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Gesamtsystem Bahn Kompetenz für Fahrzeug und Schiene Mit umfassendem System-Know-how widmet sich die Gruppe Vehicle Dynamics – Rail Applications des VIRTUAL VEHICLE den Herausforderungen des Gesamtsystems Bahn. Die Bahn der Zukunft wird leiser, wirtschaftlicher und zuverlässiger sein. Für diese Herausforderungen ist man am VIRTUAL VEHICLE durch jahrelangen Kompetenzaufbau bestens gewappnet. Die gesamtheitliche Betrachtung des Systems Bahn steht im Zentrum der Rail- Aktivitäten am VIRTUAL VEHICLE. Das umfangreiche Wissen aus allen relevanten Fachdisziplinen stellt sicher, dass das Fahrzeug selbst, der Fahrweg und die Fahrzeug- Fahrweg Interaktion in den zahlreichen Forschungsaktivitäten berücksichtigt werden (siehe Abbildung 1). Denn die Herausforderungen im Rail-Bereich werden immer größer: Fahrzeuge müssen leichter, leiser und billiger werden. Ebenso soll die Sicherheit und Performance beibehalten werden. Wobei die wahren Innovationstreiber allerdings Energieeffizienz sowie Herstellungs- und Instandhaltungskosten sind. Die Rail-Experten am VIRTUAL VEHICLE reagieren gemeinsam mit ihren Partnern (Schienenfahrzeughersteller, Infrastrukturbetreiber, Zulieferer und Komponentenlieferanten, Forschungseinrichtungen) in zahlreichen Projekten auf diese Entwicklungen. Schnittpunkt Fahrzeug-Schiene Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt der Gruppe Vehicle Dynamics – Rail Applications am VIRTUAL VEHICLE liegt deshalb genau auf diesem Schnittpunkt zwischen Fahrzeug und Fahrweg. Es werden effiziente neue Methoden zur Bewertung des Zusammenspiels von Fahrzeug und Fahrweg bzw. Rad und Schiene entwickelt. Da klassische Modelle der Kontaktmechanik an ihre Grenzen stoßen, werden tribologische Effekte - hervorgerufen von z.B. Zwischenschichten, Temperatur oder Rauhigkeit - verstärkt berücksichtigt. Im Vordergrund steht dabei das durchgängige Verstehen der komplexen tribologischen Zusammenhänge im Rad-Schiene Kontakt und die Abbildung in Modellen. Schlussendlich ergibt sich daraus eine verbesserte Beschreibung der Reibverhältnisse für die Berechnung der Fahrzeugdynamik. Sicherer Schienenverkehr spart Kosten Zur Sicherung der Gleislagequalität werden am VIRTUAL VEHICLE neue Lösungen entwickelt, die die Interaktion des Fahrzeugs mit dem Fahrweg berücksichtigen (Abbildung 2). Verschiedene Fahrzeuge reagieren auf dieselbe vorhandene Schienengeometrie nämlich unterschiedlich. Um sicheren Verkehr gewährleisten zu können, muss die Fahrzeug-Fahrweg Interaktion methodisch bewertbar sein. Gleisstellen mit einer hohen Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Fahrwerk können so früh erkannt werden. Außerdem sorgen genaue Fahrwegprognosen für eine gezielte Instandhaltung und für einen effizienten Einsatz von Geldmitteln beim Tausch von Schienensträngen. Die Bewertung der Gleislage betrifft auch das Thema Fahrzeugzulassungen. In den diesbezüglichen Normen finden sich bisher rein geometrische Kenngrößen, die beschreiben, wie das Gleis aussehen muss. Vor allem im Hinblick auf internationale Zulassungen gilt es, die unterschiedlichen Gleislagen hinsichtlich Fahrzeug-Fahrwerk-Interaktion zu bewerten. Die am VIRTUAL VEHICLE in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern entwickelte Bewertungsmethode besitzt den entscheidenden Vorteil, dass das Verhalten des dynamischen Systems Fahrzeug-Fahrweg berücksichtigt wird. Fahrzeugzulassungen werden virtuell Abbildung 1: System Bahn - relevante Aspekte Wegen des Trends hin zu virtuellen Zulassungen mit Hilfe von Simulationen und weg von Messfahrten beschäftigt sich das VIRTUAL VEHICLE mit Kernfragen wie: Ist der Entwicklungsprozess sicher und haben die Tools die notwendige Qualität für die Zu- 32 magazine Nr. 15, III-2013
