technische Strategien zur geräuscharmen
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„Die quietschende Bahn“ –<br />
<strong>technische</strong> <strong>Strategien</strong> <strong>zur</strong> <strong>geräuscharmen</strong><br />
Kurvenfahrt<br />
Autoren:<br />
Andreas Brinkmann<br />
Thomas Gerlach<br />
Christian Kemp-Lettkamp<br />
Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH,<br />
Oberhausen<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Inhalt<br />
• Einleitung<br />
• Kurvenquietschen – Ursachen und Einflussfaktoren<br />
• <strong>Strategien</strong> <strong>zur</strong> <strong>geräuscharmen</strong> Kurvenfahrt<br />
• Fahrwerk: Radiale Einstellung von Radsätzen / -paaren<br />
• Rad-Schiene-Kontakt: Schmierung / Konditionierung<br />
• Gummigefederte Räder<br />
• Radschallabsorber<br />
• Zusammenfassung<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Einleitung<br />
• Anforderungen an den Schienenverkehr steigen in Bezug auf dessen<br />
Umweltverträglichkeit<br />
• Lärm ist ein wichtiger Teilaspekt der Umweltverträglichkeit<br />
• Grenzwerte durch neue Lärmschutzverordnungen werden immer strenger<br />
• Das Kurvenquietschen ist bei Straßen- und Stadtbahnen die Schallquelle, die<br />
am häufigsten zu Beschwerden führt<br />
• Kurvenquietschen ist ein „lokales“ Problem – darin liegt gleichermaßen dessen<br />
Brisanz, aber auch die Chance zu unterschiedlichen Lösungsstrategien<br />
• Vermeidung oder Reduzierung erfordert eine Betrachtung aller potentiellen<br />
Einflussgrössen:<br />
Trassierung – Fahrwerkskonzept – Rad/Schiene-Kontakt - Radausführung<br />
Die geräuscharme Kurvenfahrt sorgt für eine höhere<br />
Akzeptanz des Schienenverkehrs in Stadt und Region !<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Kurvenquietschen: Ursache und Wirkungsmechanismus<br />
Fahrtrichtung<br />
Querbewegung<br />
Rollrichtung<br />
Anti-radiale Stellung des Radsatzes<br />
/-paares im Gleisbogen<br />
Schlupf in Querrichtung<br />
(und Längsrichtung)<br />
„Stick-Slip Effekt“ tritt auf<br />
Anregung des Rades in seinen Eigenfrequenzen zu<br />
Axialschwingungen:<br />
Tonales Schallereignis (ein oder mehrere Reintöne)<br />
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den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Erkenntnisse aus Forschung und Praxis:<br />
Kurvenquietschen …….<br />
• … tritt in Gleisbögen mit Radien kleiner 200-300 m auf<br />
• … erregt Schwingungen des Rades im Bereich zwischen 500 Hz und 8 kHz<br />
• … übersteigt Rollgeräusch per Definition um mindestens 10 dB(A)<br />
• … wird durch das bogeninnere<br />
Rad des führenden Radsatzes verursacht<br />
(Laufflächenquietschen)<br />
• … unterscheidet sich vom Kurvenkreischen / Zischeln<br />
des bogenäußeren Rades bei Spurkranzanlauf<br />
• … ist ein witterungsabhängiges Phänomen:<br />
Nicht bei Nässe, fast immer nur bei trockener<br />
Schiene !<br />
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Welche Faktoren spielen beim Kurvenquietschen eine Rolle?<br />
Bogenradius<br />
Geschwindigkeit<br />
Anlaufwinkel<br />
(Fehlstellung des<br />
bogeninneren Rades)<br />
Reibungsverhältnisse<br />
im Rad/Schiene-Kontakt<br />
Axiales Schwingungsverhalten<br />
des Rades<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Wodurch kann das Kurvenquietschen beeinflusst werden?<br />
Bogenradius<br />
Geschwindigkeit<br />
Anlaufwinkel<br />
(Fehlstellung des<br />
bogeninneren Rades)<br />
Reibungsverhältnisse<br />
im Rad/Schiene-Kontakt<br />
Axiales Schwingungsverhalten<br />
des Rades<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Strategie Fahrwerk: Radiale Einstellung der „Radsätze“<br />
Ziel: Vermeidung oder Reduzierung des Anlaufwinkels<br />
(Optimum: Rollrichtung = Fahrtrichtung)<br />
Maßnahme Technische Lösung /<br />
Ausführungsbeispiel<br />
Radiale Einstellung der Radsätze eines<br />
Drehgestells durch Lenkung (Reibschluss und<br />
weiche Radsatzführung, Hydraulik oder aktive<br />
