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FAHRWEG

Bahnlärm – Akustisch optimierte
Weichenherzstücke im Erstversuch

MARTIN QUIRCHMAIR | THOMAS TITZE |HEINZ OSSBERGER | HARALD LOY

Weichen können für Bahnbetreiber aufgrund ihrer erhöhten Schallabstrahlung
speziell in Siedlungsgebieten eine große
Herausforderung darstellen. Mit zunehmender Liegedauer eines Weichenherzstückes im Gleis verändert sich der anfangs
gleichmäßige Überrollvorgang zu einem
akustisch deutlich wahrnehmbaren Stoß,welcher als störend empfunden werden
kann. Zur Minderung der akustischen
Emissionen ist jedes Dezibel wertvoll, da
die Summe vieler kleiner Modifikationen
das Gesamtsystem signifikant verbessern kann. Im Rahmen einer Forschungsund Entwicklungskooperation zwischen
voestalpine Railway Systems (vaRS) und
Getzner Werkstoffe wurden Weichenherzstücke mit neuartigen, hochdämpfenden
Polyurethan (PUR)-Kompositwerkstoffen
verfüllt. Dies führte unter Laborbedingungen zu einer deutlichen Reduktion der
Schallabstrahlung. Ein Praxistest im Streckennetz der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) findet bereits statt.

stücken ausgestattet. Bewegliche Herzstücke
finden für gewöhnlich nur im Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastbereich Verwendung,da sie deutlich höheren Kosten unterliegen.
Sie haben jedoch den Vorteil, dass die Überfahrt aufgrund der nicht vorhandenen Herzstücklücke schonender passiert. Beim starren
Herzstück erfolgt die Überfahrt dagegen überdie Herzstücklücke hinweg, wodurch es zu einem Stoß des Rades auf das Weichenherzstück
kommt.
Die Überlaufgeometrie eines neuen Weichenherzstückes ist nahezu perfekt auf den Übergang des Schienenfahrzeugrades zwischen
Herzspitze und Flügelschiene abgestimmt,
und der stattfindende Stoß wird auf ein Minimum reduziert.
Mit fortschreitender Liegedauer im Gleis
weicht die Überlaufgeometrie des Weichenherzstückes an Herzstückspitze und Flügelschiene zunehmend vom Optimum ab, undder Stoß zwischen Herzstück und Rad verändert sich. Dies kann akustisch wahrgenommen
und als störend empfunden werden.
Weichenherzstücke, welche aus Hartmanganstahlguss hergestellt werden, haben an derschotterzugewandten Unterseite mehrere
Hohlräume.
Diese Hohlräume sind gusstechnisch für die
Fertigung notwendig und führen unter an-

derem zu einer Material- und Gewichtsreduzierung. Das Schwingungsverhalten des Weichenherzstückes im nicht verbauten Zustandist ähnlich dem einer Glocke. Es zeigt bei Impulsanregung eine breitbandige Abstrahlung,welche lange nachklingt.
Die grundlegende Idee dieses Projektes war
es, durch die Verfüllung dieser Hohlräume
mit einem hochdämpfenden PUR-Kompositwerkstoff eine Verstimmung und Bedämpfung
des Weichenherzstückes zu erreichen. Das Zielwar, den Schalldruckpegel zu verringern, ohne
die Performance- und Wartungseigenschaften
zu verändern.
Hochdämpfender Kompositwerkstoff
aus PUR und Füllstoff hoher Dichte
Die mechanischen Eigenschaften von PUR
lassen sich nahezu beliebig modifizieren. Es
kann somit ein Werkstoff entwickelt werden,
welcher zum einen eine hohe Dämpfung bzw.
einen hohen Verlustfaktor aufweist und zum
anderen eine stabile Matrix zur Einbettung
hochdichter Füllstoffe liefert. Die Einbringungsolcher Füllstoffe zielt auf eine zusätzliche Verbesserung der Dämpfung ab.
Bei der Entwicklung des Füllstoffes wurde vor
allem auf eine hohe Dichte als auch auf einemöglichst gute Handhabung geachtet. Beim
ersten Prototyp des bedämpften Weichen-

