Experimentelle Untersuchung der Entstehung von Polygonisierung an Eisenbahnrädern mittels eines skalierten Versuchsaufbaus

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Schindler
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546297431

Polygonisierung beschreibt bei Schienenfahrzeugen eine periodische Rundlaufabweichung des Rades: Auf der Lauffläche stellt sich über den gesamten Radumfang ein wellenförmiges Verschleißmuster mit konstanter Wellenlänge ein. Durch Polygonisierung wird eine hochfrequente Schwankung der Normalkraft im Rad-Schiene-Kontakt hervorgerufen, die zu einer starken Beanspruchung von Rad, Radsatz, Drehgestell und Gleis führt. Polygonisierung wurde bisher vordergründig durch Computersimulationen untersucht. Diese sind allerdings abhängig von der Korrektheit der eingegebenen Daten, insbesondere der Materialkennwerte. Die experimentelle Untersuchung durch Prüfstandsversuche bietet die Möglichkeit der Generierung aussagekräftiger und reproduzierbarer Ergebnisse. Auf Basis eines vorhandenen Einzelrad-Rollprüfstands wurde bereits ein skalierter Versuchsaufbau realisiert. Auf einem Treibrad rollt ein Prüfling mit einem Durchmesser von 50 mm ab, bei dem durch einen Exzentermechanismus ein hochfrequent wechselnder Schräglaufwinkel aufgeprägt werden kann. Mithilfe dieses Versuchsaufbaus ist es möglich, innerhalb kurzer Versuchsdauern das charakteristische Verschleißmuster der Polygonisierung auf den Prüfling aufzuprägen. Die Ergebnisse sind aber bislang nicht eindeutig reproduzierbar. Zusätzlich weicht die experimentell erzeugte Polygonisierung von dem erwarteten Verschleißmuster ab, das sich von allgemein anerkannten Theorien ableitet. Daher besteht Bedarf an einer experimentellen Untersuchung der bestehenden Theorien. Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens sollen am Prüfstand verschiedene Verbesserungen am Antriebsstrang sowie an der Elektrik und Elektronik umgesetzt werden. In Versuchsreihen werden die Einflussgrößen auf die Polygonisierung ermittelt und quantifiziert Anschließend wird der Versuchsaufbau in einem Simulationsmodell nachgebildet, in dem bestehende Verschleißmodelle implementiert werden. Die Versuche werden durch Simulationen begleitet, sodass die zugrundeliegenden Modelle verbessert und validiert werden können. Die Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis der Entstehung von Polygonisierung bei. Zudem kann das Simulationsmodell dazu verwendet werden, um bei Neukonstruktionen von Fahrzeugen das Risiko der Bildung von Polygonisierung zu verringern und bei Bestandsfahrzeugen bessere Prognosen über die Entwicklung von Polygonisierung treffen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen