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Flüsternde Bremsen und rauschende Züge: Wie innovative

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Innovative Technologien für leisere Züge
Axel Schuppe
Flüsternde Bremsen und rauschende
Züge: Wie innovative Technologien
den Schienenverkehr beruhigen
Der Schienenverkehr erlebt zu Beginn des 21. Jahrhunderts weltweit eine Renaissance. Auch in Deutschland
boomt der Eisenbahnverkehr. Der Schienengüterverkehr gewinnt seit Jahren Marktanteile und noch nie
nutzen hierzulande so viele Menschen die Bahn wie heute. Auch die Bundesregierung formuliert mit ihrem
Masterplan Güterverkehr und Logistik ein eindeutiges Bekenntnis für die Schiene. Ohne ihre deutliche
Stärkung lassen sich die Warenströme der Zukunft nicht bewältigen; Verkehrsinfarkte in den Metropolen
und Knotenpunkten der Welt wären die Folge. Der Schienengüterverkehr in Deutschland wird sich weiter
drastisch entwickeln. Selbst konservative Prognosen sehen ein Wachstum um den Faktor 1,5 bis zum Jahr
2020 voraus. Halbiert man die Zunahme des Schienengüterverkehrsaufkommens der drei zurückliegenden
Jahre, dann werden im Jahr 2020 – immer noch konservativ geschätzt – verteilt über das ganze Netz doppelt
so viele Züge auf der Schiene verkehren wie heute. Was in der Fläche zu einer Verdoppelung führt, bedeutet
an Knotenpunkten, in Ballungszentren oder den Überseehäfen ein Vielfaches dieses angenommenen Verkehrsaufkommens. Mehr als 60 Prozent des Schienengüterverkehrs sind grenzüberschreitend – Tendenz
steigend.
Die Erhöhung des Verkehrsaufkommens
auf der Schiene bietet zahlreiche Vorteile: Vor dem Hintergrund des bedrohlichen
Klimawandels ist die niedrige Emissionsbilanz zum Schutz des Klimas zweifellos der
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bedeutendste. Wachsender Schienenverkehr führt jedoch auch zu erhöhten Lärmbelastungen für Anwohner. Insbesondere
der Schienengüterverkehr ist hier problematisch.
Noch dürfen Züge sonntags fahren, noch
sind keine lärmbedingten Einschränkungen des Betriebes bekannt geworden.
Doch in einem Umfeld, in dem die Lebensqualität der Bürger höchste Priorität
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genießt, muss das auf Dauer nicht so bleiben. Lärmschutz ist die Grundlage für weitere Wachstumsmöglichkeiten der Bahnen
und gehört somit zu den Aufgaben der
Eisenbahnverkehrs- und Infrastrukturunternehmen. Für die im Verband der
Bahnindustrie in Deutschland (VDB) e. V.
zusammengeschlossenen Unternehmen,
die auf die Entwicklung und Fertigung von
Schienenfahrzeug- und Infrastrukturkomponenten spezialisiert sind, ist Lärmschutz
ein zentrales Anliegen.
Die Politik setzt die für den Lärmschutz
notwendigen Rahmenbedingungen. So
wird der Schutz der Anwohner vor Lärm
und Erschütterungen durch das BundesImmissionsschutzgesetz (BImSchG) geregelt. Die Bundesregierung verfolgt weiter das Ziel, die Bevölkerung noch besser
vor Verkehrslärm zu schützen. Seit 2007
werden auf Karten die Lärmkonzentrationen in Ballungsräumen verzeichnet. Die
Bestrebungen aller Beteiligten (BMVBS,
BMWi, BMU, BM, UBA, EBA) gehen aber
noch weiter: Ziel ist eine Entkopplung des
Verkehrswachstums von der Lärmentwicklung.
Der Lärmschutz im Eisenbahnverkehr ist
darüber hinaus eine gesamteuropäische
Aufgabe, da die nationalen Schienennetze auch von Wagen anderer europäischer
Länder befahren werden. Deutschland als
Transitland in Mitteleuropa kommt dabei
ein besonderer Stellenwert zu. Der Anteil
ausländischer Güterwagen liegt hier zwischen 30 und 40 Prozent. Für den grenzüberschreitenden Verkehr zugelassene
Fahrzeuge müssen daher seit 2007 die
Regelungen der EU-Norm „TSI-Noise““ erfüllen.
