Die Kontaktmechanik ist ein Teilgebiet der Mechanik und beschreibt das mechanische Verhalten von elastischen Körpern unter Einwirkung von Kräften und

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1 Die Kontaktmechanik it ein Teilgebiet der Mechanik und bechreibt da mechaniche Verhalten von elatichen Körpern unter Einwirkung von Kräften und Drehmomenten in der Kontaktzone zwichen zwei Körpern.

2 Die Ermittlung der Normalkontaktpannungen. Die Ermittlung der darau und au dem rollenden Kontakt ich eintellenden komplexen Spannungverteilungen in den Kontaktbereichen von Rädern und Schienen und die darau reultierenden Beanpruchungen und Schädigungen. Die Entwicklung von Modellvortellungen zum Veragen der Materialien von Rad und Schiene durch Schlupfkräfte und erhöhte Temperaturen im Kontakt Rad/Schiene. Die Entwicklung von Modellvortellungen zum Verchleißabtrag an Rad und Schiene. Die Ermittlung der Kraftchlukräfte, welche auf einen konventionellen Radatz einwirken.

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4 Beanpruchung von Schienen, Rädern. Radatzwellen, uw. Kräfte Verchiebung Gleirot Radlataugleich Ladeverchiebungen Entgleiungicherheit Verchleiß an Rad und Schiene

5 Bechleunigungen Fahrkomfort bei Fahrzeugen de Reieverkehr z"* Fahrverhalten Fahricherheit Fahrzeugtabilität y"+ y"* y"

6 Heinrich Hertz P 0 Rollradiu de Rade Kleine Halbache Groe Halbache Queranicht Radiu Rad Queranicht Radiu Schiene

7 Unendlicher Halbraum Kontaktflächen ind klein im Vergleich zu den Abmeungen der Körper und den Krümmungradien Oberflächen ind kontinuierlich und Kontaktverhältnie nicht konform Ohne Reibung R 1 R R 1 R 1 R R 1 > 0 R = 1 / R = 0 R 1 > 0 ; R < 0 R R1 > 0 ; R > 0

8 P 0 it die maximale Spannung im Sytem: Normal zur Kontaktfläche P o = P' E R * P =P/t = Lat pro Längeneinheit R = (1/R 1 +1/R ) -1 = effektiver Radiu E*= kombinierter E-Modul

9 Zum Beipiel: Kugel auf Fläche Fläche auf Fläche Zwei Zylinder im rechten Winkel zueinander P o = 1 6PE R' * 1 3 = = a 9 P R 16 RE * 13 /

10 Landläufige Annahmen Einfache Geometrien Hertz cher Kontakt Krei oder Ellipe Glatte Oberflächen Realität Komplexe Geometrien Nicht Hertz cher Kontakt Etwa ähnliche Raue Oberflächen It e zuläig, einfache Annahmen zu treffen? Im Allgemeinen ind Hertz che Annahmen nicht zu chlecht: ±0%

11 Halbe Kontaktbreite oder Kontaktradiu Linienkontakt Breite b, Lat P pro Längeneinheit ' = P R b * E 1 / Kreikontakt (Durchmeer a, Lat P) 3 a = 4 PR * E 1 / 3 Maximale Kontaktpannung P o = P' E R * 1 / P o 1 = 6PE R * 1 / 3 Annäherung der Körper (Zentum) = P' 1 1 4R ln E b E 4R ln b = a R = 1 9 P RE * 1 / 3 Mittlere Kontaktpannung p P' b = = Po p = Po 4 = P a 3 Maximale Kontaktpannung max 0.300P o at (x=0, z=0.79b) max 0.300P o at (r=0, z=0.48a) for =0.3 Maximale Zugpannung zero 1 ( 1 ) P at (r=a, z=0) o 3

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13 ( ) { } d z x x p z a b x + = ) )( ( ( ) { } d z x p z a b z + = 3 ) ( ( ) { } d z x x p z a b xz + = ) )( ( x

14 ( ) { } ( ) ( ) { } d z x x t d z x x p z a b a b x + + = 3 ) ( ) )( ( ( ) { } ( ) { } d z x x t z d z x p z a b a b z + + = 3 ) )( ( ) ( ( ) { } ( ) { } d z x x t z d z x x p z a b a b xz + + = ) )( ( ) )( ( x

