SB_21543BGLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verhalten der Haftreibungszahl
in
vorgespannten
Verbindungen bei
dynamischschlagartiger
Beanspruchung im
Schienenfahrzeugbau

Verhalten der Haftreibungszahl
in vorgespannten Verbindungen
bei dynamisch-schlagartiger
Beanspruchung im
Schienenfahrzeugbau
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.543 BG
DVS-Nr.: 09.3388
Technische Universität Clausthal
Institut für Schweißtechnik und Trennende
Fertigungsverfahren
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen
in der Produktionstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.543 BG / DVS-Nr.: 09.3388 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 582
Bestell-Nr.: 170692
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 08.12.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21543 BG
Thema
Verhalten der Haftreibungszahl in vorgespannten Verbindungen bei dynamisch-schlagartiger
Beanspruchung im Schienenfahrzeugbau
Berichtszeitraum
01.01.2021 - 31.08.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
1 TU Clausthal
Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren ISAF
2 Fraunhofer-Gesellschaft e. V.
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.543 B
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 3
Summary .................................................................................................................................... 3
Danksagung und Förderhinweis ................................................................................................. 4
Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................................... 5
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................ 7
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................... 8
Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis .............................................................................. 9
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ..................................... 11
2 Stand der Technik und Forschung .................................................................................... 13
2.1 Gleitkraftversuche ...................................................................................................... 13
2.2 Hochgeschwindigkeitszugversuche ........................................................................... 15
2.3 Gleitkraftversuche mit erhöhten Versuchsgeschwindigkeiten ..................................... 16
3 Experimentelle Untersuchungen ....................................................................................... 17
3.1 Versuchsvorbereitung ................................................................................................ 18
3.1.1 Herstellung und Kalibrierung der Messbolzen und Dehnmesshülsen ..................... 18
3.1.2 Mechanische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung der
Bauteilwerkstoffe .................................................................................................... 19
3.1.3 Oberflächenrauheit ................................................................................................. 21
3.1.4 Schichtdickenmessung ........................................................................................... 21
3.2 Untersuchung zur Übertragbarkeit der Ergebnisse der unterschiedlichen
Prüfkörper (Versuchskomplex 0) ................................................................................ 21
3.2.1 Untersuchungsgegenstand und Versuchsprogramm .............................................. 22
3.2.2 Versuchsaufbau und -durchführung ....................................................................... 23
3.2.3 Versuchsergebnisse und Auswertung .................................................................... 23
3.3 Untersuchung zur Geschwindigkeitsabhängigkeit des Haftreibungskoeffizienten
(Versuchskomplex I – V) ............................................................................................ 26
3.3.1 Untersuchungsgegenstand und Versuchsprogramm .............................................. 26
3.3.2 Versuchsaufbau und -durchführung ....................................................................... 28
3.3.3 Versuchsergebnisse und Auswertung .................................................................... 30
3.4 Untersuchung zur Geschwindigkeitsabhängigkeit des Haftreibungskoeffizienten
mit schwingender Vorbelastung (Versuchskomplex VI & VII) ..................................... 32
3.4.1 Untersuchungsgegenstand und Versuchsprogramm .............................................. 33
3.4.2 Versuchsaufbau und -durchführung ....................................................................... 33
3.4.3 Versuchsergebnisse und Auswertung .................................................................... 34
3.5 Vergleichsuntersuchung zum Haftreibungskoeffizienten ............................................ 36
4 Diskussion und Bewertung der Ergebnisse ....................................................................... 39

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.543 B
5 Berechnungsbeispiel ......................................................................................................... 41
6 Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................................... 44
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für KMU ............. 45
8 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 46
9 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................... 47
10 Transfer der Forschungsergebnisse .................................................................................. 48
11 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzeptes ................................................ 50
12 Quellenverzeichnis ............................................................................................................ 51
Anhang ..................................................................................................................................... 53