Doch was ist Schienenverkehrslärm eigentlich? Wie entsteht er? Wie wirkt er in
seinen unterschiedlichen Stufen auf die
betroffenen Menschen? Sind die Wagen
die Lärmverursacher? Welchen Einfluss
haben die Schienen und das Gleisbett? Um
wirksame und vor allem effiziente Maßnahmen finden und umsetzen zu können,
muss man die Lärmentstehung und -wirkung verstehen. Ein kurzer Exkurs in die
Physik und das Entstehen von Geräuschquellen kann hierauf die nötigen Antworten liefern.
Bild 1: Entwicklung des Schienengüterverkehrs in Deutschland bis 2020
(Grafik: VDB)
Die Erzeugung ist stets mit einer dynamischen Kraft oder Bewegung verbunden.
Die Schallwellen übertragen Energie. In
der Luft treten diese Wellen in Form von
Druckschwankungen auf.
Der hörbare Schall umfasst einen Frequenzbereich von 16 Hz bis 20 kHz. Bei verschiedenen Frequenzen nimmt das menschliche
Ohr den Schall unterschiedlich wahr. Umfragen belegen, dass der Schienenverkehr
im Vergleich zum Kfz-Verkehr als emissionsärmer empfunden wird.
Gemessen wird der Druckpegel des Schalls
in Dezibel (dB), einer logarithmischen Einheit. Eine Minderung des Schalldruckpegels um 3 dB entspricht einer Reduktion
auf ungefähr die Hälfte des ursprünglichen
Werts. Die Deutschen Bahn AG will den
Schienenverkehrslärm für das Gesamtnetz
vom Jahr 2000 bis 2020 halbieren. Das gemeinsame Projekt „Leiser Zug auf realem
Gleis“ von Bahnindustrie und Deutscher
Bahn strebt eine weitere Reduktion um
5 dB an. Diese ehrgeizigen Ziele verdeutlichen das große Engagement von Bahnin-
dustrie, Eisenbahnverkehrsunternehmen
und dem Schienengüterverkehrsmarkt bei
der Senkung des Schienenverkehrslärms.
Die Landschaft der Geräuschquellen ist
systembedingt im Schienenverkehr sehr
vielfältig. Zu den wichtigsten zählen:
Bild 2: Schallwirkungen auf Anwohner
(Grafik: VDB)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Antriebs- bzw. Aggregatsgeräusche
Aerodynamische Geräusche
Bremsgeräusche
Rollgeräusche
Kurvengeräusche (z. B. Quietschen)
Schlaggeräusche
Alle diese Geräuschquellen sind typisch
und wirken gemeinsam sowohl im Schienenpersonennah- und -fernverkehr, als
auch im Schienengüterverkehr. Durch
Konstruktionsunterschiede der Verkehrsmittel und die Werthaltigkeit der eingesetzten Technologien nimmt der Mensch
diese Lärmformen verschieden stark wahr.
Radsatz- und Federung sowie Zug- und
Stoßeinrichtigen sind hinsichtlich Komfort, Konstruktion und Kosten an den
Geräuschentstehung im
Schienenverkehr –
ein Exkurs in die Physik
Als Lärm bezeichnet man Schall, der aufgrund seiner Frequenz und/oder seines
Schalldrucks als störend empfunden wird.
Schall tritt in festen Körpern, Luft und
Flüssigkeiten auf. In jedem Fall existiert
eine Schallquelle, die Schallwellen erzeugt.
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Bild 3: Das Zusammenwirken von Rad
und Schiene im Oberflächenkontakt
als Hauptgeräuschquelle. (Grafik: VDB)
jeweiligen Einsatz im Personen- oder Güterverkehr angepasst. Unterschiedliche
Bauformen von Güterwagen (Kesselaufbauten, Container) wirken wie Resonanzkörper und verstärken insbesondere im
leeren Zustand die Schallübertragung.
Während im Schienenpersonenverkehr
vorrangig hochwertige Scheibenbremsen
verwendet werden, Triebzüge außerdem
mit motorischen bzw. generatorischen
Bremsen ausgestattet sind, kommen im
Schienengüterverkehr geräuschintensivere
Klotzbremsen zum Einsatz. Abgesehen von
den technischen Unterschieden ist auch
der Betriebsablauf von Bedeutung. Im Gegensatz zum Personenverkehr findet der
Schienengüterverkehr vorwiegend nachts
statt, weshalb hier der Lärmminderung
eine besondere Bedeutung zukommt.
Was tut die Bahnindustrie?
