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Geräuschreduktion an Rad und Schiene Die Area NVH & Friction beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema Geräuschentwicklung im Schienenverkehr. Ziel ist es, das Geräusch am Ort der Entstehung zu bekämpfen und damit andere Maßnahmen wie Lärmschutzwände überflüssig zu machen. Die Umweltbelastung durch Lärm aufgrund des Schienenverkehrs ist insbesondere in Ballungsräumen ein nach wie vor aktuelles Thema. Da man die Nachteile von weiteren Schallschutzwänden vermeiden möchte, werden neue Techniken untersucht, die das Geräusch schon am Ort seiner Entstehung reduziert. Dazu sind vor allem Maßnahmen zur Schwingungsreduktion an Rad und Schiene geeignet. Zur Reduktion von Bahnlärm werden vielfach Lärmschutzwände eingesetzt, deren Nachteil im massiven Landschaftseingriff, in der Einschränkung von Sichtverhältnissen und natürlich auch im finanziellen Aufwand besteht. Eine wesentlich elegantere Lösung sind Dämpfer/ Tilger Elemente (Abb. 1 links), die am Ort der Geräuschentstehung angebracht werden. Solche Konstruktionen sind zwar in der Literatur bekannt, werden aber derzeit nicht großflächig eingesetzt. Geräuschentstehung im Rad-Schiene Kontakt In einem relativ breiten Geschwindigkeits- 16 magazine Nr. 14, II-2013 bereich ist das Rollgeräusch die maßgebliche Geräuschquelle eines akustisch gut konstruierten Schienenfahrzeuges. Die Gründe für die Entstehung von Rollgeräuschen sind die raue Lauffläche des Rades und der Schiene. Als Rad- bzw. Schienenrauigkeit werden aus akustischer Sicht Unebenheiten im Wellenlängenbereich von etwa 3 mm bis 60 cm bezeichnet. Die Schienenriffeln, mit typischen Wellenlängen von ca. 4 cm bis 12 cm, und die Radunrundheiten fallen ebenfalls in den Bereich der akustischen Rauigkeit. Die Aufrauung der Rad- Schiene-Kontaktflächen findet nach heutigem Wissensstand durch Verschleiß, plastischer Deformation und Rollkontaktermüdung statt, die genauen Entstehungsmechanismen sind aber noch nicht vollständig erforscht. Für die Geräuschabstrahlung des Wagons spielen die Räder eine bedeutende Rolle, die Abstrahlung steht in direktem Zusammenhang mit den angeregten Eigenschwingungsformen der Räder. Untersuchungen zeigen, dass für die Geräuschabstrahlung hauptsächlich bestimmte radiale und axiale Radschwingungsformen verantwortlich sind. Deshalb ist es sehr wichtig, Abbildung 1: Rad mit Absorber am Modalanalyseprüfstand (links) und berechnete Eigenschwingungsform (rechts) Quelle: VIRTUAL VEHICLE die Eigenschaften der Räder so zu gestalten, dass diese Radschwingungen nicht mehr angeregt werden. Dabei liegt das Interesse hauptsächlich in dem Frequenzbereich von 1,5 bis 3 kHz. Die durch den Rad-Schiene Kontakt entstandene Schwingungsenergie wird nicht nur an Rad, Fahrwerk und Wagenkasten sondern auch an die Schiene weitergeleitet. Die Schiene verhält sich trotz der Befestigung an den Schwellen sehr schwingungsaktiv. Durch die Anregung entstehen in der Schiene zwischen den Schwellen wellenförmige Schwingungsformen („pinned – pinned“) mit ca. 1 bis 2 kHz. Ziel ist also, diesen Schwingungen entgegenzuwirken und sie zu reduzieren. Möglichkeiten der Geräuschreduktion Aufgabe ist die Entwicklung neuartiger Rad- und Schienenabsorber mit verbesserter Wirksamkeit im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Varianten. Neben technischen und finanziellen Vorteilen ist die Beherrschung der Methode zur virtuellen Auslegung dieser Radabsorber (Abbildung 1 rechts) ebenso ein wichtiges Ziel.
