Schriftenreihe Schienenfahrzeuge und Transportsysteme

This monograph presents a series of research activities with the goal of determining whether pressure measurement films are a suitable tool for a quantitative assessment of the wheel-rail contact area. Firstly, the effect of influential factors such as geometry, applied load and surface roughness on the resulting imprint was thoroughly examined by means of analytically approachable case studies. This allowed a precise determination of the systematic error that alters experimental outcomes. After that, finite element representations of the measurement procedure were explored in order to characterize the measurement deviation based on mechanical principles. By virtue of the excellent reproducibility of the measurement procedure, as well as the meaningful insight obtained from finite element simulations, an empirically calibrated film model that matches experimental outcomes was developed. This was alternately interposed between wheel and rail models to estimate the measurement error originated under typical operation conditions. The results underline the marked dependence of the measurement error on surface roughness but foresee a robust and reliable use of pressure measurement films for validation of wheel-rail contact models as long as both numerical and experimental solutions represent the same reality of interest.

Im Rahmen des Ausbaus des öffentlichen Personennahverkehrs wird eine Steigerung der Fahrtaktungen im Schienenverkehr angestrebt, wodurch insbesondere die Schienen und die Räder der Schienenfahrzeuge höheren Beanspruchungen ausgesetzt sein werden, als es augenblicklich der Fall ist. Aus materialtechnischer Sicht stellt dies eine Herausforderung dar, da die Kontaktflächen zwischen Rad und Schiene wesentlich kleiner sind als bei Straßenfahrzeugen, jedoch die wirkenden Belastungen deutlich höher sind. Die Ermittlung der Kontaktflächen in dieser Arbeit erfolgten mittels der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) mit anschließender erkenntnisbasierter experimenteller Validierung der numerischen Ergebnisse. Zur experimentellen Bestimmung der Kontaktflächen eignen sich Druckmessfolien sowie Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier. Die entsprechenden Zwischenschichten führen zu einer veränderten Kontaktsituation, welche simulativ implementiert worden sind. Die simulative Berücksichtigung dieser Zwischenschichten und die dafür benötigten Materialmodelle sind die Ausgangsbasis dieser Arbeit.
Zunächst wurden Materialmodelle für drei einlagige Druckmessfolientypen sowie für Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier erarbeitet. Die Grundlage für die Bestimmung der Materialmodelle der Druckmessfolien waren experimentelle Ergebnisse von Kontaktuntersuchungen eines sphärischen Körpers mit einer ebenen Platte. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden linear elastische Materialmodelle für die drei Druckmessfolientypen bestimmt. Für Kohlepapier in Kombination mit herkömmlichem Papier wurde ein vereinfachtes Materialmodell mathematisch hergeleitet. Die ermittelten linear elastischen Materialmodelle für Kohlepapier und Druckmessfolien wurden anschließend um Abstands-Druck-Kurven erweitert, welche die Oberflächenrauheit des Rad-Schiene-Kontaktes berücksichtigten. Zur experimentellen Validierung der bestimmten Materialmodelle wurde zudem ein Prüfstand entwickelt und an diesem Untersuchungen des Rad-Schiene-Kontakts vorgenommen. Es konnte umfassend mittels experimenteller und simulativer Evaluierungen gezeigt werden, dass Druckmessfolien und Kohlepapier sich als valides Messmittel eignen und adäquat in Simulationen nachgebildet werden können. Abschließend konnte aufgezeigt werden, dass Kohlepapier mit herkömmlichem Papier äquivalent zu Druckmessfolien zur Bestimmung des Rad-Schiene-Kontakts eingesetzt werden kann.