Verkehrssicherheit 09.08.2002, 18:21 Uhr

Gummiring im Visier der Forscher

Vor dem Oberlandesgericht Celle beginnt am 28. August die Hauptverhandlung zur Katastrophe von Eschede. Dr.-Ing. Xiufei Liu vom Institut für Fördertechnik und Getriebetechnik der TU Berlin vertritt bei der Ursachenforschung zu dem ICE-Unglück eine neue These. Laut seiner Aussage soll die Eigenerwärmung des Gummirings zwischen Radscheibe und Radreifen „zu einem großen Teil die ICE-Katastrophe mitverursacht haben“.

Nach dem Schock über das katastrophale ICE-Unglück am 3. Juni 1998 in Eschede war die Ursache für den Zugunfall relativ schnell benannt. Das Versagen eines gummigefederten Radreifens am hinteren Drehgestell des ersten Wagens löste den schrecklichen Unfall aus, durch den 101 Menschen ihr Leben verloren und 119 teilweise schwere Verletzungen erlitten.
Forscher haben in den vergangenen vier Jahren die Beanspruchungen im Radkörper untersucht, wobei sie – so Dr.-Ing. Xiufei Liu vom Institut für Fördertechnik und Getriebetechnik der TU Berlin – mit „stark vereinfachten Annahmen rechneten“. Die von dem chinesischen Forscher gewonnenen Erkenntnisse werfen ein ganz neues Licht auf das ICE-Unglücks von Eschede. „Im Gummiring des Radkörpers stieg während des Rollbetriebs die Temperatur auf mehr als 90 0C an,“ so Liu. Dies habe zur Vergrößerung seines Volumens geführt. Durch diese Volumenänderung des Gummielementes sei es zusätzlich zu relativ großen Spannungen (bis 480 N/mm2) zwischen Radscheibe und Radreifen gekommen, was den Radreifen zusätzlich stark belastet habe.
Mit gummigefederten Rädern lassen sich Rollgeräusche und stoßartige Belastung besonders bei hohen Fahrgeschwindigkeiten deutlich besser als mit Monoblockrädern reduzieren. Dabei sorgt der Gummiring zwischen der Radscheibe und dem Radreifen für die Geräuschdämpfung. „Bisherige Untersuchungen anderer Forscher hatten lediglich die elastische Eigenschaft des Gummirings berücksichtigt,“ betont Liu. Der Gummiring verfüge aber neben seiner gegenüber Stahl wesentlich geringeren Steifigkeit noch über andere Eigenschaften, die für die Beanspruchung des Radreifens sehr entscheidend seien und ohne deren Berücksichtigung keine Aussage über den Spannungszustand im Radreifen gemacht werden könne.
„Der Gummiring im Radkörper besitzt einen relativ großen Verlustfaktor,“ erklärt der Forscher von der TU Berlin. Dieser führe während des Rollbetriebs zur Eigenerwärmung des Gummirings. Hieraus resultiere eine gegenüber Stahl wesentlich größere Wärmeausdehnung. Wegen der Inkompressibilität des Gummirings müsse seine Volumenveränderung durch Verformung der Radscheibe und des Radreifens aufgenommen werden. Dadurch komme es zu einer zusätzlichen relativ großen Spannung im Radreifen.
In der Grafik „Temperaturverteilung“ wird der mit Hilfe der Finite-Element-Methode berechnete Temperaturbeharrungszustand im rollenden, gummigefederten Radkörper bei einer Umgebungstemperatur von 24 0C in Falschfarben dargestellt. Während – so Liu – die Temperatur an der Lauffläche des metallischen Radreifens nur 3 0C höher sei als die Umgebungstemperatur, steige sie im Inneren des Gummirings auf einen maximalen Wert von 94,7?0C an. Die aufgrund der Wärmeausdehnung des Gummirings entstehenden Spannungen überlagerten sich mit den Spannungen aus der mechanischen Belastung des Fahrbetriebs. Die Problematik versucht besonders die Grafik „Vergleichsspannung“ zu verdeutlichen, und zwar im Rahmen der Betrachtung der Verteilung der Vergleichsspannung in der Umgebung der Kontaktzone und des Gummirings. Liu verweist in diesem Zusammenhang auf die deutlich gemachten relativ großen Spannungen im Innern des Radreifens – mit Richtung aus der Spur heraus (Bereich A).
„Eine weitere Zunahme der Spannung tritt im Lauf der Betriebszeit ein,“ betont der Forscher, wenn der Radreifen allmählich verschleiße und dadurch seine Dicke, also seine Biegesteifigkeit, kleiner werde. Die für den Rollbetrieb errechnete maximale Spannung im Radreifen sei dann so groß, dass sie die Dauerfestigkeit des Reifenwerkstoffs überschreiten könne. „Aus diesen Untersuchungen lässt sich schließen, dass die Eigenerwärmung des Gummirings und die damit verbundene Volumenänderung eine wesentliche Ursache für das Versagen des ICE-Rades in Eschede gewesen sein können,“ urteilt Liu. Wie kritisch der Einsatz von Gummielementen in hoch beanspruchten Bauteilen sein könne, würde auch die Explosion der Raumfähre „Challenger“ im Jahr 1986 belegen. Dort gelte als Schadensursache ebenfalls ein Gummielement, dessen besondere Eigenschaften bei tiefen Temperaturen die Katastrophe ausgelöst haben sollen. XL/WOP
Die am Institut für Fördertechnik und Getriebetechnik der TU Berlin (Ltg. Prof. Dr.-Ing. Dietrich Severin) gewonnenen Erkenntnisse basieren auf mehreren von der DFG geförderten Forschungsprojekten. Weitere Informationen sind erhältlich unter : liu.@ws-ifg.kf.tu-berlin.de

Ein Beitrag von:

  • Wolfgang Pester

    Ressortleiter Infrastruktur bei VDI nachrichten. Fachthemen: Automobile, Eisenbahn, Luft- und Raumfahrt.

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