Abbildung 2: Darstellung der berechneten modalen Dämpfungen der lokalen Moden (blau), der globalen Moden (braun) und der gemessenen modalen Dämpfungen der globalen Moden (magenta) eines Rades mit Absorber Quelle: VIRTUAL VEHICLE Neben der Optimierung der Radgeometrie können für die Geräuschreduktion im Rad sogenannte Radschallabsorber herangezogen werden. Ähnliche Absorber können auch bei der Schiene verwendet werden, wo sie im Bereich der höchsten Auslenkung der Schwingung eingesetzt werden, also typischerweise mittig im Schwellenfach. Zu diesem Zweck wurden in der Area NVH & Friction des VIRTUAL VEHICLE spezielle Methoden und Simulationsmodelle entwickelt, die sich zur Berechnung des Schwingungsverhaltens von Eisenbahnwagonrädern und Schienen inklusive Schallabsorber eignen. Simulation Die Aufgabe bestand darin, Simulationstechniken und Modelle zu entwickeln, welche die vibro-akustischen Eigenschaften des Rades als Gesamtsystem aber auch dessen Einzelkomponenten (Absorber, Rad) richtig abbilden. Dazu sind viele Materialparameter notwendig. Einige davon, wie E-Modul, Dichte, Poisson Zahl, stellen die Materialhersteller zur Verfügung, bei dem frequenzabhängigen Verlustfaktor (Dämpfung) gibt es jedoch derzeit keine zuverlässige Angaben. Zur Identifikation des Verlustfaktors für die Simulationsmodelle können aus diesem Grund experimentelle Methoden wie z.B. Zug-Druck Versuch, Modalanalyse, Oberst-Methode, herangezogen werden. Es wurden daher zahlreiche Versuche mit der von uns angepassten Oberst-Methode an Probekörpern aus viskoelastischen Materialien durchgeführt, um die Dämpfungseigenschaften von verschiedenen visko-elastischen Materialien, die in Rad- und Schienenschallabsorbern vorkommen, zu bestimmen. Basierend auf diesen Daten wurden die FE-Modelle von Rad und Schiene inkl. Absorber (Abbildung 1 rechts) aufgebaut und berechnet. Abbildung 2 zeigt eine Beispielberechnung für dieses Rad mit Absorber. Es ist ersichtlich, dass die berechneten modalen Dämpfungen der globalen Moden (braun) sich jenen aus der Messung (magenta) sehr gut annähern. Die modalen Dämpfungen mit den hohen Werten in Abbildung 2 stellen die Dämpfungen der lokalen Moden der Absorber dar. Für die Geräuschabstrahlung des Rades sind diese Moden nicht relevant und werden daher nicht berücksichtigt. Bei der Schiene werden auch ähnliche Berechnungen durchgeführt. Aber zusätzlich zur Berechnung der modalen Dämpfung an einem kurzen (2m) Schienenstück mit Absorber wird auch die „Track Decay Rate“ (TDR) an einem langen (12m) Schienenstück (inkl. Schiene, Klemmen, Schwellen, Schotter) berechnet. Die TDR dient in der Praxis zur Beurteilung des Dämpfungsverhaltens (letztendlich auch für die Geräuschabstrahlung) vom Gleis und zeigt dadurch auch die Wirkung von Schienenabsorbern. Ausgehend von diesen validierten Ausgangsmodellen wurde durch zahlreiche Berechnungsschritte eine optimale Ausführung des Rad- und Schienenabsorbers hinsichtlich Geometrie, visko-elastischem Material und Materialverteilung erstellt. Zusammenfassung Am VIRTUAL VEHICLE stehen eine Vielzahl relevanter, experimentell validierter Simulationsmethoden zur Verfügung, mit deren Hilfe das vibro-akustische Verhalten von Rad und Schiene beschrieben werden kann. Ferner ist es möglich, die Wirkung der verwendeten Schallabsorber hinsichtlich der Geräuschabstrahlung abzuschätzen und deren optimale Auslegung zu suchen. Ausgehend von im Forschungsprojekt aufgebauten Methoden und Simulationsmodellen sind Folgeaktivitäten bezüglich der Auslegung und der experimentellen Validierung (Vorbeifahrtgeräusch-Messung) eines Prototypenschalldämpfers im Zuge eines Projektes mit einem unserer Industriepartner geplant. Bei der Anwendung an den Rädern eines Zuges wird eine Reduktion des Vorbeifahrtgeräusches um bis zu 5 dB erwartet. Dies würde einerseits eine deutlich wahrnehmbare Geräuschreduktion für die betroffene Bevölkerung bedeuten, andererseits wird durch einen großflächigen Einsatz von Rad- bzw. Schienenabsorbern Lärm direkt an der Quelle reduziert. Dadurch kann teilweise auf die Errichtung von Lärmschutzwänden verzichtet und so maßgeblich die Wirtschaftlichkeit des Eisenbahnwesens gesteigert werden. ■ Zum Autor Dr. Karoly Jalics ist Leiter des Prüfstandszentrums im Bereich NVH & Friction am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II-2013 17
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