Entwicklung von Kraftschlussmodellen unter Berücksichtigung von Oberflächentopographien und Reibleistung im trockenen Rad-Schiene-Kontakt am Einzelradrollprüfstand

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Schindler
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541599066

Ein zentrales Forschungsgebiet der Schienenfahrzeugtechnik befasst sich mit den Kräften zwischen Rad und Schiene sowie den daraus resultierenden Belastungen, Beanspruchungen und Formänderungen der Kontaktpartner. In einer Vielzahl von Berechnungsmodellen sind die Spannungen in der Kontaktfläche sowie die daraus resultierenden Kraftschlusskräfte beschrieben. Hierbei wird in der gängigen Betrachtung die Oberflächentopographie, also die auftretende, mikroskopische Beschaffenheit der Kontaktpartner, außer Acht gelassen. Dennoch wurde bereits in verschiedenen Versuchen gezeigt, dass der auftretende Kraftschluss in Wechselwirkung mit der Oberflächenrauheit steht. Durch gezieltes Einstellen von Makroschlupf, also hohen Gleitgeschwindigkeiten im Rad-Schiene-Kontakt, kann die Oberfläche derart beeinflusst werden, dass sich der Kraftschlussbeiwert erhöht. Dieses beobachtete Verhalten bietet potentiell die Möglichkeit, das Brems- und Traktionsverhalten bei schwierigen Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene zu verbessern. Für eine technologische Nutzung bedarf es in dieser Hinsicht weiterer Forschung, die eine valide Modellvorstellung hervorbringt, welche anschließend in Antriebs- und Bremsregelungen implementiert werden kann. In dem Forschungsvorhaben soll ein neuartiger Ansatz verfolgt werden, der sich durch die kontinuierliche Überwachung der Laufflächenrauheit mittels Streulichtmessverfahren auszeichnet. Dies ist ein Verfahren, bei dem die zu untersuchende Oberfläche mit einem Lichtstrahl beleuchtet und das gestreute Licht sowie die Verteilung der Reflexionswinkel erfasst wird. Aus der Winkelverteilung wird die Oberflächenrauheit charakterisiert. Zur Untersuchung der Wechselwirkung von Radlaufflächenrauheit, Kontaktbedingungen, Kraftschluss und Radverschleiß sollen Experimente am Einzelradrollprüfstand des Instituts des Antragsstellers bei trockenem Kontakt durchgeführt werden. Auf diesem soll ein großer Parameterraum für die Kontaktbedingungen zwischen Rad und Schiene während Bremsversuchen hergestellt werden, bei denen Gleitgeschwindigkeit, Kontaktkräfte und die Radlaufflächenrauheit kontinuierlich gemessen werden. Aus den gewonnen Daten werden empirische Modelle erstellt, die zum einen den Kraftschlussbeiwert unter Berücksichtigung der Radrauheit angeben und zum anderen die Entwicklung der Radrauheit unter verschiedenen Kontaktbedingungen prognostizieren können. Im nächsten Schritt sollen die Modelle mittels erneuten Bremsversuchen validiert werden. Schlussendlich soll das dynamische Kraftschlussmodell in die Bremsregelung des Prüfstandes implementiert werden, um die Oberflächenrauheit und den Kraftschlussbeiwert gezielt zu modifizieren. Dabei ist das Ziel, bei schlechten Kontaktbedingungen den Kraftschlussbeiwert zu erhöhen, sodass Bremswege kürzer ausfallen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen