Schwerpunkt Rad-Schiene-Geräusche
           Simulationstool Rollgeräusche
           Lärmarme kontinuierliche Schienenlagerung für den Fernverkehr
           Optimiertes Schleifverfahren HSG (High Speed Grinding) für Schienen
           Kurvengeräusche
           Leiser Zug auf realem Gleis (LZarG)

Einführung

Schienenverkehrslärm

Aus Umweltschutzgründen ist eine Verlagerung des Personen- und Gütertransports von der Straße auf die Schiene notwendig, sowohl im Nah- als auch im Fernverkehr, so dass der Minderung des Schienenverkehrslärms zukünftig verstärkte Bedeutung zukommt. Die wesentlichen Geräuschkompo­nenten des Schienenverkehrs sind

• Antriebsgeräusche (insbesondere bei Diesellokomotiven),

• Rad-Schiene-Geräusche und

• aerodynamische Geräusche (bei Fahrgeschwindigkeiten oberhalb 300 km/h).

Im Nahverkehr (Straßenbahn, S-Bahn, U-Bahn) kommen noch Maschinengeräusche, Kurvenquietschen, Rumpel-, Brems-, Rangiergeräusche, akustische Signale usw. hinzu.

Bei den heutigen Zuggeschwindigkeiten dominiert das Rad-Schiene-Geräusch, wobei die dynamischen Vor­gänge im Kontaktbereich Rad/Schiene von ausschlaggebender Bedeutung sind. Das Rollgeräusch ist im wesentlichen abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, dem Zustand der Fahrfläche (glatt, rauh) und der Fahrbahnart (Holz- oder Betonschwellen mit Schotterbett, "Feste Fahrbahn", Brücken, Bahnübergänge usw.). Der Zustand der Fahrfläche wird sehr stark von der Art der Bremsen bestimmt: Die bei IC- und ICE-Zügen üblichen Scheibenbremsen sind hier wesentlich günstiger als die Klotzbremsen der Güter­züge, die auf die Radlauffläche eingreifen und dadurch zuerst Fehlstellen auf den Rädern und in Folge Rauheiten der Gleise verursachen.

Die Gleisrauheiten lassen sich durch Schleifen wieder beseitigen. Das ergibt bei schlechtem Aus­gangszustand Pegelminderungen von bis zu 20 dB(A) und bei durchschnittlich gepflegten Gleisen von etwa 3 dB(A). Die Wirksamkeit der Schleifverfahren lässt sich wohl noch verbessern.

Bei bestehenden Zügen lassen sich die Rollgeräusche vor allem durch Maßnahmen an den Rädern senken: Durch geeignete Radgeometrien sind bis zu 6 dB(A) Minderung möglich, der Einsatz von Rad­schallabsorbern bringt bis zu 8 dB(A), Radabdeckungen bis zu 5 dB(A). Die Wirkungen dieser Einzelmaßnahmen lassen sich allerdings nicht addieren. Insgesamt ist jedoch von einem hohen Entwicklungspotential auszugehen.

Das mangelhafte Image der öffentlichen Schienenverkehrsmittel (Straßen-, S- und U-Bahn) ist mit auf ihr unbefriedigendes Geräuschverhalten auch für die Reisenden zurückzuführen. Eine deutliche Lärmminderung würde ihre Attraktivität erhöhen und könnte so zu einer Verringerung des Individual­verkehrs beitragen.

Aerodynamische Geräusche spielen nur im Hochgeschwindigkeitsverkehr eine Rolle. Wichtige Quellen sind der Zugkopf, die Fahrwerke, die Radkästen, die Übergänge zwischen den Wagen und der Stromabnehmer. Letzterer strahlt als hochliegende Schallquelle über alle Schallschutzwände hinweg ungedämpft ab und ist deshalb von besonderer Bedeutung.

Die vorliegenden Erfahrungen lassen sich zusammenfassen in der Feststellung, dass es keinen ein­fa­chen Weg zu einer leisen Bahn gibt, weil

• die physikalischen Grundlagen der Lärmentstehung noch nicht vollständig geklärt sind, 

• eine Vielzahl von zum Teil gegenläufigen Einflussparametern existiert und

• neben der Forderung nach leisen Zügen technische, infrastrukturelle und ökonomische Rand­bedingungen berücksichtigt werden müssen.

