Kurvenkreischen von Straßenbahnen

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Emil Ziegler
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1 Kurvenkreischen von Straßenbahnen Ursachen und Gegenmaßnahmen IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr Dr.-Ing. Yacin Ben Othman

2 Vorwort Einordnung des Projektes Kurvengeräusche bei Bahnen des ÖPNV Auf Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde im Jahre 1999 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Forschungsnetzwerk Leiser Verkehr ins Leben gerufen. In diesem umfangreichen Netzwerk bzw. Forschungsverbund wurden zunächst mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), seit 2006 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Forschungsprojekte in den Bereichen Verkehrslärm allgemein, Wirkungen von Lärm auf den Menschen, Lärmminderung im Straßenverkehr und Lärmminderung im Schienenverkehr gefördert. Diese Präsentation zeigt Ergebnisse des Forschungsprojekts Kurvengeräusche bei Bahnen des ÖPNV. 2

3 Einleitung Das Phänomen Kurvenquietschen Merkmale des Kurvenquietschens: Hochfrequent Tonal Laut Stark störend Quelle: 3

4 Einleitung Relevanz des Themas Aggregatgeräusche Rollgeräusche Kurvengeräusche Traktionsgeräusche Rumpelgeräusche Zwangsgeräusche Quietschen/Kreischen Zischelgeräusche CO 2 Emission Energierückspeisung Energieeffizienz Rollwiderstand Erneuerbare Energiequellen Gewicht Umweltverträglichkeit Nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit Hochfrequent Tonal Laut Stark störend 4

5 Forschungsprojekt Kurvengeräusche bei Bahnen des ÖPNV Projektaufbau und -übersicht Kurvengeräusche Herangehensweise in drei Projektschwerpunkten: Phänomenologische Parameteranalyse Rechnergestützte Verfahren Maßnahmen an Rad und Schiene 5

6 Forschungsprojekt Kurvengeräusche bei Bahnen des ÖPNV Rechnergestützte Verfahren 1/3 octave roughness level, db re 1µm ,2000 0,1600 0,1250 0,1000 0,0800 0,0630 0,0500 0,0400 0,0315 0,0250 0,0200 0,0160 0,0125 Wavelenght, m 0,0100 0,0080 0,0063 0,0050 0,0040 0,0032 Bogen links Bogen rechts Bogen gesamt TSI Gerade links Gerade rechts Modellanalyse, Modell- und Programmerweiterungen AP 110 Rechnerische Analyse bestehender Maßnahmen AP 120 Modellanalyse, Parameteridentifikation AP 130 Modellierung des Anregungsmechanismen AP 140 Modell- und Programmentwicklung Versuchsdurchführung und Messauswertung AP 210 Messprogrammerstellung AP 220 Bereitstellung Fahrzeug und Fahrweg AP 230 fahrzeugfeste Messungen AP 240 ortsfeste Messungen AP 250 Auswertung der fahrzeugfesten Messungen AP 260 Auswertung der ortfesten Messungen Vergleich Rechnung Messung, Anwendung, Dokumentation AP 310 Simulation der Laufdynamik AP 320 Vergleich Rechnung Messung AP 330 Anwendung des Prognoseverfahrens AP 340 Ergebnisaufbereitung und Empfehlungen für das Handbuch 6

7 Kurvenquietschen schienengebundener Fahrzeuge Ursache und Entstehung des Kurvenquietschens In engen Bögen: stets Anlauf des vorderen äußeren Rades Anlauf des hinteren inneren Rades: Spießgang Kein Anlauf des hinteren inneren Rades: Freilauf Kurvenquietschen tritt nur in engen Bögen auf Eingeprägte Führungskraft in Querrichtung durch Anlauf des äußeren Rades Über die starre Achse wird das innere Rad zu einer reibbehafteten Querbewegung gezwungen Die Querbewegung dient als Energiequelle für selbsterregte Reibschwingungen 7

8 Kurvenquietschen schienengebundener Fahrzeuge Körperschallmessung während der Fahrt Radkranz Radscheibe 8

9 Kurvenquietschen schienengebundener Fahrzeuge Auszug aus den Messergebnissen Quietschquelle kurveninneres Rad ca. 85 db Farbkarte der Schwingschnelle L v re m/s am bogenäußeren Radkranz in axialer Richtung Fahrt bei 20 km/h bei Quietschen ca. 130 db Farbkarte der Schwingschnelle L v re m/s am bogeninneren Radkranz in axialer Richtung Fahrt bei 20 km/h bei Quietschen 9

10 Kurvenquietschen schienengebundener Fahrzeuge Auszug aus den Messergebnissen Rotierend Radmode Mitgeführte Luftschallmessung einer beschleunigten Fahrt mit Quietschen Quietschende bei 28 km/h ca Hz Quietschbeginn bei 14 km/h ca Hz Die Messergebnisse der Beschleunigungsaufnehmer auf den Rädern zeigen geschwindigkeitsunabhängige Quietschfrequenz. Beschleunigungsaufnehmer auf den Schienen zeigen geschwindigkeitsabhängige Quietschfrequenz. mitgeführten Luftschallmessungen zeigen geschwindigkeitsabhängige Quietschfrequenz. ortsfesten Luftschallmessungen deuten auf geschwindigkeitsabhängige Quietschfrequenz hin. 10

