Faserverstärkte Gummiwerkstoffe sind von entscheidender Bedeutung für verschiedene Bauteile, wie beispielsweise Luftfederbälge, die in Sekundärfederungssystemen von Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommen. Fur die zuverlässige Funktion dieser Komponenten ist ein umfassendes Verständnis des Materialverhaltens und der Ermüdungseigenschaften erforderlich. Diese Forschungsarbeit schließt eine bestehende Wissenslücke, indem ein repräsentatives Probenkonzept entwickelt und eine Methodik zur Analyse und Optimierung des Ermüdungsverhaltens unter verschiedenen Belastungsbedingungen vorgestellt wird.
Eine flache Probengeometrie wurde als geeignet identifiziert, um das Verhalten des Verbundwerkstoffs unter unterschiedlichen Lastszenarien zu untersuchen. Finite-Elemente-Analysen und optische Dehnungsmessungen wurden eingesetzt, um die Probengeometrie zu entwerfen und ihre Eignung für experimentelle Tests zu bestätigen. Die Bruchflächen wurden mittels Radiographie und Mikro-Computertomographie analysiert. Dabei wurde Delamination als primäre Schadensart festgestellt. Dieses neuartige Probenkonzept stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Bewertung des Ermüdungsverhaltens dar und trägt zur beschleunigten Entwicklung von Luftfedern und faserverstärkten Verbundwerkstoffaufbauten bei.
Im Rahmen einer systematischen Untersuchung wurde die Ermüdungsfestigkeit biaxial belasteter Flachproben mit unterschiedlichen Faserwinkeln von ±15°, ±25° und ±35° analysiert. Um die Anwendbarkeit der Probenversuche sicherzustellen, wurde ein Versagenskriterium definiert, das auf einer axialen Längung von 20% basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass größere Faserwinkel die Ermüdungsfestigkeit verringern. Ein Anstieg des Faserwinkels um 10° führt zu einer Reduktion der tolerierbaren lateralen Verschiebungsamplitude um 15% bei 50 000 Lastzyklen. Basierend auf der maximalen Faserdehnung wurde eine Design-Wöhlerkurve erstellt, wodurch die Ermüdungsprüfdaten in ein umfassendes Bewertungsmodell für faserverstärkte Gummiwerkstoffe integriert werden konnten.
Weiterführende Analysen haben die Übertragbarkeit der Probenergebnisse auf die Bauteilebene der Luftfeder beurteilt. In diesem Zusammenhang wurden zwei unterschiedliche Belastungsszenarien untersucht: eine reine pulsierende Zugbelastung mit einem Dehnungsverhältnis von 0 sowie eine pulsierende Zugbelastung mit einem Dehnungsverhältnis zwischen 0.2 und 0.3, die zu signifikanter Delamination führten. Der Vergleich zweier Probenserien mit unterschiedlichen Dehnungsverhältnissen ergab, dass hohere mittlere Dehnungen die Lebensdauer verlängern. Unter den analysierten Belastungsbedingungen stieg die maximal tolerierbare Faserdehnung bei 50 000 Lastzyklen von 0.08 auf 0.11, was eine gute Übereinstimmung zwischen den Modellprognosen und den experimentellen Bauteilergebnissen unterstreicht.
Insgesamt präsentiert die Arbeit eine fundierte Methodik zur zeit- und kosteneffizienten Bestimmung der Ermüdungseigenschaften faserverstärkter Gummiwerkstoffe unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Der entwickelte Prüfansatz sowie die analytischen Modelle liefern wertvolle Erkenntnisse über das Materialverhalten bei komplexen Belastungsszenarien und ebnen den Weg für eine verbesserte Lebensdauerbewertung und optimierte Auslegung von Luftfedersystemen.
