Table Of ContentRORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2647/Fachgruppe Umwelt/Verkehr
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Dr. -Ing. Klaus-Dieter Gramatke
Lehrstuhl und lnstitut
fUr F6rdertechnik und Schienenfahrzeuge
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Direktor: o. Prof. Dr. -lng. J. N6then
Untersuchung des Laufverhaltens
von F ahrzeugen auf RollscheibenprufsHinden
WESTDEUTSCHER VERLAG 1977
CIP-Kurzti telauf'nahme delr Deutschen Bibliothek
Gramatke, Klaus-Dieter
Untersuchung des Laufverhaltens von Fahrzeu
gen auf' Rollscheibenprlif'standen. - 1. Auf'l. -
Opladen: Westdeutscher Verlag, 1977.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westf'alen; Nr. 2647 : Fachgruppe Umwelt/
Verkehr)
ISBN-13: 978-3-531-02647-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88380-3
DOl: 10.1007/978-3-322-88380-3
© 1977 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02647-3
Inhalt
1. Verzeichnis der Formelzeichen 3
2. Tabellen- und Bildverzeichnis 5
3. Wissenschaftliche Grundlagen ......................... . 7
3.1. Allgemeines ............................... . 7
3.2. Anforderungen an Rollprlifstande ........... . 11
3.3. Die funktionelle Abhangigkeit der den
Fa~rzeuglauf beeinflussenden Bestimmungs-
groBen .................................... . 17
3.3.1. Die Reibung ............................... . 18
3.3.1.1. Der EinfluB der Reibung auf den Kraft-
schluB .................................... . 18
3.3.1.2. Der Mechanismus der Reibung ............... . 18
3.3.1.3. Ergebnisse bisheriger Reibungsunter-
suchungen ................................. . 18
3.3.1.3.1. Der EinfluB der Oberflachenrauhigkeit ..... . 19
3.3.1.3.2. Der EinfluB von Zwischenschichten ......... . 19
3.3.1.3.3. Der EinfluB der Beanspruchung ............. . 19
3.3.1.3.4. Die Abhangigkeit der Reibung von der
Gleitgeschwindigkeit ...................... . 19
3.3.1.3.5. Der EinfluB der Temperatur ................ . 20
3.3.1.3.6. Die sekundaren EinfluBfaktoren ............ . 20
3.3.2. Das KraftschluBgesetz ..................... . 20
3.3.2.1. Die Bedeutung der Aufstandsellipse ........ . 21
3.3.2.2. Der EinfluB der Beanspruchung ............. . 21
3.3.2.3. Der EinfluB der Luftfeuchte ............... . 21
3.3.3. Das elastische Verhalten des Gleises ...... . 22
3.3.4. Die /c,r- und y-Funktion .................... . 22
3.4. Konstruktionsbedingte Abweichungen der gen.
BestimmungsgroBen beim Rollprlifstand gegen-
tiber Rad und Schiene ...................... . 23
3.4.1. Die Anderung des Reibwertes ............... . 23
3.4.2. Die Anderung der KraftschluBfunktion ...... . 24
3.4.3. Sonstige konstruktionsbedingte Anderungen .. 26
4. Der Rollprtifstand des Instituts fUr Fordertechnik und
Schienenfahrzeuge der RWTH Aachen '" ................. . 27
4.1. Allgemeines ............................... . 27
4.2. Die gegenseitige Beeinflussung des Laufes
der Drehgestelle eines Fahrzeuges ......... . 28
4.2.1. Gleis ..................................... . 28
4.2'.2. Fahrzeugbrticke ............................ . 29
4.2.2.1. Beeinflussung ,durch translatorische
Drehgestellbewegungen ..................... . 30
4.2.2.2. Beeinflussung durch rotatorische
Drehgestellbewegungen ..................... . 32
4.3. Der Prtifstand ............................. . 35
4.3.1. Der konstruktive Aufbau ................... . 35
4.3.2. Die Antriebs- und Steuerungstechnik ....... . 36
4.3.3. Die MeBtechnik - Aufbau und Verfahren .. , .. . 37
4.3.4. Zusatzliche Anwendungsmoglichkeiten ., ..... . 38
