A 20420 E

Zeitschrift für das gesamte System Bahn
August 2023

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Entwicklungen in derSchienenfahrzeugklimatisierung
Trends in HVAC of Railway Rolling Stock

Sensorschwellentechnologie:
Ein Blick zwischen Schwelle und Schotter© ÖBB/Stadler RailSensor Sleeper Technology:
Looking Between Sleeper and Ballast

Einsatz von umweltneutralen
Kältemitteln in Bahnklimaanlagen
Use of Environmentally Neutral Refrigerants
in Rail HVAC Systems

Der Einfluss eingebrachter Traktionsenergie
auf den Schienenverschleiß
The Influence of Traction Energy Input on Rail Wear

Sprachbarrieren im
europäischen Schienengüterverkehr
Language Barriers in European Rail Freight Transport© ALSTORM SE 2023

Neubaustrecke Wendlingen – Ulm:
Messtechnischer Nachweis
von Berührungsspannungen
New Railway Line Wendlingen – Ulm:
Proof of Touch Voltages by Measurements

147. Jahrgang

Organ der DMG

www.zevrail.de147 (2023) 8 AUGUST

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Sensorschwellentechnologie:
Ein Blick zwischen Schwelle und Schotter
Sensor Sleeper Technology:
Looking Between Sleeper and Ballast
Michael Sehner MSc, Ing. Andreas Augustin, Dipl.-Ing. Martin Quirchmair, Dr. Harald Loy, Bürs (Österreich)

Zusammenfassung

Abstract

Die fortschreitende Mobilitätswende führt zu neuen Herausforderungen im Bahnverkehr bzgl. Kapazität und Verfügbarkeit desStreckennetzes. Das Ziel der Getzner Werkstoffe GmbH ist die
ständige Verbesserung des Eisenbahnoberbaus mittels elastischer
Elemente, damit dieser möglichst zuverlässig und wartungsarm
ist. Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Sensorschwelle, einem
neuen Werkzeug für Forschung, Entwicklung und Zustandsüberwachung. Die Sensorschwellentechnologie erlaubt einendirekten Blick in die kritische Schnittstelle zwischen Schwelleund Schotter und misst direkt die dort auftretenden Pressungen (Kräfte) zwischen der Schwellenunterseite und den einzelnen
Schottersteinen. Es werden die Vorteile und Möglichkeiten derTechnologie für die Weiterentwicklung des Eisenbahnoberbaus
hervorgehoben, sowie Ergebnisse von Forschungsprojekten gezeigt, in denen die Sensorschwelle verwendet wurde.

The progressive mobility shift is leading to new challenges in railtransport with regard to capacity and availability of the route
network. The aim of Getzner Werkstoffe GmbH is to continuously
improve the railway superstructure using elastic elements so that
it is as reliable and low-maintenance as possible. This article
deals with the Sensor Sleeper, a new tool for research, development and condition monitoring. The sensor sleeper technology
allows a direct view into the critical interface between sleeper
and ballast and directly measures the pressures (forces) occurring there between individual ballast stones and the undersideof the sleeper. The advantages and possibilities of the technology for the further development of the railway superstructure
are highlighted, and results of research projects in which thesensor sleeper was used are shown.

1

Einleitung

Bahnbetreiber, Universitäten und die Industrie beschäftigen sich intensiv mit der
Weiterentwicklung des Systems Eisenbahn [1]. So forscht auch Getzner Werkstoffe an Themen wie Zuverlässigkeit,
Verfügbarkeit, Instandhaltung und Sicherheit des Eisenbahnoberbaus vor dem Hintergrund der wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeit und bedientsich dafür einer Vielzahl von Methoden.
Wirtschaftliche Modelle geben Auskunftüber die Lebenszykluskosten (LCC). In

