Radsatzwellenprüfstandskonzepte

Radsatzwellen haben eine angestrebte Nutzungsdauer von mehr als 30 Jahren. Mit einer Jahresfahrleistung von bis zu 480 000 km absolviert ein ICE Zug in dieser Zeit fast 15 Millionen Kilometer. Die Radsatzwelle wird dabei einer Umlaufbiegebeanspruchung von mehr als 109 Lastwechseln ausgesetzt. Ermöglicht werden so lange Betriebszeiten durch eine solide Auslegung und Konstruktion, die immer wieder dem aktuellen Stand der Technik angepasst werden müssen. Wichtig dabei ist die genaue Kenntnis der eingehenden Belastungen durch den Fahrbetrieb. Querkräfte durch Bogenfahrten, Torsionsmomente durch Bremsung und Antrieb, Schwingungen und Stöße müssen möglichst realitätsnah in die Berechnung einfließen.
Der erste Teil dieser Bachelorarbeit befasst sich mit der Auslegung von Radsatzwellen nach der aktuellen Norm. Zusätzlich zur statischen Belastung durch das Gewicht des Aufbaus kommt es zu dynamischen Beanspruchungen, die in der Berechnung durch Faktoren berücksichtigt werden müssen. Diese Faktoren wurden im Laufe der Geschichte durch umfangreiche Versuche und durch die Sammlung positiver und negativer Betriebserfahrungen ermittelt und stetig verbessert. Im Anschluss an die Berechnung nach DIN 13103 (Laufradsätze) und DIN 13104 (Triebradsätze) wird das Ergebnis mit realen Messfahrten verglichen. Dabei wird das gemessene Kollektiv auf eine skalare Beanspruchung, der schädigungsäquivalenten- einstufigen Amplitude, umgerechnet. Der Vergleich zeigt für den angegebenen Fall eine sehr konservative Auslegung durch die DIN Norm.
Die in der Norm enthaltenen zulässigen Spannungen wurden an Radsatzwellen in Originalgröße auf Schwingprüfständen ermittelt.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit diesen Prüfständen, mit denen die realen Belastungen auf die Welle nachgestellt werden sollen. Dabei werden einerseits Schwingfestigkeiten bestimmt, andererseits aber auch das Risswachstum bei einer künstlich eingebrachten Kerbe analysiert. Dadurch erhofft man sich den vorgeschriebenen Prüfzyklus, der nach einem Zugunglück stark verkürzt wurde, wieder verlängern zu können.
Am Prüfstand rotiert die Welle mit einer höheren Drehzahl als im realen Fahrbetrieb um in kürzerer Zeit dieselbe Beanspruchung zu erzielen. Demnach spielt die größtmögliche Prüffrequenz eine entscheidende Rolle bei dem Vergleich der Prüfstandskonzepte.
Dabei stellt sich an einem klassischen 4-Punkt-Umlaufbiegeprüfstand die maximale Wälzlagerdrehzahl als limitierender Faktor dar. Bei hoher Belastung erreichen diese bereits lange vor der Welle ihre maximale Lebensdauer und müssten während des Versuchs mehrmals gewechselt werden. Als Nachteil beim 3-Punkt-Umlaufbiegeprüfstand stellt sich heraus, dass dieser im Vergleich kein konstantes Biegemoment zwischen den Rädern aufbringt und somit eine definierte Belastung an der gewünschten Stelle erschwert wird.
Der vertikale Umlaufbiegeresonanzprüfstand ist bei der Radsatzwellenprüfung aktuell die meist verwendete Prüfstandsart. Er ist konstruktiv einfach, benötigt aber ein massives Fundament zur Schwingungsisolierung. Seine Prüffrequenz ist durch seine niedrige Eigenfrequenz bei max. 35 Hz begrenzt.
Der horizontale Umlaufbiegeresonanzprüfstand wird in seiner Eigenfrequenz angeregt und in seinen Knotenpunkten gelagert. Dadurch treten nahezu keine Auflagerkräfte auf und es ist im Gegensatz zur vertikalen Variante kein massives Fundament nötig um die Schwingungen abzufangen. Seine Resonanzfrequenz liegt höher und somit können höhere Prüffrequenzen gefahren werden. Dies bietet die Möglichkeit Versuche in kürzester Zeit zu absolvieren. Ein weiterer Vorteil der Resonanzprüfstände ist der vergleichsweise leise Betrieb, da die Wälzlager als Schallquelle wegfallen.