EVIAK Drehgestell

16. Internationale
Schienenfahrzeugtagung
Dresden
Tagungssektion 21
eviak
Güterwagendrehgestell
12. bis 14. September 2018
Frederik Methe 1)
, Mirko Leiste 2)
1) IFB Institut für Bahntechnik GmbH, Berlin
2) TU Berlin, Fachgebiet Schienenfahrzeuge, Berlin

M.Sc. Frederik Methe
M.Sc. Mirko Leiste
Dresden, den 13.09.2018
Güterwagendrehgestell
Projektvorstellung auf der Schienenfahrzeugtagung

M.Sc. Frederik Methe, M.Sc. Mirko Leiste
• Vorstellung der Vortragenden
• Projektdaten
• Projektpartner
• Projektziele
• Lastenheft
• Technische Umsetzung
• Drehgestellrahmen
• Radsatzführung
• Radsatz
• Achslenkerlager
• Radsatzwelle
• Federungs- und Dämpfungskonzept
• Simulation Fahrverhalten
• Telematik
• Bremse
• Lebenszykluskosten
• Zusammenfassung
Überblick
13.09.2018
2
EVIAK Drehgestell

Vorstellung der Vortragenden
3
• IFB Institut für Bahntechnik GmbH
– Arbeitsgruppenkoordinator
AG Rad-Schiene-System und AG Schienenfahrzeug
– Projektleiter Fachbereich Systemtechnik Fahrzeug/Fahrweg
– Projektingenieur Fachbereich Systemtechnik Fahrzeug/Fahrweg
• Firma Block Materialprüfungsgesellschaft mbH
• Studium Schienenfahrzeugtechnik TU Berlin
IFB Institut für Bahntechnik GmbH
• Gründung 1984
• Standorte in Berlin (Hauptsitz) und Dresden seit 1990
• Unabhängige, anwendungsnahe Ingenieurdienstleistungen
• Über 40 Ingenieure verschiedener Disziplinen
• Kooperation mit TU Berlin und TU Dresden
• Beteiligung an IFB Rail Engineering Warschau
13.09.2018 EVIAK Drehgestell

Vorstellung der Vortragenden
4
M.Sc. Mirko Leiste
• Seit 2015 am FG Schienenfahrzeuge
• Forschungsbereich:
 Brems- und Laufwerkstechnik,
 Automatisierung im Schienengüterverkehr
• Studium Schienenfahrzeugtechnik an der TU Berlin
Fachgebiet Schienenfahrzeuge, Technische Universität Berlin
• Seit 1997 unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing Markus Hecht
• Team
 12 wissenschaftliche Mitarbeiter, 2 Gastwissenschaftler,
2 Werkstattmitarbeiter, 5 studentische Mitarbeiter
• Forschungsfelder
 Akustik (Fahrweg / Fahrzeug), Fahrzeugdynamik,
Energieeffizienz, Telematik, Automatische Mittelpufferkupplung

Einleitung
Projektdaten
5
• ZIM Projekt Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand
– FuE-Kooperationsprojekt Unternehmen + Forschungseinrichtung
– Förderung für kleine und mittlere Unternehmen
– Ziel: Entwicklung innovativer Produkte
• Aufbau von Kompetenzen und Wissen
• Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH
• Projektlauzeit März 2015 – August 2017
• 3 Unternehmen
– Bischoff
– FWM
– IFB
• 3 Forschungseinrichtungen
– TU Berlin (Technische Projektleitung)
– FIR
– ICM

EVIAK Drehgestell
Einleitung
Projektziele
6
Energieeffizient
Verschleißarm
Instandhaltungsoptimiert
Akustikoptimiert
Kosteneffizient

Für das EVIAK Drehgestell wurden die Anforderungen innerhalb
eines Lastenheft definiert
Auszug Lastenheft:
• Primärer Einsatz in Europa
• Berücksichtigung geltender Regelwerke und Normen u.a. TSI WAG und UIC
• Radsatzlast 22,5 t (Machbarkeit von 25 t ist zu prüfen)
• Fahrstabil bis 120 km/h
• Zielmasse 4.000 kg
• Spurweite 1.435 mm
• Radsatzabstand 1.800 mm
• Kosteneffizient (Einsatz von Standardkomponenten)
• Modulare und anwenderorientierte Konfigurierbarkeit
• Radiale Einstellbarkeit der Radsätze
• Modernes Bremssystem
• Modulare Integration von Telematikkomponenten
Einleitung
Lastenheft
7

