstückig mit der Nabe 10 und sich im allgemeinen radial von ihr erstreckend
schließt sich an diese eine Radscheibe 14 an. Die Außenkante dieser Scheibe 14 geht
in einen Radkranz 16 über. Dieser umfaßt eine Lauffläche 18 und einen Spurkranz
20, der sich radial vorstehend an die Lauffläche 18 der Innenseite des Rades anschließt.
Man erkennt ferner, daß die Lauffläche 18 in üblicher Weise zur Außenseite des Rades
hin gegenüber der Nabe 10 versetzt ist.
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Nach der Erfindung sind die Außenflächen der Radscheibe 14 ebenso
wie sie selbst, wie aus der Darstellung ihres Querschnitts hervorgeht, in besonderer
Weise geschwungen ausgebildet. Die Mittellinie 30 der Radscheibe 14 bildet eine
Tangente an eine Linie 31, welche in der Mittelebene zwischen der äußeren und der
inneren Stirnfläche der Nabe 10 liegt und senkrecht zur Drehachse des Rades steht.
Der Berührungspunkt der Linie 31 mit der Mittelebene liegt vorzugsweise in
der Mitte 32 der Nabe 10 selbst.
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Der Radius der Mittellinie 30 hat außerdem eine solche Länge, daß
die Mittellinie 30 auch eine Schwerlinie 34 schneidet, die dem Schwerpunkt des Radkranzes
16 benachbart ist. Die Schwerlinie 34 kann jedoch eine etwas verschiedene Lage vom
Schwerpunkt des Radkranzes 16 haben, um eine ausgewogene Gestalt der Radscheibe
14 zu erhalten. Die Innen- und Außenflächen der Radscheibe 14, welche mit den Bezugszeichen
36 bzw. 38 versehen sind, werden im Querschnitt aus Bögen gebildet, die konzentrisch
zur Mittellinie 30 verlaufen. Kehlflanken 40, 42, 44 und 46 leiten das Scheibenprofil
in dasjenige der Nabe 10 und des Radkranzes 16 über. Diese Kehlflanken sind aus
Kurven gebildet, deren Krümmungsradien mit wachsendem Abstand von der Radachse kontinuierlich
zu- bzw. abnehmen. Vorzugsweise sind diese übergangskurven parabolisch. Der Ausdruck
parabolisch im Sinn der Erfindung umfaßt sowohl die Parabel in ihrer mathematischen
Definition wie auch alle anderen Kurven, welche zwar den allgemeinen Merkmalen einer
Parabel entsprechen, jedoch vielfach einer anderen, komplizierteren Gleichung entsprechen.
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Der Grund, Kehlflanken dieser Form zu verwenden, liegt darin, daß
Versuche bewiesen haben, daß Spannungen in solchen Bereichen vergrößert werden,
in denen sich der Kurvenradius plötzlich ändert. Diese Regel gilt sehr streng, wenn
ein Kurventeil ein geradliniges Kurvenstück tangiert. Sie herrscht jedoch ebenfalls
dort, wo Berührungspunkte aufeinanderfolgender Bögen mit wesentlich verschiedenen
Radien vorliegen. Aus diesem Grund können. Bereiche hoher Spannungsbeanspruchung
nicht dadurch beseitigt werden, daß man die Radscheibe mit der Nabe und dem Radkranz
mittels Bögen mit großem Radius anschließt. Es ist jedoch festgestellt worden, daß
mit Rücksicht auf die schnell zunehmende Scheibendicke im Bereich der anschließenden
Nabe der endgültige i Übergang der Kehlflanke in die Nabe die Gestalt eines Kreisbogens
haben darf. Ferner wurde ermittelt, das während des Bremsvorganges der Scheibenteil
im Bereich der Kehlflanken 46, 40 unter Spannung am stärksten gefährdet ist, während
der Scheibenteil im Bereich der Kehlflanken 44 und 42 jeweils gedrückt wird und
daher weniger beansprucht ist. Aus dieser Feststellung ist ersichtlich, daß ein
verbessertes Rad im Vergleich mit solchen nach dem Stand der Technik erhalten werden
könnte, indem parabolische Kehlflanken nur in den Bereichen 46 und 40 vorgesehen
werden oder im einfachsten Fall nur eine parabolische Kehlflanke 46; vorzugsweise
wird jedoch ein neues Rad nach der Erfindung mit vier parabolischen Kehlflanken
40, 42, 44 und 46 ausgerüstet.