Festwalzen ist ein mechanisches Nachbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Radsatzwellen. Dabei wird die oberflächennahe Schicht gezielt plastisch verformt, was eine Verringerung der Oberflächenrauheit, eine Kaltverfestigung des behandelten Bereichs, sowie das Einbringen von Druckeigenspannungen bewirkt. Diese Effekte sind besonders vorteilhaft für hochfeste Stähle, wie der untersuchte Radsatzwellenwerkstoff 34CrNiMo6. Ziel des Festwalzverfahrens ist es, die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, den Widerstand gegen Rissentstehung zu verbessern und die Rissausbreitung zu verringern. Zudem verhindert das Verfahren, dass vorhandene Defekte, entstanden z.B. durch Schottereinschläge oder Korrosion, sich zu Rissen weiterentwickeln. Das Festwalzen ermöglicht die Konstruktion leichterer Radsatzwellen bei gleichbleibender Lebensdauer. Die Reduktion des Materialeinsatzes bei der Herstellung und die höhere Energieeffizienz im Betrieb wirken sich positiv auf die CO₂-Bilanz der Bauteile aus. Durch die Verringerung der ungefederten Massen werden die dynamischen Kontaktkräfte und der Verschleiß zwischen Rad und Schiene reduziert. Dies fließt vorteilhaft in die Berechnung der Trassenpreise ein und trägt dazu bei die Lebenszykluskosten des System Bahn zu reduzieren.
An einer Radsatzwelle werden eine Reihe experimenteller Versuche durchgeführt. Dazu zählen Zugversuche und zyklische Versuche zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften, sowie Untersuchungen zu den durch den Festwalzprozess verursachten Veränderungen. Es werden Mikrostrukturanalysen, Härtemessungen, Rauheitsmessungen, Eigenspannungsmessungen und Kaltverfestigungsuntersuchungen durchgeführt, um die Unterschiede zwischen den nicht festgewalzten und den festgewalzten Bereichen der Radsatzwelle zu vergleichen. Herkömmliche Eigenspannungsmessverfahren, wie die Röntgendiffraktometrie und die Bohrlochmethode, zeigen bei Messungen in größeren Tiefen Einschränkungen und sind nicht in der Lage, den Bereich der ausgleichenden Zugeigenspannungen korrekt zu bestimmen. Dieser ist jedoch entscheidend für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit. Aus diesem Grund wird ein numerisches Simulationsmodell des Festwalzprozesses entwickelt. Das elastisch-plastische Werkstoffverhalten wird mit einem Chaboche-Materialmodell dargestellt, das basierend auf den zyklischen Werkstoffversuchen parametriert wird. Das Simulationsmodell wird mit Eigenspannungsmessungen validiert. So entsteht ein numerisches Werkzeug, das es ermöglicht, die durch das Festwalzen eingebrachten Eigenspannungen zu bestimmen und verschiedene Festwalzparameter und Optimierungen zu untersuchen. In der Studie werden die einflussreichsten Festwalzparameter, Festwalzkraft und Vorschub, sowie die Auswirkungen der durch den Herstellungsprozess induzierten Eigenspannungen untersucht. Auch Optimierungsmöglichkeiten, wie wiederholtes Festwalzen, werden diskutiert.
Das Ermüdungsverhalten von Radsatzwellen wird auf Basis experimenteller und numerischer Simulationsergebnisse untersucht, was eine umfassende Bewertung der Festwalzanwendung ermöglicht. Das Konzept der lokalen Dauerfestigkeit wird zur Untersuchung des Einflusses des Festwalzens auf das Ermüdungsverhalten von Radsatzwellen angewandt. Verschiedene Festwalzparameter und Optimierungen werden dabei betrachtet und miteinander verglichen. Eine kommerzielle Software zur Berechnung des Ermüdungsrissverhaltens wird eingesetzt, um die Auswirkungen der durch das Festwalzen eingebrachten Eigenspannungen auf die Rissausbreitung bei vorhandenem Anriss zu bewerten und den Einfluss verschiedener Festwalzparameter zu untersuchen. Die vorteilhaften Eigenschaften des Festwalzens werden durch gezielte plastische Verformung des Werkstoffs erzielt. Diese können jedoch bei unzureichender Parameterwahl zu unerwünschten Oberflächenschäden und einer Verschlechterung der Ermüdungseigenschaften führen. Um die Grenzen des Verfahrens zu bewerten, wird eine Methode entwickelt, welche die durch das Festwalzen selbst verursachte Vorschädigung untersucht. Diese Methode wird anhand von Versuchen mit mehreren Festwalzdurchgängen über denselben Bereich validiert. Die dehnungsbasierte Schädigungsrechnung ermöglicht, die durch das Festwalzen verursachte Vorschädigung für verschiedene Parameter und Optimierungen zu bewerten.