15 Wirken neben Normalkräften auch Tangentialkräfte, o verchieben ich die maximalen Spannungen vergleichweie zur reinen Normalkraftbeanpruchung in Richtung der Oberfläche. Damit verfügen die beiden Latfälle über unterchiedliche Aulöemechanimen für die Rienttehung und damit für die Aulöung von Dauerbrüchen in Radkränzen und in den Schienenköpfen

16 Quelle: Zacharow Quelle: Tournay

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19 Carter Tangential Stre Ditribution over the Contact Length y z x

20 lin T T T Gab abc abc abc C C =

21 In der Zone A konzentriert die Berührung Rad/Schiene vor allem bei Fahrt auf geraden Strecken und in großen bi ehr großen Bogenhalbmeern. Die Zone C wird im Bereich der Weichen (Flügelund Backenchienen) owie in den engen Bögen durch die bogeninneren Räder angefahren. Die Berührung in der Zone B erfolgt in den Bögen mit kleinen bi mittleren Bogenhalbmeern durch die bogenäußeren Räder owie an den Weichenzungen und an den Herztückpitzen bei den Weichen und Kreuzungen. Bogen innen Gerade Bogen auen

22 Zweipunktberührung: Wenn ich ein Radatz in einem Bogen mit Zweipunktberührung bewegt, tellen ich zwei Berührbereiche ein. Einer in der Zone A und ein zweiter an der Schienenflanke. Wegen de Anlaufwinkel in engen Bögen it der zweite Berührpunkt vor verlagert. Er gleitet quer und unterliegt in Anweenheit von Spurkranzquerkräften und Schlupf dem Verchleiß. Unter dieen Bedingungen entteht der Spurkranzverchleiß. Der Kontakt kann dabei derart ungüntig ein, da am Spurkranz platiche Flieen eintritt mit der Folge einer Gratbildung an der Kuppe oder ogar der Schmierfilm an der Schienenflanke unterwandert wird. Einpunktberührung: Die kann die für Rad und Schiene chädlichte Art der Berührung ein, wenn die Kontaktradien der Berührpartner zu unterchiedlich ind. Dadurch enttehen hohe Kontaktpannungen, die Ermüdungchäden, Materialverchiebung und Shelling an den Schienenflanken verurachen bzw. ogar zu deren Aubrechen führen können. Konformer Kontakt: Diee Art de Kontakte gewährleitet die größtmöglichen Kontaktflächen und reduziert vergleichweie zu den anderen Kontaktformen die Maximalpannungen und den Verchlei an Rad und Schiene. Gemäß dem National Reearch Council of Canada it konformer Kontakt gegeben, wenn ich bei der formchlüigen Paarung der Schiene am Spurkranz de Rade im unbelateten Zutand nirgend ein Spalt größer al 0.1 mm bildet. Im belateten Zutand wird dieer Spalt aufgehoben.

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25 Spannungzutand im Halbraum de rollenden Kontakte von Rad und Schiene Verlauf von Schubpannung und Schiebung beim Überrollvorgang

26 Rollkontaktermüdung durch fremderregte dynamiche Radlaten und Rückkopplungen au Veränderungen de Rad-Schienen-Kontakte Schlupfwellen Radlat Kont akt pannung Kontaktgeometrie Dynamiche Radkräfte Riffel Fahrflächen aubrüche Verformung Ribildung Selbt t euerung Schlupf Fahrflächen Einenkung an Schweiung Rifortchritt Konforme Ber ührung Rollkont akt erm üdung Prof ilverchlecht erung

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28 Verlauf von Schubpannung und Schiebung beim Überrollvorgang Zykliche Schubpannung-Schiebung- Diagramm für ideal platiche Materialverhalten.

29 Materialverhalten bei unterchiedlichen zyklichen Belatungen a: rein elatiche Verhalten b: elatiche Einpielgrenze c: platiche Einpielgrenze d: Überchreitung der Dehnbarkeit de Material mit Schädigung (ratchetting im englichen Sprachgebrauch)

30 p : max. Kontaktpannung 0 k : Schubfliepannung μ = T N T : Tangentialkraft N : Normalkraft

