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11. InternationaleSchienenfahrzeugtagung

Dresden23. bis 25. Februar 2011

Tagungssektion 21

Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für einebreite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich

Dr. Detlef CordtsFreudenberg Schwab GmbH, Hennigsdorf

Bruno MeierSchwab Schwingungstechnik AG, Adliswil (CH)

Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 1

Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich

Dr. Detlef Cordts, Freudenberg Schwab GmbH und Bruno Meier, Schwab Schwingungstechnik AG


Inhalt, Gliederung

1. Anforderungen aus der Spurführungstechnik an die Radsatzführung im Drehgestell

1.1 Problemstellung Kurvenlauf1.2 Problemstellung Rollkontaktermühung (RCF)1.3 Bewegungen des Radsatzes1.4 Konstruktionsprinzipien1.5 Idealer Steifigkeitsverlauf1.6 Die Lösung HALL

2. Funktionsprinzip des HALL

3. Flexibilität in der Ausführung

4. Einbau des HALL

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Dies sind sehr komplexe und auch widersprüchliche Anforderungen, deren Realisierung in ein und demselben Fahrzeug hohe Anforderungen an die Ingenieurskunst stellen.

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1. Anforderungen aus der Spurführungstechnik an die Radsatzführung im Drehgestell


Schnell und stabil Kurvenfreundlich, gleisschonend

Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 4 4

Verschleissbilder von Kehrtunnels am Gotthard, Liegedauer: wenige Jahre


1.1 Problemstellung; starker Verschleiss in engen Bögen



1.1 Lösung; radial einstellende Radsätze

Reduktion der Anlaufwinkel des Rades an die Schiene

Reduzierten Rad-Schiene Kräften

Reduziertem Verschleiss an Rad und Schiene

Reduziertem Lärm

Fahrwerke mit radial einstellenden Radsätzen führen zu einem deutlich besseren Fahrverhalten in den Kurven. Dies zeigt sich in:


Fahrtrichtung

αβ

6


1.1 Lösung; radial einstellende Radsätze

Vergleich Einstellwinkel führende Achsekonventionell ------ HALL ------

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Krümmung [1/km]

dga.

RS

1 (B

ETA

A01

) [m

rad]

CX konventionell = 20 kN/mm

CX HALL = 7 kN/mm



1.2 Problemstellung; Oberflächenschäden durch Rollkontaktermüdung Rolling Contact Fatigue (RCF)


Ausbrüche in der Oberfläche, hervorgerufen durch unter der Oberfläche parallel wachsende Risse.


1.2 Problemstellung; Rollkontaktermüdung, Rolling Contact Fatigue (RCF)

Rissinitiierung an der Oberfläche



1.2 Lösung, weiche Radsatzführung

Original predictions for Mk4

Mk4 with HALL bush

High rail

High rail

Direction of trafficClusters of RCF cracks predicted

on gauge shoulder of rail

Folie von Mark Burstov, Analysis of the performance of the HALL bush, Dez. 2010

Modellierung einer originalen Kurve mit R = 1500m (Hatfield)



1.2 Lösung, weiche Radsatzführung

Modellierung einer originalen Kurve mit R = 1500m (Hatfield)

Totale Schädigung wird etwa um den Faktor 10 reduziert!

Folie von Mark Burstov, Analysis of the performance of the HALL bush, Dez. 2010



1.3 Analyse der Bewegungen des Radsatzes


Spezielle Lösungen für spezielle Bedürfnisse, häufig bleiben es Unikate

Aufwendig und teuer in der Beschaffung und unterhaltsintensiv


1.4 Konstruktionsprinzipien

Spezielle Anwendung, nachträglicher Einbau nicht möglich


0 1 2 3 4 5

Frequenz [Hz]

Stei

figke

it C

x

13


1.4 Konstruktionsprinzipien

mit Radsatzkoppelung stabilWeich und…..


0 1 2 3 4 5

Frequenz [Hz]

Stei

figke

it C

x

14


1.5 Idealer Steifigkeitsverlauf


Hydraulisches Achs-Lenker-Lager

0 1 2 3 4 5Frequenz [Hz]

Stei

figke

it C

x

15


1.6 Die Lösung


HYDRO BUCHSEN UND -LAGER

• Elastomerfedern mit integriertem hydraulischen System.

