Rad

Eine kreisrunde Scheibe mit einem Loch (Bohrung) im Zentrum ist die einfachste Ausführung eines Rades. Doch erst das Aufstecken dieser Scheibe auf einen Stab (Achse) macht daraus ein bewegliches Teil. Hierfür gab es in der Natur kein Vorbild. Die Beherrschung der (dauerhaften) Bewegung eines solchen Rades erfordert Kenntnisse und Erfahrungen hinsichtlich Reibung, Schmierung und Paßgenauigkeit der Verbindung zwischen Rad und Achse.

Später konnte das Rad als Maschinenelement in der Bronzezeit als Einheit von Nabe, Speichen und Radkranz (Felge) weiter entwickelt werden.

So konnten Töpferscheiben und Wagen gebaut werden.

Geschichte

Das Rad gilt als eine der ältesten, ist sicher jedoch eine der wichtigsten Erfindungen der Menschheit. Lange galt seine Erfindung in der sumerischen Kultur um 4000 v. Chr. als gesichert. Heute nimmt man eher an, dass das Wagenrad an mehreren Orten etwa gleichzeitig erfunden wurde.

Ältere Transportgeräte

Die ersten Transportgeräte, auf denen man Lasten ziehen oder schieben konnte, waren Schlitten, Schleifen und Travois. Bei ihrer Benutzung war in der Regel eine hohe Gleitreibung zu überwinden. Der Transport auf Rollenn bzw. Walze wiederum war nur auf gut vorbereiteten Straßen möglich. Nachgewiesen ist diese Transportform aus dem Ägypten der Pharaonen, aber auch Megalithbauten wie Stonehenge wären ohne diese Transportform kaum zu errichten gewesen. Nachteilig war daran, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder von hinten weggenommen und vorn wieder vor den zu befördernden Gegenstand gelegt werden mussten.

Erste Nachweise des Rades

Das drehbar befestigte Rad erleichterte den Lastentransport erheblich und war auch schon mit Steinwerkzeugen herzustellen. Die „unendliche' Rotation um eine Achse scheint allerdings schon einige Jahrhunderte früher erfunden worden zu sein, bevor sie Eingang in die Verkehrstechnik fand. Mesopotamische und ägyptische Töpfer gelten als die Ersten, die Räder als Töpferscheiben bei der Keramikherstellung eingesetzt haben. Erste Funde von Wagen oder Wagendarstellungen gibt es aus der Mitte des 4. Jahrtausends vor Chr., und zwar aus ganz verschiedenen Gegenden: Aus dem Alpenvorland, aus Südpolen (Bronocice), aus dem Nordkaukasus (Majkop-Kultur, heute zu Russland), aus Mesopotamien und aus der Induskultur (Harappa). Auch unter den ältesten Funden sind schon zweiachsige Wagen.
Viele Funde stammen von Beisetzungen in Wagengräbern. Andere sind Moorfunde aus Feuchtgebieten. Bei ihnen wie auch bei der Wagendarstellung in Bronocice fällt auf, dass Wagen im Zusammenhang mit befestigten Wegen (Bohlenwegen) auftraten. Der größte Teil des Wagenverkehrs hat sich aber mit Sicherheit auf unbefestigten Wegen abgespielt, teilweise sogar in der offen Steppe.

Angesichts der weiten geografischen Streuung alter Rad- und Wagenfunde und ihrer Zufälligkeit wäre es nicht verwunderlich, wenn zukünftig noch mehr „Ursprungsregionen' als die bisher bekannten fünf entdeckt werden.

Weiterentwicklungen

Schon in der Steinzeit begann man, das Gewicht der Scheibenräder durch Auskehlungen zu vermindern. Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die um 2000 v. Chr. im Orient eingeführt wurde. Mit dem stabilen und leichten Speichenrad baute man so genannte Streitwagen, also zweirädrige Wagen, die eigentlich Karreesn heißen müssten. Da Zweirädrigkeit eine gute Methode war, das Gewicht zu vermindern, wurde auch später so mancher anspruchsvolle Einachser gebaut, der durchaus kein Karren war. Hatten die ersten Speichenräder bronzene Speichen, so baute man im weiteren Verlauf der Bronzezeit und auch danach überwiegend hölzene Speichenräder, an denen nur die auf der Achse reibende Innenfläche der Radnabe und die äußere Lauffläche der Felge mit Metall beschlagen war. Metallspeichen wurden erst ab dem 19. Jh. nach Chr. wieder führend, sei es wegen höherer Lasten und Geschwindigkeiten wie im Eisenbahnverkehr, sei es nachdem die Erfindung des Speichensturz es erlaubte, sehr leichte stabile Räder mit dünnen gespannten Drahtspeichen zu bauen, wie heute vor allem beim Fahrrad üblich.

