Rad-Schiene-System
Das Rad-Schiene-System ist ein Verkehrssystem, bei dem Fahrzeuge mit Rädern auf Gleisen laufen. Dazu gehören klassische Eisen-, U- und Straßenbahnen sowie Peoplemover (meist für kurze Strecken), sofern sie auf Schienen fahren.
Vorläufer
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Vorläufer der heutigen Schienensysteme waren Spurrillen in antiken Straßen, die es erleichterten, schwere Fahrzeuge in der Fahrtrichtung zu halten. Derartige Spurbahnen sind unter anderem in Steinbrüchen des alten ägyptischen Reiches und bei den Griechen gefunden worden. Der wohl bei weitem längste antike Rillenweg war der 6–8,5 km lange Schiffkarrenweg Diolkos über den Isthmus von Korinth (Griechenland). Auch die hoch entwickelten römischen Baumeister arbeiteten auf zahlreichen Römerstraßen Rillen aus der gepflasterten Oberfläche heraus.[1.1]
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An der Wende des Spätmittelalters zur frühen Neuzeit wurden in Bergwerken hölzerne Gleise gelegt, um darauf schwere Lasten zu verschieben. Georgius Agricola belegt dies in seinem Werk De re metallica von 1556.
Frühe Entwicklungen bei der Eisenbahn
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im Laufe des 18. Jahrhunderts wurde die Schienentechnik fortentwickelt. So wurden bald die hölzernen Längsbohlen mit flachen Eisenbändern ausgelegt, um den Verschleiß und den Fahrwiderstand zu mindern.
Ab 1770 wurden gusseiserne Eisenschienen auf Steinblöcken verlegt, so erstmals bei der Derby Canal Railway in England.[1.2] Der Engländer Ralph Allen erfand in den 1730er-Jahren den einseitigen Spurkranz, der die Wagen sicher auf dem Gleis führt. Nach anderen Angaben wurde der Spurkranz jedoch erst 1789 eingeführt.[2]
Mit Einführung der Spurkranzräder wurden Schienen mit pilzförmigem Querschnitt mit und ohne untere Verstärkung des Steges verwendet. Die kurzen, gusseisernen Schienenstücke konnten nur ein sehr mangelhaftes, für größere Raddrücke (wie sie die in der Entstehung begriffenen Lokomotiven erforderten) ungeeignetes Gleis bilden. Im Jahr 1820 gelang es John Berkinshaw in Durham, Schienen durch das Walzen zu erzeugen, sie damit also aus ungleich haltbarerem Material und in großen Längen (damals 15 engl. Fuß) herzustellen.[2]
„Die Querschnittform blieb zunächst noch die gleiche Pilzform u. die Unterstützung ebenfalls dieselbe mit gusseisernen Stühlen auf Steinwürfeln. Seltsamerweise glaubte man, auch von der Fischbauchform in Längsrichtung nicht abweichen zu dürfen und walzte mit vieler Mühe die Wellenschiene. So sind diese gewalzten Schienen zuerst auf einem Teil der kleinen Bahn Stocton-Darlington [sic!] (1825) und auf der ersten großen Lokomotivbahn, Liverpool-Manchester (1826–30), verlegt worden.“
Heutige Eisenbahnräder sind üblicherweise aus Stahl und haben Spurkränze, die Schienen sind im Querschnitt meist Vignolschienen (Breitfußschiene) oder Rillenschienen. Das dynamische Verhalten dieses Systems wird durch den Sinuslauf charakterisiert, der die zentrierte Lage des Radsatzes in der Mitte zwischen den beiden Schienen durch die konische Form des Radprofils sicherstellt.
