Pyörän kartiokkuus & kiinteät pyöräkerrat

[Kurt Ristniemi]

Asaan vihkiytyneet tietävät, että rautatievaunun, veturin ym. liikkuvan rautatiekaluston pyörän kehä on kartiomainen. Ja syynkin siihen.

Mutta milloin ja missä tämä oiva ominaisuus keksittiin? Sitä en ainakaan minä tiedä, mutta haluaisin toki mielelläni tietää.

[Eljas Pölhö]

Asaan vihkiytyneet tietävät, että rautatievaunun, veturin ym. liikkuvan rautatiekaluston pyörän kehä on kartiomainen. Ja syynkin siihen.

Mutta milloin ja missä tämä oiva ominaisuus keksittiin? Sitä en ainakaan minä tiedä, mutta haluaisin toki mielelläni tietää.

Pyöränrenkaat tulivat käyttöön 1827 ja renkaiden kartiomainen muoto 1830. Kumpikin keksittiin Englannissa ja otettiin käyttöön kaikkialla sitä mukaa kuin rautateitä rakennettiin.

[Kurt Ristniemi]

Pyöränrenkaat tulivat käyttöön 1827 ja renkaiden kartiomainen muoto 1830. Kumpikin keksittiin Englannissa ja otettiin käyttöön kaikkialla sitä mukaa kuin rautateitä rakennettiin.

Kiitos tarkoista tiedoista.

Pyöräkertoihin liittyy toinenkin mieltäni askarruttava kysymys: Miksi pyörät on asennettu akselille kiinteästi? Hevosvaunuissa pyörät pyörivät vapaasti akselitappien varassa. Ja oli varmasti tiedossa, että kaarteissa pyörät kulkivat eripituisen matkan. On tietenkin helpompi järjestää rasvaus akselipoksiin kuin akselilla vapaasti pyörivään pyörään. Mutta onko se ainoa syy kiinteisiin pyöräkertoihin?

[Erkki Nuutio]

Mainitsit tärkeän perustelun, pyöränlaakerien toteuttamisen ja voitelemisen helpon järjestettävyyden.
Hevosvaunuja paljon suurempiin ajonopeuksiin kaarteissa liittyy rautatiepyörissä laippojen välittämä sivuttaisvoima ja erityisesti sivuttaisvoiman momentti (= pyörän kaatomomentti).
Sen vastaanotto on helppo tehtävä jos pyörä on kutistettu kiinteästi akselilleen.
Tämän kaatomomentin välittäminen akselilta laakeripesien kautta jousille on myös helppoa.

Jos pyörä sensijaan laakeroidaan akselilleen, on laakeroinnin tukileveyden oltava suurehko (= pyörä tarvitsee kaksi erillistä laakeria, jotka yhdessä toteuttavat riittävän tukileveyden), jotta kaatomomentti ei kuornittaisi laakerointia liiallisesti.
Laakeroinnin on lisäksi voitava ottaa vastaan itse sivuttaisvoimatkin.

Nämä siis tulevat laakeroinnin säteittäisen peruskuorman (paino- ja mahdollinen jarrutusvoima) rinnalle.

Autojen pyörät on laakeroitu yksittäin. Kuorma-auton etupyörässä tämä tarkoittaa kahta järeätä kartiorullalaakeria, joiden ns. painepisteet viedään riittävän leveälle toisistaan.
Silti pyöränlaakerointi joka kestää suoraanajoa esimerkiksi miljoona ajokilometriä, ei kestä tiukkaa kaarreajoa edes 100 ajokilometriä.
Syy : pyörän säde on noin 500 mm, mutta laakeriparin painepisteväli vain noin 125 mm. Tällöin pyörän kaatomomentti likimain nelinkertaistaa laakerikuormituksen.
Tullaan itseasiassa lähellä laakerien myötörajaa, usein pyöränakselinkin myötörajaa.
 

[Topi Lajunen]

Erkki unohti yhden olennaisen syyn, liittyy juurikin siihen pyörien kartiokkuuteen!

Se, että pyörien kartiokkuus ohjaa pyöräkertaa kulkemaan keskellä kiskoa, nimenomaan vaatii sen, että ne pyörivät täsmälleen samalla nopeudella. Eli ovat kiinteästi akselilla.

[Tuukka Ryyppö]

Erkki unohti yhden olennaisen syyn, liittyy juurikin siihen pyörien kartiokkuuteen!

Se, että pyörien kartiokkuus ohjaa pyöräkertaa kulkemaan keskellä kiskoa, nimenomaan vaatii sen, että ne pyörivät täsmälleen samalla nopeudella. Eli ovat kiinteästi akselilla.

Kirjoitit tästä hienon blogahduksen joitakin vuosia sitten. Saisitko sen kaivettua tähän esille?

[Topi Lajunen]

Kirjoitit tästä hienon blogahduksen joitakin vuosia sitten. Saisitko sen kaivettua tähän esille?

https://kiskoarkea.wordpress.com/2012/01/16/junan-kartiot/

[Pekka Siiskonen]

...ja lisäksi raideleveyden pitäminen vakiona on helpompaa, kun pyörät ovat samalle akselille kiinteästi asennettuna.

Jos pyörät ovat erikseen laakeroiduilla erillisillä "tumppiakseleilla" tai vaikkapa vain erillislaakeroituina akselilla, voi kaarrevoimista johtuen pyöräkerran raideleveys muuttua.

Vaihteessa pyöräkerran toinen pyörä hoitaa pyöräkerran sivuttaisen ohjauksen. Risteyksen kohdalla vastakisko estää vaihteen risteyksessä kulkevan pyörän laipan osumisen ristyksen kärkeen. Jos pyöräkerran raideleveys pääsee leviämään, on vaara, että laippa osuu risteyksen kärkeen.

Tämä oli käsittääkseni yksi HKL:n nyttemmin käytöstä poistettujen Bombardier-nivelvaunujen ongelma: telin jäykkyys ei riittänyt pitämään tumppiakseleilla pyörivien pyörien välistä raideleveyttä vaikona.

[Kurt Ristniemi]

Ansiokkaita sel(v)ityksiä kiinteille pyöräkerroille. Joskaan pyörien kartiokkuus ei voi olla selitys, jos se keksittiin vasta vuonna 1830, niinkuin Elias kertoi. Se siis päinvastoin on ratkaisu kiinteiden pyöräkertojen aiheuttamiin ongelmiin. Ts. ei syy, vaan seuraus.

Mutta mikä voi olla perinteen vaikutus? Millaiset pyöräkerrat oli ensimmäisissä junanvaunuissa? Entä niiden esi-isissä, kaivosvaunuissa? Ts. onko rautateillä 'aina' ollut kiinteät pyöräkerrat? Mikä mahtoi olla alkuaikojen hitaan vauhdin tai raideleveyden ja kaartosäteiden merkitys ja vaikutus?

[Kurt Ristniemi]

Vaihdoin aiheen otsikon kattamaan myös kiinteät pyöräkerrat, koska aiemmin laajensin aiheen koskemaan myös niitä. Tuleehan otsikon vastata aihetta.

[Petri Sallinen]

Aika havainnollinen esitys.

https://laughingsquid.com/why-train-wheels-require-rigid-conical-shape/

Tuossa vähän historiaa.

https://www.cantab.net/users/michael.behrend/repubs/stanesby/pages/part1.html

[Pekka Siiskonen]

Petrin linkittämän sivun video kertoo olennaisen: Kartiokas pyörä ja kiinteä akseli riittää pitämään pyöräkerran raiteilla ilman laippaa.

Laippaa tarvitaan vasta kun karresäde on niin lyhyt ettei kartiokkuus enää riitä, kuten jyrkissä vaihteissa. Silloin laippa ottaa kiskoon kiinni, ja laippa hiertää kiskon sivua, aiheuttaen kitkaa ja kiskojen ja pyöärkerran kulumista. Laipanvoitelu on yksi keino vähentää kulumista, toinen on pyrkiä vähentämään jyrkkiä kaarteita radassa.

Vuonna 1990 Yorkin kansallisessa rautatiemuseossa (National Railway Museum) oli Lontoon tiedemuseon (Science Museum) näyttelystä lainassa oheisen kuvan mukainen demo, jossa lapset saattoivat itse havaita ja oivaltaa, kuinka kartiokas pyörä kulkee raiteella ilman laippoja.

Suuremmissa nopeuksissa sinikäyrää luikertelevan telin kiertoliikettä joudutaan rauhoittamaan yhdistämällä teli ja vaunun alusta telin sivulla näkyvillä vaimentimilla. (Kuva TGV:stä vuodelta 1982).

[Eljas Pölhö]

Ansiokkaita sel(v)ityksiä kiinteille pyöräkerroille. Joskaan pyörien kartiokkuus ei voi olla selitys, jos se keksittiin vasta vuonna 1830, niinkuin Elias kertoi. Se siis päinvastoin on ratkaisu kiinteiden pyöräkertojen aiheuttamiin ongelmiin. Ts. ei syy, vaan seuraus.

Mutta mikä voi olla perinteen vaikutus? Millaiset pyöräkerrat oli ensimmäisissä junanvaunuissa? Entä niiden esi-isissä, kaivosvaunuissa? Ts. onko rautateillä 'aina' ollut kiinteät pyöräkerrat? Mikä mahtoi olla alkuaikojen hitaan vauhdin tai raideleveyden ja kaartosäteiden merkitys ja vaikutus?

Minä sanoin, että tulivat käyttöön 1827 ja 1830, en että "keksittiin" mainittuina vuosina. Se on eri asia. Kartiokkaita pyöriä on ollut käytössä jo 1730-luvulla, mutta ei kaikilla radoilla.

Ohjattu kulkutie oli käytössä jo Babyloniassa n.2200 e.Kr. Höyryturbiinin "keksi" Heron ho Alexandreus (Heron of Alexandria; Heron Aleksandrialainen] ajanlaskumme alussa, mutta se ei tuonut höyryturbiinivetureita käyttöön. Hakusanalla "Leitnagel hund" löytyy 1500-1600 luvuilta kuvia ja tekstejä ensimmäisistä vaunuista, joissa vaunujen pysyminen kiskoilla oli vaunurakenteen, vaan ei raiderakenteen tai kulku-uran avulla tehty ominaisuus. Vanhin tunnettu laippapyörä sekin on ollut käytössä Transsylvaniassa jo 1500-luvun lopulla. Englannin vanhimmat kiskotiet ovat 1600-luvun alusta laippapyörät siellä 1660-luvulta.

Rautapyörät tulivat käyttöön 1600-luvulla puupyörien ohella. Olivatkohan vanhimmat kiinteät pyöräkerrat 1700-luvulta.

[Ilkka Hovi]

OK pyörä pitää veturin tai vaunun tai junan kiskoilla jos kiskot ovat tasaiset ja geometrialtaan sopivat.
Laippoja tarvitaan tietenkin kääntämään junaa esim vaihteissa. Toinen hyvä syy on kaluston sivuttaisheitto, kartiokkuus ei riitä pitämään junaa kiskoilla jos teli tai vaunu, jossa vikaa, heiluu sivuttain. Myös pienetkin heitot radassa suistaisivat junan.