Das Rad in der Neuen Welt

Die Maya benutzten schon in präkolumbischer Zeit Räder, sogar Zahnräder, in mehr oder weniger feinmechanischen Geräten. Wagen sind aber aus den altamerikanischen Kulturen bisher nicht nachgewiesen.

• Literaturliste aus dem Internet

System Rad und Achse

Das System Rad und Achse wird vor allem für Transportmittel angewandt; zum einen an Fahrzeugenen, zum anderen als Kraftumlenkung an Hebezeug.

(Hinweis: Achsen dienen zum Tragen von Lasten und werden deshalb hauptsächlich auf Biegung beansprucht; Wellen übertragen Drehmomente und werden deshalb hauptsächlich auf Verdrehung (Torsion) beansprucht.)

Räder für Fahrzeuge

Werden Räder mit Hilfe von Lagern rotierend auf Achsen – heute meist nur auf Achszapfen – eines Fahrzeugs montiert, so wird damit im Vergleich zum Schleifen des zu transportierenden Gegenstandes über eine zurückzulegende Strecke eine wesentliche Verminderung der Reibungskräfte und damit ein Energie sparender Transport von schweren Gütern bzw. eine schnelle Fortbewegung von Gütern und Personen, primär auf relativ ebenen Trassen, erzielt.

Zum Vergleich: Um eine Stahlplatte von 100 kg Masse über eine Strecke von 10 m zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten. Hierbei ergibt sich die jeweilig auftretende Reibkraft aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert. Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauher Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl 0,1. Beim Schleifen ist die Stahlplatte über die gesamten 10 m in Kontakt mit der rauhen Oberfläche, somit ergibt sich die Arbeit W_s zu

$W\_\backslash mathrm\{s\}\; =\; 100\backslash ,\backslash mathrm\{kg\}\; \backslash cdot\; 9\{,\}81\; \backslash frac\{\backslash mathrm\{N\}\}\{\backslash mathrm\{kg\}\}\; \backslash cdot\; 0\{,\}5\; \backslash cdot\; 10\backslash ,\backslash mathrm\{m\}\; =\; 4905\backslash ,\backslash mathrm\{J\}$

Beim Fahren mit Rädern vom Durchmesser 1000 mm und Achsdurchmesser 50 mm reduziert sich der Weg der Stahlnabe, die sich an der Stahlachse reibt, im Verhältnis der Durchmesser und somit ergibt sich die Arbeit W_f zu

$W\_\backslash mathrm\{f\}\; =\; 100\backslash ,\backslash mathrm\{kg\}\; \backslash cdot\; 9\{,\}81\; \backslash frac\{\backslash mathrm\{N\}\}\{\backslash mathrm\{kg\}\}\; \backslash cdot\; 0\{,\}1\; \backslash cdot\; \backslash frac\{50\backslash ,\backslash mathrm\{mm\}\}\{1000\backslash ,\backslash mathrm\{mm\}\}\; \backslash cdot\; 10\backslash ,\backslash mathrm\{m\}\; =\; 49\{,\}05\backslash ,\backslash mathrm\{J\}$

(zur Dimensionsbetrachtung: 1 Newtonmeter ist äquivalent zu 1 Joule)

Selbst wenn wir die Arbeit, die auf Grund der Masse des Wagens und des Rollwiderstandes der Räder zu leisten ist, in der Größenordnung des Transportes der Stahlplatte annehmen, ist die Energieeinsparung enorm.

Bei hohen Geschwindigkeiten ist eine weitere Eigenschaft des Rades entscheidend: Der gyroskopische Effekt bewirkt, dass das Rad sich wie ein Kreisel stabil um seine Achse dreht und dem Fahrzeug hierdurch zu einem stabilen Geradeauslauf verhilft.

