Was hält die Züge auf der Schiene

Jeder weiß ungefähr, wie ein Eisenbahnrad aussieht, grob gesagt es eine schmale Walzen, die auf der Schienen rollt und auf der Innenseite ist jeweils so ein Spurkranz. Damit ist intuitiv klar, wie es funktioniert, der Spurkranz verhindert, dass der Zug vom Gleis abkommt. Das kann man mit jeder Modelleisenbahn ausprobieren.

Zum Glück kommt dieser Spurkranz aber nur in Ausnahmen überhaupt zum Zuge. Jeder kennt das Quietschen von Straßenbahnen in engen Kurven. So hört sich der Spurkranz bei langsamer Fahrt an, denn der Spurkranz hat einen größeren Außenradius als der Rest des Rades. So dreht er sich bei gleicher Drehzahl mit höherer Geschwindigkeit als die Lauffläche und diese kleine Geschwindigkeitsdifferenz führt schon zu diesem Quietschen. Wie laut müsste dann ein ICE quietschen, der 300 km/h fährt? Und wie lange würden die Räder und die Spurkränze das aushalten? Oder die Anwohner, Eisenbahner und Fahrgäste?

Wenn man sich den Spurkranz einmal wegdenkt, ist das Rad nicht zylindrisch, sondern eher kegelförmig. Die Innenseite hat einen etwas größeren Radius als die Außenseite. Nun sind aber beide Räder mit einer Achse fest verbunden. Wenn also der Zug sich im Gleis ein paar Millimeter nach links bewegt, führt das dazu, dass der Radteil mit dem größeren Radius auf der linken Schiene läuft und der Radteil mit dem kleineren Radius auf der rechten Schiene. Da beide Räder gleich viele Umdrehungen machen, legt das linke Rad aber ein paar Millimeter mehr pro Umdrehung zurück und das lässt den Zug im Gleis eine leichte Rechtskurve fahren, lange bevor der Spurkranz die Innenseite der Schiene berührt. Dasselbe passiert dann auf der rechten Schiene und die Züge fahren alle leichte Schlangenlinien von ein paar Millimetern Auslenkung, die wir gar nicht als solche bemerken, es fühlt sich einfach nur zusammen mit den anderen Bewegungen, die der Zug macht, nach Zugfahren an.

Nun sind die Räder nicht genau kegelförmig, sondern man hat mit guten Kenntnissen über das Material, die Physik und Differenzialgeometrie Räder entwickelt, die ein optimales Laufverhalten aufweisen. Leider nutzten die sich ab und verloren dann das optimale Laufverhalten, weshalb man sie immer wieder nachschleifen musste. Der nächste Schritt war dann ein Profil, das fast so gut wie dieses optimale Profil war, das aber so gewählt war, dass der Verschleiß die Radlaufflächen gleichmäßig abnutzt, so dass das Rad zwar kleiner wird, aber sein Querschnittprofil die gleiche Form behält. Dadurch konnte man das Schleifen der Radlaufflächen reduzieren.