Rad-Schiene-Kontakt
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A: Flankenwinkel, B: Spurkranz, C: Lauffläche, P: vertikale Radlast, Q: seitliche Führungskraft
Die Profile des Rads und der Schiene sichern die Spurführung des Schienenfahrzeugs durch mechanische Rückkopplung ohne aktive Lenkung und verhindern das Entgleisen.[3]
Der Rad-Schiene-Kontakt bestimmt die Leistungsfähigkeit des Systems Eisenbahn, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen und Güterverkehr. Er ist maßgeblich für Lärm und Verschleiß verantwortlich. Das Durchfahren enger Bögen führt zum „Spießgang“ der zwangsgefesselten Radsätze und ist daher mit erheblichen Gleitanteilen (Schlupf) oder Stick-Slip-Effekt verbunden, wobei die Räder zum Kurvenquietschen neigen.[4]
Die Mechanik des Rad-Schiene-Kontakts basiert auf einem elastischen Modell des Kontakts zwischen Festkörpern gemäß der Hertzschen Pressung (benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857–1894), der viel bekannter für seine Entdeckung der Hertzschen Wellen ist). Diese Theorie ermöglicht die Modellierung des Verhaltens der Verformungen zwischen zwei Festkörpern, die einer Drucklast ausgesetzt sind. Hertz analysierte, wie die vertikale Last auf ein Rad verteilt wird, und kam zu dem Schluss, dass im Kontaktbereich mit der Schiene eine elastische Reaktionskraft erzeugt wird, die sich in die Bildung eines elliptischen Fußabdrucks übersetzt, bei dem beide Oberflächen physisch in Kontakt stehen. und daher ist es möglich, die Spannungen und die effektive Reibung auf der genannten Kontaktfläche zu quantifizieren.[5]
Die komplexen Wechselwirkungen des Rad-Schiene-Systems erfordern die Modellierung der hohen mechanischen Spannungen, die in der kleinen Kontaktfläche zwischen einem Stahlrad und einer Stahlschiene auftreten.[6] Die Kontaktellipsen haben üblicherweise Querschnitte im Bereich von 2 bis 3 cm und müssen Belastungen von teilweise mehr als 1,4 kN/mm² aushalten.[5] Ihre Abmessungen werden sowohl von der Geometrie der Kontaktfläche als auch von den getragenen Lasten und den mechanischen Eigenschaften beider Elemente (Elastizität des Stahls) beeinflusst. Die Geometrie der Schienen- und Radprofile ist in der Regel bezüglich der Konizität komplementär und wird durch das Kombinieren mehrerer aufeinanderfolgender kreisförmiger Bögen mit unterschiedlichen Radien konfiguriert.
Der Materialabtrag verändert die jeweiligen Profile in Längs- und Querrichtung und führt im Laufe des Betriebes zu veränderten Kontaktsituationen. Für die Modellierung des Verschleißverhaltens eignen sich Simulationsmodelle für die Fahrdynamik und die Finite-Elemente-Methode (FEM).[7] Darüber hinaus werden Rollenprüfstände für Schienenfahrzeuge eingesetzt, um Tests und Messungen an Schienenfahrzeugen unter Laborbedingungen durchzuführen.
Weitere Anwendungen von Rad-Schiene-Systemen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Neben klassischen Eisen-, U- und Straßenbahnen werden Rad-Schiene-Systeme bei weiteren Anwendungen eingesetzt. Dabei werden je nach Zweck unterschiedliche Spurweiten gewählt, auch können statt Starrachsen auch Losradsätze (vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten) verwendet werden.
- Peoplemover als automatisches Personentransportsystem für kurze Strecken (oft am Flughafen), teilweise auch mit alternativen Systemen zur Spurhaltung
- Grubenbahn für den Gütertransport im Bergbau
- Dollys für ruckfreie Kamerafahrten bei Filmaufnahmen
- Modelleisenbahn mit einer maßstabsgetreuen Nachbildung großer Schienenfahrzeuge
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn / Ein gesamtheitlicher Systemvergleich. Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-28334-8.
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Ralf Roman Rossberg: Geschichte der Eisenbahn. Sigloch Edition, Künzelsau 1999, ISBN 3-89393-174-0, S. 10ff.
- 1 2 3 Meyers Großes Konversations-Lexikon, 6. Auflage 1905–1909
- ↑ Wolfgang Fengler: Spurführung. TU Dresden, 2024, abgerufen am 9. September 2026.
- ↑ Klaus Rießberger: Das Zusammenwirken von Rad und Schiene. In: Lothar Fendrich, Wolfgang Fengler (Hrsg.): Handbuch Eisenbahninfrastruktur. Springer Vieweg, 2019, ISBN 978-3-662-56061-7, S. 1–39, doi:10.1007/978-3-662-56062-4_1.
- 1 2 Manuel Melis Maynar: Apuntes a la dinámica vertical de la vía y a las Señales digitales en ferrocarril. Universidad Politécnica de Madrid, 2008, ISBN 978-84-612-7686-8, S. 354 (spanisch).
- ↑ Bob Tuzik: Taking the Long View: 20 Years of Wheel/Rail Interaction. Interface. The Journal of Wheel/Rail Interaction, 8. Januar 2014, abgerufen am 9. September 2026 (englisch).
- ↑ Jennifer Heck: Zur Simulation des Rad-Schiene-Verschleißes bei Straßenbahnen. Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugystemtechnik, Nr. 44. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe 2015, ISBN 978-3-7315-0443-6, doi:10.5445/KSP/1000049865.