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Neue Entwicklungsmethodik und neue Werkstoffe machen Radsätze für Schienenfahrzeuge leichter, leiser und zuverlässiger

29.04.2005


In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit zehn renommierten europäischen Partnern erforschte das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im EU-Projekt HIPERWHEEL neue Entwicklungsmethoden für eine zuverlässige Auslegung von Hochleistungsradsätzen für Schienenfahrzeuge. Auf Basis der erarbeiten Methoden wurden von den beteiligten Partnern Lucchini und Otto Fuchs die HIPERWHEEL-Prototypen entwickelt. Die hybride Bauweise aus modernen Stahl und Aluminiumwerkstoffen (30NiCrMo V12; AlMgSi31; 6082-T6) ermöglicht eine Gewichtsreduzierung um ca. 25 % gegenüber bisherigen Serienradsätzen aus Stahl. Dies ermöglicht entweder einen geringeren Energieverbrauch oder eine höhere Tonnage der Schienenfahrzeuge. Zum Einsatz kommen soll das HIPERWHEEL überwiegend im europäischen Regional- und Nahverkehr. Das Marktvolumen bis 2009 wird nach einer Studie des Beratungsunternehmens SCI Verkehr GmbH - "Europäischer Betreibermarkt für den Schienenpersonennahverkehr" - mit 4,9 Mrd. Euro beziffert.


Zur Entwicklung einer europaweit gültigen Methodik wurden umfangreiche Grundsatzuntersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten einen unterschiedlicher Abfall der Schwingfestigkeit unter Kontaktermüdung zwischen dem Wöhler- und Gaßner-Versuch ergibt. Bei Wöhler-Versuchen werden konstante Kraftamplituden bzw. bei Gaßner-Versuchen werden variable Kraftamplituden bei der Lebensdaueruntersuchung zugrunde gelegt. Für Radsätze bedeutet dies, dass eine zuverlässige Auslegung nur mit Hilfe der Versuche unter betriebsähnlicher Belastung möglich ist. Deshalb war der Ausgangspunkt für die neue Radsatz-Methodik, die moderne Werkstoffe, Verbindungstechniken und Fertigungsprozesse mitberücksichtigt, die umfassende experimentelle und numerische Ermittlung der Betriebsbelastungen auf verschiedenen Streckennetzen, um die realen Beanspruchungen betriebsnah abzubilden.

Die abschließende Untersuchung des HIPERWHEEL-Radsatzes wurde im weltweit einmaligen LBF-Schienenradsatzprüfstand anhand programmgesteuerter Betriebsfestigkeitsversuche auf virtuellen Versuchstrecken durchgeführt. Weiter optimiert wurde die spannungsanalytische Überprüfung sowohl experimentell als auch durch numerische Berechnung mit Hilfe der LBF®.WheelStrength Software. Im Test erreichte eine optimierte Ausführung des Radsatzes 70.000 Versuchskilometer, was einer hohen Bemessungslebensdauer von ca. 10 Millionen km entspricht. Die Untersuchungen und Bewertungen bezogen sich auf ein weites, interdisziplinäres Forschungsgebiet und umfassten u.a. die

  • experimentelle und numerische Ermittlung der Betriebsbelastungen auf verschiedenen Streckennetzen
  • Auswertung von Daten zur Bewertung von Lärm, Komfort, Laufverhalten und Betriebsfestigkeit
  • Auslegung neuer Radsätze in Stahl und Hybridbauweise (Stahl-Aluminium) mit Hilfe verschiedener experimenteller und numerischer Methoden
  • Beschreibung der Schädigungsmechanismen unter Kontaktermüdung in Schrumpfsitzen und im Rad-Schiene Kontakt

Die Versuchsergebnisse bestätigen die im Forschungsprojekt angewandte Entwicklungsmethode für eine zuverlässige Auslegung neuer Radsätze, so dass die in Europäischen Normen UIC 510-5, EN 13104 und EN 13261 enthaltenen gravierenden Einschränkungen, besonders für neue Radsätze mit modernen Werkstoffen, Verbindungstechniken und Fertigungsprozessen überwunden werden können. Die Auslegung verschiedener Radsatzkomponenten nach o.g. Normen hat in den letzten Jahren zu zahlreichen Brüchen und Rückholaktionen geführt. Bei Anwendung der neuen Methodik und dem eingesetzten Radsatzprüfstand können zukünftig neue, innovative Produkte unter Berücksichtigung der erforderlichen Sicherheit rechnerisch ausgelegt und einsatzgerecht entwickelt und optimiert werden.

"Im Rahmen des HIPERWHEEL-Projektes haben alle beteiligten Experten ihren Beitrag zur methodisch sicheren und betriebsfesten Auslegung von komplexen Sicherheitsbauteilen bei Schienenradsätzen geleistet. Mit unseren Erkenntnissen und Empfehlungen möchten wir dazu beitragen, die in den entsprechenden EU-Normen enthaltenen gravierenden Mängel zu überwinden", fasst Dr. Gerhard Fischer vom Fraunhofer LBF die Ergebnisse zusammen.

Anke Zeidler-Finsel | idw
Weitere Informationen:
http://www.lbf.fraunhofer.de/
http://www.lbf.fraunhofer.de/hiperwheel

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