lassung? Dabei ist nicht nur wichtig, dass das Fahrzeug richtig modelliert ist, sondern auch, dass das Simulationsprogramm keine Fehler erzeugt. Komfortauslegung von Schienenfahrzeugen Diese Qualität spielt ohne Zweifel bei der Komfortauslegung eine wichtige Rolle, insbesondere wenn, wie im Fall von Schienenfahrzeugen, nahezu prototypenfrei entwickelt wird. Mit Hilfe der Mehrkörpersystem (MKS) Simulation wird das dynamische Fahrverhalten bestimmt und bezüglich Fahrkomfort bewertet. Um die benötigte MKS-Modellqualität bereitzustellen, wird dabei der Wagenkasten elastisch abgebildet und damit die strukturdynamischen Eigenschaften berücksichtigt. Dazu wird das komplexe Finite Elemente Modell des Wagenkastens „modalreduziert“ und in das MKS-Modell übertragen. Die Sicherstellung der MKS-Modellqualität erfolgt durch weiterentwickelte Validierungsmethoden, wie z.B. Komponenten- und Keilversuche, mit denen die Starrkörperschwingformen und Strukturschwingungen ermittelt werden. Die konsequente Validierung, Schwachstellenanalyse und Verbesserung der Modellierung führt zur Reduktion des Entwicklungsrisikos bei zukünftigen Projekten. Schädigungen besser verstehen Beim Thema Verschleiß und Schädigung von Rad und Schiene liegt das Hauptaugenmerk der Forschungsaktivitäten auf dem Verstehen der verantwortlichen Mechanismen und der relevanten Parameter sowie deren geeignete physikalische Abbildung. Die wesentlichen Treiber für Rissinitiierung und Risswachstum zu identifizieren steht im Mittelpunkt der Forschung. Aufgrund der komplexen Interaktion zwischen Fahrzeug und Fahrweg können die Phänomene und Ursachen für Verschleiß und Schädigung nur geklärt werden, indem die physikalischen Effekte ausreichend genau abgebildet werden. Dabei hat die Materialmodellierung eine entscheidende Bedeutung, denn die auftretende Hochverfomung der oberflächennahen Werkstoffzone hat einen enormen Einfluss auf die Schädigung (siehe Abbildung 3). Mit Hilfe der entstehenden Modelle kann den steigenden Kosten für die Instandhaltung mit einer verbesserten Prognose der Wirkung von Instandhaltungsmaßnahmen begegnet werden. Partner aus Wissenschaft und Industrie Partner wie Siemens, die Österreichische Bundesbahnen, die Schweizer Bundesbahnen, die Deutsche Bahn oder Schienenhersteller wie die voestalpine werden vom Rail-Bereich des VIRTUAL VEHICLE aktiv unterstützt. Abbildung 2: Entwicklung neuer Interaktions-Bewertungsmethoden unter Anwendung von MKS Simulationen Ein zentraler wissenschaftlicher Partner ist die TU Graz. Es gibt eine rege Zusammenarbeit in vielen Projekten, Dissertationen und Diplomarbeiten. Zukunftsaussichten Eine Herausforderung der kommenden Jahre ist u. a. die Schadensfrüherkennung mit der Prognose des Instandhaltungsbedarfs auf Fahrzeug- und Fahrwegseite. Die Gruppe Vehicle Dynamics – Rail Applications des VIRTUAL VEHICLE beschäftigt sich mit allen relevanten Teilbereichen des Systems Bahn wie z.B. Fahrzeugdynamik mit Modellierung und Validierung, Fahrzeug-Fahrweg Interaktion mit ihrer Auswirkung auf Gleislage, Rad/Schiene-Schäden und dem Einfluss tribologischer Effekte auf die Kontaktmechanik. Die Bündelung all dieser Teilbereiche am VIR- TUAL VEHICLE bietet die Chance, die zukünftigen Herausforderungen zu meistern. ■ DIE AUTOREN cristof marte ist Gruppenleiter Rail- Applications am VIRTUAL VEHICLE. Abbildung 3: Metallographische Untersuchungen an einem Schienenquerschnitt dr. martin rosenberger ist stellvertretender Bereichsleiter des Bereiches „Mechanics & Materials“ am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 15, III-2013 33
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Seite 13 und 14: Abbildung 3: Versuchsfahrzeug für
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Seite 23 und 24: Abbildung 2: Experimentelle Versuch
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Seite 29 und 30: Abbildung 2: Schematische Darstellu
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