An Hand einer Vielzahl von Einzeluntersuchungen an sogenannten Runflat-Reifen, dass sind Notlaufreifen mit verstärkten Seitenwänden, werden folgende Themen in der Dissertation behandelt. ? Wie hoch ist die Erhöhung der Belastung des Fahrwerks und bewirkt der Einsatz von Notlaufreifen auf Fahrzeugen, die für Standardbereifung ausgelegt sind, eine erhöhte Schädigungswahrscheinlichkeit und damit eine verkürzte Bauteillebensdauer? ? In welcher Größenordnung sind Komfortverschlechterungen zu erwarten? ? Wie ist das Notlaufverhalten dieser Reifen? Gibt es Möglichkeiten der Bewertung des defekten Reifens während des Fahrens am Fahrzeug? Auf der Basis von Schlagleistenuntersuchungen an einem Reifen- und einem Radaufhängungsprüfstand wird in einem neu entwickelten Untersuchungs- und Auswerteverfahren dargestellt, wie man durch eine Betriebsfestigkeitsauswertung der Lastkollektive zu einer relativen Aussage bezüglich der zu erwartenden Schädigung eines Fahrwerks gelangen kann. Dazu wird die durch den Reifen indizierte Belastung beim Überrollen einer Schlagleiste in Bezug zu den Festigkeitseigenschaften eines Fahrwerkes gesetzt und die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung beurteilt. In einem weiteren auf Basis der Schlagleistenmessungen entwickelten Auswerteverfahren kann der Einfluss des Reifens auf den zu erwartenden Fahrkomfort abgeschätzt werden.

Das lauftechnische Verhalten von Schienenfahrzeugen ist fahrzeugseitig geprägt von Eigenschaften, die im Wesentlichen aus der Spurführung, den bewegten Massen, Geometrien und aus der Federungs- und Dämpfungscharakteristik des Fahrzeugs herrühren. Die Federungscharakteristik muss dabei weiter gefasst werden als nur auf die eigentlichen Federelemente des Drehgestells beschränkt. Auch die Steifigkeiten des Wagenkastens und weitere Steifigkeiten innerhalb der Drehgestelle können eine Rolle spielen. Bezüglich des Drehgestellrahmens wird dabei einem Aspekt bislang wenig Aufmerksamkeit geschenkt – der Bewertung und Optimierung seiner Steifigkeiten und Gestaltung im Hinblick auf die lauftechnischen Eigenschaften des Fahrzeugs. Inhalt der Arbeit ist die Auseinander-setzung mit dieser Thematik. Den Untersuchungen liegt die repräsentative Ausführungsform eines Drehgestellrahmens in Doppel-H-Form mit 2 Langträgern und 2 Querträgern zu Grunde. Mit Hilfe eines Stabmodells, welches diese Rahmenform nachbildet, werden Berechnungsformeln für die maßgeblichen Steifigkeiten des Drehgestellrahmens aufgestellt. Durch Parametervariationen am Rechenmodell wird gezeigt, wie sich die Steifigkeitseigenschaften des Drehgestellrahmens durch andere Geometrien, Trägerquerschnitte oder Werkstoffe verändern. Es zeigt sich, dass die Rahmensteifigkeiten selbst in verhältnismäßig großen Wertebereichen variieren können. Da für die lauftechnische Bewertung die Steifigkeiten des Drehgestellrahmens nicht isoliert zu betrachten sind, sondern in Reihenschaltung zu den verhältnismäßig geringen Primärfedersteifigkeiten, relativiert sich diese Aussage. An Hand statischer und dynamischer lauftechnischer Kenngrößen werden die Auswirkungen der Rahmensteifigkeiten auf das lauftechnische Verhalten des Schienenfahrzeugs untersucht. Dafür werden vereinfachende Rechenmodelle aufgestellt bzw. ein existierendes Mehrkörper-Simulationsprogramm genutzt, womit die gesuchten Werteverläufe bestimmt werden. Die Wirkung der Drehgestellrahmensteifigkeiten kann danach in unerwünschte, parasitäre Steifigkeiten und erwünschte Steifigkeiten unterschieden werden. Zu den parasitären Steifigkeiten des Drehgestellrahmens zählen die Biegesteifigkeiten vertikal und quer sowie die Schersteifigkeit. Hier sind bei der Auslegung ausreichend hohe Werte anzustreben. Andernfalls