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5. Zusarnrnenfassung ••.••••..••.•••..•••.•••••••••.•.•••••• 39
6. Literaturverzeichnis 40
Anhang
a) Tabellen •..•••.•..•••••••..•••..•••..•.•.••••••.•.••.• 45
b) Abbildungen ••••.•••••••••••••••..•••••••••••.••••••.•• 48
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1. Verzeicbnis der Formelzeichen
a halber Achsstand im Drehgestell
a groBe Balbachse der Radaufstandsellipse
b kleine Halbachse der Radaufstandsellipse
c Federzahl
h senkrechte Fahrzeugabmessungen
H senkrechte Abstlnde
m Masse
n Drehzahl
r allgemein Radius
sj stellungsabh~ngige Entfernung zwischen den Radaufstands
punkten des rechten bzw. linken Rades yom Radsatzschwer
punkt
v Fahrgeschwindigkeit (m/s)
wx' Wy Gleitgeschwindigkeit in x- bzw. y-Richtung
momentaner Abstand in x-Richtung (rechts oder links)
momentaner Abstand in y-Richtung (rechts oder links)
momentaner Abstand in z-Richtung (rechts oder links)
D allgemein D~pferkraft
F allgemein Kraft, Federkraft
G Gewicht
M Drehmoment
N~ momentane Normalkraft im Radaufstandsp~kt des rechten
~ bzw. linken Rades
Q~ momentane Radlast des rechten bzw. linken Rades
~
R allgemein Radius
T allgemein Zeit
Tx Gleitreibungskr~fte in x-Richtung
Gleitreibungskrafte in y-Richtung
Gleitreibungskrafte in z-Richtung
T allgemein Temperatur cOe)
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Geschwindigkeit (km/h)
Fuhrungskrafte im rechten bzw. linken Radaufstandspunkt
Gleitwinkel gegenuber der x-Richtung des rechten bzw.
linken Rades
Vorverlagerungswinkel
Schienenlaufflachenneigungswinkel im rechten bzw.
linken Radaufstandspunkt
normierter KraftschluBbeiwert nach KALKER; dieser Bei
wert in x-Richtung wird durch Multiplikation mit dem
Reibwert in den naturlichen KraftschluBbeiwert T um
x
gerechnet
wie vor, jedoch fur die Querrichtung T
y
Reibwert (Maximum des KraftschluBbeiwertes T)
L~ngs- bzw. Querschlupf
Ersatzradius (charakteristischer Radius)
T KraftschluBbeiwert
Wankwinkel
Wendewinkel
+
w- Winkelgeschwindigkeit des Radsatzes oder der Pruf
standsrollen
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2. Tabellen- und Bildverzeiohnis
Tabelle 1: Ubersioht uber wiohtige Leistungs- und RollprUfstande
Tabelle 2: Senkreohte Federzahlen des Gleises
Bild 1: Der RollprUfstand des Instituts fUr Forderteohnik und
Sohienenfahrzeuge der RWTH Aaohen mit aufgesetztem
Fahrzeug, Ausbauzustand 1972
Bild 2: Der RollprUfstand des Instituts mit aufgesetztem Dreh
gestell und Spezialhaltevorriohtung, Ausbauzustand 1974
Bild 3: Bewegungsablauf des freien Radsatzes
Bild 4: Die Krafte am Radsatz
Bild 5: MeSstellenanordnung beim Radsatz zur Bestimmung der
Krafte in den Radaufstandspunkten beim RollprUfstand
Bild 6: z und tan y von Rad und Sohiene als Funktion der Quer
bewegung y eines Radsatzes (Neuprofil): zRad = f(y),
tan YRad = f(y), zSohiene = f(y), tan YSchiene = fey)
Bild 7: Umfangsgesohwindigkeiten bei verschiedenen Rollscheiben
ausfuhrungen
Bild 8: Das Gleis als Federsystem
Bild 9: Einsenkungen und Federzahlen von Holz- und Betonschwel
lengleisen bei offener und stark gefrorener Bettung [2]
Bild 10: Langs~ und Qu~rKraftschluBbeiwerte in Abhangigkeit
von Sohlupf v, Gleitwinkel ~ und Rollendurchmesser R
fur die Radsatzmittenstellung und einen Raddurohmesser
von 950 mm [19]
Bild 11: Parameter der Aufstandsflache und oharakteristischer
Radius im Radaufstandspunkt in Abhangigkeit vom
Rollenradius
Bild 12: Reibkraft in Abhangigkeit von der Oberflachenrauhigkeit
Bild 13: Zunahme der Oberflaohenrauhigkeit auf tangential bean