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.543 B
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung
In Deutschland betrug der gesamte jährliche Anteil an Treibhausgas-Emissionen des Schienenverkehrs
im Jahr 2016 weniger als 0,4 %. Im Vergleich dazu verursachte der Straßenverkehr in
diesem Zeitraum fast 17,0 % der Treibhausgase. Damit liefert der Schienenfahrzeugverkehr einen
entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz bei gleichzeitiger Gewährleistung der Mobilität [1,
2]. Aufgrund des verschärften internationalen Wettbewerbs sind Schienenfahrzeughersteller bestrebt,
technische Lösungen mit einem hohen Maß an Flexibilität in der Fahrzeugmontage und
Instandhaltung zu erreichen. Für eine Wartung sind hierfür auch der Austausch von Ausrüstungsund
Anbauteilen zwingend zu gewährleisten. Das Fügeverfahren der Wahl stellt hier das Schrauben
mit vorspannbaren Verbindungselementen dar, da dieses eine einfache und schnelle Montage
und Demontage jeglicher Bauteile und Baugruppen gewährleistet [2]. Die Wagenkonstruktion
sowie die an ihr befestigten Bauteile müssen grundsätzlich nach festgelegten Lastannahmen
dimensioniert und ausgelegt werden [3]. Die in der Berechnung zu berücksichtigenden Lasten
anhand auftretender Beschleunigungen sind u. a. durch die DIN EN 12663-1 [4] festgeschrieben.
Nach dieser Norm erfolgt die Einteilung der Schienenfahrzeuge in verschiedene Kategorien (Tabelle
2).
Tabelle 2: Beschleunigung in x-Richtung für Befestigung der Ausrüstungsgegenstände [4]
Schienenfahrzeug Lokomotive Personenfahrzeuge Güterwagen
Kategorie L P-I P-II P-III P-IV P-V F-I F-II
Beschleunigung in x 3 g 5 g 3 g 3 g 2 g 2 g 5 g
Für den Festigkeitsnachweis geschraubter Verbindungen zur Befestigung von Ausrüstungsgegenständen
sind die mit den Beschleunigungen verbundenen Lastfälle laut Tabelle 2 ausschlaggebend.
Im Betrieb, zum Beispiel beim Rangieren und Ankoppeln, aber auch beim Umsetzen,
treten stoßartige Belastungen auf. Diese können als transient bzw. schlagartig-dynamisch angenommen
werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im Schienenfahrzeugbau der überwiegende
Anteil an Verschraubungen (Risikoklasse H und M [5]) als reibschlüssig tragend ausgelegt wird.
Somit darf im Betrieb zu keinem Zeitpunkt eine Relativbewegung (Schlupfen, Gleiten) zwischen
den Schrauben und/oder den verspannten Teilen auftreten [6]. In Konsequenz bedeutet dies,
dass auch bei schlagartig-dynamischen Belastungen von bis zu 5 g (Tabelle 2) der Reibschluss
in der Scherfuge der geschraubten Verbindung zwingend aufrecht erhalten werden muss!
Ein Beispiel hierzu ist in Bild 1 ersichtlich. Für eine Fahrgast-Klimaanlage mit einem Eigengewicht
von m = 662 kg muss bei einem 3 g-Stoß nach Tabelle 2 demzufolge eine resultierende Querkraft
von F Q res = 19,5 kN reibschlüssig übertragen werden.

Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.543 B
Bild 1: Fahrgast-Klimaanlage als Anbauelement im Schienenfahrzeugbau
Der rechnerische Tragsicherheitsnachweis ist dann erfüllt, wenn nach Gleichung (1-1) die einwirkende
resultierende Querkraft F Q res stets kleiner als die Grenzgleitkraft F Q zul µ ist und somit
eine Relativbewegung in der Scherfuge ausbleibt [7]. Die Grenzgleitkraft ist dabei abhängig vom
minimalen Haftreibungskoeffizienten in der Trennfuge µ T min und der minimalen Restklemmkraft
F KR min.
F Q res ≤ F Q zul µ = µ T min ∙ F KR min /S G (1-1)
Da die Festigkeitsklassen oberhalb 10.9 im Schienenfahrzeugbau kaum Anwendung finden, lässt
sich die minimale Restklemmkraft F KR min nur durch Anhebung des Nenndurchmessers erhöhen.
Dies führt jedoch eine Reihe wirtschaftlicher und konstruktiver Nachteile mit sich. Zum einen sind
für größere Nenndurchmesser entsprechende Montagewerkzeuge und demzufolge vergrößerter
Bauraum und angepasste Zugänglichkeiten notwendig. Zum anderen nehmen mit steigendem
Nenndurchmesser die Loch- und Randabstände sowie die Klemmpaketdicken zur Einhaltung der
vorgeschriebenen Klemmlängen-Durchmesser-Verhältnisse (l k/d = 3 … 5 [6]) zu. Dies führt wiederum
zu zusätzlichen Exzentrizitäten und Biegebeanspruchungen der Anschlusskonstruktion
und natürlich ebenfalls zu zusätzlichen Materialkosten und einem Anstieg des Fahrzeuggesamtgewichts.
Aus diesem Grund wird ein möglichst hoher Haftreibungskoeffizient in der Scherfuge µ T min angestrebt.
Zum Tragsicherheitsnachweis wird dieser nach aktuellem Stand der Technik aus vorhandenen
Regelwerken [6, 7] entnommen oder experimentell ermittelt. Da im Schienenfahrzeugbau
im Allgemeinen grundierte Bauteile verschraubt werden, kann nur eine geringer Haftreibungskoeffizient
von µ ≤ 0,15 angesetzt werden. Dabei gilt der Haftreibungskoeffizient bisher als konstante
Größe, unabhängig von der Beanspruchungsgeschwindigkeit.
Im abgeschlossenen EU-Projekt SIROCO wurde jedoch entgegen der bisherigen Annahme eine
Geschwindigkeitsabhängigkeit des Haftreibungskoeffizienten beobachtet [8–10]. Je nach Beschichtung
zeigte sich mit zunehmender Prüfgeschwindigkeit eine Erhöhung bzw. eine Verringerung
des Haftreibungskoeffizienten. Da die in Tabelle 2 beschriebenen Lastfälle maßgebend für
die Dimensionierung sind, wird die Tragfähigkeit der Verbindung somit potenziell nicht ausgenutzt.
Vor diesem Hintergrund widmet sich dieses Vorhaben als wissenschaftlich-technische Problemstellung
der Abhängigkeit des Haftreibungskoeffizienten von der Beanspruchungsgeschwindigkeit.
Dabei werden sowohl quasi-statische als auch im Hochgeschwindigkeitszugversuch (HGZV)
experimentell ermittelte Haftreibungskoeffizienten miteinander verglichen, um somit einen Geschwindigkeitseinfluss
als µ T min = f(ẍ, ẋ) abzuleiten.