verschlechtern sich Kennziffern wie der Neigungskoeffizient, die kri-tische Geschwindigkeit und das Vertikalschwingverhalten der primär abgefederten Masse. Die Verwindungssteifigkeit des Rahmens wirkt als erwünschte Steifigkeit positiv auf das lauftechnische Verhalten. Mit kleinen Werten kann die Sicherheit gegen Entgleisen in Gleisver-windungen signifikant verbessert werden. Die gegensinnige Längssteifigkeit des Rahmens würde bei sehr niedrigen Werten den erwünschten Effekt haben, die Führungskräfte im Bogen zu reduzieren. Gleichzeitig ginge dies aber zu Lasten der kritischen Geschwindigkeit, da diese Steifigkeit dort als parasitäre Steifigkeit wirkt. Die Untersuchungen zeigen allerdings, dass die für diese beiden Effekte erforderlichen kleinen Wertebereiche mit dem ausgewählten Rahmentyp nicht erreicht werden. Weiterhin wird der Einfluss der Drehgestellrahmenmasse untersucht. Durch Werkstoffauswahl und Bauweise können hier Veränderungen erzielt werden. Eine niedrige Rahmenmasse begünstigt das vertikale Schwingungsverhalten und verbessert zusammen mit niedrigen Massenträgheitsmomenten die kritische Geschwindigkeit. Kleine Werte bei den erwünschten Steifigkeiten und hohe Werte bei den parasitären Steifigkeiten bei gleichzeitig niedriger Masse sind in der konventionellen Rahmenbauweise schwer vereinbar. Aus diesem Grund wird abschließend ein masse- und steifigkeitsoptimierter Dreh-gestellrahmen vorgeschlagen, der diesen Auslegungskonflikt auflösen kann. Die überschläglich kalkulierten Werte für die Steifigkeiten und die Rahmenmasse bestätigen die Vorteile des Konzepts. Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass es sinnvoll und zweckmäßig ist, die Steifigkeitsparameter des Drehgestellrahmens bereits in der Entwurfsphase des Fahrzeugs zu analysieren und ggf. einer Optimierung zu unterziehen. Mit den vorgestellten Berechnungs-werkzeugen wird eine geeignete und zeitsparende Möglichkeit dafür aufgezeigt.

Ein Schienenfahrzeug erzeugt geringe Gleiskräfte und geringen Verschleiß an Rädern und Schienen, wenn sich die Radsätze im Gleisbogen radial einstellen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Bedingungen für ein dreiachsiges Fahrwerk mit radialer Einstellbarkeit gelten, damit es möglichst stabil fährt. Außerdem wird es mit einem konventionellen dreiachsigen Fahrwerk bezüglich stabiler Fahrt und Verhalten im Bogen verglichen. Zusätzlich werden angetriebene Radsätze erfasst. In der Auslegungsphase eines Fahrzeuges kommt es darauf an, die wesentlichen Parameter zu analysieren und die optimalen Werte wenigstens in ihrer Größenordnung festzulegen. Da hierfür eine Vielzahl von Rechnungen nötig ist, braucht man einfache und schnelle Werkzeuge. Es wird ein Verfahren für die Bestimmung der optimalen Parameterwerte für Stabilität entwickelt. Der Einfluss der Elastizitäten und Dämpfungen in den Kopplungen wird berücksichtigt. Parameter dürfen in der Praxis nicht beliebige Werte, insbesondere nicht beliebig hohe Werte annehmen. Diese Randbedingungen werden einbezogen. Die Empfindlichkeit der Parameter gegenüber Abweichungen von den optimalen Werten wird dargestellt. Mit den optimalen Parameterwerten wird das Fahrverhalten im Bogen geprüft. Bei Fahrt im Bogen kann der Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene in der Hohlkehle oder in der Spurkranzflanke des Rades liegen. In diesem Bereich sind die Beziehungen der Kontaktparameter stark nichtlinear; das Rechenmodell bezieht diese Effekte ein. Die Ergebnisse zeigen, dass drei Radsätze, die in der Lage sind, sich ungehindert radial einzustellen, stabil fahren können. Auch die Existenz eines Fahrzeugkastens ändert nichts an dieser grundsätzlichen Aussage. Voraussetzung ist allerdings, dass einige Parameter ausreichend große Werte annehmen können. Die Grenzen, die die Parameterwerte nicht überschreiten dürfen, haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Steifigkeiten, die eigentlich die radiale Einstellung behindern, wirken sich positiv auf die Stabilität und das Verhalten im Bogen unter Fliehkraft aus.