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Die Tribologie bestimmt den Rad- Schiene Kontakt Der Rad-Schiene Kontakt beim System Eisenbahn bestimmt ganz wesentlich die Fahrzeugdynamik sowie das Verschleiß- und Schädigungsverhalten von Fahrzeug und Fahrweg. Kontaktmodelle, die auf der Berücksichtigung der komplexen tribologischen Effekte in der Rad-Schiene Schnittstelle basieren, sind von großer Bedeutung für die Verbesserung des Systems Bahn in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Kosten. Der Rad-Schiene Kontakt stellt die Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Fahrweg dar. Diese Schnittstelle muss auf sehr kleinen Kontaktflächen – in der Größe eines Fingernagels – unter höchsten Belastungen die Funktionen Tragen, Führen sowie Antreiben und Bremsen realisieren. Modelle zur Beschreibung der wesentlichen, im Rad-Schiene Kontakt auftretenden Effekte sind von hoher Bedeutung, da mit deren Hilfe das System Eisenbahn unter Verwendung von Simulationstools optimiert und teure Versuche auf ein Minimum reduziert werden können. Typische Fragestellungen in diesem Zusammenhang sind z.B. jene der Fahrzeugdynamik sowie der Fahrzeug- und Fahrwegschädigung aufgrund von Verschleiß, Rollkontaktermüdung und Komponentenermüdung (siehe auch Beitrag „RCF & Verschleiß: Prognose gefragt!“, Seite 12). Um hier jedoch einen entscheidenden Schritt voran zu kommen, gilt es, die komplexen tribologischen Zusammenhänge im Rad-Schiene Kontakt durchgängig zu verstehen und in Modellen abzubilden. „Einfache“ Standardmodelle reichen dabei häufig nicht mehr aus. Dies gilt auch in Verbindung mit den weiteren Forschungsschwerpunkten am VIR- TUAL VEHICLE im Rail-Bereich (siehe Beiträge „Fahrzeug und Fahrweg - eine gemeinsame Interaktion“, Seite 8 und „RCF & Verschleiß: Prognose gefragt!“, Seite 12). State-of-the-art Reibkraftmodelle Zur Beschreibung der im Rad-Schiene Kontakt entstehenden Reibkräfte gibt es eine Reihe von Modellen. Die meisten gehen von konstanter Coulombscher Reibung aus, woraus folgt, dass das Verhältnis von maximal übertragbarer Reibkraft zu Normalkraft entsprechend eines vorab zu definierenden Reibungskoeffizienten konstant ist. Unter dieser Annahme ergibt sich qualitativ der in Abbildung 1 rot dargestellte Zusammenhang zwischen dem Längsschlupf und dem Kraftschluss. Bei diesem Verlauf können je nach Antreiben oder Bremsen grundsätzlich zwei Bereiche unterschieden werden. Im Mikroschlupfgebiet – einem Bereich mit steil 10 magazine Nr. 14, II-2013 ansteigendem Kraftschluss bei kleinen Schlüpfen – gibt es in der Kontaktfläche gleichzeitig Haft- und Gleitgebiete. Im Makroschlupfgebiet – einem Bereich mit konstantem Kraftschluss bei hohen Schlüpfen – tritt Gleiten im gesamten Kontaktgebiet auf, dabei entspricht der Kraftschluss dem vorgegebenen Reibungskoeffizienten µ. Effekte aus Kraftschlussmessungen am Fahrzeug Die grüne Kurve in Abbildung 1 stellt qualitativ einen typischen, aus Messungen bekannten Kraftschlussverlauf dar. Dabei zeigen sich über den gesamten Schlupfbereich massive Abweichungen im Vergleich zu den erwähnten State-of-the-art Modellen, wie geringere Kraftschlussgradienten bei kleinen Schlüpfen sowie negative Kraftschlussgradienten bei höheren Schlupfwerten. Die maximal erreichbaren Kraftschlusswerte hängen darüber hinaus von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Normallast und den Rad-Schiene Rauigkeiten sowie von der Existenz flüssiger und fester Zwischenschichten wie z.B. Wasser, Schmutz und Abrieb aber auch bewusst eingebrachter Stoffe Abbildung 1: Rad-Schiene Kontakt – Kraftschlusscharakteristik Quelle: VIRTUAL VEHICLE wie Sand, Schmiermittel oder Friction Modifier ab (Abbildung 2). Die erwähnten Phänomene lassen sich über Prüfstandsversuche nachweisen und treten auch im realen Fahrzeugbetrieb auf (siehe auch Abbildung 4, Abhängigkeit des Kraftschlussmaximums von der Fahrzeuggeschwindigkeit). Die angesprochenen Stateof-the-art Modelle können diese Effekte nicht beschreiben. Daher werden häufig empirische Beschreibungen, d.h. direkt aus Messungen und ohne Modellvorstellung, verwendet. Dieses Vorgehen birgt allerdings den Nachteil in sich, dass die Modellparameter für bestimmte Bedin- Abbildung 2: Abhängigkeit des maximalen Kraftschlusses von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Normallast und der Rauigkeit Quelle: VIRTUAL VEHICLE
gungen eingestellt werden. Ändern sich diese Bedingungen, ist das Modell nur mehr bedingt gültig. Aus diesem Grund legt das VIRTUAL VEHI- CLE in Kooperation mit industriellen und wissenschaftlichen Partnern einen Forschungsschwerpunkt auf die Entwicklung eines Reibkraftmodells auf physikalischer Basis. Dieses Modell zur Beschreibung der wesentlichen tribologischen Effekte im Rad-Schiene Kontakt ermöglicht es, auch bei stark variierenden Randbedingungen aus Messungen bekannte Reibkrafteffekte abzubilden. Erweitertes Reibkraftmodell Abbildung 3 stellt die Struktur des neu entwickelten Modells dar. Dieses Modell berechnet in Abhängigkeit von Kontaktgeometrie, Normallast, Schlüpfen sowie der Existenz von Zwischenschichten die lokale Reibkraftverteilung im Kontakt und daraus die resultierenden Reibkräfte in Längs- und Querrichtung. Dazu wurde eine Reihe von physikalischen Submodulen implementiert und miteinander vernetzt. Aufgrund der auftretenden Gleiteffekte im Rad-Schiene Kontakt stellt sich im Kontakt eine Temperaturverteilung ein, die die übertragbaren Reibkräfte beeinflusst. Diese Temperaturverteilung wird im Kontakttemperaturmodell berechnet. Im Mikrokontakt-Modell wird in Abhängigkeit der Rad-Schiene-Rauigkeiten und der zuvor berechneten Temperatur die „reale“ metallische Kontaktfläche der Asperitenkontakte berechnet, die im Vergleich zur Annahme von glatten Oberflächen generell kleiner ist. Über diese „reale“ Kontaktfläche wird zusammen mit einem temperaturabhängigen Materialmodell lokal die maximal übertragbare Reibkraft bestimmt. Damit ist der Reibungskoeffizient keine vorzuge- Abbildung 4: Kraftschluss (Längsreibkraft/Normalkraft) – Versuche mit Lokomotive vs. Simulation bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten Quelle: VIRTUAL VEHICLE bende Inputgröße mehr, sondern wird im Modell in Abhängigkeit der physikalischen Größen Temperatur und Rauigkeit berechnet. Der Einfluss von fluiden Zwischenschichten (z.B. nasse Schienen) wird über den sich aufbauenden Fluiddruck berücksichtigt. Das Scherverhalten der Asperitenkontakte und eventuell vorhandener fester Zwischenschichten (z.B. Sand) wird über das sogenannte 3rd Body Layer Modell berücksichtigt. Validierung Bei der Entwicklung des Modells wurde auf die Validierung großer Wert gelegt. Zunächst wurde das Modell durch diverse Prüfstandsversuche im Labor validiert und parametriert. Anschließend wurden Fahrzeugversuche mit einer Lokomotive durchgeführt. In Abbildung 4 sind typische Versuchsergebnisse den Resultaten des neuen physikalischen Reibkraft- Abbildung 3: Erweitertes Reibkraftmodell, Struktur und Submodule Quelle: VIRTUAL VEHICLE modells gegenübergestellt. Es zeigt sich eine sehr gute qualitative und quantitative Übereinstimmung. Auch die Geschwindigkeitsabhängigkeit wird sehr gut wiedergegeben, was mit Standardmodellen nicht erreicht werden kann. Anwendung Das neu entwickelte physikalische Reibkraftmodell ermöglicht im Vergleich zu Standardmodellen physikalisch noch fundiertere Prognosen hinsichtlich Fahrsicherheit, Fahrwegbeanspruchung und Komfort auf Basis von MKS Simulationen. Damit kann das Modell einen wichtigen Beitrag in Richtung virtueller Zulassung leisten. Aber auch bei der Prognose von Verschleiß und Rollkontaktermüdung wird über dieses Modell eine wesentliche Qualitätssteigerung erreicht. ■ Zum Autor Projektpartner • Technische Universität Graz • University of Sheffield • L.B. Foster Rail Technologies • ÖBB Infrastruktur AG • Siemens AG • voestalpine Schienen GmbH Dr. Klaus Six ist Key Researcher im Bereich <strong>Vehicle</strong> Dynamics – Rail Applications am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II-2013 11
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