The increasing significance of sustainable mobility and environmentally friendly transportation systems has led to a surge in research and development in this area. The railway transportation, as an environmentally friendly and sustainable mode of transportation, plays a crucial role in providing affordable solutions for public passenger transport in urban, suburban and regional areas. The development of innovative technologies aims to meet the needs of operators and passengers while minimizing environmental impact by addressing the major challenges of quality, reliability, cost-effectiveness, energy efficiency and emissions. Currently, metro bogies often exhibit one axle per wheelset, resulting in heavy brake actuators and high mass brake discs. These unsprung brake disc masses have a negative impact on track damage, emission and energy consumption including noise and pollutants. Furthermore, as particulate emissions from transport vehicles become a growing concern for human health and the environment, non-exhaust emissions from wear and turbulence gain significance. The brake system is a major source of wear-related particulate emissions and is therefore a focus of research to reduce such emissions. An innovative braking concept using sintered friction materials and advanced components, along with a transmission stage, should reduce chassis mass and enhance the tribological behaviour of the braking mechanism. Furthermore, this system aims to diminish noise and particulate emissions in line with lightweight construction requirements.
In the pursuit of sustainable transportation solutions, this dissertation focuses on the development of an innovative braking system for railway transportation which plays a vital role in fostering environmentally friendly mobility. By utilizing a gear stage, the system eliminates the necessity of the brake discs on unsprung railway axles, thereby significantly reducing wheel, track and superstructure damage and subsequently lowering the total life cycle costs. In addition, minor braking forces enable the use of lightweight brake components, contributing to an overall weight reduction. Nevertheless, increased sliding speeds at the friction partners related to the gear ratio pose a challenge that will be scientifically investigated throughout the project. On the flipside, fundamental tribological investigations will be carried out to evaluate friction partners with novel, environmentally friendly material compositions. The subsequent analyses using selected test specimens on an innovative brake test rig for rail vehicles will offer valuable insights into the friction value stability, wear behaviour and temperature load. The simulation-based analyses will complement the experimental work. Therefore, the scientific output will provide a deeper understanding of global and local system characteristics and facilitating targeted investigations of braking concept. The innovative braking system is expected to make a significant contribution environmental protection and sustainable mobility.
Die stetig steigenden Anforderungen an den modernen Maschinenbau sowie die gestiegene Forderung nach reduzierten Ressourceneinsatz fordern zunehmend den Einsatz von komplexen Konstruktionen und neuer hochfester Werkstoffe. Damit können grundsätzliche Funktionen ermöglicht, Bauteilgewichte reduziert und Kosten für Material und Ressourcen gesenkt werden.