Systeme (Mechatronik))<br />
Radiale Einstellung eines Radsatzes oder<br />
Radpaares durch Gelenksteuerung (Knickwinkel<br />
zwischen den Wagenkästen)<br />
Radiale Einstellung von Einzelrädern durch<br />
Selbstlenkung (Rad um Hochachse schwenkbar)<br />
Radiale Einstellung von Einzelrädern durch<br />
Steuerung (Rad um Hochachse schwenkbar)<br />
„Scheffel-Bogie“<br />
Lärmarmes Drehgestell (DUEWAG 1985)<br />
Mechatronisches Fahrwerk (Bombardier Transportation)<br />
KERF S-Tog Kopenhagen oder<br />
Einzelachs-Fahrwerke mit Losradachsen,<br />
z.B. COBRA Zürich oder Niederflur-Mittelteile KTNF6<br />
Einzelrad-Einzelfahrwerke (EEF), System Prof.<br />
Frederich (DUEWAG / BSI)<br />
Schwenkbare Losradeinheiten<br />
Niederstflurwagen ULF Wien<br />
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Radiale Einstellung eines Radpaares durch<br />
Gelenksteuerung (Knickwinkel zwischen den Wagenkästen)<br />
Beispiel: COBRA Zürich<br />
Abbildung: Alstom Schienenfahrzeuge / CH<br />
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Radiale Einstellung von Losrädern durch Steuerung<br />
Beispiel: Schwenkbare Losradeinheiten Niederflurstwagen ULF Wien<br />
Bugportal<br />
Gelenkportal<br />
Heckportal<br />
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Radiale Einstellung von Losrädern durch Steuerung<br />
Beispiel: Schwenkbare Losradeinheiten Niederflurstwagen ULF Wien<br />
Oberes<br />
Schwenklager<br />
Radlagerung<br />
Innerer Radkasten<br />
Äußerer Radkasten<br />
Unteres<br />
Schwenklager<br />
Gummigefedertes<br />
SAB V60-Rad<br />
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Strategie Rad/Schiene-Kontakt: Schmierung und<br />
Konditionierung des Berührpunktes<br />
Ziel: Reibungsverhältnisse für Quergleiten günstig beeinflussen und dadurch<br />
Anregung durch Stick-Slip-Effekt vermeiden oder reduzieren<br />
Maßnahme fahrwegseitig Maßnahme fahrzeugseitig<br />
Bewässerung<br />
(Aufbringen von Wasserfilm)<br />
Spurkranzschmierung<br />
(ortsfest oder fahrzeugspezifisch)<br />
Laufflächenschmierung / -konditionierung<br />
(ortsfest oder fahrzeugspezifisch)<br />
Vergütungsschweißung<br />
(auf dem Schienenkopf)<br />
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Strategie Rad/Schiene-Kontakt: Laufflächenschmierung und<br />
Konditionierung des Berührpunktes<br />
Beispiel<br />
fahrwegseitige Maßnahme<br />
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Beispiel<br />
fahrzeugseitige Maßnahme<br />
Abbildung: Schreck-Mieves Abbildung: SUTEC GmbH
Strategie Rad: Einsatz gummigefederter Räder<br />
Ziel: Verstimmung der axialen Eigenfrequenzen des Rades, Abbau axialer<br />
Schwingungen durch Dämpfung mit Gummielementen<br />
SAB-Scheibenrad<br />
SAB V-Rad-Familie<br />
(V15-V30-V60)<br />
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Valdunes VUT-Rad
Gummigefederte Räder: Kombination mit Radschallabsorbern<br />
Heutige Strategie: Lastenheft<br />
Wegfall der Vorbereitung bei<br />
Ersatzradreifen<br />
Konstruktive Vorbereitung<br />
der Erstusrüstung auf Anbau<br />
Betriebseinsatz Fahrzeug<br />
nein Kurvenquietschen im<br />
Betrieb<br />
?<br />
ja<br />
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den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09<br />
Betriebsmessung und<br />
Abstimmung des Absorbers<br />
Ausrüstung der Fahrzeuge
Strategie: Einsatz von Radschallabsorbern<br />
Ziel: Angeregte Schwingungen des Rades durch zusätzliche Dämpfung wieder<br />
zum Abklingen bringen<br />
Historie<br />
1950<br />
1970<br />
ab 1990<br />
In Patenten sind die Wirkprinzipien heutiger Radschallabsorber beschrieben:<br />
Innere Reibung (Materialdämpfung) sowie trockene Reibung zwischen zwei<br />
Körpern entzieht dem System Schwingungsenergie<br />
Arbeiten der MBB (heute DASA) an Schwingungsabsorbern<br />
Entwicklung neuer Absorbervarianten vor dem Hintergrund<br />
steigender Anforderungen an die Lärmreduzierung<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Radschallabsorber<br />
Bauformen von hornförmigen Schwingungsabsorbern für Schienenfahrzeugräder<br />
1981, Deutschland<br />
Bauform GHH-DASA-Radschallabsorber:<br />
Zwei oder mehrere Platten werden geschlitzt,<br />
so dass hornförmige Zungen entstehen.<br />
Zwischen den beiden Platten wird eine dünne<br />
viskoelastische Schicht eingeklebt.<br />
Kraftschlüssig nahe am Radkranz am Rad<br />
montiert, Abdeckung der Radscheibe.<br />
Beim Einleiten der Schwingungen als<br />
Biegewellen in die Platten wird die<br />
Zwischenschicht auf Scherung beansprucht,<br />
und hat daher bei dünner Schichtdicke eine<br />
große Dämpfungswirkung.<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Radschallabsorber<br />
System GHH-DASA: Beispiel für Anbau an Radreifen gummigefederter Räder<br />
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den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Radschallabsorber<br />
Bauformen von hornförmigen Schwingungsabsorbern für Schienenfahrzeugräder<br />
1994, Deutschland<br />
Bauform Blockabsorber:<br />
Dämpfendes Material und Metallplatten werden<br />
abwechselnd geschichtet. Dabei nehmen die Massen der<br />
einzelnen Platten und die Federsteifigkeit der<br />
Zwischenlagen im gleichen Verhältnis ab. Es entsteht ein<br />
Wellenleiter, der bis in die dünnste Platte bedämpft wird.<br />
Die Platten können in zwei<br />
Richtungen schwingen, radial und<br />
axial. Somit wirkt der Dämpfer in<br />
zwei Richtungen.<br />
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Radschallabsorber<br />
System DAAVAC: Beispiel für Anbau an Radreifen gummigefederter Räder<br />
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Radschallabsorber<br />
Sekundäre Aspekte bei der Auswahl und Anordnung von Radschallabsorbern<br />
Schutz vor äußerer<br />
Beschädigung<br />
Kollisionsfreiheit<br />
(z.B. Radlenker)<br />
Einfluss auf<br />
Reprofilierung des<br />
Radreifens<br />
Radschallabsorber<br />
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Bauraumbedarf<br />
Einfache und<br />
sichere Befestigung<br />
(Nachrüstung ?)<br />
Einfluss auf<br />
Bauteilstruktur<br />
(FEM-Berechnung)
Radschallabsorber<br />
Beispiele für Anbausituationen an gummigefederten Rädern<br />
Radstirnseite Radstirnseite Radrückenseite<br />
GHH-DASA DAAVAC GHH-DASA<br />
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Erfolgskontrolle: Gummigefedertes Rad mit Radschallabsorber<br />
Beurteilung durch qualitative Bewertung der Quietschneigung<br />
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Niederflurwagen Bern Be 4/8
Erfolgskontrolle: Radschallabsorber<br />
Bewertung durch Messungen<br />
Maßnahme: Reduzierung des<br />
Kurvenquietschen durch Anbau<br />
eines DAAVAC-Absorber<br />
Verlustfaktor<br />
η<br />
Zum Vergleich : Stahl ~ 0,01%<br />
Gummigefedertes V60-Rad<br />
(Rheinbahn NF10)<br />
Gummigefedertes V60-Rad mit<br />
DAAVAC-Ringabsorber<br />
(Rheinbahn NF10)<br />
2,0%<br />
5,7%<br />
Stand - Messungen GHH, Februar 2006<br />
Quietschhäufigkeit<br />
in Wendeschleife<br />
R=25m,<br />
Frequenzbereich<br />
760<br />
– 810 Hz<br />
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Rheinbahn NF10<br />
Feld - Messungen Siemens TS, November 2006<br />
Erfolg: Reduktion des Kurvenquietschens im Bereich 760 - 810 Hz um 70% bis<br />
100%, im Bereich 1950 – 2050 Hz um 100%.
Zusammenfassung<br />
Minderung der Schallemission durch Kurvenquietschen<br />
Maßnahme Schallminderung<br />
Strategie: Rad/Schiene-Kontakt<br />
„Schmierung“ oder Konditionierung des<br />
Berührpunktes<br />
bis 25 dB(A)<br />
Strategie: Gummigefederte Räder ca. 10-15 dB(A)<br />
Strategie: Einsatz von Radschallabsorbern ca. 15-30 dB(A)<br />
Leise Bahnen in Stadt und Region - wie Innovationen<br />
den Schienenverkehr „beruhigen“, Berlin, 28.01.09
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !<br />
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