Problemstellung
Das Thema Lärm im Nahbereich von Bahnstrecken findet seit einigen Jahren mehr undmehr Beachtung. Um den Wohnkomfort der
Anwohner weiter hoch zu halten, sind bereits
jetzt Maßnahmen wie Lärmschutzwände und
Schallschutzfenster im Einsatz. Speziell Weichen mit starrem Herzstück können hinsichtlich ihrer akustischen Abstrahlung bei einer
Zugüberfahrt eine besondere Herausforderung
darstellen. Der an der Herzstückspitze auftretende Stoß kann in der Regel in der Umgebung
der Weiche wahrgenommen werden. Die Fragestellung ist somit, ob durch eine einfache
Modifikation am Weichenherz die akustischen
Eigenschaften soweit verändert werden können, dass ein hör- bzw. messbarer Effekt erreicht
wird. Ein weiterer Anspruch der Lösung ist, dassdie Weiche durch die Anpassungen in ihrer Wartung und Funktion nicht beeinträchtigt wird.
Idee und Konzept
Je nach Strecke und Geschwindigkeit werden
Weichen mit starren oder beweglichen Herz-24

EI | AUGUST 2022

Abb. 1: Kompositwerkstoff der in Pfaffstätten verbauten, bedämpften WeichenherzstückeQuelle aller Abb. außer Abb. 4: Getzner Werkstoffe

Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für voestalpine Railway Systems GmbH, Getzner Werkstoffe GmbH, Universität Innsbruck /Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbHMit hochdämpfenden Polyurethan-Kompositwerkstoffen verfüllte Weichenherzstücke
zeigen das Potenzial zur reduzierten Schallabstrahlung.

FAHRWEG

Systemanregung mit Impulshammer

Messung F

FxF

Accelerometerz-Richtung

Messung p

a

p
p

v

Bestimmung ADMITTANZ (MOBILITÄT)
v
F

F

p/F
p0

Mikrofonf

f
FRF und Kohärenzfunktion

Accelerometery-Richtung

Bestimmung SCHALLDRUCKPEGELFRF und Kohärenzfunktion

Abb. 2: Messkonzept und Messaufbau der experimentellen Modalanalyse am Weichenherz

tems durch Einbindung zusätzlicher Elemente
des Oberbaues wie Schwellen etc. in den Versuchsaufbau zugrunde. Das im Labor gegebene annähernd freie Schwingungsverhalten
wird dadurch zunehmend behindert.
Laborergebnisse Weichenherz allein
Der erste Prototyp, welcher mit einer PURMatrix mit mineralischem Füllstoff ausgestattet war, wurde unter Laborbedingungen auf
elastischer Lagerung bewertet. Die Versuche
wurden im Entwicklungslabor der Forschungsund Entwicklungsabteilung der Firma Getzner
Werkstoffe durchgeführt. Für die Messung
wurde das von der vaRS hergestellte Weichenherz möglichst weich gelagert, um die
Ankoppelung an den Untergrund bewusst zu
minimieren. Diese Lagerung wurde durch die
Verwendung von vier Stahlfedern mit einer
Steifigkeit von rund 200 N/mm hergestellt.
Das Bauteil ist somit in seinen Freiheitsgradennahezu unbeschränkt und kann bei Anregung
mittels Impulshammer quasi frei schwingen.

1.E+00
1.E-01
1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-05
1.E-06

16
20
25
31.5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000

Messkonzept Modalanalyse
Um eine möglichst gute Vergleichbarkeit zwischen Labor und Einbauzustand zu erreichen,wurde ein Messaufbau gewählt, welcher inbeiden Situationen in annähernd gleicher
Form verwendet werden konnte. Es wurde das
Verfahren der experimentellen Modalanalyse
gewählt (Abb. 2). Der Fokus der Messung liegt
hier jedoch auf der akustischen Abstrahlung
des Weichenherzstückes bei Impulsanregung.
Die Anregung erfolgte mittels Impulshammer. Es wurden sowohl ein großer Hammer
mit weicher Spitze, zur Anregung des unteren
Frequenzspektrums bis ca. 100 Hz, als auchein kleiner Hammer mit harter Spitze, zur Anregung des oberen Frequenzspektrums, verwendet.
Die Anregung erfolgte ca. 350 mm hinter dem
theoretischen Herzpunkt, etwa auf Höhe desRadübergabepunktes und in einem Winkel
von 45°, um vertikale und horizontale Kraftkomponenten gleichzeitig einzubringen. Zur
Auswertung wurden die Mobilität, welche die
auf die Anregung normierte Schwingschnelle
darstellt, als auch der auf die Anregung normierte Schalldruck verwendet. Die Schwingschnelle wurde durch Integration der Signale
der in horizontaler (y-Achse) und vertikaler(z-Achse) Richtung befestigten Beschleunigungsaufnehmer bestimmt. Die akustische
Abstrahlung wurde mithilfe eines Mikrofons
im Abstand von 400 mm zum Weichenherz auf
Niveau der Schienenoberkante gemessen.

Im weiteren Verlauf des Beitrags werden durch
den Fokus auf die akustische Abstrahlung nur
die normierten Schalldrücke diskutiert.
Die Analyse der Adaption erfolgte nach einem
Stufenplan. Zuerst wurde der erste Prototyp, bestehend aus nur einem Weichenherz,
im Labor auf elastischer Lagerung getestet.
Danach erfolgte die annähernd identische
Messung auf dem Werksgelände von vaRS an
den vormontierten Weichenherzstücken, welche danach in der Überleitstelle Pfaffstätten
(Niederösterreich) verbaut wurden. Die dritte
Stufe ist die Messung an den im Schottergleis
verbauten Weichenherzstücken, wobei hierder Vorbeifahrtspegel bestimmt wurde. Die
Erwartungshaltung war hierbei, dass der Unterschied in der akustischen Abstrahlung zwischen bedämpftem und Standard-Weichenherzstück bei jedem Schritt der Messreihe vom
Labor über das Werksgelände der vaRS bis hin
zum Einbau im Streckennetz stufenweise abnimmt. Dieser Annahme liegt die damit stufenweise erhöhte Dämpfung des Gesamtsys-

Anregungsnormierter Schalldruck in Pa/N

herzstückes wurde ein mineralischer Füllstoff
verwendet. Dieser stellte jedoch im Handlingeine Herausforderung dar. Das Material musste
zuerst gewaschen und anschließend getrocknet werden, um eine gute Anbindung an das
PUR sicherzustellen.
Im Hinblick auf eine potenzielle Serienfertigung wurde der mineralische Füllstoff für
die im Streckennetz vorgesehenen Weichenherzstücke durch einen metallischen Füllstoff
ersetzt, welcher mit deutlich weniger Arbeitsschritten eingebracht werden konnte (Abb. 1).

Frequenz in Hz

Standard

bedämpft

Abb. 3: Anregungsnormierter Schalldruck am Prototyp unter Laborbedingungen

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Messung a

FAHRWEGN
1
2

ca. 90 m

3Abb. 4: Rahmenbedingungen der Überleitstelle Pfaffstätten. Die Weichen W2 und W3 sind als Standard, die Weichen W1 und W4 bedämpft
ausgeführt.
Quelle: Google Earth

Pro Messung wurden fünf Hammerschläge
durchgeführt, welche zu einem Transferspektrum gemittelt wurden. Nach der Messung
des Standard-Weichenherzstückes wurden die
Kammern mit dem PUR-Kompositwerkstoff
ausgefüllt und die Messung wiederholt. Die
gemessenen, auf die Anregekraft normierten,
Schalldrücke sind in Abb. 3 im Terzspektrum
dargestellt.
Es zeigt sich, dass die zusätzlich eingebrachte
Dämpfung ab ca. 100 Hz zu wirken beginnt,
wobei ab einer Frequenz von ca. 700 Hz die
größten Unterschiede zu beobachten sind.
Bildet man nun den Summenpegel über dasgemessene Spektrum, ergibt sich unter Laborbedingungen aufgrund der Bedämpfung eine
Reduktion des anregungsnormierten Schalldrucks von 85 %.

1.E+00
1.E-01
1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-05
1.E-06

12.5
16
20
25
31.5
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50
63
80
100
125
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200
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315
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500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000

Anregungsnormierter Schalldruck in Pa/N

Abb. 5: Messaufbau auf dem Werksgelände der vaRS

Frequenz in Hz

Standard

bedämpft

Abb. 6: Anregungsnormierter Schalldruck am Weichenherz W1 (bedämpft) und W2 (Standard) in
Zeltweg

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EI | AUGUST 2022

Feldversuch im Streckengleis
Nach den positiven Ergebnissen im Labor
wurde zusammen mit der ÖBB ein zeitnaher
Testeinbau geplant. Hierzu standen mehrereÜberleitstellen zur Verfügung, wobei die Überleitstelle in Pfaffstätten (Niederösterreich) auf
der Südbahnstrecke die günstigsten Randbedingungen bot (Abb. 4).
Die von vaRS hergestellten Weichenherzstücke des Typs „60E1 500 1:12“ wurden im westseitigen Gleis (Weichen W2 und W3) in derStandardkonfiguration belassen. Die Weichen
W1 und W4 im ostseitigen Gleis wurden bedämpft. Wie bereits erwähnt, wurde bei diesem Versuch der mineralische Füllstoff durcheinen metallischen ersetzt, um die Herausforderungen Verarbeitbarkeit und Recycling zu
optimieren. Der Einbau der Weichen im Gleis
erfolgte im Juli 2021. Entsprechend wurden
die Vormessungen an den vormontierten Weichenherzstücken auf dem Werksgelände vonvaRS Ende Juni 2021 durchgeführt.

Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für voestalpine Railway Systems GmbH, Getzner Werkstoffe GmbH, Universität Innsbruck /Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH4

ca. 130 m

FAHRWEG

Abb. 7: Vermessung der Weichenherzgeometrie durch die vaRS

Weichenherz im vormontierten Zustand
Auf Basis des Stufenplans fanden die Messungen an den für die Teststrecke vormontierten Weichenherzstücken vor dem Einbau im Streckengleis statt. Im Unterschiedzu den Versuchen im Labor waren die Weichenherzstücke bereits mit den Schwellen
verbunden und befanden sich am Vormontageplatz des Werksgeländes der vaRS in
Zeltweg. In diesem Setup wurden die Weichenherzstücke nicht mehr freischwingend
angeregt, sondern waren aufgrund derSchwellen in ihren Freiheitsgraden eingeschränkt (Abb. 5).

Die Messungen erfolgten an je einem Standard- (Weiche W2 der Überleitstelle Pfaffstätten) und einem bedämpften Weichenherz(Weiche W1 der Überleitstelle Pfaffstätten).
Wie bereits im Vorfeld erwartet, waren die Unterschiede in den normierten Schalldrücken
(Abb. 6) geringer als beim freischwingenden
Weichenherz unter Laborbedingungen, dazusätzliche Dämpfung durch die Ankopplungdes Weichenherzstückes an die Schwellen ins
System eingebracht wurde. Die Messungenwurden aufgrund der Nebengeräusche desWerksbetriebs erschwert. Im Summenpegel
konnte dennoch eine Verbesserung von 60 %ca. 270 cm

Feldmessung Pfaffstätten
Die Überleitstelle Pfaffstätten wurde im Juli
2021 erneuert, wobei die Weichen W1 und W4
mit bedämpften Weichenherzstücken ausgestattet wurden.
Zum Zeitpunkt der Messung im September
2021 wurden zusätzlich die Ist-Weichenherzgeometrien durch vaRS erfasst (Abb. 7). Dadurch wurde bestätigt, dass zum Messzeitpunkt eine optimale Überlaufgeometrie anallen vier Weichenherzstücken gegeben war.
Auf der Südbahnstrecke verkehren sowohl
Güterzüge als auch Personenzüge der Typen
Railjet und Cityjet / Wiesel. Für die Messungenwurden nur Personenzüge herangezogen,wobei die Gleisverbindung in der Geraden
vom Railjet mit einer Geschwindigkeit vonca. 160 km/h und vom Cityjet / Wiesel mit ca.
140 km/h befahren wird. Im Folgenden werden nur Messungen vom Zugtyp Railjet dargestellt, da diese die beste Vergleichbarkeit
zeigten. Die akustische Messung mit Einzelmikrofon konnte aufgrund der Randbedingungen, wie Bewuchs und Böschung, nicht strengnach DIN EN ISO 3095 durchgeführt werden,
und die Abstände mussten deutlich reduziert
werden. Der Messaufbau vor Ort ist in Abb. 8
zu finden.
Zusätzlich zur Schallmessung mit Einzelmikrofon wurde die Überfahrt mit der akustischen
Kamera aufgenommen. Hierbei wurde das Mik-ca. 40 cm

Weichenherzspitze

Abb. 8: Messaufbau der Vorbeifahrtsmessung in Pfaffstätten
EI | AUGUST 2022

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Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für voestalpine Railway Systems GmbH, Getzner Werkstoffe GmbH, Universität Innsbruck /Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbHim anregungsnormierten Schallpegel festgestellt werden, welche mit der Unsicherheit
der oben beschriebenen Umgebungsbedingungen behaftet ist.
Subjektiv konnte bei der Hammeranregung
mit harter Spitze beim bedämpften Weichenherzstück ein deutlich anderes Geräusch
(dumpfer Klang, nicht nachhallend) als beim
Referenzherzstück (metallisch heller Klang,
nachhallend) wahrgenommen werden.

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Railjet - STUMPF

90
80

70

70

60

60
20
25
31.5
40
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63
80
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125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000

80

Frequenz in Hz

Frequenz in Hz

min
max
W3

min
max
W4

min
max
W2

min
max
W1

Abb. 9: Vorbeifahrtspegel der spitz befahrenen Weichen W3 (Standard) und W4 (bedämpft) als auch der stumpf befahrenen Weichen W1(bedämpft) und W2 (Standard). (ref.p0 = 2•10-5 Pa)

rofonarray hinter dem Einzelmikrofon platziert.
Für die Auswertung wurde zwischen den spitz
befahrenen Weichen W3 (Standard) und W4(bedämpft) und den stumpf befahrenen Weichen W1 (bedämpft) und W2 (Standard) unterschieden. Pro Weiche wurden zwischen vierund sechs Überfahrten von Railjets ausgewertet. Die Messergebnisse der Einzelmikrofonmessung sind in Abb. 9 dargestellt.
Für die spitz befahrene Weiche ergab sich somit im Mittel eine leichte Reduktion des Schalldruckpegels um 1,9 dB und für die stumpf
befahrene Weiche eine mittlere Minderung
von 0,2 dB. An dieser Stelle muss angemerkt

werden, dass aufgrund der unzureichenden
Anzahl an Zugvorbeifahrten, der breiten Streubänder innerhalb der jeweiligen Fahrzeugklasse und der geringen Unterschiede der gemittelten Spektren die Situationen als annähernd
gleich zu bewerten sind. Es ist zu beachten,
dass die Weichenherzstücke zum Zeitpunkt
der Messung noch keinerlei Verschleißerscheinungen zeigten. Entsprechend war das Überrollverhalten bei allen Weichenherzstücken
gleichmäßig, ohne akustisch wahrnehmbaren
Stoß. Die Messungen im September 2021 sind
somit als Bestandsaufnahme im neuen Zustand anzusehen.

