Ontwerp van het loopvlak van treinwielen: waarom conische wielen zorgen voor stabiliteit in bochten

Treinwielen behoren tot de meest kritische dragende onderdelen van spoorvoertuigen. Hun geometrie heeft een directe invloed op de veiligheid, rijstabiliteit, slijtageprestaties en het vermogen om bochten te onderhandelen.

Het begrijpen van het loopvlakontwerp van treinwielen is essentieel voor spoorwegingenieurs, fabrikanten van rollend materieel en inkoopprofessionals.

1. Treinwielcontactspanning en belastingverdeling

Een treinwiel ondersteunt het volledige gewicht van het voertuig. Het contactoppervlak tussen het loopvlak van het wiel en de rail is echter uiterst klein.

Op het moment van contact kan de contactspanning oplopen tot 1000 MPa.

Door deze extreme wiel-rail contactspanning:

· Treinwielen zijn vervaardigd uit hoogwaardig gesmeed staal.

· Uitstekende slijtvastheid is vereist.

· Bestandheid tegen vermoeidheid is van cruciaal belang voor een lange levensduur.

· Nauwkeurige warmtebehandeling zorgt voor structurele betrouwbaarheid.

De massieve stalen constructie garandeert sterkte en duurzaamheid, maar verhoogt ook het wielgewicht en het rolgeluid.

2. Wat is een treinwielprofiel?

Het wielloopvlak is het roloppervlak van het treinwiel dat contact maakt met de rail.

In tegenstelling tot een cilindrisch oppervlak gebruiken spoorwielen een conisch loopvlakprofiel. De wielflenzen zijn aan de binnenkant van de rails geplaatst en het loopvlakoppervlak is ontworpen met specifieke conusverhoudingen.

Standaard taperverhoudingen van het loopvlak

Het conische loopvlak omvat doorgaans twee hellingszones:

· 1:20 conus (soms 1:40 voor hogesnelheidstreinen)

Gelegen binnen 48–100 mm van de binnenflens.

Dit is het primaire contactgebied tussen wiel en rail.

· 1:100 conus

Bevindt zich verder dan 100 mm van de flens.

Dit gedeelte biedt secundaire stabiliteitsondersteuning.

Deze dual-taper-geometrie speelt een sleutelrol bij de stabiliteit van spoorwegvoertuigen.

3. Waarom treinwielen conisch zijn in plaats van cilindrisch

Als treinwielen cilindrisch zouden zijn, zou zijdelingse beweging instabiliteit veroorzaken.

Het conische loopvlak maakt automatisch zelfcentrerend gedrag mogelijk.

Wanneer een wielstel van de hartlijn van het spoor afwijkt:

· De rolradius op één wiel neemt toe.

· De rolradius van het tegenoverliggende wiel neemt af.

· Door het verschil in rolradii wordt een herstelkracht gegenereerd.

Dit geometrische principe leidt het wielstel op natuurlijke wijze terug naar het midden van de rail.

Als resultaat:

· Flensslijtage wordt verminderd.

· De loopstabiliteit verbetert.

· Onderhoudskosten dalen.

4. Hoe treinwielen bochten passeren zonder differentieel

Treinwielen zijn bevestigd aan een massieve as, wat betekent dat beide wielen met dezelfde hoeksnelheid draaien.

Bij het invoeren van een bocht:

· Het buitenste wiel moet een langere afstand afleggen.

· Het binnenwiel legt een kortere afstand af.

Het conische loopvlakprofiel lost dit mechanisch op.

Omdat de rolcontactradii verschillen:

· Het buitenwiel heeft een grotere effectieve rolradius.

· Het binnenwiel heeft een kleinere effectieve rolradius.

Door dit verschil kunnen treinen soepel bochten passeren zonder te slippen en zonder dat een differentieelsysteem nodig is.

Het is een van de meest efficiënte mechanische ontwerpen in de spoorwegtechniek.

5. Technisch belang van wiel-railgeometrie

Het ontwerp van het wielprofiel heeft rechtstreeks invloed op:

· Veiligheid bij het onderhandelen over bochten

· Slijtagepercentages van wielen en rails

· Operationele stabiliteit op hoge snelheid

· Rijcomfort

· Onderhoudsintervallen

Geoptimaliseerde spoorwielgeometrie is van fundamenteel belang voor moderne goederenwagons, locomotieven, metrosystemen en hogesnelheidstreinen.