11 Simulation von Kurvenquietschen Notwendige Parameter Simulationswerkzeug: SFE AkusRail mit Kurvenquietscherweiterung Eingabeparameter: Fahrzeugdynamik (FE Modell validiert durch Messergebnisse der Modalanalyse) Fahrwegdynamik (FE Modell validiert durch Messergebnisse der Modalanalyse) Rad/Schiene Kontakt (Ergebnisse aus einer Laufdynamiksimulation mit Ergebnissen für Kontaktpunktlage, Schlüpfe, Kontaktkräfte, Reibwert usw.) Schallabstrahlung 11

12 Simulation von Kurvenquietschen Ergebnisse der durchgeführten Variationsrechnungen Deutliche Vorteile von erhöht gedämpften Radstrukturen gegenüber weniger gedämpften. Ein einteiliges Rad neigt eher zum Quietschen als ein zweiteiliges Rad mit Gummischicht. Besonders die Dämpfung des Radkranzes birgt ein hohes Quietschvermeidungspotenzial. Die Oberbauvarianten zeigen geringe Unterschiede in der Geräuschabstrahlung und nehmen Einfluss auf die Entstehung von Kurvenquietschen. Dennoch kann keine Oberbauvariante das Quietschen vermeiden. Welche Oberbauvariante von Vorteil ist, ist vom jeweiligen Fahrzeug abhängig. Eine pauschale Empfehlung ist nicht möglich. 12

13 Projektergebnisse - Minderungsmaßnahmen Minderungsmaßnahmen am Fahrzeug Maßnahmenbereich Fahrzeugkonstruktion Radschallabsorber Radbedämpfungen Gummigefederte Räder Maßnahme Fahrwerkswahl (einachsig, zweiachsig, radial einstellbar, angetriebe Losräder usw.) Resonanzzungenabsorber Sichelabsorber Reibringe usw. Entdröhnung Sandwichabsorber usw. Radkranz durch Gummischich von Radscheibe getrennt Werkstoffwahl der Räder Werkstoffwahl Radgeometrie Radgeometrie Mögliche Minderungsmaßnahmen: Primäre Maßnahmen Sekundäre Maßnahmen Maßnahmen mit höchstem Vermeidungspotenzial: Radschallabsorber (Dämpfungseinbringung und Tilgung, Anhebung des Verlustfaktors um den Faktor 50 möglich, richtige Dimensionierung wichtig) sich radial einstellende Fahrwerke (aktiv, passiv, wichtig: geeignete Rad/Schiene Profilpaarung, die eine schnelle radiale Einstellung des Fahrwerks ermöglicht) Oberflächenbehandlung der Radfahrflächen Sekundäre Maßnahmen Oberflächenbehandlung z.b. Radscheibenblenden, Schürzen 13

14 Projektergebnisse - Minderungsmaßnahmen Minderungsmaßnahmen im Kontaktpunkt und am Fahrweg Maßnahmenbereich Schmierstoffe und Flüssigkeiten Reibwert Modifizierer Maßnahmenbereich Oberbauformen, Trassierung und Gleisgeometrie Schienenrauheit, profil und beschichtung Schienenwerkstoff Schienenstegbedämpfung Schienenabsorber Auftragsschweißungen Maßnahme Benetzen der Kontaktflä Benetzen der Kontaktflä Maßnahme Wählen einer geeignete Kombination abgestimm das Fahrzeug Schienenprofiländerung Werkstoffwahl Bedämpfung Absorberapplikation Aufbringung von Schweißraupen auf die Schienenfahrfläche Maßnahmen im Kontaktpunkt von Rad und Schiene: Schmierstoffe, Flüssigkeiten und Reibwert Modifizierer Variationsparameter ist die applizierte Menge Beachtung von Bremswegverlängerungen und Traktionsfähigkeit Wasser als umweltfreundliches Mittel gut geeignet Maßnahmen am Fahrweg: Einflussnahme auf laufdynamische Parameter, den Reibwert und die Eigenfrequenzen möglich Keine pauschalen Beurteilungen möglich Im Vergleich zu anderen Maßnahmen aufwendig 14

15 Zusammenfassung Drei Parameter sind für das Auftreten von Kurvenquietschen notwendig: ein hoher Reibwert, eine gering gedämpfte Schwingform und ein hoher Anfahrwinkel. Es ist keine abfallende Kraftschluss/Schlupf Funktion notwendig, um eine pulsierende Normalkraft des Rades hervorzurufen. Die Schwingungsform des Rades rotiert mit dem Rad Radschallabsorber, Schmiermittel und Reibwert Modifizierer sind wirkungsvolle Maßnahmen gegen das Quietschen. Generell wird die Verwendung von sich radial einstellenden Fahrwerken in Kombination mit einem passenden Rad/Schiene Kontakt empfohlen. Eine Kombination von verschiedenen Minderungsmaßnahmen verspricht ein höheres Vermeidungspotenzial. 15

16 Kontakt: Dr.-Ing. Yacin Ben Othman IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr Adresse: Nordhoffstraße GIFHORN Telefon: yacin.ben.othman@iav.de

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