Fahrdynamik: Schlupf, Kraftschlussbeiwert und Tangentialkräfte zwischen Rad und Schiene – Rollen, Gleiten, Schleudern und Blockieren im Bahnbetrieb
Wenn der „Asynchronmotor“ genau synchron läuft, kann er weder motorisch Drehmoment abgeben
noch generatorisch aufnehmen.
Das Rad muss also immer etwas schneller oder etwas langsamer drehen als es der
translatorischen Geschwindigkeit entspricht. Dies ist bei sehr exakten Geschwindigkeits- und
Wegmessungen zu berücksichtigen. Der Nutzschlupf liegt im Promillebereich, in der Regel
unter 1% der translatorischen Geschwindigkeit.
Im Abschnitt über den Kraftschlussbeiwert wird dessen Volatilität dargestellt. Daher kann es
durch die Kraft (Drehmoment-)Wirkung zu deutlichen Über- oder Unterschreitungen des
Nutzschlupfes kommen.
Dazu folgende Definitionen:
Rollen meint, dass das Rad auf der Schiene ohne jede Kraftübertragung läuft und die
Rotationsgeschwindigkeit des Rades umgerechnet genau der translatorischen
Geschwindigkeit des Fahrzeuges entspricht.
Gleiten meint, dass sich das Rad auf der Schiene deutlich langsamer als Rollen bewegt,
also die Rotationsgeschwindigkeit des Rades umgerechnet deutlich kleiner ist als die
translatorische Geschwindigkeit des Fahrzeuges.
Quergleiten (umgangssprachlich Rutschen) meint, dass sich das Rad quer auf der Schiene
bewegt. (Vgl.Abb. 9 ))
Schleudern - als Gegensatz zum Gleiten - meint, dass die Rotationsgeschwindigkeit des
Rades umgerechnet deutlich größer ist als die translatorische Geschwindigkeit des
Fahrzeuges.
Blockieren meint, dass das Rad (der Radsatz4) steht (Drehzahl 0), während das Fahrzeug
auf den Schienen gleitet.
Auf dem Rad lastet die anteilige Fahrzeugmasse mit ihrer Gewichtskraft G = m g [kN]
Dabei ist g die Erdbeschleunigung mit 9,81 m/sec² und m die Masse in Tonnen.
Wenn das Drehmoment M wirkt, entsteht die Tangentialkraft F oder B als Zug- oder Bremskraft.
Für F oder B gilt dann:
M F = μ m g [kN]
Der Faktor μ ist der Kraftschlussbeiwert (KSB). Ohne ihn und ohne Schlupf entstehen keine Kräfte zwischen Rad und Schiene.
Kraftschlussbeiwert (KSB)
Der Kraftschlussbeiwert (KSB) ist ein sehr viel bestimmender – fast der - Parameter der
Fahrdynamik.
Es gilt: G [t] als der Masse des Radsatzes (Fahrzeuggewicht) und g als der
Erdbeschleunigung [m/sec²].
μ ist mathematisch der Proportionalitätsfaktor, praktisch von sehr vielen Parametern
abhängig, dieser Faktor μ bestimmt in vielen Bereichen das Betriebsgeschehen.
Deshalb soll er hier ausführlicher behandelt werden, als es im Vortrag möglich ist.
Der KSB wird in der Literatur für den Idealfall mit 0,30 bis 0,40 im Maximum angegeben, der Idealfall ist aber gelegentlich nicht einmal im Labor gegeben. Auf der Innotrans wird gelegentlich erklärt, dass 0,5 möglich seien. Das darf bezweifelt werden, auf die besondere Belastung des Schienenkopfes sei hingewiesen.