Ansätze zur Erfüllung der Lastenheftanforderungen
• Konzeptioneller Leichtbau durch Innenlagerung
• Lärmreduzierung
– Wellenscheibenbremsen
• Kein aufrauen der Fahrflächen durch Bremsbeläge
• Hydraulische lastabhängige Primärdämpfung
– Planbare Instandhaltung, hohe Zuverlässigkeit
– Geringere Erschütterungen im Wagenkasten im Vergleich zum Y25 Drehgestell
• Federn
– Entkopplung Radsatz vom Drehgestellrahmen (elastische Zwischenlagen)
• Radial einstellbare Radsätze durch hydraulische Achslenkerlager
– Optional mit Standardachslenkerlager
• Zustandsabhängige Instandhaltung
– Zustandsdiagnose der Radsatzlager
– Flachstellendetektion
– Laufwerksfehlererkennung
Einleitung
Erste Lösungsansätze
8

Einleitung
Gesamtansicht
9
Ansicht EVIAK Drehgestell

EVIAK Drehgestell im UIC – Hüllraum
– Masse 4.440 kg inklusive Wellenscheibenbremsen
Einleitung
Gesamtansicht
10
Breite EVIAK
Breite Y25

Entwicklungen und Lösungen für
das EVIAK Drehgestell
11

12
Technische Umsetzung
Drehgestellrahmen
Anforderungen an einem Drehgestellrahmen
• LanglebigkeitDauerfestigkeit nach DIN EN 13749
• Geringe Masse
• Einfache funktions-und fertigungsorientierte Rahmenkonstruktion
• Einhaltung des Fahrzeugbegrenzungsprofils DIN EN 15273-2 sowie des
Drehgestell-Hüllraumes nach UIC 510-1
– Berücksichtigung von Schnittstellen zum
• Radsatz
– Achslager (-Gehäuse)
– Primärfederung, -dämpfung
– Radsatzkopplungradiale Einstellbarkeit
• Bremssystem
– Klotzbremse, (Wellen-,Rad-) Scheibenbremse
• Wagenkasten
– Drehpfanne, Gleitstücke
– Anbauten (Luken etc.)

Drehgestellrahmen
13
3 Konzepte aus der Entwurfsphase
H- und S-Rahmen
• Klassische 3-Teilige verschweißte
Rahmenkonstruktion
• 2 Langträger bestehend aus einem
durchgehendem Kastenprofil
oberhalb der Achslager
• Querträger als Blechbiegeteil mit
eingeschweißten Untergurt
• S-Rahmen mit Verstärkung in
Richtung Schienenoberkante
Y-Rahmen
• Drehpfanne als zentrales Rohrstück
• Langträger mit direkten Weg zu den
Achslagern
• Querträger nur für die Aufnahme
der Gleitstücke

Drehgestellrahmen
Bauraumkonflikte bei Innenlagerung im UIC – Hüllraum
• Herausforderung
– UIC Hüllraum berücksichtigt
unter anderem Schüttluken
– wenig Platz zwischen den
Radscheiben Horizontal und
insbesondere Vertikal
 Längsträger müssen zu den Enden
abflachen und die Federung in den
Rahmen integriert werden
14

Drehgestellrahmen
15
Festigkeitsanalyse gemäß DIN EN 13749
Beispiel
Spannungsverteilung im
Rahmen für den Lastfall:
Außergewöhnliche Lasten –
Vertikalkräfte Fall 1:
• Lastfaktor 2
• Kraft wirkt nur auf den
Drehzapfen
Frühes Entwicklungsstadium
Ergebnis

16
Radsatzführung
Anforderungen an die Radsatzführung -anbindung
• verschleißfreie Führung
• stabile Parallelführung der Radsätze zur Vermeidung von unnötigen
Radverschleiß auf der Geraden
• Gewährleistung der Bogengängigkeit
• Kompatibilität mit radialen Einstellungsmechanismen
• einfache Radsatzmontage, -demontage
• Berücksichtigung von Schnittstellen zum
– Radsatzlager
– Primärfederung,
– Primärdämpfung

Radsatzanbindung
Möglichkeiten der Radsatzführung
17
Bsp.: Radsatzführung beim LN25 Drehgestell
von Axiom Rail
Bsp.: Radsatzführung beim Y25 dem
europäischen Standardgüterwagendrehgestell
Quelle:[1]

Radiale Einstellungsmechanismen/Achskopplung
Radsatzanbindung
18
Kreuzanker Schwenkarm [2]
Hydraulisches Achslenkerlager [3] Radialarm

Hydraulisches Achslenkerlager
• Leichte sowie kompakte Lösung des Zielkonfliktes zwischen
Bogengängigkeit und Fahrstabilität
• Eigenschaften:
- frequenzabhängiges und damit geschwindigkeitsabhängige Steifigkeit in
Fahrzeuglängsrichtung
- Bei geringen Geschwindigkeiten „Weich“
- Bei hohen Geschwindigkeiten „steif“
- Keine Aktive Steuerung nötig
Radsatzanbindung
19
Quelle:[3]
Quelle:[4]

