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Co-Design für extreme Anforderungen

Gemeinsam mit Siemens Mobility Austria GmbH (Fahrwerke Graz) entwickelte Angst+Pfister Gummi-Metall-Puffer für die Längsmitnahmebegrenzung in Drehgestellen für Schienenfahrzeuge. Die eingesetzte homogene Ein-Komponenten-Gummimischung von Angst+Pfister setzt in Kombination mit der europäischen Brandschutznorm Massstäbe. Zusätzlich gefragt waren nicht nur ausgezeichnete Gleiteigenschaften der Anschläge – die Ingenieure konstruierten ein Bauteil, dessen Steifigkeit einer extrem eng tolerierten Kennlinie folgen musste.

Die Mobilität von morgen verlangt nach neuen Lösungen im Engineering. Angst+Pfister ist dabei.


 

Siemens Mobility setzt mit seiner langjährigen Transport-Expertise Massstäbe für die Mobilität von morgen und entwickelt ständig neue Lösungen. Der Bereich Schienenverkehr umfasst Fahrzeuge, Infrastruktur- und Automatisierungslösungen – von der Stadtbahn über den Regionalverkehr bis hin zu Hochgeschwindigkeitsstrecken.
 

Längsbewegungen und Körperschall dämpfen

Radsätze von Schienenfahrzeugen sind an Drehgestellen befestigt. Sie lassen Drehungen gegenüber dem Wagenkasten zu. Die Primärfederung erfolgt mit Dämpfern zwischen den Radachsen und dem Drehgestell. Die Sekundärfederung geschieht zwischen dem Drehgestell und dem Wagenkasten, die über eine Drehpfanne miteinander verbunden sind. Beim Beschleunigen oder Bremsen entstehen dort, zwischen Wagenkasten und Drehgestell, Längsbewegungen. Zudem wird Körperschall weitergeleitet. Beides würde den Komfort für die Fahrgäste im Wagenkasten beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, wird ein sogenannter Tauchzapfen aus der Sekundärfederung von zwei Gummi-Metall-Anschlägen eingegriffen. Diese werden auf einer Seite per Adapterplatte am Drehgestell montiert und treten auf der anderen Seite mit einer leichten Vorspannung in Kontakt mit dem Tauchzapfen. Deshalb schliessen die Anschläge dort mit einer Kunststoffplatte ab, die über gute Gleiteigenschaften mit hoher Lebensdauer verfügen muss.

Siemens Mobility Fahrwerke Graz gelangte an Angst+Pfister, um gemeinsam die Anschläge gemäss europäischer Brandschutznorm EN45545 zu entwickeln und gab die Spezifikationen vor. Die Spezialisten von Angst+Pfister prüften dann, ob die Anforderungen – auch bezüglich Lebensdauer – möglich sind und stellten ihre Offerte. Dann ging es ans Design: «Die Brandschutznorm grenzte die Materialwahl bereits stark ein», erzählt Michael Forrer, Senior Engineer Antivibration Technology bei Angst+Pfister in Zürich. Die Bestimmung der richtigen Gummimischung sei in diesem Projekt aber zusätzlich «tricky» gewesen.
 

Spezielle Kennlinie als Herausforderung

Die Steifigkeit der Anschläge bedarf nicht einer linearen Kennlinie – sondert fordert eine extreme Progression: Zu Beginn soll der Anschlag einen relativ schwachen Widerstand bieten, der ab einem gewissen Druck jedoch stark zunimmt – bis zum Stopp. Die Lösung von Angst+Pfister hierfür war eine spezielle dreistufige Gummikontur. Drei Rillen sorgen für die gefragte Progression der Kennlinie: Sobald sie zusammengedrückt sind, nimmt der Widerstand schlagartig zu – bis der eingebaute Stopp wirkt. Bis die richtige Gummikontur gefunden war, brauchte es ein gutes Dutzend Designs und Simulationen der Steifigkeit mittels Finite-Element-Methode. Dafür benötigten die Ingenieure einige Wochen und sprachen ihre neuen Vorschläge immer wieder mit dem Kunden ab, der dabei seine Erfahrungen einbrachte. So mündet die Kompetenz zweier starker Partner dank enger Zusammenarbeit in Produkte von aussergewöhnlicher Qualität. «Wir schätzten die Transparenz von Angst+Pfister bei der Entwicklung der Bauteile.»

Die drei Rillen des Puffers sorgen für die extreme Progression der Kennlinie.

 

Tests und universeller Einsatz

Als das Design passte, machte sich Angst+Pfister an den Prototypen. Dabei wurden letzte Änderungen vorgenommen, um der speziellen Progression gerecht zu werden. Der Prototyp musste sodann verschiedene Tests durchlaufen: Mit Wärmeeinwirkung von 14 Tagen in einem 70 Grad warmen Ofen wurden die Anschläge einer künstlichen Alterung unterzogen – und einem Lebensdauerversuch von einigen hunderttausend Zyklen. Die Kennlinie der Steifigkeit wurde vorher und nachher untersucht. Zudem führte Angst+Pfister Ausreissversuche durch. Dabei muss die Haftverbindung zwischen Gummi und Metall halten – reissen darf nur der Gummi. Schlussendlich wurden der elektrische Widerstand und die Korrosionsbeständigkeit des beschichteten Materials untersucht. Nachdem alle Tests erfolgreich waren, erfolgte der «Design Freeze» als Startschuss für die Serienproduktion. Bei den Serienbauteilen erfolgten dann nochmals Stichproben vor der Auslieferung.

«In enger Kooperation mit dem Kunden entwickelten wir einen universellen Gummi-Metall-Anschlag, den Siemens Mobility inzwischen in verschiedene Fahrzeuge einbaut», erzählt Michael Forrer. Das Rad müsse also nun nicht mehr bei jedem Zugtypen neu erfunden werden, was Entwicklungskosten spare.

 


 

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veröffentlicht: 12.10.2020, 09:16:00  von: Angst+Pfister Group