Beispiele hierzu:

• freihändiges Radfahren.
• Würden die Räder 'eiern', würden wir im Fahrzeug ziemlich durcheinander geschüttelt.

Materialien

Als Material wurde Jahrtausende lang nur Holz verwendet. Ab der Bronzezeit wurden die Naben mit Lagerhülsen und die Radkränze mit Reifen aus Metall versehen, die entsprechend den Fortschritten der Metallurgie in immer beständigeren Materialien ausgeführt wurden. Erst mit der Erfindung der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors, die höhere Leistungen und Geschwindigkeiten ermöglichten, wurden die Räder vollkommen in Eisen, später aus Stahlblech zusammengeschweißt als Felge ausgeführt. Die geschmierten Nabenhülsen wurden durch Rolllager ersetzt. Räder für geringe Belastungen wurden in Leichtbauweise mit Drahtspeichen versehen.

Die Ausbildung der Räder wurde immer auf die zu befahrende Oberfläche (erst später Wege und Straßen) abgestimmt, bzw. die Oberfläche entsprechend den erhöhten Anforderungen verbessert. So entstanden:

• Stahlreif auf Holzkranz für Räder von Schubkarren, zwei- oder vierrädrige Wagen, Fuhrwerkne oder Kutsche auf Acker, Feld-/Bohlenwege oder Pflasterstraßen
• Hartgummireif auf Holz- oder Gusseisenkranz für die ersten Kraftfahrzeuge, länger auch noch für die Lastwagen auf Pflasterstraßen
• Luftreifen auf Felge für die Straßenfahrzeug und Flugzeuge auf Asphalt- oder Betonstraßen

Spezielle Entwicklungen des Rades für andere Transportmittel als Straßenfahrzeuge sind:

• das Eisenbahnrad mit stählernen Reifen und Spurkränzen, auch bei Kränen und Rolltreppen
• die Seilrollen/-räder zur Unterstützung des endlosen Zugseiles bei Seilbahnen und Sessel/Skiliften

Heute werden Hartgummireifen auf Stahlrädern als Stützräder z. B. für Kettenfahrzeuge, für Karusselle, für Seilbahnen und Sessellifte oder bei Industriefahrzeugen wie dem Gabelstapler verwendet.

Fahrzeuge mit dem Suffix/Präfix 'rad'

Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei

• Einrad
• Dreirad
• Fahrrad (Zweirad) und seine Vorgänger Hochrad und Laufrad
• Rhönrad
• Motorrad

• Raddampfer

Sonderfälle

In Mittelamerika erfanden die Mayan das Rad. An Tempel ist es auf Steinornamenten auch als Speichenrad oder Zahnrad zu sehen. Wie bisher aus Funden belegt, nutzten sie dieses aber nur in Anwendungen, die keine äußeren Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Völkerkundemuseum Berlin).

In China wurden Fahrzeuge mit ovalenee Rädern ausgerüstet, um zum Vergnügen der Mitfahrer diese eine Berg- und Talfahrt erleben zu lassen. Eine solche Erlebnisfahrt boten bei uns noch die Jahrmärkte in den zwanziger Jahren des 20. Jhdt., heute bieten uns diese noch manche Karussell.

Ein weiterer Sonderfall, der zudem nicht der Fortbewegung dient, ist das Riesenrad, ein stationäres 'Fahrzeug/Beförderungsmittel'.

Räder für die Kraftumlenkung

Um Kräfte an Hanf- oder Drahtseilen angreifend umzulenken, werden Räder, bei diesen Anwendungen oftmals Rollen genannt, stationär auf Achsen installiert. Der Radkranz ist hierbei mit einer umlaufenden Nut versehen, um dem Seil Führung zu geben.

Beispiele sind:

• die Maurerrolle, wie man sie an kleinen Baustellen sieht, wo eine Hilfskraft eimerweise Material händisch nach oben zieht
• Förderräder an Fördertürmen bei Schachtsanlagen des Bergbau
• Räder an Aufzugsanlagen
• der Flaschenzug, bei dem sowohl Rollen an stationären, sogenannten Flaschen installiert sind, als auch an beweglichen, wobei ein durchgehendes Seil so um zugehörige Paare von Rollen an den beiden Flaschen gelegt wird, dass sie entsprechend den Hebelgesetzen über einen langen Seilzugweg größere Lasten über kürzere Strecken heben.

