Drehgestell- und Radsatzentwicklung in den letzten 20 Jahren

Gepostet: 24. Mai 2023 | Kurt Strommer, Martin Rosenberger, Thomas Moshammer | Noch keine Kommentare

Die Kollegen von Siemens Mobility Austria, Kurt Strommer, Thomas Moshammer und Martin Rosenberger, erläutern, wie sich das Drehgestell- und Radsatzdesign in den letzten 20 Jahren verändert hat, konzentrieren sich auf einige der wichtigsten Themen wie Sicherheit, Lärm, Verschleiß und Gewichtsreduzierung und geben einen Ausblick welche Herausforderungen und Möglichkeiten für eine weitere Verbesserung dieser Komponenten in den kommenden Jahren bestehen.

Bildnachweis: Siemens Mobility

Die Siemens Mobility Rolling Stock Bogie Unit in Graz, Österreich, ist Teil von MoComp – der Familie von Schienenkomponenten und dem weltweiten Kompetenzzentrum für Drehgestelle innerhalb von Siemens Mobility, was bedeutet, dass alle Drehgestellentwicklungen (für europäische und internationale Projekte) in Graz abgeschlossen werden und alle Drehgestellaktivitäten in den Satellitenproduktionseinheiten werden von Graz verwaltet.

Obwohl das Produktdesign natürlich immer noch hauptsächlich von den Kundenanforderungen an Schlüsselparameter bestimmt wird, gibt es mehrere Änderungen und Entwicklungen, die einen großen Einfluss auf das Design moderner Drehgestelle und Radsätze hatten.

Neben den steigenden Anforderungen an die Genauigkeit der Festigkeitsauslegung sind in den letzten Jahren auch die Herausforderungen hinsichtlich des Automatisierungsgrades in der Produktion gestiegen. Bereits in der frühen Entwicklungsphase wird analysiert, ob die Rahmen auf hochautomatisierten Roboterlinien geschweißt werden können. Hierzu müssen bereits in einer frühen Entwicklungsphase Untersuchungen zur Zugänglichkeit der Schweißnähte durchgeführt werden. Dies ist die Grundlage für eine effiziente Fertigung der Drehgestellrahmen in höchster Qualität.

Da Gewichtsreduzierung eine der wichtigsten Anforderungen an ein modernes Drehgestell ist, wurden in den letzten Jahren neue Materialien für Drehgestellrahmen untersucht. Einige unserer Wettbewerber präsentierten mehrere Konstruktionen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) für unterschiedliche Anwendungen. Bei Siemens Mobility Graz besteht die Strategie darin, leichte Drehgestellrahmen aus hochfestem Stahl zu bauen (siehe Abbildung 1). Die kommunizierte Gewichtseinsparung liegt sowohl für CFK als auch für hochfesten Stahl im Bereich von 40-50 %.

Der Prozess zur Berechnung der Ermüdungsfestigkeit ist in Abbildung 2 dargestellt.

Leichtbaukonstruktionen, die durch neue Methoden zur Ermüdungsbewertung unterstützt werden – fortschrittliche Lastannahmemethoden, detailliertere FEA-Modelle und fortschrittliche Methoden zur Ermüdungsbewertung (z. B. Kerbspannung) – ermöglichen Leichtbaustrukturen und ermöglichen gleichzeitig, dass die Robustheit weiterhin oberste Priorität behält.

Die Genauigkeit der FEA-Modellierung hat hier im Laufe der Jahre zugenommen. Ein Finite-Elemente-Modell besteht heute aus etwa 700.000 bis 1.400.000 Elementen. Bei der Simulation des Mehrkörpersystems ist es notwendig, elastische Körper aus Strukturbauteilen zu berücksichtigen, um das korrekte Verhalten des Betriebs abbilden zu können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass strategisches Leichtbaudesign unter verschiedenen Aspekten wie Energieeffizienz, effizienter Ressourcennutzung und reduzierten Gleiszugangsgebühren sehr wichtig geworden ist.