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung eines Prüfregelwerks für Flexitanksysteme hinsichtlich des durchzuführenden Bahnauflaufstoßes. Während eines solchen Versuchs wird das Flexitanksystem, bestehend aus einem herkömmlichen Seefrachtcontainer und beladen mit einem wassergefüllten Folientank sowie einiger Zusatzeinrichtungen, auf einem Tragwagen verankert und anschließend einer intensiven Stoßbelastung ausgesetzt. Der Nachweis der Dichtigkeit des Tanks und die Einhaltung diverser Verformungsgrenzwerte am Container entscheiden über den Ausgang des Versuchs. Während die Arbeit auch diese Punkte aufgreift, liegt der eigentliche Schwerpunkt in der Auseinandersetzung mit derjenigen Beurteilungsgröße, welche die Erfüllung der Prüfanforderungen bestimmt. Derzeit wird dieses Prüfkriterium über eine Beschleunigungsamplitude definiert, was allerdings eine gewisse Unschärfe mit sich bringt. Die Prüfmethodik und ihre Entwicklungsgeschichte, sowie die damit einhergehenden Nachteile werden im Detail erläutert und eine Möglichkeit der Erweiterung des Kriteriums mithilfe des Schockantwortspektrums geboten. Als Beurteilungsgröße für die dynamische Prüfung von Tankcontainern bereits fest etabliert, wird dieses mathematische Analysewerkzeug in allen Einzelheiten vorgestellt und dessen Eignung für die Anwendung im Bahnauflaufstoß für Flexitanksysteme untersucht. Zu diesem Zweck wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe eine ausführliche Parameteranalyse durchgeführt und deren Ergebnisse Versuchsmessungen gegenübergestellt werden. Die Schlussfolgerungen münden in einem dem Flexitanksystem angepassten Prüfkriterium auf Basis des Schockantwort-spektrums, welches in Form eines Regelwerksentwurfs den entscheidungsberechtigten Gremien vorgeschlagen wird. Die Inhalte der drei Hauptkapitel der Dissertation können in folgenden Punkten zusammengefasst werden: Das Flexitanksystem wird vorgestellt, der Auflaufversuch erläutert und diskutiert sowie Versuchsergebnisse präsentiert und nach verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Das Schockantwortspektrum wird hergeleitet, dessen Charakteristika herausgestellt und deren Anwendung an praktischen Beispielen demonstriert. Die Eignung des Schockantwortspektrums zur Beurteilung von Auflaufstößen mit Flexitanksystem wird überprüft, die Einflussfaktoren in einer Parameteranalyse durchleuchtet und die Ergebnisse in die Definition eines neuen Prüfkriteriums eingeflochten. Die Dissertation entstand im Rahmen eines Fördermittelprojekts des Europäischen Sozialfonds und in Kooperation mit der Prüfanlage der TÜV SÜD Rail GmbH in Görlitz.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines geeigneten Simulationswerkzeuges für die numerische Untersuchung der beim Rollkontakt zwischen Rad und Schiene auftretenden Phänomene. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der kontinuumsmechanischen Formulierung des mechanischen Feldproblems kontaktierender Körper sowie dessen numerischer Lösung mittels der Finite-Element-Methode. Zur Reduzierung des bei der Simulation von Rollkontakt aus der notwendigen sehr feinen Diskretisierung der Kontaktgebiete resultierenden numerischen Aufwandes wird eine relativkinematische Beschreibung herangezogen. Diese gemischte LAGRANGE-EULER-Betrachtungsweise beruht auf der Zerlegung der Bewegung in einen Starrkörperanteil und eine dazu