Insbesondere bei aerodynamischen und
Antriebsgeräuschen setzt die Bahnindustrie auf ganzheitliches Akustikmanagement. Es gibt heute keinen Schienenfahrzeughersteller, der nicht wenigstens einen,
wenn nicht eine ganze Abteilung von
Akustikspezialisten beschäftigt. Die eine,
singuläre Maßnahme zur Lärmreduzierung
gibt es nicht. Vielmehr wirkt eine Vielzahl
von Einzelmaßnahmen zusammen, um
im System die Körperschall erzeugenden
Kräfte aktiv zum Ausgleich zu bringen.
Hierzu gehören Schallschutzschürzen für
Antriebsaggregate, elastische Aufhängungen und Lagerungen und teilweise
sogar aktive Piezo-Sensorik zwischen Antriebs- und Tragrahmenelementen. Diese
Maßnahmen führen zu einer signifikanten
Reduzierung des Schalldruckpegels bis zu
5 dB (A).
Experten betrachten als Lärmursache
Nummer eins das Rollgeräusch, also den
Schall, der durch den dynamischen Kontakt zwischen Schiene und Radlaufflächen
entsteht. Dabei trägt der Zustand der
Schiene als auch der des Schienenfahrzeugs zur Schallentstehung bei. Man kann
sich die Funktionsweise so ähnlich wie
bei der Straße vorstellen. Ein komfortabler Pkw ist auf glattem Asphalt akustisch
kaum wahrzunehmen, doch bei mittlerer
Geschwindigkeit auf Kopfsteinpflaster versteht man in fünf Metern Entfernung sein
eigenes Wort nicht mehr. Optimale Schienenverhältnisse sind deshalb eine wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit von
Maßnahmen am Zug. Durch Maßnahmen
zum Erhalt glatter Fahrflächen, wie beispielsweise dem regelmäßigen Schienenschleifen, sind je nach Ausgangssituation
bis zu 20 dB (A) Pegelminderung möglich.
Bei Güterzügen können signifikante
Geräuschminderungen im Bereich der
Bremstechnik erzielt werden. Das heute probate und erprobte Mittel ist die
Kunststoff-Bremssohle (K). Sie reduziert
den Schalldruckpegel um bis zu 10 dB (A)
gegenüber den herkömmlichen GraugussBremssohlen. Die Kunststoffbremsklötze
sind bei neugebauten Güterwagen einfach
einsetzbar. In der Nachrüstung bereits
in Betrieb befindlicher Güterwagen sind
jedoch aufwendigere Umbauten erforderlich. Um diesen Nachteil aufzuheben,
wird gegenwärtig die sogenannte LL-Sohle
entwickelt, die aber noch nicht zugelassen
ist.
„Leiser Zug auf realem Gleis“
Die K-Sohle bildet eine gute Basis. Dennoch nimmt die Bahnindustrie die weite-
Bild 4: Compact
freight car brake.
(Knorr-Bremse AG)
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re Reduktion der Schallemissionen sehr
ernst. Gemeinsam mit der DB AG und Forschungseinrichtungen, gefördert durch
das Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie, engagieren sich zahlreiche Mitgliedsunternehmen des VDB
im Forschungsprojekt „Leiser Zug auf
realem Gleis“ (LZarG). Ziel des Projekts
ist es, das Auftreten von Geräuschen direkt an der Quelle ihres Entstehens zu
verhindern, zumindest aber deutlich einzudämmen. Innerhalb von drei Jahren
sollen wirtschaftlich nutzbare Lösungen
entwickelt werden, die sich leicht in das
Bahnsystem integrieren lassen und ihren
Beitrag zur Reduzierung des Schienenverkehrslärms um 50 Prozent bis 2020 leisten. Die Untersuchungen umfassen den
Rad-Schiene-Kontakt, Radschwingungen,
die Abstrahlung des Schalls sowie die
akustische Optimierung des Gleises. Insbesondere mittelständischen Bahntechnikherstellern von Systemen und Komponenten gibt dieses Projekt eine Chance,
ihre Innovationen zur Einsatzreife zu entwickeln.