Der Schwerpunkt der im Bereich Leise Züge und Trassen vorgeschlagenen Vorhaben liegt auf Rad-Schiene-Geräuschen und Antriebsgeräuschen, insbesondere von Güterzuglokomotiven. Der Güterverkehr bietet beträcht­lich Minderungspotentiale. Die heutigen mit Grauguss-Klotzbremsen ausgerüsteten Güterwagen sind eine dominante Lärmquelle und tragen erheblich zur Lästigkeit bei, besonders weil der Güterverkehr verstärkt in verkehrsschwachen Nachtstunden abgewickelt werden soll. Durch Umstellung auf Kunst­stoffbremsklötze lässt sich ein zweifacher Nutzen erzielen: neben der objektiven Lärmminderung der Güterwagen geht auch die nächtliche Belästigung zurück. Mit Abschwächung der Rollgeräusche treten dann aber die Antriebsgeräusche der Lokomotive stark in den Vordergrund und bedürfen deshalb der Reduzierung.

Das Ziel aller vorgeschlagenen Projekte ist es, kurz bis mittelfristig eine deutliche Lärmminderung im Schienenverkehr zu erreichen. Dies soll mit verschiedenen Methoden erreicht werden. Ein großer Teil der Projekte geht die Lärmprobleme von der konstruktiven Seite der Fahrzeuge oder des Fahrweges an. Einige Einzelvorhaben zielen auf die Erweiterung des Hintergrundwis­sens, das notwendig ist, um die nächste Schienenfahrzeuggeneration lärmärmer konstruieren zu kön­nen, andere bemühen sich um praktikable akustische Optimierungsvorschläge für bestehende Schie­nenfahrzeuge, die ja eine Lebenszeit von ca. 30 Jahren haben. Insgesamt ist ein Lärmminderungspo­tential bis 25 – 30 dB(A) vorhanden.

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Aufgabenpaket
Lärmarme Kontinuierliche Schienenlagerung für den Fernverkehr (LKSF)
im Schwerpunkt Rad-Schiene-Geräusche

Leitung:          H. Lenz
Ing.-Büro Uderstädt + Partner, Essen 

Beschreibung der Problematik
Die Geräuschimmissionen von Schienenverkehrswegen entstehen durch das Zusammenwirken von Fahrzeug und Fahrweg. Insofern ist auch die Konstruktion des Fahrweges von großer Bedeutung für die Schallabstrahlung eines Schienenverkehrsweges. Bisher durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass das Lärmminderungspotenzial des Oberbaus noch nicht ausgeschöpft ist.

Ziel des Vorhabens
Es soll eine kontinuierliche Schienenlagerung für Feste Fahrbahnen von Eisenbahnen mit dem Ziel entwickelt werden, die Schallemissionen um 3 – 6 dB(A) zu reduzieren.
Eine Beschreibung des Vorhabens finden Sie hier.

Partner
Max Bögl, Bauunternehmung GmbH & Co KG, Neumarkt
Polyplan GmbH, Straßlach-Dingharting
BÜFA Polyurethane GmbH & Co KG, Oldenburg
TU Berlin, Fachgebiet für Schienenfahrwege und Bahnbetrieb
TU München, Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen
BÜFA Polyurethane GmbH & Co KG, Oldenburg
Ingenieurbüro Uderstädt + Partner, Ingenieure für Schwingungs-, Schall- und Schienenverkehrstechnik, Essen

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Aufgabenpaket
Optimiertes Schleifverfahren HSG (High Speed Grinding) für Schienen
im Schwerpunkt Rad-Schiene-Geräusche

Leitung:          Herr Taubert
RCB rail center Bützow GmbH & Co.KG
D-18246 Bützow

Problemstellung

Der Lärm ist eine bedeutende ökologische Schwachstelle des ansonsten als umwelt­freundlich angesehenen Schienenverkehrs. Seine Beeinträchtigungen durch Lärm liegen zwar oft deutlich unter denen des Straßenverkehrs, die auf die jeweiligen Ver­kehrsleistungen bezogenen Lärmbelastungen sind aber kaum geringer. Insbe­son­dere der nächtliche Güterverkehr führt für relevante Teile der Bevölkerung zu Belastungen, die gesundheitsschädigende Ausmaße erreichen. Die Beeinträchti­gungen durch Lärm sind deshalb auch ein wesentlicher Grund für den Widerstand der Bevölkerung gegen neue oder stärker belastete Trassen. Das umweltpolitische Ziel einer Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schiene wird dadurch in Frage gestellt.