Bei der Entwicklung von Eisenbahndrehgestellen wird seit mehr als 30 Jahren die Methodik der Mehrkörpersystemsimulation (MBS-Simulation) für Fahrdynamiksimulationen eingesetzt, um die Anforderungen hinsichtlich Entgleisungssicherheit und Fahrverhalten zu ermitteln und zu erfüllen. Durch die Entwicklung detaillierterer Untermodelle und Module für verschiedene Komponenten wie Gummi-Metallteile oder fortschrittlicher Prozesse zur Einbeziehung elastischer Strukturen in die MBS-Simulationen hat sich jedoch nicht nur die Prognosequalität verbessert, sondern auch der Anwendungsbereich auf Lasten erweitert Annahmen sowie Fahrkomfort und Akustik. Dies war möglich, weil in den letzten 20 Jahren enorme Anstrengungen unternommen wurden, Simulation und Test von Komponenten, Subsystemen und Fahrzeugen näher zusammenzubringen.

Die Simulationsmodelle erfüllen bereits heute höchste Anforderungen an die Validierung, so dass sie bereits zur virtuellen Homologation sicherheitskritischer Parameter wie Entgleisungssicherheit und Fahrverhalten eingesetzt werden.

Seit Beginn des Schienenverkehrs ist der Verschleiß von Rad und Schiene ein enormer Kostenfaktor im Schienensystem. Die hochpräzisen MBS-Simulationsmodelle führten zusammen mit Feldbetriebsdaten zu Verschleißphänomenen zur Entwicklung genauerer Verschleiß- und Verschlechterungsmodelle von Rad und Schiene. Diese Ansätze werden mittlerweile bereits zur Optimierung von Radprofilen und der Rad-Schiene-Schnittstelle im Allgemeinen eingesetzt, beispielsweise durch den Einsatz intelligenter Reibungsmanagementsysteme. Dadurch können Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit mit geringeren Lebenszykluskosten des Bahnsystems einhergehen.

Radsätze

Bei der Entwicklung von Rädern, Achsen und Lagern hat die Standardisierung großen Einfluss auf das Produktdesign, da diese Komponenten den größten Einfluss sowohl auf die Sicherheit als auch auf die Lebenszykluskosten in Rad-Schiene-Systemen haben. Das Sicherheitsdreieck mit Design, Fertigung und Wartung ist streng geregelt. Im Folgenden werden einige Beispiele für die Änderungen von Normen und Verfahren und deren Auswirkungen auf die Radsatzkonstruktion erläutert.

Bei der Entwicklung von Rädern, Achsen und Lagern hat die Standardisierung großen Einfluss auf das Produktdesign, da diese Komponenten den größten Einfluss sowohl auf die Sicherheit als auch auf die Lebenszykluskosten in Rad-Schiene-Systemen haben.

Die Normen für Achsen wurden durch ein neues Verfahren für den Einsatz neuer Achsmaterialien wie hochfester Stahl 34CrNoMo6 unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Reibverschleiß weiter genehmigt. Die zusätzlichen Definitionen wurden durch Probleme im Service motiviert und basierten auf den Ergebnissen europäischer Forschungsprojekte wie ModBogie, Euraxles und Widem. Da Erfahrungen aus dem Service eine große Rolle bei der Validierung der vorhandenen Komponenten spielen, verbesserte die Veröffentlichung von Vorfalluntersuchungen die Möglichkeit der Know-how-Transfer vom Feld in neue Designs in den letzten 20 Jahren.

Die Raddesignnorm in Berechnungsverfahren zur Festigkeitsauslegung und zur Schallemission bietet nun die Möglichkeit, das Rad hinsichtlich widersprüchlicher Anforderungen an Gewichtsreduzierung und Geräuschreduzierung zu optimieren. Wenn das Design nicht für die Simulation geeignet ist, bietet die Norm eine zweite Stufe an, die auf experimentellen Festigkeitstestergebnissen und Geräuschmessungen basiert.

Derzeit ist das thermomechanische Abnahmeverfahren für laufflächengebremste Räder auf Tests auf Rollenprüfständen beschränkt. In naher Zukunft wird jedoch die Möglichkeit einer Simulation zur mehrachsigen Festigkeit und zur Beurteilung der Kurzzeitermüdung sowie zur Wärmeübertragungsberechnung hinzugefügt. Dies ist sehr wichtig, da Profilbremsen in den letzten Jahren ein Revival erlebten.