Das Ziel der Arbeit liegt darin, das Potential eines verschweißten Werkstoffes unter Berücksichtigung eines Nachbehandlungsverfahrens auf sein Ermüdungsverhalten zu untersuchen. Der Fokus der Nachbehandlung liegt hierbei auf dem Verschleifen des Nahtübergangs, um dahingehend neue Erkenntnisse auf das Lebensdauerverhalten unter zyklischer Belastung zu erlangen. Für die Erstellung der dafür notwendigen Schweißproben aus S355 und S960 Blechen soll ein spezielles Schweißverfahren herangezogen werden, welches bei hoch komplexen Bauteilstrukturen angewendet wird. Anschließend soll das Ermüdungsverhalten mittels Simulationen, Messungen und Bruchflächenanalysen der Proben untersucht und ausgewertet werden. Der Effekt von Versatz und Winkelverzug in Bezug auf die Lebensdauer stellt hierbei einen Schwerpunkt dar.
Durch die Versuchsmethodik sollen Grundlagen etabliert werden und in zukünftige Lebensdauerbewertungen mit einfließen. Zudem wird aus den gewonnenen Erkenntnissen an ergänzenden hochfesten Formrohren eine praxisnahe Anwendung validiert.
Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Forschungstätigkeiten und die daraus erzielten wissenschaftlichen Erkenntnisse sollen nicht nur eine Kosten- und Zeitersparnis bei der Fertigung komplexer Schweißstrukturen erzielen, sondern auch als Grundlage für die Auslegung von geschweißten und nachbehandelten Schweißverbindungen aus hochfestem Stahl dienen.
Innovative materials, such as wood composites and high-strength steels, play a pivotal role in improving the efficiency of various structural applications. In the mobility sector, there is a growing emphasis on lightweight technologies aimed at reducing energy consumption and emissions. In rail transport, significant efforts are underway to integrate these materials to enhance environmental performance and economic efficiency. Wood composites are particularly notable for their sustainability, while high-strength steels offer exceptional strength-to-weight ratios. These advancements drive the development of innovative vehicle designs that are both high-performing and eco-friendly. However, the use of these innovative materials introduces new challenges. Unlike conventional structural materials, their properties are often not well-documented or entirely unknown. Reliable data must be obtained by experimental testing to achieve accurate input parameters for design with special focus on the fatigue assessment. This is critical in order to ensure a safe and reliable performance of such structures in final operation considering mechanical as well as environmental effects. Therefore, the research work investigates the fatigue performance of such innovative materials and their joining techniques with focus on wood composites as well as steel structures considering their potential applications in rail vehicle design. Alongside evaluating the structural durability, the study examines key factors such as sustainability, weight efficiency, and the effects of environmental conditions like humidity and temperature. Experimental testing utilizing specially designed test setups enables a fundamental characterization of the basic material and joint properties. These findings are further processed applying advanced numerical simulation methods, offering a detailed basic understanding of the local mechanical behaviour and resilience of these materials under diverse operating conditions. By combining experimental and simulation approaches, the research offers scientific insights into the suitability of wood composites and steel materials and demonstrates how they can meet the functional demands of traditional structural solutions while providing advantages in sustainability and efficiency with special focus on rail vehicle design.
Eisenbahnsysteme auf der ganzen Welt erfahren im Laufe des Betriebs Schädigungen auf der Fahrzeug- aber auch der Fahrwegseite. Um diese Schädigungen kontrollieren zu können, müssen diese überwacht und in regelmäßigen Intervallen durch geeignete Instandhaltungsmaßnahmen entfernt werden, was mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden ist. Die Gründe und Mechanismen hinter der Entstehung der diversen Schadensbilder sind trotz intensiver Forschung zum Teil nach wie vor nicht vollständig bekannt.