relative Deformation. Die Herleitung der Bewegungsgleichung für das Kontaktproblem erfordert die relativkinematische Formulierung der kontinuumsmechanischen Grundgleichungen, d.h. der Bilanzgleichungen sowie der konstitutiven Beziehungen. Eine geeignete Kontaktmechanik einschließlich der Berücksichtigung des Kontakts rauer Oberflächen und veränderlicher Kontaktrandbedingungen ist ebenfalls notwendig. Die physikalische Einbindung der Körper in die Umgebung erfolgt über NEUMANNsche und DIRICHLETsche Randbedingungen. Auf dieser Basis können die Bewegungsgleichungen der Elastomechanik hergeleitet werden, welche sich jedoch einer analytischen Lösung verschließen. Somit werden sie in ihrer schwachen Form im integralen Mittel formuliert, was der Anwendung des Prinzips der virtuellen Verschiebungen als Ausgangspunkt für die numerische Lösung entspricht. Die rechentechnische Umsetzung erfordert die inkrementelle und diskrete Formulierung der Bewegungsgleichungen unter besonderer Beachtung der Trägheits-und Kontaktterme, wobei auf die Unterscheidung zwischen Haften und Gleiten beim Tangentialkontakt besonderes Augenmerk gelegt wird. Die numerische Lösung des Finite-Element-Gleichungssystems liefert den aktuellen Beanspruchungszustand zweier Körper im Rollkontakt. Die Funktionsfähigkeit der entwickelten Algorithmen wird abschließend anhand aussagekräftiger Beispielrechnungen zum statischen Kontakt und zum stationären Rollkontakt demonstriert, deren Ergebnisse gute Übereinstimmung mit analytischen Vergleichslösungen, soweit verfügbar, aufweisen. / Scope of this work is the preparation of a suitable simulation tool for the numerical investigation of rolling contact phenomena. The main focus lies on the continuum–mechanical formulation of the mechanical field problem of contacting bodies and its numerical solution within the framework of the Finite Element Method. For reducing the numerical effort in rolling contact simulation, induced by the necessity of a very fine discretization within the expected contact area, a relative–kinematical description is utilized. This arbitrary LAGRANGian–EULERian approach is based upon the decomposition of the total motion into a rigid body motion and a superimposed deformation. The derivation of the equation of motion for the contact problem requires the relative–kinematical formulation of the continuum–mechanical fundamental equations, i. e. the balance equations and the constitutive relations. A suitable contact model including the contact of rough surfaces and varying contact boundary conditions is also necessary. The physical embedding into the environment is accomplished by NEUMANN and DIRICHLET boundary conditions. Based upon that foundation the elastomechanics’ equations of motion are derived, which however can not be solved analytically in general. Hence, the equations of motion are transferred into their weak form by the application of the principle of virtual displacements serving for the numerical solution. The implementation of the problem demands for an incremental and discrete formulation of the equations, especially regarding the terms of inertia and the contact terms. Thereby, special attention has to be paid to the distinction between sticking and sliding within the framework of the tangential contact analysis. The numerical solution of the finite elements’ system of equations provides the state of stress, displacement and contact of two bodies in rolling contact. The reliability of the developed algorithms is finally verified by means of meaningful numerical examples for both static contact and for stationary rolling contact, whereby the numerical results coincide well with available analytical reference solutions.