31 Die Entwicklung der Rollkontaktermüdung hängt ab vom Wechelpiel zwichen der Rivergröerung, welche durch die Kontaktpannungen und Tangentialkräfte in der Kontaktfläche dominiert wird und dem Verchlei, welcher abhängig it von den Tangentialkräften und dem Schlupf in der Kontaktfläche. Diee Parameter ind Abhängig von einer gröeren Anzahl von Parametern, im Speziellen von: Bogenhalbmeer Fahrzeugkonfigurationen Radtand, Radlat, Raddurchmeer Laufwerkprinzipien, im Speziellen der Radialeintellbarkeit der Radätze Radprofilen Nominalprofile und deren Verchleizutand Schienenprofilen Nominalprofile und deren Verchleizutand Reibwert Rad/Schiene Überhöhungfehlbetrag (abhängig von Gechwindigkeit, Bogenhalbmeer und Überhöhung) Traktion- und Bremkräften Gleilagequalität Eigenchaften der Rad- und Schienenwerktoffe

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34 Beipiel für die Ermittlung de Einatzbereich de Rad-Schienen-Kontakte au dem Geichtpunkt der Kontaktbeanpruchung

35 - Mechaniche Materialkennwerte von Rad und Schiene zur Ermittlung von k - Profile von Rad und Schiene zur Ermittlung der Kontaktgeometrie -Traierung mit den Bogenhalbmeern zur Ermittlung der Kontaktgeometrie - Laufwerkprinzip zur Ermittlung der Tangentialkräfte - Traktionkräfte bei angetriebenen Radätzen zur Ermittlung der Tangentialkräfte - Radatzlat zur Ermittlung der Normalkräfte - Raddurchmeer

36 Mögliche Manahmen (p 0 /k)_: - Anpaung der Kontaktradien Rad/Schiene konformer Kontakt - Allenfall Reprofilierung bei verchleibedingt ungüntiger Veränderung der Berührung Rad/Schiene - Verwendung von Werktoffen mit erhöhter Streckgrenze - Erhöhung Raddurchmeer - Reduktion Radatzlat - Verbeerung der inneren Reinheit der Werktoffe - Vermeidung von unzuläigen Rundheitabweichungen der Räder und Höhenabweichungen der Schienenfahrflächen - Reduktion der dynamichen Radlaten - Reduktion Kontaktpannung - Erhöhung Schubfliepannung Mögliche Manahmen μ_: - Reduktion der Längchlupfkräfte und/oder de Schlupfe bei angetriebenen Radätzen - Optimierung der Schlupfregelung bei angetriebenen Radätzen - Verwendung von radial eintellbaren Radätzen bei Traierungen mit vielen engen Bogenhalbmeern - Reduktion de Reibwerte Rad/Schiene in engen Bögen durch Schmierung der Fahrflächen Rad/Schiene - Verbeerung der Berührunggeometrie Rad/Schiene -Reduktion Kraftchlukräfte -Reduktion Reibwert R/S

37 Rifortchritt pro Latzyklu dl/dn Rilänge l Kurve 1-: Ritart und Frühtadium der Rientwicklung durch ratchetting Kurve -3: Mit zunehmender Rilänge teigt die Rifortchrittgechwindigkeit Kurve 3-4: Längere Rie entfernen ich mit der Ripitze vom Kontaktpannungfeld, wobei ich die Rifortchrittgechwindigkeit reduziert Kurve 5-6: Der weitere Rifortchritt wird durch Biegung vorangetrieben

38 Rifortchrittrate Phae I Ribeginn und frühe Riwachtum, RCF nicht erichtlich Phae II Riwachtum in flachem Winkel, leichte RCF erichtlich Riverzweigung, moderate RCF Phae III Wachtum de Zweigrie, tarke RCF

39 Bewegungrichtung

40 Mode II: Reine ebene Scherbelatung in der Richtung de Rie. Mode I: Öffnen der Riufer unter Normalpannung, während die Scherpannung entlang der Riufer verchwindet. Rie können ich in Anweenheit von Flüigkeit und dem bei der Überrollung enttehenden hydrotatichen Druck öffnen. Vor allem bei den Schienen lagern ich in den Rien Regenwaer, flüige Betandteile von Schmiermitteln (Spurkranzoder Schienenchmierung) oder andere Verunreinigungen ab.

41 Längpannung x (1*10-7 Pa) Mae.56*10 4 kg

42 Abnahme Schienenkopfhöhe bezogen auf da Neuprofil [mm] Phae 1 Ribildung Phae Frühtadium Riwachtum Phae 3 Rivergröerung und Wachtum

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