Experimentelle Gewinnung eines Modells zur Prognose von Oberflächenrissen an Eisenbahnrädern und -schienen infolge von Schubspannungen

• Antragsteller: Professor Dr. Raphael Pfaff
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571471889

Im Rad-Schiene-Kontakt treten durch Antreiben, Bremsen und Bogenfahrt Schubspannungen auf, die zu Oberflächenrissen führen können. Diese Oberflächenrisse sind Ursache für Ausbröckelungen am Rad und Brüche der Schiene. Die von Oberflächenrissen ausgehende Gefahr für die Betriebssicherheit ist heute durch Schienenschleifen und angepasste Schienenprofile, sogenannten „Anti-Head-Check-Profile“, unter Kontrolle. Die fortlaufende Anwendung des Schienenschleifens ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, während sich die Anti-Head-Check-Profile negativ auf die Fahrdynamik auswirken. Um einen gezielteren Einsatz von Abhilfemaßnahmen zu ermöglichen, werden Prognosemodelle für die Entstehung von Oberflächenrissen benötigt. Die Ergebnisse der derzeit verfügbaren Prognosemodelle unterscheiden sich allerdings untereinander. Die Parametrierung der bestehenden Modelle erfolgte hauptsächlich auf skalierten Rollprüfständen unter vereinfachten Bedingungen. Im Rahmen des DFG-Förderprogramms „Neue Geräte für die Forschung“ wurde ein neuartiger Großprüfstand errichtet, bei dem eine Gegenrolle in einem Hohlrad abrollt. Durch diese Konfiguration entsteht eine konvex-konkaver Kontaktsituation, die den Rad-Schiene-Kontakt in Originalgröße nachbildet. Der neu errichtete Großprüfstand soll dazu dienen, die bestehenden Prognosemodelle für Oberflächenrisse weiterzuentwickeln. Zunächst wird mithilfe der bekannten Modelle ein Parameterraum definiert, innerhalb dessen auf dem Prüfstand das Auftreten von Oberflächenrissen zu erwarten ist. Anschließend werden die Versuche durchgeführt, um die Ergebnisse mit den Vorhersagen der bestehenden Prognosemodelle zu vergleichen und Optimierungspotenziale zu identifizieren. Eine zweite Versuchsreihe dient der Gewinnung einer breiteren Datenbasis für die Optimierung der Rissprognosemodelle. Abhängig vom Ausgang dieser Versuche wird entweder eines der bestehenden Prognosemodelle modifiziert oder es wird ein gänzlich neuer empirischer Ansatz zur Rissprognosemodellierung eingeführt. Die neu geschaffenen, verbesserten Prognosemodelle können anschließend dazu beitragen, die Instandhaltung von Eisenbahnrädern und -schienen gezielter durchzuführen und das Rad-Schiene-System resistenter gegen Schädigung durch Oberflächenrisse zu gestalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Schindler