Laufverhalten

Im Bereich des Laufverhaltens wurden Standards wie die EN14363 deutlich erweitert. Basierend auf branchenweiten, von der Europäischen Union finanzierten Bemühungen wurden Methoden und Prozesse sowie Bewertungsmetriken etabliert, die die Bewertung der Modellvalidität für verschiedene Anwendungsbereiche der Laufverhaltensbewertung ermöglichen. Zusammen mit der Weiterentwicklung der Prognosequalität von MBS-Simulationsmodellen nimmt der Einsatz virtueller Homologationsmöglichkeiten zu. Es wurden Metriken entwickelt, die die Bewertung der Modellvalidität für verschiedene Anwendungsbereiche ermöglichen.

Neben Verbesserungen auf Basis neuer Normen, Methoden und Prozesse wurde das mechanische System Drehgestell durch die Entwicklung neuer elektronischer Diagnose- und Überwachungslösungen grundlegend erweitert, die bereits in mehreren Schienenfahrzeugflotten zur Optimierung der Wartung von Drehgestellen und Schienenfahrzeugen im Einsatz sind. Basierend auf Sensoren am Drehgestell und Wagenkasten der Eisenbahn werden zusammen mit Edge-Computing-Geräten und intelligenten Algorithmen von einfachen Signalverarbeitungsansätzen bis hin zu maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz die Gesundheitszustände und die verbleibende nützliche Lebensdauerinformationen von Drehgestellkomponenten und dem Drehgestell-Subsystem bereitgestellt. Diese Informationen werden dann im Wartungsdepot genutzt, um zustandsbasierte Wartungsprozesse zu etablieren, sodass Lebenszykluskosten gesenkt und die Verfügbarkeit erhöht werden können.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die zu weiteren Verbesserungen in der Zukunft beitragen werden, darunter:

Das Design und die Leistung von Drehgestellen haben sich in den letzten 20 Jahren aufgrund mehrerer Probleme dramatisch verändert. Dennoch wird insbesondere der verstärkte Einsatz digitaler Methoden in den nächsten 20 Jahren weitere Verbesserungen ermöglichen.

Dipl.-Ing. Kurt Strommer ist seit 2009 Leiter Produktportfoliomanagement und Vorentwicklung Drehgestelle bei der Siemens Mobility Austria GmbH in Graz. Er studierte Maschinenbau an der Montanuniversität Leoben. Er arbeitet seit 26 Jahren für Siemens Mobility. Kurt begann als Projektmanager für Drehgestelle von Stadtbahn- und U-Bahn-Fahrzeugen und ist seit 2009 in seiner jetzigen Position tätig.

DR. Thomas Moshammer ist seit 2016 Leiter der Struktur-Simulations-Validierung für Drehgestelle bei Siemens Mobility Austria GmbH in Graz. Er studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Wien und Doktorarbeit an der Technischen Universität Graz. Er arbeitet seit sechs Jahren für AVL, seit acht Jahren für MAGNA STEYR und seit 16 Jahren für Siemens Mobility. Er begann bei Siemens Mobility als Leiter der Abteilung Simulation und Test. Darüber hinaus ist Thomas Leiter des Innovationsbereichs für Advanced Methods, Digital Twins und EN-Data Analytics, Lean Development.

AT Dr. techn. Martin Rosenberger studierte Mechatronik im Maschinenbau an der TU Graz und promovierte anschließend über Fahrzeugdynamik, Rad-Schiene-Verschleiß und aktive Rad-Schiene-Führung. Er war 13 Jahre lang in der Forschung und Entwicklung tätig und kam 2016 zu Siemens Mobility. Derzeit ist er Leiter der Abteilung Fahrzeugdynamik, Akustik und Analytik im Segment Drehgestelltechnik der Siemens Mobility Austria GmbH in Graz.

Ausgabe 1 2023

Drehgestelle und Radsätze

Siemens Mobility

Kurt Strommer, Martin Rosenberger, Thomas Moshammer