der Technik werden Simulationen (Digital Twin – virtuelles Abbild eines Objekts
oder Systems aus der realen Welt), Laborprüfungen, Teststrecken und moderne Messmethoden im Gleis genutzt, um
Produkte sowie Technologien zu entwickeln und zu verbessern. Diese Forschungen finden im Rahmen von internationalen Initiativen wie dem europäischen
Shift2Rail-Projekt statt oder werden von
Förderprogrammen wie der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft
unterstützt. Diese innovationsfreundlichen Rahmenbedingungen haben die Ent-

wicklung der Sensorschwellentechnologie erleichtert.
Seit der Umstellung von Holz- auf Betonschwellen, ist der Schotter die schwächste
Komponente im Schotteroberbau. Schienen, Schwellen und Schienenbefestigungssysteme haben in der Regel eine
längere Lebensdauer. Daher besteht der
Ansatz von Getzner im instandhaltungsoptimieren Oberbau darin, den Schotter
zu schonen, damit Veränderungen in derGleislage über die Zeit möglichst klein
gehalten werden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden spezielle PUR-Elastome-

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Bild 1: Aus drei Elementen bestehende Sensorschwelle beim Einbau in das Gleis

Bild 2: Visualisierte gemessene Pressungen einzelner Schottersteine

re verwendet. Mit ihnen wird direkt undpositiv Einfluss auf die Lastabtragungseigenschaften genommen, unabhängig davon, ob sie zwischen Schiene und Schwelle, Schwelle und Schotter oder unterhalb
des Schotters eingesetzt werden. Die besten Erfolge hinsichtlich Stabilisierung undKräftereduktion im Schotteroberbau, sindin der Regel direkt in der Grenzschicht
von Schwelle zu Schotter mit Schwellenbesohlungen zu erzielen [2]. Das Verständnis hinsichtlich dieser Grenzschicht
ist also von großer Wichtigkeit, wodurch
sich der Bedarf ergibt, diese Ebene sichtbar zu machen und messtechnisch zu
erfassen.

2

Technologie der
Messungen

Bisher standen für die Messung in derGrenzschicht Schwelle zu Schotter unterschiedliche indirekte Messmethoden zur
Verfügung. Vibrationen und Einsenkungen lassen Schlüsse auf die elastischen
Eigenschaften sowie die Gleislagequalität zu und Kräfte können mit Hilfe vonDehnungen und Spannungen abgeschätzt
werden. Eine direkte Messung von Kräften im Lastabtragungspfad bedeutete gerade unter der Schwelle einen großen
Eingriff in die Eigenschaften des Oberbaus und war aufgrund der schlechten

Beständigkeit der Sensorik allenfalls fürkurze Experimente möglich [3]. Die Sensorschwelle löst dieses Problem auf eine
innovative Art und Weise [4]. Sie weist
eine Reihe von nachfolgend beschriebenen Eigenschaften auf, die sie zu einem
verlässlichen Messinstrument für den Eisenbahnoberbau mit seinen rauen Umgebungsbedingungen macht.
Die Sensorschwelle (Bild 1) erlaubt es,
die Pressungen einzelner Schottersteine (Bild 2) direkt in der Schnittstelle vonSchwelle zu Schotter auf der Schwellenunterseite mit einer Auflösung/Pixelgröße von 4,7 mm x 9,3 mm zu messen. Sie besteht aus mehreren Sensor-

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Daten schnell und leicht zugänglich gemacht und direkt weiterverarbeitet werden. Dies erlaubt es, die Messdaten in
einem weiteren Schritt mit anderen, teilweise frei verfügbaren Datensätzen wie
Temperatur, Vibration oder Dehnungenzu verknüpfen. Das Reporting kann dannin Berichtsform oder ebenfalls kontinuierlich mit einem Cloud-Dashboard (Bild 4)
erfolgen. Ein weiterer Vorteil eines Fernzugriffs ist, dass der Gefahrenraum Gleis
für die Messung nicht von Personen betreten werden muss.
Das folgende Beispiel verdeutlicht die
Möglichkeiten einer kontinuierlichen Datenaufzeichnung. Um Langzeitentwick-

