montiertes Kunststoff – Waggonrad
FEM – Analyse des Kunststoff – Waggonrades
Geschichten aus dem wirklichen Leben von Dieter:
Eine kleine Geschichte von Verschwörungstheorie und Praxis
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Diese Geschichte ist ein Beispiel meiner Arbeit als Entwickler, die manchmal völlig sinnlos war, weil eigentlich alles so bleiben sollte wie bisher.
Eine kleine Geschichte von Verschwörungstheorie und Praxis
1 Die Aufgabe: Der Lärmschutz bei Zugwaggons
Jeder kennt das, der schon mal an einer Zugstrecke gewohnt hat. Wenn ein Zug vorbei fährt, zittern die Wände, das wertvolle Kristallglas fällt aus dem Regal und in der Decke zeigen sich Risse. Das Allerschlimmste ist aber der Lärm. Gerade ist man eingeschlafen, steht man plötzlich wieder hellwach im Bett, weil ein Nachtzug x Passagiere, die wahrscheinlich im Schlafwagen selig vor sich hin schnarchen, nach Hause bringt. Und das passiert dann auch noch regelmäßig nach Fahrplan.
Dieses Szenario betrifft natürlich in erster Linie Studenten und Leute mit wenig Geld im Großstadtslum. Bei Gegenden mit Einfamilienhäusern mit Pool und zwei Autos in der Garage ist das natürlich anders. Denen kann man das nicht zumuten. Um teure Prozesse zu vermeiden, werden dort Lärmschutzwände mit sehr viel Aufwand aufgestellt.
Eine andere und preisgünstigere Lösung wäre es, wenn die Waggonräder selbst leiser sind. Zur Zeit verhalten sich die Stahlräder wie eine Lautsprechermembrane. Bei höheren Geschwindigkeiten werden die Räder zum Schwingen angeregt und geben diese Schwingungen direkt als Lärm an die Umwelt ab.
2 Die Randbedingungen
Zur Entwicklung neuer Waggonräder müssen alle Randbedingungen bekannt sein. Das heißt insbesondere alle dynamischen Kräfte wie Achslasten bei extremen Stößen infolge z.B. einer Weichendurchfahrt oder maximale Querkräfte bei Kurvenfahrten. Die Erhebung dieser Randbedingungen gestaltete sich schwieriger als wir dachten.
Wir saßen mit den Ingenieuren eines großen Eisenbahnunternehmens aus Lummerland (Landesname v.d. Redaktion geändert) und den Ingenieuren des Zulieferers, der die Waggonräder herstellt, an einem Tisch. Auf die Frage der Randbedingungen schauten sich Alle nur fragend an und sagten nichts. Nach einiger Zeit des Schweigens und dann des Redens um den heißen Brei, klärte sich das Bild.
Es gab Vorschriften, wie Waggonräder zu prüfen sind. Diese Vorschriften beziehen sich auf Prüfmaschinen, die ihrerseits Vorschriften genügen müssen. Wenn dann ein Waggonrad die vorgeschriebene Prüfprozedur überstanden hat, gilt das Rad als abgenommen. Soweit so gut, aber die Vorschriften stammen aus der Zeit vor den 2. Weltkrieg. Die Züge führen damals nicht so schnell.
Also machten wir den Eisenbahnspezialisten klar, das wir für die Entwicklung eines gänzlich neuen Rades harte Zahlen benötigen. Da hat sich einer seinen Daumen angeschaut und uns aus dem Bauch heraus ein paar Zahlen genannt. Wir schrieben eifrig mit.
3 Die Entwicklung eines lärmreduzierten Waggonrades
Die Lösungen zur Lärmreduzierung, die schon existieren, sind leider nicht sehr effektiv. Im wesentlichen wurden vor den „Radmembranen“ schallschluckende Platten montiert. Wir sind einen anderen Weg gegangen und wollten das Übel Lärm schon bei der Entstehung vermeiden. Es boten sich dafür neue Werkstoffe an. Für die tragende Radscheibe wurden Faserverbundwerkstoffe auf Carbonbasis eingesetzt. Der Kern des Rades bestand aus Schaumstoff, der in der Lage war die Schwingungsenergie anstatt in Schall überwiegend in Wärme zu überführen. Der Laufkranz bestand natürlich aus Stahl, da er Kontakt mit der Schiene hat. Die Radnabe bestand ebenfalls aus Stahl, da sie die Verbindung zur Welle herstellen muss. Beides wollten wir verschrauben, aber aus Nostalgiegründen war uns ein Verschrauben der Komponenten verboten. Beide Komponenten wurden also nach der herkömmlichen Methode aufgeschrumpft bzw. verklebt. Dimensioniert wurde das Rad mit der Finiten Elemente Methode (FEM).