• Hohe Dämpfung in einem ausge-wählten niedrigen Frequenzbereich und akustische Entkopplung bei hohen Frequenzen.

• Anwendung seit Jahrzehnten als Motor- und Kabinenlager.

• Hydro-Buchsen und -Lager können in einem weiten Bereich spezifischen Anforderungen angepasst werden.

• Weiterentwicklung mit dem Ziel eines großen Steifigkeitssprungs.

Funktionsprinzip


Funktionsprinzip

Aufbau aus •Statisch tragendem

Elastomerkörper•Membranen•Hydraulikkammern•Verbindungskanälen


Funktionsprinzip• Einfacher, robuster Aufbau• Geringe statische Steifigkeit bei tieffrequenten Anregungen• Hohe dynamische Steifigkeit bei Anregungsfrequenzen oberhalb ca. 2 - 3 Hz


FunktionsprinzipBei Belastung mit niedrigenFrequenzen freier Austauschzwischen den Hydraulikkammern.

Grundsteifigkeit des Elastomers


FunktionsprinzipBei Belastung mit hohenFrequenzen blockierter Austausch zwischen den Hydraulikkammern.

Grundsteifigkeit des Elastomers plus Membransteifigkeit


Betriebserfahrung und Versuche1. Betriebsversuche 2003 – 2007 auf Reisezugwagen der IC2000 und EC-Flotte der SBB

36 HALL, Laufleistung 1,3 Mio km ohne Schäden.2. Prüfung auf Prüfständen der TU HH Harburg

Zwei der Teile aus den Betriebsversuchen 2003-2007 wurden einer verschärften Prüfung auf Prüfständen der TU HH Harburg unterzogen. Mit verschiedenen Prüfzyklen stellten wir noch eine Restlebensdauer fest, die in etwa 8 Mio. km S-Bahnbetrieb in Deutschland entspricht.

3. 1-jährigen Betriebsversuch in der SchweizWeitere 8 dieser Teile wurden nach der ausgiebigen Kontrolle in einen weiteren, ca. 1-jährigen Betriebsversuch gegeben, bei denen auch das Verhalten in Triebfahrwerken eines Nahverkehrszuges untersucht wurde.

4. Betriebsversuch mit 16 Teilen in Großbritannien, Coach MK4Seit September 2009 läuft ein weiterer Betriebsversuch mit 16 Teilen in Großbritannien, bei dem regelmäßig die Radprofile aufgenommen werden.

5. Betriebsversuch mit 16 Teilen in Großbritannien DESIROSeit November 2010 ein weiterer Betriebsversuch mit 16 Teilen in Großbritannien

6. Versuch mit Class 185 Kollektiv an einer DESIRO Variante.Mit diesem sehr harten Kollektiv wurde eine Lebensdauer von 3,8 Mio km auf dem Prüfstand erreicht.


HALL - Flexibilität in der AusführungMit dem Grundkonzept des HALL lassen sich die verschiedensten Varianten an

Steifigkeiten und Schaltzeiten zusammenstellen.

Grundsätzlich interessant sind dabei:

a) Das Steifigkeitsverhältniss Cx/Cy statisch

b) Der Steifigkeitssprung zwischen Cx statisch und Cx dynamisch

c) Die Schaltfrequenz zwischen Cx statisch und Cx dynamisch

d) Ein integrierter Anschlagpuffer, der bei sehr weicher Grundsteifigkeit in x-Richtung die Wege begrenzt.

e) Die absoluten Abmaße und die Austauschkompatibilität mit bestehenden Bauteilen.


Funktionsprinzip




HALL - Flexibilität in der Ausführung


Funktionsprinzip




HALL - Flexibilität in der AusführungIm Standarddesign mit 190 mm Aussendurchmesser sind mehrere Designsausgeführt.Durchmesser bis hinab zu 132 mm wurden per FEM untersucht und sindin einem Achslenkerdesign einsetzbar.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Dr. Detlef Cordts, Freudenberg Schwab GmbH und Bruno Meier, Schwab Schwingungstechnik AG

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