Ziele

Ein radialelastischer Radsatz ist eine Konstruktion, bei der im Unterschied zum konventionellen Radsatz zwischen dem Radreifen und der Radscheibe eine dämpfende Gummizwischenlage eingefügt wurde, siehe Bild.
Diese Zwischenlage soll das Kraftniveau sowohl zwischen Radreifen und Schiene als auch zwischen Radsatz und Drehgestellrahmen reduzieren. Ein solcher Radsatz wurde vor einigen Jahren von den Schwäbischen Hüttenwerken (SHW) vorgestellt.
Im Rahmen dieses Projekts soll der Einfluß radialelastischer Räder auf das mittelfrequente Verhalten des Drehgestells sowie der daraus resultierenden Veränderungen der Beanspruchung von Drehgestell, Radscheiben und Gleis rechnerisch erforscht werden.

Dazu ist das Gesamtsystem, bestehend aus Radreifen, Gummizwischenlage, Radscheibe und Radwelle, Drehgestellrahmen sowie Wagenkasten und Gleis zu modellieren. Dieses Gesamtsystem ist dann, angeregt durch stochastische Gleislagefehler, zu simulieren. Damit verschiedene Radsatz- und Drehgestellmodelle einfach zu kombinieren sind, ist hierbei auf die Modularität des Modellaufbaus zu achten. Bei der Modellierung des rotierenden Radsatzes sollen die im Projekt Rotordynamik gewonnenen Erfahrungen mit einfließen.
Zur Beschreibung des Rad/Schiene-Kontaktes ist das in Volle [L 15] beschriebene Kontaktmodul einzusetzen, welches im Rahmen des Projekts "Rotordynamik" in die Simulationsumgebung NEWSIM (Leister [L 10]) integriert wurde. Die Beschreibung der Bewegungsgleichung in symbolisch-numerischer Form erleichtert die Anpassung der Modellparameter an die jeweilige Kombination der Systemkomponenten. Die Modellierung des Gesamtsystems als EMKS, siehe z.B. Melzer [L 12] ermöglicht eine effiziente Berechnung der hier zu untersuchenden mittelfrequenten Vorgänge.

Dieses Gesamtziel wird im folgenden durch die Aufspaltung in Teilziele konkretisiert, im Umfang quantifiziert, in den zu erbringenden Ergebnissen detailliert und dadurch insgesamt transparenter gemacht. Zunächst ist dazu eine Referenzkonfiguration des Gesamtsystems, bestehend aus Radreifen, Gummizwischenlage, Radscheibe und -welle, Drehgestellrahmen sowie Wagenkasten zu erstellen. Die Parameter für das Drehgestell werden aus den Daten des im ersten Projektabschnitt untersuchten Drehgestells MD 530 gewonnen. Die Gummizwischenlage soll dazu durch diskrete nichtlineare Federn und Dämpfer beschrieben werden, wobei besonderes Gewicht auf die Hysterese in der Federkennlinie zu legen ist. Anschließend soll die Gummizwischenlage nach der Methode der Finiten Elemente modelliert und, repräsentiert durch seine Ortsintegralmatrizen, als elastischer Körper in das Gesamtsystem integriert werden. Aufgrund eines Vergleichs der diskreten und der kontinuierlichen Modellierungen hinsichtlich Effizienz und Genauigkeit soll entschieden werden, welche Modellierung in der weiteren Simulation eingesetzt wird.

Die Modellierung der Anregung in Form von stochastischen Gleislagestörungen erfolgt in der im ersten Projektteil entwickelten Weise auf der Basis von Spektraldichtefunktionen. Zur Beschreibung der Eigenschaften des in einem nächsten Schritt elastisch zu modellierenden Drehgestellrahmens ist das ebenfalls im ersten Projektteil erstellte FE-Modell zu verwenden und gegebenenfalls zu modifizieren.

Die Erfüllung der vorgenannten Teilziele ermöglicht nun die Untersuchung der Auswirkung des radialelastischen Radsatzes auf die Dynamik des Gesamtsystems. Beim Vergleich mit einem Drehgestell, welches Radsätze ohne diese Gummizwischenlage enthält, ist besonderer Wert auf die Veränderung des Kraftniveaus in der Primärfesselung, auf die Relativbewegung des Radreifens gegenüber der Radscheibe und auf die Veränderung der Spannungsverteilung im Drehgestellrahmen zu legen. Mit Hilfe der Darstellung der Vergleichs- bzw. Mittel- oder Maximalspannungen im Drehgestellrahmen ist die Spannungsverteilung und damit die Materialbelastung zu erfassen. Unter Anwendung des Leichtbaus ist nun die Konstruktion des Drehgestellrahmens zu optimieren, siehe Bestle [L 2], wobei die Dauerfestigkeit auf der Basis der Spannungen im Kerbgrund nachzuweisen ist.