Während der Entwicklung sprach mein vorgesetzter Professor mit dem obersten Kopf der Bahn. Dieser erzählt ihm, dass schallabsorbierende Räder nichts neues sind und schon eingesetzt wurden. Dabei kommt eine Gummischicht zwischen dem Laufkranz und der Radscheibe zum Einsatz, die den Schall sehr gut vermindert. Ich sagte meinem Professor, dass ich das für eine Fehlentwicklung und einen großen Fehler halte. Ich hatte das Gefühl, dass mein Prof. den Grund hierfür entweder nicht verstand oder nicht hören wollte. Der Grund war:
Der gummigefederte Radreifen verhält sich wie ein Biegebalken. Jede Raddrehung entspricht einer Biegebewegung.
Aufgrund der Biegebeanspruchung gilt für den Stahl die Wechselfestigkeit.
Die Wechselfestigkeit ist dramatisch geringer als z.B. die Zugfestigkeit.
Da die äußeren Einflüsse durch den Radkranz – Schiene – Kontakt, wegen Abnutzung und Beschädigungen, sich ständig ändern, lässt sich eine Versagensvorhersage praktisch nicht berechnen.
Mikrorisse, Lunker im Material und Beschädigungen durch den Kontakt mit der Schiene erfordern eine äußerst kurze Rad – Inspektionszeit, die in der Praxis nicht einzuhalten ist.
Ein paar Wochen später brach ein gummigefederter Radreifen bei voller Fahrt und bohrte sich von unten in den Waggonboden. Der Waggon wurde aus den Schienen gehoben und knallte mit voller Wucht gegen einen Brückenpfeiler. ….....!!
4 Die Umsetzung von Entwicklungsergebnisse in die Praxis
Nachdem die ersten Carbon – Waggonräder fertig waren, sollte damit eine Testfahrt gemacht werden. Dafür wurde ein Carbonrad an einen Waggon montiert und mit Messtechnik verkabelt. Nach dem Durchfahren der Teststrecke war alles im grünen Bereich und wir waren gespannt darauf die Messergebnisse auszuwerten und das montierte Rad zu untersuchen.
Dem Lokomotivführer hat das wohl nicht gefallen, denn er nahm nicht die vorgesehene Strecke zum Zurückfahren sondern einen Umweg über eine berüchtigte Strecke mit vielen alten Weichen. Er hat wohl Anweisung bekommen, so zu fahren, denn allein konnte er ja nicht die Weichen umstellen. Mit hoher Geschwindigkeit fuhr er also über die holprige Strecke und das Rad zerbrach.....
Zum Glück war die Messtechnik noch intakt. Es zeigte sich, dass die Grenzwerte, mit denen das Rad konstruktiv ausgelegt wurde, überschritten wurden. Also war ein Bruch des Waggonrades völlig normal, weil die Werte, mit denen das Rad ausgelegt ist, zu niedrig angenommen wurden.
Das sah unser Auftragsgeber aber völlig anders. Er ging nun davon aus, dass ein Waggonrad mit dieser Technologie nicht zu realisieren sei, obwohl es offensichtlich war, dass die Kennwerte, die uns der Auftraggeber genannt hatte, falsch waren. Das Projekt ist vom Auftraggeber beendet worden.
5 Nachtrag
Ein paar Tage später kam ein nicht unterschriebener Brief vom Auftraggeber. Er untersagte uns, das Waggonrad weiter zu entwickeln bzw. mit realistischen Kennwerten zu konstruieren und zu produzieren.
Während der Projektarbeit entstanden nicht offizielle Kontakte zu Mitarbeitern der Auftraggebers. Dadurch erfuhren wir später, dass vom Zulieferer niemals gewünscht wurde, ein neuartiges Waggonrad einzusetzen. Gründe hierfür waren wohl die neuartigen Herstell- und Prüfmethoden, die dann mit viel Aufwand eingeführt werden müssten.
Einige Mitarbeiter des Auftraggebers sahen das wohl ebenso wie wir und versuchten wohl über andere Kanäle diese und andere Vorkommnisse nach „Draußen“ zu tragen. Dies scheiterte, da der Auftraggeber wohl Telefone und E-mail – Verbindungen kontrollierte.Aber das ist wieder eine andere Geschichte.
PS: Man fragt sich nur noch, warum die uns den Entwicklungsauftrag gegeben haben? Nun: In einer großen Firma gibt es immer Leute, die neue Wege beschreiten wollen und auch Leute, die auf Altes beharren. Da wird geklüngelt, intrigiert, gekämpft und geheuchelt. Wer dann am Ende gewinnt hat das Sagen. (Meist gewinnen die größten Arschgeigen.)
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