DE9109278U1 - Kontaktflächen eines Gleisbauteils wie Schiene oder Weichenbauteil und eines auf diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges - Google Patents
Kontaktflächen eines Gleisbauteils wie Schiene oder Weichenbauteil und eines auf diesem fahrenden Rades eines SchienenfahrzeugesInfo
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Description
Dipl.-Phys. Dr. H.-H. Stoffregen
Patentanwalt-European Patent Attorney
Butzbacher Weichenbau GmbH
Wetzlarer Straße 101
6308 Butzbach
Beschreibung
Kontaktflächen eines Gleisbauteils wie Schiene oder Weichenbauteil und eines auf
diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges
Die Erfindung bezieht sich auf Kontaktflächen eines Gleisbauteils wie Schiene oder
Weichenbauteil und eines auf diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges, wobei
die Kontaktflächen des Rades Krümmungen aufweisen, die vorzugsweise stetig ineinander
übergehen.
Der Verschleiß eines Rades wie der einer Schiene, also dessen Schienenkopfes ist
einerseits von den verwendeten Werkstoffen und andererseits in hohem Maße von der
Formgebung von Rad und Schiene beeinflußt.
Die heutzutage verwendeten Schienen - seien es solche im normalen Gleis oder solche
z. B. im Bereich von Weichen und Kreuzungen - weisen Schienenköpfe auf, die in den
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Bereichen, in denen sie mit dem auf diesen fahrenden Rädern eines Schienenfahzeuges
in Berührung kommen, also in den Berührungs- oder Kontaktflächen, drei Abschnitte
umfassen, die sprunghaft sich ändernde Radien besitzen. So weist der flankenseitige Abschnitt
einen Radius von 13 mm, der sich anschließende Abschnitt einen Radius von 80
mm und der in den horizontalen Bereich übergehende Abschnitt einen Radius von 300
mm auf. Diesen erwähntermaßen sprunghaften Änderungen der Krümmung ist ein Rad zugeordnet, bei dem eine stetige Änderung der Krümmung vorgegeben ist, wobei im
Bereich des Spurkranzes, der mit dem Flankenbereich der Schiene wechselwirkt, ein
Krümmungsradius von ebenfalls 13 mm vorliegt. Besteht in diesem Bereich eine Übereinstimmung
hinsichtlich der Krümmung und damit der Krümmungsradien, so sind in allen anderen Bereichen Abweichungen gegeben, die sich sogar sprunghaft ändern.
Aufgrund dieser Geometrien ist in Abhängigkeit des Schienenverlaufs, wodurch die
Berührung zwischen Rad und Schienenkopf bestimmt wird, grundsätzlich von einer Einpunkt-, Zweipunkt- und Linienberührung zwischen Rad und Schiene auszugehen.
Die Einpunktberührung liegt immer dann vor, wenn die Krümmung des Rades kleiner
als die der Schiene beim jeweiligen Aufstandswinkel ( = Winkel zwischen Normalkraft
und Vertikalen = Winkel zwischen Berührungstangente Rad/Schiene und Horizontalen)
ist. Bei dieser Berührung ist ein relativ kleiner Längsschlupf aus dem Durchmesserunterschied
der augenblicklichen Rollkreise der Räder eines Radsatzes und der Bremskraftoder
Zugkraftübertragung gegeben. Da jedoch in einem Punkt gemeinsam Last- und Führungskräfte angreifen, können Quetschgrenzenüberschreitungen auftreten, die zu
Schäden und Ausbröckelungen sowohl am Rad als auch an der Schiene führen können.
Die Zweipunktberührung wird durch die Trennung des Radaufstandspunktes und des
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Spurkranzdruckpunktes bestimmt. Im Radaufstandspunkt wirkt der größte Teil der
Radlast, im Spurkranzdruckpunkt wirken die Richtkraft und Anteile der Radlast. Da ein
reines Rollen des Rades nur in einem Durchmesser möglich ist, durch die Zweipunktberührung
jedoch unterschiedliche Durchmesser vorliegen müssen, tritt zumindest in einem Punkt ein Gleitverschleiß auf, wohingegen im anderen Berührungspunkt ein
Gleiten erfolgt. Die linienförmige Berührung zwischen Rad und Schiene entsteht sowohl
aus der Einpunkt- wie aus der Zweipunktberührung entweder durch Quetschgrenzüberschreitung
oder durch andauernden Gleitverschleiß.