Der Rad-Schiene-Kontakt nimmt einen bedeutenden Anteil der Lärmemission des Schienenverkehrs ein. Durch die Betriebsbelastung bilden sich auf der Schienenfahr­fläche Riffel sowie kurze und lange Wellen. Insbesondere Riffel regen bei Zugüberfahrt die Schiene zu Schwingungen an, deren Frequenzen im Hörbereich des Menschen hohe Amplituden erzeugen. Um die Lärmgrenzwerte des Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) einzuhalten, werden vielfach teure und landschaftlich problematische Lärm­schutzbauwerke (Wände, Wälle) seitlich der Schienenfahrwege gebaut.

Riffel, kurze und lange Wellen lassen sich durch Schleifen wieder beseitigen. Das ergibt bei schlechtem Ausgangszustand Pegelminderungen von bis zu 20 dB(A) und bei durch­schnittlich gepflegten Gleisen etwa 3 dB(A). Die Wirksamkeit der Schleif­ver­fahren lässt sich noch verbessern.

Seit über 40 Jahren ist das Schleifen von Schienen Bestandteil im Aktionsprogramm der Deutschen Bahn AG bzw. Deutschen Bundesbahn. Folgende Schleiftechnologien werden derzeit ein­gesetzt: oszillierende Rutschersteine und rotierende Schleifscheiben.

Die Lebensdauer der Schiene hängt maßgeblich von einem ausgewogenen Verhält­nis der Betriebsbelastung zum Verschleiß ab. Das ideale Verhältnis dieses gesteuer­ten Verschleißes wird als "Magic Wear Rate" bezeichnet. Neben den durch Überrollvorgänge erzeugten Spannungen in der Schiene führen auch Unregelmäßig­keiten und fehlender natürlicher Verschleiß zu Rissentstehung und -wachstum in der Schiene. Die Problematik der Rollkontaktermüdung führt zu einer deutlich verkürzten Lebens­dauer der Schienen.

Seit Ende der 90er Jahre ist im Netz der DB AG unter gewissen Umständen der Er­satz baulicher Lärmschutzeinrichtungen durch das so genannte "Besonders über­wachtes Gleis" (BüG) möglich. Dabei wird der Zustand der Schienenoberfläche in besonders kurzen Zeitabständen gemessen und bei Bedarf wird geschliffen.

Nach­teile der derzeitigen Schleiftechnik sind:

• die Fahrgeschwindigkeit während des Schleifprozesses beträgt 3 bis 5 km/h, bei hochbelasteten Gleisen sind dadurch betriebliche Einschränkungen ver­bunden, mit der Folge von Betriebserschwerniskosten
• der Einsatz von derzeit üblichen Schleifmaschinen ist teuer
• die derzeit praktizierten Schleifzyklen sind zu lang mit der Folge der Riffelent­stehung

Ziele des Projektes

Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung und die Einsatzoptimierung einer Schleifmaschine für das schnelle, regelmäßige Pflegen von Schienen. Die Arbeits­geschwindigkeit soll bis zu 120 km/h betragen. Dabei werden folgende Ziele verfolgt:

• Gewährleistung einer Lärmreduktion 3 dB(A), die mit dem "Besonders über­wach­ten Gleis" (BÜG) bei Überfahrt mit einiger­maßen glatten Radlaufflächen garantiert werden können
• Verhinderung der Entstehung von Rollkontaktermüdungsfehlern und Riffeln durch eine regelmäßige Schienenpflege
• Minimierung des Materialabtrages durch Schleifen, bezogen auf die gesamte Lebensdauer der Schiene
• Verlängerung der Lebensdauer der Schiene und damit Verminderung der Lebens­zykluskosten (LCC) der Schiene
• Vermeidung von Betriebseinschränkungen aufgrund der hohen Arbeits­ge­schwindig­keiten (Mitschwimmen im Fahrplan)
• Signifikante Reduzierung der Schleifzyklen konventioneller Schleif­maschinen
• Signifikante Reduzierung der gesamten Instandhaltungskosten der Schiene gegenüber konventionellen Verfahren

Die HSG-Methode verbessert das Längsprofil eines noch in den zulässigen Toleranzen liegenden Schienenquerprofils. Entstehende Unebenheiten (z.B. Riffel) und Mikrorisse werden in einem frühen Stadium der Entstehung beseitigt.