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Die besondere parabolische Kurve für jede einzelne Kehlflanke ändert
sich mit der jeweiligen Größe und der Bauart des gegossenen Rades, bei welchem die
Erfindung angewendet wird. Daher ist die Art, wie in der Zeichnung die parabolische
Kehlflanke 46 erläutert ist, beispielhaft für die Art, solche Kehlflanken für jedes
beliebige Rad zu gestalten.
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Die erste Maßnahme zur Ausbildung der neuen Kehlflanken besteht in
der Praxis darin, bestimmte Punkte auszusuchen, wie die Punkte 48 auf der Nabe 10
und 50 auf der Radscheibe 14, welche die gewünschten Endpunkte für einen Kehlflankenbogen
sein sollen; vorzugsweise soll die Länge der Kehlflanke längs der Radscheibe 14
größer sein. als die Länge der Kehlflanke längs der Nabe 10 oder des Radkranzes
16. Als nächstes wird der Abstand zwischen dem Punkt 48 und beispielsweise einem
Punkt 52 in zwei oder mehr gleiche Teile unterteilt. Im dargestellten Beispiel sind
zehn gleiche Teile angeordnet (52,a bis i und 48). Der Punkt 52 ist etwa der theoretische
Schnittpunkt der verlängerten Nabenwandung mit der Außenfläche 38 der Radscheibe
14. Der Abstand zwischen den Punkten 50 und 52 wird ebenso in zehn gleiche Teile
geteilt. Wünscht man einen noch stärker angepaßten Übergang durch die Kehlflanke
46, so kann man zehn Teile wählen, welche jeweils um einen bestimmten Zuwachs länger
sind als der vorhergehende Teil. Diese Unterteilung ist von 52, k bis s und
50 bezeichnet.
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Anschließend wird nun der Punkt a durch eine gerade Linie mit dem
Punkt 50 verbunden; Punkt b wird mit einer geraden Linie mit Punkts verbunden. Diese
Verbindungslinien werden fortgesetzt, bis der Punkt i mit Punkt
k verbunden worden ist. Dann wird eine Kehlflankenkurve 46 gezeichnet, welche
die Nabe 10 und die Radscheibe 14 tangiert und ebenfalls alle außenliegenden Teile
der geraden Verbindungslinien. Diese Kurve ist ihrer Herkunft nach parabolisch von
Gestalt. Was aber für die Erfindung viel wesentlicher ist, ist die Tatsache, daß
sie einen sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius aufweist. Jede der anderen
Kehlflanken 40, 42 und 44
wird in entsprechender Weise konstruiert.
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Es wurde gefunden, daß ein Rad mit einer erfindungsgemäß geschwungenen
Scheibe 14, die sich an Nabe 10 und Radkranz 16 mittels Kehlflanken 40 bis 46 anschließt,
die sich im Sinn der Erfindung allmählich ändernde Kurvenradien haben, in wesentlich
geringerem Maße einer Stoßermüdung und Spannungsrissen erliegen. Sie sind darüber
hinaus auch im ganzen stärker als bekannte Räder. Wegen dieser verbesserten physikalischen
Merkmale hat es sich als möglich gezeigt, das Radgewicht merklich zu verändern und
trotzdem die Betriebsdauer solcher
Räder zu verlängern und ihre
Haltbarkeit gegenüber bekannten Radformen zu verbessern.
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Die Ansprüche 2 bis 5 gelten als echte Unteransprüche nur in Verbindung
mit dem Anspruch 1.