Verkehr II - Bahninfrastruktur

Spurfreie Verkehrsmittel: Die zu befahrende Spur kann vom Fahrer frei gewählt werden. Die Spurhaltung erfolgt kraftschlüssig, weshalb die Fahrbahn einen hohen Reibungswert aufweisen muss. Es fehlt die technische Sicherheit, dass das Fahrweg der Spur effektiv folgt.

Spurgeführte Verkehrsmittel: Bei technischer Spurführung besteht ein formschlüssiger und elektrischer Verbund zwischen Fahrzeug und Fahrweg (Zwangsführung).

Fahrbahn:                       hohe Anforderung an Lage/Ebenheit, Nicht-Berücksichtigung des Fahrverhaltens in der geom. Linienführung und der QS-Gestaltung, steigungsempfindlich aufgrund der kleinen Reibung, aufwendige Spurverflechtung (Weichen)

Fahrzeug:                        Nicht-Einschleppung der nachfolgenden Achsen in der Kurve dank der Führung, tiefe Roll-/Gleitreibung, da Querkräfte nicht durch Reibung zw. Rad und Fahrbahn aufgenommen werden, Fortbewegung vieler und schwerer Fahrzeuge mit kleinen Antriebseinheiten

Energieversorgung:      alle Möglichkeiten, Antrieb auf Fahrzeug oder an Strecke

Betriebsführung:           grosse Transporteinheiten und damit hohe Leistungsfähigkeit, lange Bremswege und damit technische Sicherung der Fahrt nötig, anspruchsvolle Steuerung der Netznutzer, insbesondere in Knoten

• Kapazität im Personenverkehr
• Effizienz im Güterverkehr
• Hochgeschwindigkeit (252 km/h in Japan, 124 km/h in der Schweiz)
• Energieverbrauch  

Funktional: Funktionen, welche die Bahninfrastruktur erfüllen muss, damit kundenwirksame Leistungen mittels Zugfahrten erstellt werden können

- Technisch: Technische Subsysteme und Komponenten sowie deren Ausprägungen und Dimensionierung, damit Zugsfahrten in der geforderten Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Qualität durchgeführt werden.

- Organisatorisch: Regelung der Erhaltung und Weiterentwicklung der Infrastruktur sowie des organisatorischen Zusammenwirkens der Infrastruktur mit ihren Nutzern.

Ermöglichung – Erfüllung der Aufgabe durch:

• Durchführung von Zugfahrten – Fahrweg, flächendeckendes Netz
• Zugang der Kunden – verkehrliche Elemente der Infrastruktur
• Unterhalt der Anlagen /Abstellung und Wartung der Züge – Betriebsanlagen

-> Hierarchiestufe im Bahnverehr weniger eng: Diesselben Bahnstrecken dienen oft drei bis vier Netzfunktionen. Im Gegenzug werden für bestimmte Netzfunktionen gänzlich eigene Verkehrssysteme eingesetzt (z.B Standseilbahn für Erschliessung oder U-Bahn in Grossstädten für Sammeln)

- Lückenlose Erbringung aller geforderten Funktionalitäten

- Hinreichende Dimensionierung der Subsysteme und Komponente

- Erfüllung der geforderten Verfügbarkeitswerte

 - Erfüllung der geforderten Sicherheitswerte

•  Tragen (vertikale Kräfte) -> statische und dynamische Lasten   
•  Führen (seitliche Kräfte)
•  Vortrieb/Bremsen (horizontale Kräfte)

- Steuerung der Fahrzeuge: Regelung der Geschwindigkeit und evt. des Fahrwegs

 - Sicherung der bewegten Einheiten: Vermeidung von Kollisionen zw. mehreren Einh.

- Informationsversorgung: Übermittlung nötiger Fahrweginformationen

- Energieversorgung: Deckung des Energiebedarfs für Fortbewegung u. Ausstattung

Fahrweg und Fahrzeug bilden ein vielstufiges Masse-Feder-System. Bei der Bewegung des Zuges treten Erregungskräfte zwischen Rädern und Schienen auf, die sich in Abhängigkeit ihrer Grösse auf das gesamte FF-System übertragen. Aufgrund der zahlreichen Federungsstufen mit Berücksichtigung der dynamischen Einflüsse der Zug- und Bremskräfte wird ein Fahrzeug in rotatorische und/oder translatorische Bewegung versetzt. Besonders kritisch ist das Schlingern, welches das Gleis starken seitlichen Beanspruchungen aussetzt und seine Lagestabilität gefährdet.