Partner
RCB rail center Bützow GmbH & Co.KG
TU Berlin, Fachgebiet für Schienenfahrwege und Bahnbetrieb

Verbundprojekt
Kurvengeräusche
im Schwerpunkt Rad-Schiene-Geräusche

Leitung:            Dipl.-Ing. Udo Lenz
                        I.B.U. Ing.-Büro Uderstädt + Partner
                        D-45147 Essen

Einführung

In innerstädtischen Bereichen sind Straßenbahnen grundsätzlich als umweltfreundliches Verkehrsmittel anzusehen. Sie erzeugen allerdings bestimmte Schallimmissionen, die von manchen Anwohnern als erheblich belästigend angesehen werden. Das gilt insbesondere für die in Gleisbögen auftretenden Geräusche. In Gleisbögen mit großen Radien wird durch das Spurkranzanlaufen ein breitbandiges Zischelgeräusch und bei kleinen Radien durch die Stick-Slip-Vorgänge ein tonales Geräusch (Kurvenquietschen) erzeugt. Die durch diese Geräusche entstehenden Belästigungen können erheblich sein. Alle Verkehrsunternehmen sind auf der Suche nach Minderungsmöglichkeiten. Sie haben schon vielfältige Lösungen getestet. Hierbei stellt sich immer wieder heraus, dass Maßnahmen, die an einer Stelle eine Verbesserung bewirken, an anderer Stelle nicht zu einer spürbaren Minderung der Geräusche beitragen. Im Rahmen des Forschungsverbundes "Leiser Verkehr" haben sich verschiedene Institutionen und Firmen zusammengetan, um neue Lösungen für das Problem unter Anwendung neuer Technologien aufzuzeigen.

Projektbeschreibung

Das Verbundprojekt besteht aus 4 Hauptarbeitspaketen:

Im Hauptarbeitspaket Phänomenologische Parameteranalyse von Kurvengeräuschen im Nahverkehr sollen durch messtechnische Untersuchungen die Randbedingungen ermittelt werden, bei denen durch bestimmte Maßnahmen eine Minderung von Kurvengeräuschen zu erwarten ist. Weiterhin sollen "bekannte Maßnahmen" untersucht werden, die an einer Stelle wirken und an anderer Stelle nicht oder nur unzureichend. Hierbei geht es um die Verallgemeinerung lokal mit Erfolg eingesetzter Lösungen.

Das Hauptarbeitspaket Rechnergestütztes Prognoseverfahren beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des vorhandenen Simulationswerkzeuges "SFE AKUSRAIL" aus dem vom BMBF geförderten Projekt "SIMTool – Rollgeräusch". Es soll zukünftig möglich sein, mit dem Simulationswerkzeug die Einflussparameter der Kurvengeräusche rechnerisch systematisch zu betrachten. Insbesondere wird es möglich sein, rechnerische Auslegungen von Maßnahmen zur Reduzierung der Kurvengeräusche vorzunehmen.

Im Hauptarbeitspaket Maßnahmen an Rad und Schiene werden vorhandene und in der Vergangenheit mit mehr oder weniger Erfolg getestete Lösungen weiterentwickelt. Es handelt sich hierbei um eine Rad- und Schienenstegbedämpfung sowie einer Befeuchtungsanlage. Ziel ist die Entwicklung zuverlässig wirkender Schutzmaßnahmen.

Im Arbeitspaket Handbuch werden die Ergebnisse der vielfältigen Messungen, Berechnungen und weiter gehenden Betrachtungen zusammengetragen. Ziel ist es, für den Praktiker eine Entscheidungs- und Handlungsgrundlage zu schaffen.

Als potenzielle Anwender für das Handbuch "Kurvengeräusche" werden folgende Institutionen gesehen:

• Entwurfsabteilungen der Hersteller von Schienenfahrzeugen;

• Bahnbetreiber zur Simulation von Lärmemissionen bei der Betrachtung der Akzeptanz in der Bevölkerung;
• Ingenieurbüros, die Entwurfsleistungen für Hersteller von Schienenfahrzeugen und für Bahnunternehmen erbringen;
• Bahnbetreiber, die eigene Konstruktionsabteilungen besitzen;
• Verkehrsbetriebe, die Problemlösungen bei Anliegerbeschwerden suchen;

• Planungsbüros, die Betreiber von Schienenverkehrswegen beraten;

• Wissenschaftliche Hochschul- und Ausbildungseinrichtungen zur Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am System Bahn.