W2 (Standard) - STUMPF

Rail Jet 13:32 – 160km/h

Die Messungen mit der akustischen Kamera sollen in weiterer Folge ausschließlich das
Potenzial der Messmethode selbst darstellen (Abb. 10). Das Verfahren erlaubt die Lokalisierung von Schallquellen mithilfe eines
Mikrofon­arrays, wobei das Ergebnis beispielsweise als Spektrogramm oder akustisches Bilddargestellt werden kann. Die Position des Mikrofonarrays auf der Außenseite der Weiche
zeigte sich im Nachgang als nicht ideal. BeiÜberfahrt wird das Weichenherz vom Zugverdeckt und kann nicht direkt beobachtet
werden. Als Konsequenz wird bei der nächsten Messkampagne die Position der Kamera

W1 (Bedämp�) - STUMPF

Rail Jet 13:17 – 160km/h

Abb. 10: Beispiel einer Auswertung der akustischen Kameramessung am Weichenherz W2 (Standard) und Weichenherz W1 (bedämpft)

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LpAeq,TTp in dB

90

100

20
25
31.5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000

LpAeq,TTp in dB

Railjet - SPITZ
100

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Ausblick und weiteres Vorgehen
Wie im letzten Abschnitt beschrieben, sind dieersten Messungen der neu verbauten Überleitstelle Pfaffstätten als Bestandsaufnahme anzusehen. Die Weichenherzstücke zeigten zum
Zeitpunkt der Messung keinerlei Verschleiß,wodurch die geringen Unterschiede in den
Vorbeifahrtspegeln der Railjets als nicht überraschend zu bewerten sind. Subjektiv konnten
nur Rollgeräusche, jedoch keine akustischen
Stöße wahrgenommen werden. Durch fortschreitende Abnutzung am Weichenherzstück wird die Entstehung eines zunehmend
hörbaren Stoßes erwartet. Das dominierende
Geräusch bei Überfahrt im Nahbereich der
Weichen würde sich somit von einem reinen
Rollgeräusch (Rad-Schiene-Kontakt) zu einem
deutlich akustisch wahrnehmbaren Stoß zwischen Rad und Weichenherzstück ändern. Entsprechend dieser Annahme sollte das dämpfende Verhalten des Kompositwerkstoffes mit

zunehmender Liegedauer im Gleis zu einem
stärkeren Nutzen führen. Bei Folgemessungensind somit beim bedämpften Herzstück geringere Lärmemissionen als beim Referenzherzstück zu erwarten. Aus diesem Grund werden
die nächsten Messungen vor Ort erst durchgeführt, wenn ein gewisser Verschleiß beobachtet werden kann. Dies wird durch Messung
der Weichenherzprofile durch die voestalpine
Railway Systems qualitativ und quantitativ sichergestellt. Der Erfahrung nach sollte ein zur
nächsten Bewertung ausreichender Verschleiß
durch die Befahrung der Südbahnstrecke nachzwölf bis 18 Monaten gegeben sein. Entsprechend sind die nächsten Messungen im Herbst
2022 bzw. Frühjahr 2023 geplant, um das Potenzial bedämpfter Weichenherzstücke zur
Minderung akustischer Emissionen im Streckengleis zu bewerten.


Dipl.-Ing. Martin Quirchmair
Entwicklungsingenieur
Getzner Werkstoffe GmbH, AT-Bürs
martin.quirchmair@getzner.com

Dipl.-Ing. Thomas Titze
Entwicklungsingenieur
voestalpine Railway Systems GmbH,
AT-Zeltweg
thomas.titze@voestalpine.com

Dipl.-Ing. Heinz Ossberger
Senior Vice President
Turnout Technology
voestalpine Railway Systems GmbH,
AT-Zeltweg
heinz.ossberger@voestalpine.com

Dr. Harald Loy
Postdoc, Intelligente Verkehrssysteme
Universität Innsbruck
Leiter Forschung und Entwicklung
Getzner Werkstoffe GmbH, AT-Bürs
harald.loy@getzner.com

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13.07.2022 15:42:38

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angepasst und die Messung von der gegenüberliegenden Seite durchgeführt. Das Weichenherzstück kann somit direkt beobachtet
werden, und es wird eine bessere Lokalisierung des Weichenherzstückes im akustischen
Bild erwartet.