Die Forschungsansätze von LZarG sind
vielfältig: So werden mit dem „Flüsterrad“
und dessen schalloptimierten Radreifen
neben der Schwingungsdämpfung auch
Eigenschaften wie Standzeitverlängerung
und Erhöhung der Laufleistung durch verminderte Riffelbildung angestrebt. Der
schalloptimierte Oberbau, auch „Flüstergleis“ genannt, umfasst den Einsatz elastischer Komponenten zur Erschütterungsreduktion, Schwellenbesohlungen und
spezielle Schienenbefestigungstechnologien. Der schalloptimierte Radsatz „Easy
Bogie“ berücksichtigt Radabsorber und
Radabdeckungen, insbesondere für Güterfahrzeuge. Dabei wird ebenfalls ein niedriger Instandhaltungsaufwand angestrebt.
Die „Compact freight car brake“ oder
Kompaktbremse stellt eine weitere Optimierung der Güterwagenbremstechnik
dar. Durch ihre Konstruktion in geschlossener Bauweise und den Verzicht auf das
herkömmliche Bremsgestänge entfallen
störende Schallquellen. Der Aufwand für
die Instandhaltung dieser Technologie ist
außerdem sehr gering.
Zu den weiteren Forschungsschwerpunkten von LZarG gehören:
• Verringerung der Geräuschentstehung
und -abstrahlung durch Lärmminderung bei der Oberbauinstandhaltung
• Identifikation und Selektion störender
Geräusche und Geräuschkomponenten
des Schienenverkehrs
• Simulation und Evaluation von Geräuschszenarien
• Untersuchung der Effektivität von
Lärmminderungsmaßnahmen.
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Erkenntnisse aus diesen spezifischen Forschungsgebieten werden auch für die weitere Schallreduktion im schienengebundenen städtischen Nahverkehr bei S-, U- und
Straßenbahnen von hohem Nutzen sein.
Anreize setzen zum Einsatz
lärmmindernder Technologien
Vom Schienengüterverkehrslärm abgesehen, ist die Eisenbahn der umweltfreundlichste Verkehrsträger, der die umweltpolitischen Herausforderungen insbesondere
im Klimaschutz am ehesten erfüllt. Für die
Bahnindustrie ist das noch nicht genug.
Am Standort Deutschland ist die Branche
weiter gefordert, technologische Höchstleistungen zu erbringen, um den Verkehrsträger Schiene weiter an der Spitze als
umweltfreundlichstes Verkehrsmittel zu
halten und damit auch künftig international wettbewerbsfähig zu bleiben.
Wie alle Produkte müssen sich auch Innovationen zum Umwelt- und Klimaschutz
am Markt durchsetzen und behaupten.
Doch dieser Prozess ist in der Regel nicht
von heute auf morgen zu bewältigen.
Hier könnte die Unterstützung der Politik
beschleunigend wirken, entweder durch
gesetzliche Vorgaben oder die Einführung
von Anreizsystemen. Eine zunehmende
Marktregulierung durch neue gesetzliche
Vorgaben birgt stets die Gefahr, einzelne
Marktsegmente zu benachteiligen. Hingegen ist die Einführung von Anreizsystemen
ein wirksames Instrument im Schienenverkehr, um den wirtschaftlichen Nutzen von
Innovationen zum Umwelt- und Klimaschutz deutlich zu erhöhen, darunter auch
die zum Lärmschutz. Wie hoch wäre heute
der Verbreitungsgrad umweltfreundlicher
Katalysatortechnik in Pkw, wenn es sich
durch Steueranreize für den Verbraucher
nicht gelohnt hätte, diese Technologie zu
wählen? Solche Instrumente würden auch
im Schienenverkehr schnell ihre Wirkung
zeigen und schließlich sowohl den regionalen als auch den globalen Anstrengungen zum Umwelt- und Klimaschutz zugute kommen.
Die Initiative der Bundesregierung zum
„Eisernen Rhein“ und dem Lenkungskreis
„Leise Güterwagen“ begrüßt der VDB deshalb außerordentlich. Erstmals wird in einer Arbeitsgruppe über Anreize zur Einfüh-
rung von lärmmindernden Komponenten
an Güterwagen diskutiert. Lärmabhängige
Trassenpreise können ein guter Einstieg
sein und Verkehrsunternehmen bewegen,
in leisere Fahrzeuge und Nachrüstungen
zu investieren. Bei all dem sind schnelle
und mutige Entscheidungen das Gebot
der Stunde, um den Verkehr in Deutschland, Europa und der Welt so bald wie
möglich leiser, umweltschonender und
klimafreundlicher zu machen.
Der Autor
Dipl.-Ing. Axel Schuppe
Geschäftsführer Verband der
Bahnindustrie in Deutschland (VDB)
e. V., Berlin
schuppe@bahnindustrie.info
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