Kraft F [kN]
Verschiebung δ
Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.543 B
2 Stand der Technik und Forschung
In diesem Kapitel wird das grundsätzliche Vorgehen zur Bestimmung des Haftreibungskoeffizienten
µ nach DIN EN 1090-2 Anhang G [11] detailliert vorgestellt. Da die sogenannten Gleitkraftversuche
jedoch bisher nicht in Verbindung mit Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/s dokumentiert
sind, wird weiterhin auf die Besonderheiten von Hochgeschwindigkeitszugversuchen
eingegangen. Zusätzlich werden die vorliegenden Ergebnisse zum Geschwindigkeitseinfluss auf
den Haftreibungskoeffizienten zusammengefasst.
2.1 Gleitkraftversuche
Ein Verfahren zur Bestimmung von Haftreibungskoeffizienten ist Anhang G der DIN EN 1090-2
[11] geregelt. Diese Verfahrensprüfung besteht aus mehreren Versuchsreihen und wird an normativ
festgelegten Prüfkörpern durchgeführt (siehe Bild 2 - rechts). Dabei muss die Maschinenkraft,
die Verschiebung in den Gleitebenen zwischen den Bolzenachsen sowie die Vorspannkraft
gemessen werden.
Vor dem eigentlichen Vorspannen der Schrauben ist zu beachten, dass die Prüfkörper entgegen
der später eingeleiteten Scherzugkraft zusammengeschoben werden, um somit das maximale
Lochspiel zu nutzen. Anschließend werden die Schrauben vor dem Versuchsbeginn schrittweise
auf ± 5 % des Nennwerts der Vorspannkraft angezogen. Sollte die aktuelle Vorspannkraft vor
Versuchsbeginn unterhalb von 95 % des Nennwerts der nominellen Vorspannkraft infolge möglicher
Setz- und/oder Kriechverformungen fallen, ist ein erneutes Vorspannen der Schrauben erforderlich.
Dabei muss die Vorspannkraft direkt gemessen werden, mit einer Messmethodik, welche
eine Fehlergrenze von maximal ± 4 % aufweist.
3-stufiges Prüfverfahren
4 quasi-statische
Gleitkraftversuche (GK)
I
Bestimmung von F Si
und Bewertung EKP
1 Kriechprüfung (KP)
Bestanden:
δ ≤ 0,002 mm
in 3 h KP
II
III
F Si
Überschreiten von
δ = 0,002 mm
3 erweiterte
Kriechprüfungen (EKP)
0
δ = 0,3 mm
3
2
Log t 1
1
0,15
Verschiebung δ [mm]
Log t 2
Bewertung
der EKP
Lebensdauer
Bild 2: Überblick über das 3-stufige Prüfverfahren (links), Auswertung der Gleitkraftversuche und erweiterten
Kriechprüfungen (mittig), M16-Standardprüfkörper nach DIN EN 1090-2 Anhang G [11] (rechts)
Das Verfahren besteht aus zwei bis drei Versuchskomplexen, welche links in Bild 2 zusammengefasst
sind. Im ersten Teil werden quasi-statische Gleitkraftversuche durchgeführt. Im