Betrachtet man die jeweilige Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene, so ergeben sich
bei einem Geradlauf und einem Bogenlauf unterschiedliche Kontaktflächen, die die
Form von Ellipsen haben und daher auch als Aufstandsellipsen bezeichnet werden. Dabei ist die Hauptachse der Aufstandsellipsen stets gleich groß, weil sich auf der in
Längsrichtung betrachtet geraden Fläche der Schiene ein einem Kreis folgender Abschnitt
des Rades abstützt. Die kurze Halbachse, also die Querachse ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Radstellung zum Schienenkopf. Je kleiner jedoch die kurze
Halbachse ist, um so höher ist die Flächenpressung und damit Belastung. Hierdurch
bedingt erfolgt ein unerwünschter Verschleiß, der insbesondere bei der Schiene zu einer
Geometrieveränderung führt, die eine Erneuerung erforderlich macht.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine formstabilere Geometrie,
also höhere Formtreue der Schiene zu erzielen.
Das Problem wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die jeweilige
Kontaktfläche der Schiene eine Krümmung besitzt, die zu der Krümmung der entsprechenden
momentanen Kontaktfläche des sich abstützendes Rades eine konstante
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Differenz aufweist, oder aufeinanderfolgende Kontaktflächen von der Schiene und dem
Rad eine stetig sich ändernde Krümmungsdifferenz aufweisen. Dabei ist die Krümmung
der Kontaktfläche des Rades stets kleiner als die der entsprechenden Kontaktfläche der
Schiene.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Kontaktflächen zwischen Rad und
Schiene einerseits durch den Fahrzeuglauf und der Achslast und andererseits von der
geometrischen Gestaltung des Rades gegeben ist, so daß als einziger Freiheitsgrad die
Möglichkeit gegeben ist, Form und Festigkeit der Schiene bzw. des jeweiligen Schienenabschnittes
zu ändern. Dabei löste man sich von der Vorstellung, daß das Schienenprofil die bekannten sich sprunghaft ändernden Krümmungen im Schienenkopfbereich aufweisen
muß. Vielmehr erfolgt eine Anpassung der Geometrie des Schienenkopfes an den Krümmungsverlauf des Rades, bei dem eine stetige Änderung des Radius gegeben
ist. Um gleichzeitig eine flächige Berührung, also die Aufstandsellipse sicherzustellen, ist
des weiteren als Nebenbedingung vorgegeben worden, daß der Krümmungsradius der Kontaktfläche des Rades stets größer als der der entsprechenden Kontaktfläche der
Schiene ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Krümmungsdifferenz in
Abhängigkeit von dem Aufstandswinkel ( = Winkel zwischen Normalkraft und Vertikalen
= Winkel zwischen Berührungstangente Rad/Schiene und Horizontalen) des Rades ändert. Dies bedeutet, daß die Krümmungsdifferenz zwischen Rad und Schiene
nicht konstant ist, sondern sich stetig ändert.
Um eine im wesentlichen konstante Flächenpressung bzw. Vergleichsspannung zwischen
Rad und Schiene zu erreichen, ist vorgesehen, daß die Krümmungsdifferenz eine
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Funktion des Aufstandswinkels ist. Dabei wird bei größer werdendem Aufstandswinkel
die Krümmungsdifferenz kleiner. Diese Krümmungsdifferenzänderung wirkt sich in der
Aufstandsellipse derart aus, daß die kleine Halbachse wächst. Durch die flächenmäßig
größer werdende Aufstandsellipse wird trotz größer werdender Normallast die Flächenpressung
nicht größer, d. h. sie bleibt konstant oder im wesentlichen konstant.