Hohe Spannungen im Rad-Schiene Kontakt, welche bei der Durchfahrt von Schienenfahrzeugen in engen Bögen auftreten, resultieren in Verschleiß an sowohl Rad als auch Schiene. Da viele Bahnen, wie U-Bahnen oder Schmalspurbahnen, Strecken mit einer großen Anzahl von Bögen mit geringen Radien aufweisen, sind diese besonders von Schädigungen aufgrund von Verschleiß betroffen. Eine verschleißbedingtes Schadensbild hat sich dabei bei den Schweizer Meterspurbahnen als besonders relevant erweisen, nämlich Schlupfwellen. Diese auf dem Kopf der bogeninneren Schiene auftretende Welligkeit mit einer typischen Wellenlänge von 80 mm bis 300 mm führt bei der Überfahrt zur Emission von Erschütterungen und Geräuschen, welche nicht nur den Fahrkomfort und die Umwelt negativ beeinträchtigen, sondern auch andere Systemkomponenten schädigen können. Bei einigen Schweizer Schmalspurbahnen ist das Wachstum von Schlupfwellen so intensiv, dass die Verfügbarkeit der Infrastruktur zum Teil nicht mehr garantiert werden kann.
In dieser Arbeit wird der Schadenstyp Schlupfwelle im Detail erforscht, was zuallererst das Verständnis jener Gründe umfasst, welche zum unregelmäßigen Verschleiß der Schienen mit der beobachteten Wellenlänge in engen Bögen führen. Dies beinhaltet eine detaillierte Betrachtung der angeregten Systemresonanzen sowie die Ursache für deren Anregung. Dabei soll auch die Interaktion mit Radpolygonen sowie Rad- und Schienenprofilen einbezogen werden. Dazu werden ausgehend vom Stand der Technik neue Simulationsmodelle entwickelt. Zur Parametrisierung dieser Modelle werden umfangreiche Labor- und Feldversuche durchgeführt die Informationen zur Initiierung und zum Wachstum der Schlupfwellen beinhalten. Ein Teil der Versuchsergebnisse wird zur Kalibrierung der Modelle herangezogen, der andere Teil zur Modellvalidierung. Im Anschluss werden mit diesem Model umfangreiche Parameterstudien durchführt anhand derer abgeleitet werden soll, welche Maßnahmen am effektivsten der Entstehung von Schlupfwellen entgegenwirken. Dies umfasst nicht nur konstruktive Maßnahmen am Rollmaterial oder dem Gleiskörper, um langfristig Verbesserungen hinsichtlich der derzeitigen Probleme der Schweizer Meterspurbahnen zu erreichen, sondern auch kurz- und mittelfristige Maßnahmen, wie zum Beispiel den gezielten Einsatz von Friction Management Produkten.
Das Fahrwerk von einem Schienenfahrzeug ist ein dynamisches System und erfährt stochastische Anregungen durch den Fahrweg. Bis jetzt wurde das Fahrwerk als ein schwingungsfähiges System unzureichend untersucht. Derzeit gibt es keine Steifigkeitsabstimmungen zwischen den Komponenten hinsichtlich Schwingungsverhalten und Festigkeit sowie keine strukturdynamischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten. Da durch den gewünschten Leichtbau neue, weichere Strukturen entstehen, passiert es immer häufiger, dass die Komponenten im Betrieb zum Schwingen beginnen. Diese gering gedämpften Schwingungen können rasch zu Ermüdungsrissen führen, die dann die Sicherheit mindern und die Gewährleistungs- und Instandhaltungskosten erhöhen.