Radsatzanbindung
20
Ausgewählte Radsatzführung-anbindung
• Radsatzlenker in 3-Teiliger Ausführung
• Achslenkerlager
• Variante 1: Hydraulisch
• Variante 2: konventionell
• Vertikalfederung
• Variante 1: zwei Schraubenfederpakete
• Variante 2: Schichtfeder
• Vertikaldämpfer
• hydraulisch
• 2-Stufige Lastabhängigkeit

Radsatzwelle
• Auslegung nach Britischen Norm BS 8535:2011, da
keine Auslegungsvorschrift analog zur EN 13103 für innengelagerte
Radsätze existiert
• Bauraumkonflikte zwischen den Radscheiben
• Vermeidung von Speziallösungen für eviak
• Grundsätzlich günstigere Belastung spiegelt sich nicht wieder,
da Norm konservativ ist
 teilweise größere Durchmesser im Vergleich zur
Außenlagerung benötigt
Radsatzwelle
21

Federungs- und Dämpfungskonzept
22
Modulares
Primärfederungskonzept
Achslenkerlager
(ALL)
Konventionell Hydraulisch
Vertikalfeder
Schraubenfedern Elastomerfedern
Überblick der Federungskonzepte

23
Variantenuntersuchung von Federungskonzepten
• Schraubenfederpakete (doppelt, einfach)

24
Variantenuntersuchung von Federungskonzepten
• Schraubenfederpakete (doppelt, einfach)
• Evolutfeder
• Bügelfeder

Federungskonzept EVIAK
25
Achslenkerlager
(konventionell,
hydraulisch)
hydraulische
Vertikaldämpfer
vertikale
Primärfederung
Radsatzlenker

Anforderungen an das Bremssystem
• S-Verkehr bis 100 km/h, 22,5t Radsatzlast, 65 Bremshundertstel
• SS-Verkehr bis 120 km/h, 20t Radsatzlast, 90 Bremshundertstel
• Berechnung nach DIN EN 14531-06, DIN 15179-03, UIC 543
• Güterwagen für SS-Verkehr müssen eine automatische Lastabbremsung nach
UIC-Merkblatt Nr. 541-04 haben
Bremse
26
Quelle: [5] [6]

Schematische Darstellungen Bremssystem
Bremse
27
Luftversorgung
Handbremse
Quelle [7]

Nach der Berechnung Auswahl von geeigneten Bremskomponenten
• Anforderung LH Wellenscheibenbremsen
• Herausforderung Bauraum, HALL, Masse, Kosten
Bremse
28
Benennung Anzahl Masse [kg]
Bremsscheibe
590x320x110
4 95
Bremszange mit
Handbremsanschluss
2 88
Bremszange ohne
Handbremsanschluss
2 86
Wiegeventil 1 10
Feststellbremse 1 50
Quelle [8]

Laufwerkssimulation und Benchmarking
Simulation Fahrverhalten
29
Quelle: [9]
BA652
Y25
EVIAK

Laufwerkssimulation und Benchmarking mittels MKS
30
BA652
Y25
EVIAK

Forderungen
• Stabilität bei der Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h im Leerzustand
gemäß EN 14363
• Entgleisungssicherheit in engen Bögen sowie im Verwindungsbogen
gemäß EN 14363
• Verschleißarm im Vergleich zum Y25
• Gleiches Wankverhalten relativ zum Gleis, wie das Y25 Drehgestell,
(Bedingung für die universelle Einsetzbarkeit)
• Geringe Erschütterungen im Wagenkasten
Vorgehen
• Parametervariation, d.h. umfassende Simulationen mit verschiedenen
Steifigkeitskombinationen des Achslenkerlagersteifigkeiten
1. Pflicht: Stabilität + Entgleisungssicherheit
2. Steifigkeitskombination mit Verschleißoptimum finden
• Realisierbar? Bereits existierendes Achslenkerlager vorhanden?
31

Fahrstabilität
• Auslegungskriterium
 v_max+10%+5 km/h Messtoleranz
 Höchstgeschwindigkeit gemäß Anforderungsprofil: 120 km/h
 bei mindestens 137 km/h muss das Drehgestell noch stabil im Gleis fahren
32
Stabilität*:
Eviak ohne Hall
160 km/h
Eviak mit HALL:
153 km/h
*Unterschied nicht
aufgrund des
HALL‘s , sondern
aufgrund der
unterschiedlichen
Steifigkeiten
bei vmax