Da ein Verschleiß durch Gleiten und durch Pressung erfolgt, kann dahingehend eine
Optimierung erfolgen, daß vorgesehen wird, die Krümmungsdifferenz in Abhängigkeit
des Aufstandswinkels noch kleiner werden zu lassen, d. h. mit größer werdendem Aufstandswinkel wird die kurze Halbachse der Aufstandsellipse noch größer, d. h. die
Flächenpressung nimmt bei gleichzeitiger Zunahme der Gleitung ab, so daß im Ergebnis
der Verschleiß unabhängig vom Aufstandswinkel gleich oder nahezu gleich ist.
Sofern die Krümmungsdifferenzen oder -unterschiede gleich sein sollen, werden die
Schienenbauteile so geformt, daß an jedem Rad-Schienen-Berührungspunkt einerseits
die Tangente beider Bauteile parallel verlaufen und andererseits die kurzen Halbachsen
der Aufstandsellipsen stets die gleiche Breite zeigen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus
den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung
zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1
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ein Diagramm, in dem die Krümmung gegenüber dem Radauf-
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Standswinkel aufgetragen ist,
Fig. 2 Abschnitte von Schienenbauteilen, die zu auf diesen fahrenden
Rädern in ihren Kontaktflächen konstante Krümmungsunterschiede bei unterschiedlichen Radstellungen aufweisen,
Fig. 3 Abschnitte von Schienenbauteilen unterschiedlicher Breiten und
unterschiedlicher Krümmungsdifferenzen zu auf diesen fahrenden Rädern,
Fig. 4 unterschiedliche Schienenköpfe und
Fig. 5 ein weiteres Diagramm, in dem die Krümmungsdifferenz gegen
über dem Winkel der Berührungstangente aufgetragaen ist.
Der Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Lehre und dem bekannten Stand der
Technik soll an Hand der Fig. 1 verdeutlicht werden.
In der Graphik ist die Krümmung gegenüber dem Winkel der Berührungstangente, also
der Radaufstandswinkel zwischen Rad und Gleisbauteil (nachstehend vereinfacht ausgedrückt als Schiene), also Schienenkopf dargestellt.
Wie der in der Graphik wiedergegebene Ausschnitt von Rad (2) und Schienenkopf (4)
zeigt, ist der Radaufstandswinkel &agr; gleich der Winkel zwischen der Berührungstangente
(6) zwischen dem Rad (2) und Schienenkopf (4) und der Horizontalen (8) bzw. zwischen
der Horizontalkraft und der Berührungstangente (6). Folglich ist der Winkel &agr;
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auch der Winkel zwischen der Vertikalkraft und der Normalkraft.
Auch ist ersichtlich, daß je größer der Winkel &agr; ist, desto größer die resultierende Kraft
im Flankenbereich des Schienenkopfes ist.
Die untere durchgezogene Linie (10) zeigt den Krümmungsverlauf der Fahrfläche des
Rades (2), bei dem eine stetige Änderung der Krümmung mit zunehmendem Radaufstandswinkel
&agr; festzustellen ist.
Nach dem Stand der Technik fährt ein entsprechendes, eine stetig sich ändernde Krümmung
aufweisendes Rad (2) auf einer Schiene, dessen Krümmung sich sprunghaft ändert. Dies wird durch die Punkt-Strich-Linie (12) verdeutlicht. Man erkennt, daß die
Krümmungsdifferenz in Abhängigkeit von dem Radaufstandswinkel &agr; zwischen Rad und
Schiene sich bereichsweise unstetig ändert, wobei abschnittsweise die Krümmung und
damit der Krümmungsradius des Rades größer als die der Schiene ist und umgekehrt.
Das am Koordinatenursprung verlaufende Plateau (14) entspricht dem Krümmungsradius
von 300 mm, das folgende Plateau (16) dem Krümmungsradius von 80 mm und das dritte Plateau (18) dem Krümmungsradius von 13 mm des Schienenkopfes.