Ziel dieser Arbeit ist ein stabiles, robustes und validiertes Verfahren (von Lasten bis Auslastungen) zur Optimierung und Auslegung von schwingungsrelevanten Strukturkomponenten hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit zu entwickeln. Zuerst werden an einem Fahrzeug gemessene Betriebsdaten anhand statistischer Signalverarbeitungsmethoden unter Berücksichtigung der Strukturdynamik- und Festigkeitsgesetze analysiert. Dabei werden auch die Fahrzeug- und Fahrwegparameter herangezogen und auf ihre Korrelation zu den gemessenen Daten untersucht. Da die spektralen Methoden Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Berechnung und Bewertung versprechen, ist das Ziel die Lasten (Ersatzanregung für weitere Berechnung) im Frequenzbereich zu definieren. Hierbei werden wissenschaftliche Methoden für die Erstellung der parametrisierten Anregungsfunktionen aus vorhandenen Messdaten entwickelt, um ein besseres Verständnis für die gemessenen Daten sowie die Extraktion relevanten Anteile in Bezug auf die Ermüdung zu gewinnen. Die Systemantwort (Beanspruchung an der Strukturkomponente) ist weiterführend ebenfalls im Frequenzbereich gegeben und verlangt spektrale Bewertungsmethoden. Im Rahmen dieser Tätigkeit wird an den wissenschaftlichen Erweiterungen spektraler Methoden der Vibration Fatigue für instationäre Anregungen gearbeitet. Die entwickelten Konzepte werden durch Versuche und ausgewählte Schadensfälle bewertet, verglichen und validiert, welche sowohl transient als auch spektral berechnet werden. Ergänzend wird eine Koppelung eines Topologie-Optimierers mit der entwickelten Bewertungsmethodik angestrebt, um Strukturkomponenten mit gewünschten strukturdynamischen Eigenschaften und ausreichender Festigkeit bereits im Designprozess ableiten zu können.
Die im Rahmen des Dissertationsvorhabens erzielten, wissenschaftlichen Erkenntnisse und die entwickelte Methodik sollten zu einer anwendungsnahen, sowie betriebssicheren Auslegung und Optimierung von schwingungsfähigen Strukturkomponenten beitragen.
The dissertation project deals with the development of load-transmitting structural components of an excavator, namely the arm system and boom made out of steel. As measures for the weight reduction the use of high-strength steels and the associated effects on static and fatigue strength as well as the necessary manufacturing- and post-treatment processes are being investigated. This project aims to create the necessary scientific basis for the design and validation of welded lightweight constructions. As an application of this, a new innovative arm system is going to be developed and validated. The weight reduction and increased energy efficiency will make the battery-electric machine even more environmentally friendly and also reduce both noise and air pollution, which is particular an advantage when used in urban environments. A new methodology is being developed using numerical analysis of static load cases in conjunction with empirical values, which enables a safe and durable design of the aforementioned structural components in lightweight construction. Therefore the knowledge of the occurring operating loads is of great importance, which is why corresponding load collectives are evaluated by means of scenario tests as well as further long-term measurements with accompanying measurements of local and global stress and system parameters. From the analysis of the results of these measurements and the numerical analysis representative small-scale specimens are derived. They are mechanically tested and serve as a basis for the fatigue design of the high-strength steel structure. From the interaction of all working steps a validation methodology for lightweight structures is developed, ensuring enhanced system reliability. Finally, it is planned to carry out large-scale component tests with the newly developed lightweight components, whereby the developed design methodology and the lightweight design will be experimentally validated in order to prove the technical applicability of the scientific work.
This research focuses on the development of assessment methods for vibratory behavior of a railway disk brake system. The disk brake is a type of primary brake that is fundamental means for decelerating and stopping the railway vehicle. Hence, the stability and durability of the system are essential to ensure the safe operation. When the brake is applied, the pads are pressed on to the disk by the caliper assembly. The frictional force generated between the disk and the pads convert kinetic energy into heat energy. Here, the system is subject to self-excited vibrations generated by their frictional contact which can have hazardous impacts to the structure.
The self-excited vibrations of the brake systems are noticeable by their distinctive squeal and groan noise. The squealing noise is high-frequency noise that is often generated at low speeds. It is not always a critical safety issue, but it is a cause for discomfort and potential human health issues. On the other hand, groan noise results from low-frequency vibration, which may lead to structural damage, such as vibrational fatigue cracks and fractures. While it is relatively easy to suppress vibration and resonance by simply increasing the rigidity by increasing the thickness of the steel structures, this will lead to a heavier bogie frame. The heavier bogie will affect ride performance, track wear as well as other aspects of the railway vehicle operation and is not preferred. To design lightweight bogies, it is essential to develop a method to evaluate the vibratory characteristics of the structural design.