System Rad und Welle

einen dreifachen Antrieb durch drei phasenversetzte Pleuelstangen, zwei (für das Erscheinungsbild von Dampflokomotiven typische) an den Außenseiten der Räder und eine weitere in der Mitte

Wird die Nabe des Rades fest auf einer gelagerten Welle installiert – siehe hierzu Welle-Nabe-Verbindung –, kann es der Übertragung von Drehmomenten dienen bzw. angetrieben Kräfte entlang eines Weges übertragen. Für diesen Zweck wurden die Bestandteile des Rades zu verschiedensten Formen abgewandelt. Auch kann das Rad als Energiespeicher eingesetzt werden.

Überträger von Drehmomenten

Zum Übertragen von Drehmomenten wird der Radkranz entsprechend der Antriebsart gestaltet, so als

• Riemenscheibe oder -triebrad bei Transmissionswellen
• Reibrad
• Kettenrad
• Seilrollen/-räder
• Zahnrad bei z.B. Getriebeenn, Uhrwerk (Chronometer, Astronomische Uhrnen), mechanischen Rechenmaschine, Zählwerken wie bei Gasuhren und Wasseruhr
• mit aufgezogenem Reifen aus Gummi, Kunststoff oder Metall für Laufräder, etwa an Fahrzeugen

Zusammengehörige Reib- und Zahnräder drehen die Drehrichtung um. Bei Riementrieben geschieht dies durch um 180° verdreht Riemen; um 90° gedrehte Riemen ermöglichen eine Drehung der Rotationsebene aus der horizontalen in die vertikale. Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des angetriebenen Rades im Vergleich zum antreibenden können die Winkelgeschwindigkeiten und entsprechend den Hebelgesetzen die Drehmomente den Bedürfnissen angepasst werden.

Besonders bei Zahnrädern ist die Entwicklung zu verbessertem Kraftschluss und energiesparenden Ausführungen in Abhängigkeit von den zu den jeweiligen Zeiten gegebenen Werkstoffen und Verarbeitungsmöglichkeiten vorangetrieben worden:

• in Holz mit Holzzapfen (Kammrad) seitlich am Radkranz versehen als Kronrad oder bei großen Kräften mit zwei Rädern als Käfigrad, mit Zapfen außen am Radkranz als Stirnrad
• in Metall mit verschiedenen ausgeführten Zähnen entsprechend der Lage der Wellen zueinander als Stirn-, Kegel-, Schrauben- oder Schneckenrad

Arbeit verrichtende Maschinenteile oder Arbeitsmaschinen

Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfeee, Gas) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:

• Töpferscheibe mit Fußantriebsrad zur Verformung des Tons
• riemenradgetriebene Drechsel-/Drehbank oder Bohrmaschine, später mit E-Motor über Getriebe angetrieben
• Schöpfrad zum Anheben des Wasserspiegels bzw. zur Bewässerung in seiner frühesten Form z.B. als Rad mit Zapfen, an denen Tonkrüge angebunden wurden
• Schaufelrad bei Dampfern, d.h. als Doppelrad mit Schaufeln/Paddeln an den Radkränzen
• Laufrad von Gebläsen, Kreiselpumpenn oder Radialverdichter, d.h. ursprünglich als Rad mit gekrümmten Schaufeln auf der Radscheibe, mit oder ohne Laufkranz
• Laufrad von Axialverdichternn, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen
• Propeller sind rudimentäre, dafür hochspezialisierte Ausführungen des Rades
• Antriebsräder für die endlosen Seile von Seil- und Gondelbahnen, von Sessel- und Skiliften
• Zentrifugen zur Trennung von Substanzen sind auf einer vertikalen Achse rotierende Räder.

