2107 cordts meier
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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
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 2
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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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 3
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
Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
Schnell und stabil Kurvenfreundlich, gleisschonend
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 4 4
Verschleissbilder von Kehrtunnels am Gotthard, Liegedauer: wenige Jahre
Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.1 Problemstellung; starker Verschleiss in engen Bögen
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
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:
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 6
Fahrtrichtung
αβ
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
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
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.2 Problemstellung; Oberflächenschäden durch Rollkontaktermüdung Rolling Contact Fatigue (RCF)
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Ausbrüche in der Oberfläche, hervorgerufen durch unter der Oberfläche parallel wachsende Risse.
Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.2 Problemstellung; Rollkontaktermüdung, Rolling Contact Fatigue (RCF)
Rissinitiierung an der Oberfläche
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
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)
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
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
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 11 11
Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.3 Analyse der Bewegungen des Radsatzes
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 12 12
Spezielle Lösungen für spezielle Bedürfnisse, häufig bleiben es Unikate
Aufwendig und teuer in der Beschaffung und unterhaltsintensiv
Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.4 Konstruktionsprinzipien
Spezielle Anwendung, nachträglicher Einbau nicht möglich
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0 1 2 3 4 5
Frequenz [Hz]
Stei
figke
it C
x
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.4 Konstruktionsprinzipien
mit Radsatzkoppelung stabilWeich und…..
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0 1 2 3 4 5
Frequenz [Hz]
Stei
figke
it C
x
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.5 Idealer Steifigkeitsverlauf
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Hydraulisches Achs-Lenker-Lager
0 1 2 3 4 5Frequenz [Hz]
Stei
figke
it C
x
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Hydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite Anwendung im Schienenfahrzeugbereich
1.6 Die Lösung
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 16
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
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Funktionsprinzip
Aufbau aus •Statisch tragendem
Elastomerkörper•Membranen•Hydraulikkammern•Verbindungskanälen
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Funktionsprinzip• Einfacher, robuster Aufbau• Geringe statische Steifigkeit bei tieffrequenten Anregungen• Hohe dynamische Steifigkeit bei Anregungsfrequenzen oberhalb ca. 2 - 3 Hz
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FunktionsprinzipBei Belastung mit niedrigenFrequenzen freier Austauschzwischen den Hydraulikkammern.
Grundsteifigkeit des Elastomers
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FunktionsprinzipBei Belastung mit hohenFrequenzen blockierter Austausch zwischen den Hydraulikkammern.
Grundsteifigkeit des Elastomers plus Membransteifigkeit
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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.
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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.
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Funktionsprinzip
Aufbau aus •Statisch tragendem
Elastomerkörper•Membranen•Hydraulikkammern•Verbindungskanälen
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HALL - Flexibilität in der Ausführung
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HALL - Flexibilität in der Ausführung
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HALL - Flexibilität in der Ausführung
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Funktionsprinzip
Aufbau aus •Statisch tragendem
Elastomerkörper•Membranen•Hydraulikkammern•Verbindungskanälen
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HALL - Flexibilität in der Ausführung
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 29 29
HALL - Flexibilität in der Ausführung
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Funktionsprinzip
Aufbau aus •Statisch tragendem
Elastomerkörper•Membranen•Hydraulikkammern•Verbindungskanälen
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HALL - Flexibilität in der Ausführung
Rad Schiene Tagung Dresden 23.2.2011, page 32© Schwab Schwingungstechnik AG & Freudenberg Schwab GmbH. Alle Rechte vorbehalten.32
Einbau des HALL in der Achsschwinge
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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.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Dr. Detlef Cordts, Freudenberg Schwab GmbH und Bruno Meier, Schwab Schwingungstechnik AG