Finding the essential design parameters that influence the characteristics is important to model the vibration behavior of the brake systems. In the actual world, the system's vibration is affected by numerous factors. Therefore, it is difficult to determine the parameters that influence the characteristics from the actual operation measurement only. To eliminate the effect of the environmental conditions from the vibration measurement, reproductive experiments on a brake test rig will be performed under similar braking conditions to the actual operation. Based on both results, the research aims to develop a basic brake system simulation model. After establishing the basic model, the study seeks to expand it to a complex model, including the bogie structure. The simulation model will be validated by the experiments conducted under similar conditions in the brake test rig.
As a result of this dissertation project, there will be better quantitative methods to understand the overall vibration phenomenon of the brake system, including the bogie structure. Therefore, scientific outcome will be vital in helping to identify potential mechanical failures for future design and enhance the lightweight design of the bogies.
Die Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Fahrweg verursacht am Gesamtsystem Bahn hohe Anschaffungs- und Instandhaltungskosten. Ziel ist es diese Kosten zu reduzieren, indem das Zusammenspiel von Fahrzeug und Fahrweg als Gesamtsystem betrachtet und verbessert wird. Voraussetzung für einen kostengünstigen, aber trotzdem sicheren Betrieb ist das Verständnis für die Interaktion zwischen Fahrwerk und Schiene. Ziel ist es die Rückwirkung eines Fahrwerkes auf die Schiene mit Hilfe von elastischen Mehrkörpersystemen (MKS) zu ermitteln, wenn das System Fahrzeug-Gleis ganzheitlich und systematisch betrachtet wird. Dafür müssen Messdaten aus Fahrzeugmessungen und Fahrwegmessungen präzise zusammengeführt werden.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist es ein ganzheitliches Berechnungsmodell zu entwickeln, welches die gezielte und sichere Auslegung von Schienenfahrzeugen mit geringeren Wartungs- und Anschaffungskosten ermöglicht. Mit den im Rahmen der Tätigkeiten gewonnenen Forschungsergebnissen soll es möglich sein, Handlungsempfehlungen für den optimalen Betrieb des Gesamtsystems Bahn zu geben. Für die Ermittlung der schädigungsrelevanten Belastungen auf die Schiene wird ein Mehrkörpermodell des Fahrzeuges erstellt und mit repräsentativen Szenarien beaufschlagt, welche den spezifizierten Einsatz wiederspiegeln. Dafür wird untersucht, welchen Einfluss die zahlreichen Eingangsparameter auf das Fahrzeugmodell haben und ob sich diese für eine rechentechnische Umsetzbarkeit reduzieren lassen.
Für die Ermittlung der wesentlichen Eingangsgrößen für die Lastsimulation und zur Verständnisbildung des Gesamtsystems Fahrzeug/Gleis werden Messungen von Fahrzeug und Gleis analysiert. Zeitgleich werden verschiedene Modellierungskonzepte von Drehgestell und Schiene betrachtet und bewertet. Auf das daraus resultierende Gesamtmodell werden die gewonnenen Eingangsgrößen aus der Messung aufgebracht um mögliche Einsatzszenarien eines Fahrzeuges realitätsnah abbilden zu können.
Aus den im Rahmen der Arbeit entwickelten MKS Modellen soll es auch möglich sein die Beanspruchung für weiterführende Betriebsfestigkeitsuntersuchungen von schwingungsgefährdeten Drehgestellanbauteilen zu erhalten. Dabei werden frequenzabhängige Energieanteile berücksichtigt, die vom Fahrweg in das Fahrzeug eingeleitet werden und zu Schäden an schwingungsfähigen Anbauteilen führen können. Auf der Grundlage dieser wissenschaftlichen Erkenntnisse soll somit ein besseres Verständnis des Systemverbundes gegeben werden, wodurch eine einheitliche Weiterentwicklung des Gesamtsystems Bahn ermöglicht werden kann.