spruchten PrUfrollen [23]
Bild 14: Abnahme der Oberflachenrauhigkeit bei schlupffrei ab
rollenden PrUfrollen [23]
Bild 15: Abhangigkeit des Reibwertes von der Fahrgeschwindigkeit
berechnet nach Kraft [21]
Bild 16: Gefligeanderung infolge Walzreibung [23]
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Bild 17: LangskraftschluBbeiwerte als Funktion des Schlupfes und
der Beanspruchungsdauer [23J
Bild 18: LangskraftschluBbeiwerte als Funktion des Schlupfes und
der Luftfeuchtigkeit [23J
Bild 19: Mitschwingende Masse in Abhangigkeit von Bettungsziffer
und Achsstand berechnet nach Hanker, H. (14J
Bild 20: Profilneigung~ una ~KrUmmung von Schienen
Bild 21: LangskraftschluBbeiwerte in Abnangigkeit von Schlupf und
verschiedenen Reibwerten
Bild 22: Die Begrenzung der Rollscheibendurchmesser durch den
Achsstand
Bild 23: Ausgelenkter Radsatz auf dem Rollstand; Geometrie, Krafte
Bild 24: Drehgestell Bauart Minden-Deutz
Bild 25: Drehhemmung bei Drehpfanne und Schraubenfeder
Bild 26: Momente und Krafte bei der Drehbewegung
Bild 27: Simulation des Wagenlaufs mit Hilfe eines Drehgestells
Bild 28: Spurweitenanderung als Funktion der Radlast
Bild 29: Belastetes Drehgestell am PrUfstand
Bild 30: Das Steuerpult des Rollprlifstandes
Bild 31: PrUfstandssteuerung
Bild 32: MeBstellenanordnung beim Radsatz zur Bestimmung der Krafte,
Beschleunigungen und Schlupfwerte
Bild 33: MeB- und Registriergerate
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3. Wissenschaftliche Grundlagen
3.1. Allgemeines
Die stetige Erhohung der Fahrgeschwindigkeiten in Verbindung
mit neuen Traktionsarten deckte im weiteren Verlauf der Ent
wicklung z.T. erhebliche Mangel bei den Laufeigenschaften der
Schienenfahrzeuge auf. Eisenbahnverwaltungen sahen sich daher
veranlaBt, diesem Umstand Rechnung zu tragen, und dies umso
mehr, als .gegenUber Fragen des Komforts die Betriebssicherheit
in den Vordergrund trat. So dienen RollprUfstande heute nicht
mehr der Verbesserung des Wirkungsgrades von Triebfahrzeugen,
sondern vielmehr der Suche nach spurfUhrungstechnischen Zu
sammenhangen beim Rad/Schiene-System. Theorie und bisherige
Versuche auf diesem Gebiet zeigen Ubereinstimmend, daB eine
sehr groBe Zahl von Parametern zu beachten ist, deren Be
deutung noch nicht erforscht werden konnte, weil sie im
Streckenversuch zu vielen Uberlagerungen von StorgroBen aus
gesetzt. sind. Andererseits sind infolge unzulanglicher Modell
vorstellungen gesicherte theoretische Aussagen z.Z. ebenfalls
nicht moglich. Von entscheidender Bedeutung ist allerdings die
Tatsache, daB die in den Radaufstandspunkten der Fahrzeuge
auftretenden Storungen von stochastischer Art sind und dazu
fUhren, daB auch das Fahrzeug zu stochastischen Bewegungen
angeregt wird. Die mathematische Behandlung in geschlossenen
Systemen ist aus dem genannten Grund nicht moglich und er
schwert somit auch den Einsatz von EDV-Anlagen.
Als Ausweg bietet sich der Bau einer neuen Generation orts
fester PrUfstande an, auf denen gegebenenfalls definierte
StorgroBen simuliert werden konnen. Dieser Weg wird denn
auch von der SNCF, der DB, der DR sowie den BR und den JNR
z.T. bereits seit langerer Zeit beschritten. DarUber hinaus
sind weitere Versuchsstande an der TH Aachen und bei der
"Arbeitsgemeinschaft Rad/Schiene zur Erforschung der Grenzen
des Rad/Schiene-Systems" in MUnchen im Bau bzw. geplant.
Entsprechend der geanderten Fragestellung ist jedoch an die
Stelle des frUheren RollprUfstands als LeistungsprUfstand
nun der RollprUfstand als LaufprUfstand getreten, dessen