Drehmoment erzeugende Maschinenteile oder Kraftmaschinen

Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim:

• einfachsten, dem Steuerrad, dem Lenkrad
• Tretrad der Tretmühle hauptsächlich für Verlade- und Baukräne
• Mühlrad als Doppelrad mit Trögen zwischen den Radkränzen
• Windrad z.B. im Mittelmeerraumn als Speichenrad mit Dreieckssegeln an den Speichen und einem Seil quasi als Radkranz (eindrucksvoll auf alten Fotos vom Tal der Windmühle auf Kreta)
• langsam laufenden Windrad als Rad, dessen Speichen als Flügelprofil ausgebildet sind und der Radkranz als stabilisierendes Element gegen Schwingungen weiter innen im Flügel angebracht wird: z.B. zum Wasserpumpen auf Mallorca, in der Ebene östlich von Palma, oder auf den weitläufigen Viehweiden im Mittleren Westen Amerikas
• Laufräder von Dampf- und Gasturbinen, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen

Energiespeicher

Als Energiespeicher wird das Rad entsprechend den auszugleichenden Kräften mit genügend großer Masse ausgeführt; vor allem, um bei oszillierenden Kräften die auftretenden Totpunkte oder den kraftlosen Rücktritt zu überwinden, bzw. um genügend Energie für den ausstoßenden und den verdichtenden Hub zur Verfügung zu stellen, so beim

• fußbetriebenen Antriebsrad z.B. der Töpferscheibe
• beim Trittbrett des Spinnrades, der Nähmaschine
• bei ein- und zweizylindrischen Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren

Radsätze zweispuriger Fahrzeuge

Frühzeit

Im Alpenraum steckten die Räder der allerersten Wagen mit viereckigen Achslöchern auf den Enden einer Welle, statt sich auf einer starr mit der Ladefläche verbundenen Achse zu drehen.

Schienenfahrzeuge

Schienenfahrzeuge fahren auf Radsätzen, deren Räder fest durch eine Achse verbunden sind, die aber außer bei den Antriebsrädern von Lokomotiven kein Drehmoment zu übertragen hat. Diese Konstruktion garantiert eine absolute Spurtreue und ermöglicht die Benutzung größerer und robusterer Radlager. Die Lauffläche von Eisenbahnnrädern hat deswegen die Form von Kegelstümpfe, deren Radius zur Wagenmitte hin größer ist als zum Wagenrand hin. In Kurven wandert das Schienenfahrzeug zunächst nach außen. Auf der Außenschiene rollen die Räder mit dem inneren Teil ihrer Lauffläche, wo der Radius größer ist, auf der Innenschiene mit dem seitlicheren Teil, wo der Radius kleiner ist. Dadurch bewegt sich bei gleicher Drehzahln rechter wie linker Räder ein Eisenbahnwagen auf der äußeren Schiene schneller als auf der inneren. So gelenkt würden die Wagen bei Geschwindigkeiten unter 40 km/h, nicht zu engen Kurvenradien und nicht zu langen Achsstände auch ohne die Spurkränze ihrer Räder in Kurven auf dem Gleis bleiben. Bei höheren Geschwindigkeiten, engeren Kurven und nicht ganz exakt liegenden Schienen funktioniert dieses Prinzip nicht mehr so ganz, was den Verschleiß von Rädern und Schienen erhöht.

Siehe auch

• Eisenbahnrad: Radscheibe, Lauffläche, Radprofil, Spurkranz
• Reifen (Sommerreifen, Winterreifen, Allwetterreifen, Ganzjahresreifen)
• Felge
• Geschichte des Transportwesens im Altertum
• Nabe
• Speiche
• Scheibenrad
• Mecanum-Rad
• Omniwheel (Allseitenrad)
• Castor-Rad

Trivia

John Keogh aus Hawthorn, Victoria (Australien) meldete das Rad 2001 zum Patent an. Er und das australische Patentamt, das ihm das Patent #2001100012 ausstellte, erhielten dafür den Ig-Nobelpreis für Technik 2001.

Literatur

• Veronika R. Meyer, Marcel Halbeisen: Nur scheinbar ein Paradox: Warum gibt es in der Natur keine Räder? Biologie in unserer Zeit 36(2), S. 120–123 (2006), ISSN 0045-205X

Weblinks

• In Australien im Jahr 2001 angemeldetes Patent: Ein Rad
• Experimente zum Transport von Hünensteinen