Vertikalkräfte: Eigengewicht der Fahrzeuge und Ladungen, Dynamische Zusatzkräfte

Seitliche Kräfte: Entstehung bei jedem Richtungswechsel durch die Ablenkung des Fz

Längskräfte: Längskräfte durch Beschleunigung und Bremsen

Zwischen Geschwindigkeit und Achsenlast entsteh ein Trade-off, die Leistung ist limitiert durch den Reibungskoeffizient zwischen Schienen und Räder.

Die Geschwindigkeit und Achslast sind in der Schweiz sind begrenzt im Vergleich in anderen Ländern, da die dynamischen Komponente der Vertikalkräfte infolge der Fahrzeugbewegung, der Federungen und der Fahrbahn-Imperfektionen erheblich sind, somit sind sehr grosse Achslasten und gleichzeitig höchste Geschwindigkeiten hinsichtlich des Verschleisses nicht beherrschbar.

Einflussgrössen für a und b:

• Radien der berührenden Flächen
• Elastizitätsmodul der beteiligten Materialien
• Schubkräfte durch Antrieb und Bremsen

Üblicherweise sind die Räder mittels starrer Achsen zu Radsätzen verbunden, d.h starre Verbindung der Räder durch biege- und verwindungssteife Achsen. In Ausnahmefällen wie bei der Einzelradlagerung sind die Achsen nicht durchgehend.

Radformen, näherungsweise als Kegel mit grösserem Radius auf der Radsatzinnenseite, sind günstiger als zylindrische Räder, da das Quergleiten in den Aufstandspunkten verhindert wird.

Die allgemeine Bewegung des Radsatzes im Gleis ist somit eine Rollbewegung, verbunden mit Gleitbewegungen in den Berührungspunkten.

Infolge der Gleitbewegungen werden Tangentialkräfte abhängig von den Reibungswerten übertragen, welche sich als Spurführungskräfte bemerkbar machen und beim Kontakt zwischen Rad und Schiene in Wärme und Verschleiss umgesetzt werden. 

Stabilität des Fahrzeuglaufs auch bei hohen Geschwindigkeiten

Gutes Fahrverhalten auch in Gleisbögen mit kleinen Radien

Geringe Empfindlichkeit dieser Eigenschaften gegenüber Abweichungen der Einbauparameter des Gleises (Spurweite, Schienenneigung)

Diese Wegdifferenz bewirkt eine Wendebewegung des Radsatzes, welche ihn auf die entgegengesetzte Seite des Spurkanals leitet. Dieser Vorgang wiederholt sich in sehr kurzer Abfolge, sodass der Doppelkegel einen permanenten so genannten Sinuslauf ausführt.

Die Wellenlänge L ist geschwindigkeitsunabhängig, die geometrischen Abmessungen und der Stützpunktabstand bestimmen die Wellenlänge.

Um einen stabilen Fahrzeuglauf sicherzustellen, ist die Frequenz der seitlichen Radbewegungen tief zu halten. Eine flachere Schienenneigung (kleinerer Neigungswinkel) ergibt eine grössere Wellenlänge und damit eine geringere Seitenbeschleunigung (optimal). Jedoch bedeutet ein geringer Winkel zwischen Radaufstandsfläche und Schienenkopf einen erhöhten Verschleiss in Kurven.

Für die Erfüllung der kinematischen Abrollbedingung.

Konisches Radprofil kompensiert teilweise Rollradiendifferenz. „Differentialgetriebe“ starr         gekoppelter Radsätze! In der Regel entsteht in Kurven kein instabiler Fahrzeuglauf, da einer der Spurkränze an der Schiene zu liegen kommt. Ist das Fahrzeug vor Einfahrt in die Kurve instabil, so beruhigt es sich im Bogen umgehend.

-> Je grösser Konizität, desto besser der Kurvenverlauf. Damit ist dies ein Widerspruch zur Forderung kleiner Konizität für hohe Geschwindigkeiten!