Fatigue Life Assessment of Cast Nodular Iron Disc Brakes for Railway Vehicles: Dedicated to Prof. V. Grubišić on the Occasion of his 75th Birthday

Cetin Morris Sonsino; Holger Hanselka

doi:10.3139/120.100871

Article

Fatigue Life Assessment of Cast Nodular Iron Disc Brakes for Railway Vehicles

Dedicated to Prof. V. Grubišić on the Occasion of his 75^th Birthday

Cetin Morris Sonsino and Holger Hanselka

Published/Copyright: May 26, 2013

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From the journal Materials Testing Volume 50 Issue 1-2

Abstract

Disc brakes, not only for railway applications but generally in all vehicle applications count as safety components. Therefore, their reliability during service is essential. A disc brake is submitted to different loadings: braking, including emergency braking; horizontal and vertical wheel forces and forces on driving over switches; mass forces acting in the attachment of the disc brakes to the wheels due to relative displacements and centrifugal forces during rolling of the wheel at higher speeds. In the present work, only the influence of thermal strains/stresses caused by braking on the fatigue life will be discussed. For the disc brake of the cast nodular iron EN-GJS-400-15 considered in this study, the other loadings were proved to be not critical. Because of the continuous distortions of a disc brake after each brake operation due to heating, calculated local strains had to be verified experimentally by strain and temperature measurements. The experiments were carried out in a special test rig of the manufacturer where a spectrum of braking operations from the speeds 200, 160 and 90 km/h were investigated. With the preliminary design, the required fatigue life could not be achieved but the fatigue critical areas were recognized. After the redesign of the discs, fatigue failures were prevented. This study is a re-evaluation of a former analysis on the fatigue behaviour of railway disc brakes.

Kurzfassung

Scheibenbremsen stellen nicht nur bei Schienenfahrzeugen sicherheitsrelevante Komponenten dar. Ihre Zuverlässigkeit im Betrieb ist also essentiell. Bremsscheiben werden generell verschiedenen Beanspruchungen unterworfen: Bremsungen, einschließlich Notbremsungen, horizontalen und vertikalen Kräften während des Überfahrens von Weichen, Massenkräfte, die in der Verbindung zu den Rädern aufgrund von Relativbewegungen entstehen, und Fliehkräfte während des Rollen des Rades bei höheren Geschwindigkeiten. In der vorliegenden Arbeit wird nur der Einfluss der thermischen Spannungen und Dehnungen beim Bremsen auf die Lebensdauer diskutiert. Die anderen Beanspruchungen wurden für die hier behandelten Scheibenbremsen aus dem Gusseisen mit Kugelgraphit EN-GJS-400-15 als nicht kritisch bewertet. Aufgrund des kontinuierlichen Verzugs einer Scheibenbremse nach jedem Bremsvorgang infolge Erwärmung müssen die berechneten Dehnungen experimentell durch Dehnungs- und Temperaturmessungen verifiziert werden. Die Versuche wurden in einem speziellen Prüfstand des Herstellers durchgeführt, und es wurde ein Kollektiv von Bremsvorgängen bei Geschwindigkeiten von 200, 160 und 90 km/h betrachtet. Mit der ursprünglichen Auslegung konnte zwar die geforderte Lebensdauer nicht erreicht werden, aber die Stellen mit kritischer Beanspruchung wurden erkannt. Nach der Überarbeitung des Designs konnten Ermüdungsschäden vermieden werden. Die vorliegende Studie ist eine Re-Evaluation einer früheren Analyse der Betriebsfestigkeit von Eisenbahn-Scheibenbremsen.

Prof. Dr.-Ing. Cetin Morris Sonsino studied Mechanical Engineering at the Technical University Darmstadt (TUD) and works at the Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt since 1973. He achieved his doctoral degree in the field of cold forming and low-cycle fatigue in 1982. Since 1990 he is lecturing at the Saarland University and since 2002 also at the Technical University Darmstadt the course Structural Durability — Component Related Material Behaviour. Prof. Sonsino is chair of the DVM working group Structural Durability and is deputy director of the LBF.

Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka studied Mechanical Engineering at the Technical University Clausthal and worked from 1987 to 1997 at the German Aerospace Center in Braunschweig. He achieved his doctoral degree in 1992 at the Technical University in Clausthal. In 1997 he became Professor for Adaptronics and Experimental Mechanics at the Otto-von-Goericke-University Magdeburg. Since 2001, he is director of the Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt and is also Professor at the Technical University Darmstadt for System Reliability and Machine Acustics. Since 2006 Prof. Hanselka is member of the presidential board of the Fraunhofer Association e.V.

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Published Online: 2013-05-26

Published in Print: 2008-02-01

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