Partner

Alstom LBH, Salzgitter
Bombardier Transportation, Hennigsdorf
moBiel GmbH, Bielefeld
Polyplan GmbH, Straßlach
SFE GmbH, Berlin
STUVA, Köln
SWM, Stadtwerke München
TU Berlin

Das Projekt wird unterstützt von den Verkehrsbetrieben Berlin, den Verkehrsbetrieben Düsseldorf, den Verkehrsbetrieben Karlsruhe, dem Verband Deutscher Verkehrsunternehmen (VDV) und der Fachhochschule Bielefeld.

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BMWi-Verbundprojekt
Leiser Zug auf realem Gleis (LZarG)
im Schwerpunkt Rad-Schiene-Geräusche

Leitung:          Dr. Matthias Mather
Deutsche Bahn AG, Bahn-Umwelt-Zentrum 

Beschreibung des Verbundprojekts
Die Schwerpunkte für "L Zar G" wurden aus einer vergleichenden Untersuchung und Bewertung der Ergebnisse bereits durchgeführter Forschungs- und Entwicklungsvorhaben abgeleitet. Neben den jeweiligen Maßnahmenkombinationen, die in den betrachteten Forschungsvorhaben verfolgt wurden, wurden zusätzlich Einzelmaßnahmen zur Lärmsenkung, wie beispielsweise Bremssohlen (-beläge), vergleichend bewertet.

Aus dieser Untersuchung hat sich klar ergeben, dass im Hinblick auf die vorliegende Aufgabenstellung vor allem folgende Entwicklungspfade weiterverfolgt werden sollten:

• Unterbindung der Geräuschabstrahlung durch integrierte konstruktive Maßnahmen am Fahrzeug (Radschallabsorber, Schwingungsdämpfung, schalloptimierte Radsätze, Verminderung der Körperschallübertragung)

• Verminderung der Geräuschentstehung und der Entstehung von Erschütterungen durch integrierte Systemlösungen am Oberbau (Schwellenform, Schienenlagerung, Schwingungsdämpfung, Oberbauinstandhaltung)

• Weitere Maßnahmen zur Verringerung der Oberflächenrauigkeit von Rad und Schiene (Bremstechnik, Antriebstechnik, Schienenschleifen) bzw. Optimierung bisheriger Maßnahmen

Gesamtziel des Vorhabens
Die Bundesregierung hat in ihrem nationalen Lärmschutzpaket darauf hingewiesen, dass die Bekämpfung des Lärms an der Quelle die wirksamste Lärmschutzmaßnahme ist. Lärmreduktion durch technische Innovation und Forschung wird als eine der drei wichtigen Strategien angesehen. Hier setzt das Vorhaben an:

Beantragt wird ein Verbundprojekt "Leiser Zug auf realem Gleis" (L Zar G) mit dem Ziel, kurzfristig umsetzbare technische, wirtschaftliche und betriebliche Maßnahmen zu entwickeln, um bis zum Jahr 2020 eine Senkung des Schienenlärms des Güterverkehrs in Deutschland an besonders belasteten Stellen um 10dB(A) gegenüber dem Stand von 2000 zu erreichen. Dieses Ziel hat sich die Deutsche Bahn AG gestellt.

Partner
Deutsche Bahn AG
Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH
Bombardier Transportation
ContiTech Luftfedersysteme für Schienenfahrzeuge GmbH
ConTraffic GmbH
Faiveley Transport Witten GmbH
Getzner Werkstoffe GmbH
Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH
Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH
Radsatzfabrik Ilsenburg GmbH
Schrey & Veit GmbH
Technische Universität Berlin
Technische Universität Dresden
Technische Universität München
TransTec Vetschau GmbH
Vossloh Werke GmbH

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Lüftungsgeräusche, die bei der Kühlung der Antriebskomponenten entstehen, haben einen wichtigen Anteil am Geräusch von Schienenfahrzeugen. Die Minderung der Lüftungsgeräusche war Ziel dieses inzwischen abgeschlossenen Vorhabens. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse finden Sie hier.