Ein entsprechender sprunghaft sich ändernde Krümmungen aufweisender Schienenkopf
ist in Fig. 4 rein prinzipiell dargestellt und mit dem Bezugszeichen (26) versehen. Die
unterschiedlichen Krümmungen und damit Radien sind mit Rl, R2 und R3 bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, daß sich die Krümmung des Bereichs des
Schienenkopfes, der mit dem Rad wechselwirkt, stetig ändert, und zwar in der Darstellung
der Fig. 1 derart, daß gemäß der durchgezogenen linken Linie (20) sich eine
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konstante Krümmungsdifferenz zwischen Rad und Schiene in der jeweiligen Kontaktfläche
entlang des Schienekopfes betrachtet in einer Ebene senkrecht zur Schienenlängsachse
ergibt.
Die durchgezogene linke Linie (20) soll die jeweilige Krümmmung der Schiene rein
qualitativ angeben. Zwischen den Linien (10) und (20) soll bei unterschiedlichen Winkeln
der Berührungstangente, also unterschiedlichen Radaufstandswinkeln &agr;, die Krümmungsdifferenz
&Dgr; &kgr; (in der Maßeinheit l/cm) stets gleich groß sein.
Soll sichergestellt sein, daß die Flächenpressung Op stets gleich, also unabhängig von
dem tatsächlichen Radaufstandswinkel ist, muß die Krümmungsdifferenz mit zunehmendem
Winkel geringer werden. Dies soll durch die gestrichelte Linie (22) in Fig. 1 verdeutlicht werden.
In Fig. 4 ist ein der erfindungsgemäßen Lehre gehorchender Schienenkopf (28) rein
prinzipiell dargestellt, bei dem eine sich stetig ändernde Krümmung gegeben ist.
In Fig. 5 ist schließlich die Krümmungsdifferenz &Dgr; Kgegenüber dem Winkel cc, also dem
Winkel zwischen der Berührungstangente (6) und der Horizontalen (8) aufgetragen. Die
parallel zur Abszisse verlaufende durchgezogene Linie (30) entsprich eine kosntanten
Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr;. Soll die Flächenpressung dp konstant sein, so muß die Krümmungsdifferenz
&Dgr; &kgr; mit zunehmendem Winkel &agr; abnehmen. Die entsprechende Linie ist mit dem Bezugszeichen (32) versehen.
Soll schließlich der Verschleiß konstant bleiben, so muß mit zunehmendem Winkel &agr;
die Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr; noch stärker abnehmen (Linie (34), Fig. 5), da die Flä-
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chenpressung dp bei gleichzeitiger Zunahme der Gleitung reduziert werden soll.
Bei stärker sich stetig ändernder Krümmungsdifferenz ergibt sich folglich ein konstanter,
eine Fromtreue sichernder Verschleiß. Dies soll auch in Fig. 1 durch die punktierte
Linie (24) verdeutlicht werden.
In den Fig. 2 und 3 sind verschiedene Schienenkonturen mit verschiedenen Krümmungsradienunterschieden
wiedergegeben. In der Fig. 2 ist ein Weichenbauteil (Schiene, Zunge oder Herzstückspitze) in unterschiedlichen Stellungen zum Rad dargestellt, wobei
der Krümmungsunterschied an allen Berührungspunkten gleich groß ist, d. h. &Dgr;&kgr; = 0,1
l/cm.
Durch die Fig. 3 wird veranschaulicht, daß verschieden breite Bauteile auch unterschiedliche
Krümmungsunterschiede erforderlich machen. Es ergibt sich hieraus auch die Folgerung, daß unterschiedliche Baubreiten unterschiedliche Werkstoffe erforderlich
machen, um bei geringerer Baubreite einen unerwünschten Verschleiß zu vermeiden.
Die Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr; liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5, wobei der
erstere Wert 0,01 für ein Gleis mit normalem vollem Schienenkopf und der Wert 0,5 für
Schienenbauteile im Herzstück- und Zungenbereich gilt.