Verschleißverhalten
• Herausforderung
• Mehrwert des EVIAK DG aufzeigen
• Effekt der radialen Einstellbarkeit bewerten
• Auslegungskriterium
• Möglichst weiche Primärfederung in longitudinaler und lateraler Richtung, zur
Erreichung einer optimalen Bogengängigkeit
• Fahrt durch vier Bögen mit 250 m ,400 m, 600 m und 750 m Radius mit jeweils
0,4 m/s^2 unausgeglichener Querbeschleunigung
• Auswertung der Reibarbeit über 200 m im quasistatischen Bogen
• Ziel
• besser als das Y25 auch ohne hydraulisches Achslenkerlager
• Signifikante Reduktion mit hydraulisches Achslenkerlager
Simulation Verschleißverhalten
33

Verschleißverhalten
• Spez. Reibarbeit eines 4-achsigen Güterwagens im quasistatischen Bogen:
– eviak sowohl mit als auch ohne HALL deutlich besseres Bogenverhalten
als das Y25 und das BA652 Drehgstell
Simulation Verschleißverhalten
34

Telematikkonzept
Telematik
35
Telematikeinheiten zur Drehgestellüberwachung Abmessungen der
gewählten Telematikeinheit,
adaptiert aus dem
Personenverkehr

Telematik
36
Adaptation des von Perpetuum Ltd. (UK)
vertriebenen Systems zur Lagerüberwachung in
Personenzügen
• Ausrüstung jedes Radsatzlagers des Drehgestells mit
einem energieautarken Wireless Sensor Node (WSN)
• Beschleunigungsüberwachung der Lager und
Langzeitprognose
• Kommunikation zu zentralem Data Concentrator (DC),
der auch als Gateway zur Übertragung der
Informationen dient
EVIAK
• Verkleinerung der Sensorknoten zur Anpassung auf
Güterverkehrs-anwendungen  Bauraum am
Lagergehäuse/Achslenker ist vorhanden
• Kombinierter DC und WSN an einem Achslager
• Erfassung von Achslagerbeschleunigungen ermöglicht
vielseitige Fehlerdetektion WSN von Perpetuum [10]

Lebenszykluskosten
37
Berücksichtigung der Lebenszykluskosten von Projektbeginn
• EVIAK Drehgestell versus Y25 Drehgestell
• Beschaffungskosten EVIAK liegen über den eines Y25 Drehgestells
• Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus von 20 Jahren
Vorteil EVIAK
• Reduzierte Betriebskosten durch geringere Trassenpreise
• Lärmemission
• Energiekosten

Lebenszykluskosten
38
Beispielhafte Berechnung der Lebenszykluskosten für die Schweiz
• Trassenpreise Schweiz
• Strompreis: 0,1712€/ kWh
• Durchschnittliches Wagenmasse: 80t
• Durchschnittliche Jahreslaufleistung: 100.000km
• Durchschnittliche Zuglänge: 40 Wagen

Zusammenfassung
39
EVIAK Drehgestell
• Energieeffizient
– radiale Einstellung der Radsätze
– geringe Eigenmasse
– aerodynamisch optimiert (deutlich schmaler)
• Verschleißarm
– siehe oben
• Instandhaltungsoptimiert
– Herausforderung Innenlagerung
• Akustikoptimiert
– Schwingungsentkopplung
• Kosteneffizient
– Senkung der Betriebskosten

40
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Stand 503

41
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Quellenverzeichnis
42
Literatur
[1] Hanneforth, Wolfgang: „Laufwerke“ ,VEB Transpressverlag, Berlin 1968
[2] A.Orlova, Y.Boronenko,H.Scheffel:“Tuning von Güterwagendrehgestellen durch
Radsatzkopplungen“ ZEV RAIL Tagungsband SFT Graz 2002
[3] http://www.eurailpress.de/uploads/pics/InnoTRans-Schwab_Hall.JPG
[4] D. Cordts, B. Meier, Haydraulisches Achslenkerlager (HALL) für eine breite
Anwendung im Schienenfahrzeugbereich, 11. Internationale
Schienenfahrzeugtagung Dresden 2011
[5] UIC 543 Bremse – Vorschriften über die Ausrüstung der Wagen
[6] Infoletter, wascosa, Mai 2013
[7] Bildquelle IFB, Innotrans 2016
[8] Bildquelle Knorr Bremse
[9] http://www.drehgestelle.de/6/pf_p65.html
[10] Perpetuum Ltd. (UK)

IFB Institut für Bahntechnik GmbH
Carnotstraße 6
10587 Berlin
Leiter Arbeitsgruppe Rad-Schiene-System
Tel.: +49 30 399924 – 55
Email: fm@bahntechnik.de
TU Berlin
Fachgebiet Schienenfahrzeuge
Salzufer 17-19
10587 Berlin
M.Sc. Mirko Leiste
Tel.: +49 30 314253-88
Email: m.leiste@tu-berlin.de
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