Die erfindungsgemäße Lehre ist vorzugsweise für Schienen in Form von Weichenbauteilen
in besonders geeigneter Weise anzuwenden, um Lebensdauer- und Verschleißverhältnisse
zu erreichen, die denen des Gleises entsprechen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Bauteilgeometrien derart geformt sind, daß bei jeder Radstellung
die gleiche Belastung an einem Querschnitt auftritt, wobei die Materialeigen-
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schaft derart beschaffen sein muß, daß keine bleibende Verformung beim Überrollen
der Bauteile entsteht. Die Bauteilgeometrie ergibt sich dadurch, daß die Krümmungsdifferenzen der jeweiligen momentan aufeinanderliegenden Kontaktflächen von Rad und
Bauteil gleich ist oder bei aufeinanderfolgenden Kontaktflächen eine stetige Änderung
vorliegt, um insbesondere eine konstante Flächenpressung zu erreichen.
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Claims (8)
- Dipl.-Phys. Dr. H.-H. Stoffregen Seite 1Patentanwalt-European Patent AttorneyButzbacher Weichenbau GmbHWetzlarer Straße 1016308 ButzbachAnsprücheKontaktflächen einer Gleisbauteils wie Schiene oder Weichenbauteil und eines auf diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges1. Kontaktflächen eines Gleisbauteils wie Schiene oder Weichenbauteil und eines auf diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges, wobei die Kontaktflächen des Rades Krümmungen aufweisen, die vorzugsweise stetig ineinander übergehen, dadurch gekennzeichnet,daß die jeweilige Kontaktfläche des Gleisbauteils eine Krümmung besitzt, die zu der Krümmung der entsprechenden momentanen Kontaktfläche des sich abstützenden Rades eine konstante Differenz &Dgr; &kgr; aufweist oder daß aufeinanderfolgende Kontaktflächen von dem Gleisbauteil und dem Rad eine sich stetig ändernde Krümmungsdifferenz &Dgr; Kaufweisen.
- 2. Kontaktflächen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Krümmung der Kontaktfläche des Rades stets kleiner als die der entsprechenden momentanen Kontaktfläche des Gleisbauteils ist. - 3. Kontaktflächen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
31241A/25.7.91/wiDipl.-Phys. Dr. H.-H. Stoffregen Seite 2Patentanwalt-European Patent Attorneydadurch gekennzeichnet,daß das Gleisbauteil eine Weichenzunge, eine bewegliche Herzstückspitze oder eine starre Herzstückspitze ist. - 4. Kontaktflächen nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Kontaktfläche von Rad und Gleisbauteil eine Aufstandsellipse ist,
dadurch gekennzeichnet,daß der jeweilige Gleisbauteilabschnitt derart geformt ist, daß die kurze, senkrecht zur Schienenlängsachse verlaufende Halbachse unabhängig von der Schienebreite gleich oder im wesentlichen gleich groß ist. - 5. Kontaktfläche nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,daß die Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr; eine Funktion von dem Aufstandswinkel des Rades ist. - 6. Kontaktflächen eines Gleisbauteils und eines auf diesem fahrenden Rades eines Schienenfahrzeuges, wobei die Kontaktflächen des Rades Krümmungen aufweisen, die vorzugsweise stetig ineinander übergehen,dadurch gekennzeichnet,daß aufeinanderfolgende Kontaktflächendes Gleisbauteils Krümmungen besitzen, die zu den Krümmungen der entsprechenden momentanen Kontaktflächen des sich abstützenden Rades eine stetig sich ändernde Differenz &Dgr; &kgr; derart aufweisen, daß die Schiene unabhängig von dem Radaufstandswinkel des Rades eine konstante oder nahezu konstante Flächenpressung erfährt.31241A/25.7.91/wiDipl.-Phys. Dr. H.-H. Stoffregen <-■■·— Seite 3Paleiitanvvalt-European Patent Attorney
- 7. Kontaktflächen nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,daß die Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr; derart veränderbar ist, daß bei größer werdendem Aufstandswinkel die Flächenpressung bei gleichzeitiger Erhöhung der Gleitung reduzierbar ist. - 8. Kontaktfläche nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Krümmungsdifferenz &Dgr; &kgr; zwischen 0,01 und 0,5 liegt.31241A/25.7.91/wi
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