Bild 3: Sensorelement

Bild 4: Dashboard mit Übersicht über verschiedene Assets und Lastentwicklung über die Zeitelementen (Bild 3) mit einer Größe vonca. 55 cm x 28 cm, die nur wenige Millimeter (3 bis 5 mm) dünn sind. Der Einfluss der Messtechnologie auf das Gesamtsystem Eisenbahnoberbau wird dadurch minimiert. Der stabile Aufbau der
Sensorik erlaubt es, dass die Sensorschwelle wie jede andere Schwelle eingebaut und gestopft werden kann. Somit
ist es möglich, realistische Einbaubedingungen zu schaffen – die Grundlage fürqualitativ hochwertige Messergebnisse.
Das System ist so widerstandsfähig, dassFeuchtigkeit, Temperaturschwankungenund hohe dynamische Kräfte aus dem
Rad-Schiene-Kontakt keinen negativen
Einfluss auf die Messergebnisse haben,

was Beobachtungen über mehrere Jahre
zulässt. Gleichzeitig können mit der Sensorschwellentechnologie auch dynamische Vorgänge, die nur Sekundenbruchteile dauern, analysiert werden. Dabei
spielt es keine Rolle, ob einzelne Schottersteine oder komplexe Systeme wie ganze Weichen betrachtet werden. Neben der
exakten quantitativen Auswertung undInterpretation der Messdaten ermöglicht
die bildliche Darstellung mittels Farbcode
zusätzlich eine schnelle, intuitive Erfassung der Belastungssituation (Bild 2).
Um die Messdaten besser und ausführlicher zu nutzen, können diese kontinuierlich erfasst und in einer Cloud gespeichert werden. Auf diese Art können die

lungen darzustellen, wurden die maximalen Schwellenpressungen (Durchschnittswert über die Sensorfläche) in einzelnen
Sensorelementen für jede Zugüberfahrt
ermittelt. Erwartet wurde eine langsame Änderung der Messwerte über mehrere Wochen oder Monate, zum Beispiel
aufgrund von Setzungen des Fahrwegs.
Stattdessen konnten über einen Tag verteilt Schwankungen von ±25% um einen
Mittelwert beobachtet werden (Bild 5).
Die Amplitude der Veränderungen ist so
groß, dass sie sich nicht durch Veränderungen im Sensor selbst, zum Beispiel
durch schwankende Temperaturen, erklären lässt. Je nach Sensorelement und Position auf der Schwelle sind die Änderun-

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gen zudem unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Kraftänderungen sind also tatsächlich auftretende Tagesgänge, die mithilfe der kontinuierlichen Datenaufzeichnung gefunden wurden (Bild 5). Der Ursprung dieser Schwankungen ist derzeit
nicht endgültig geklärt und Gegenstandlaufender Untersuchungen. Bei einer kurzen Messung über wenige Stunden wäre
dies unerkannt geblieben.

3

Forschungsergebnisse

Die Vielseitigkeit des Messsystems hat
bereits verschiedenste Untersuchungenim Labor und im Gleis möglich gemacht.
Je nach Aufgabenstellung werden dafürmehrere Sensorelemente an der Unterseite der Schwelle angebracht.
Zum Beispiel wurde im Labor der Effekt von Schwellenbesohlungen auf die
Schotterkontaktpressungen zwischen
Schwelle und Schotter sichtbar gemacht
und gemessen. Bild 6 zeigt einen Vergleich zwischen einer Schwelle ohne
Besohlung und einer Schwelle mit einer PUR SLB3007-Schwellenbesohlung.
Die Aufzeichnung entstand bei einem
Ganzschwellentest, angelehnt an die
EN 16730:2016(E) mit einer dynamischen
Belastung zwischen 5 kN und 100 kN. Die
ermittelten Spitzenpressungen, bei denen
die Medianwerte der acht höchsten Pressungswerte verglichen wurden, waren mit
Besohlung um 75 % kleiner als ohne Besohlung. Die gemittelte Schotterkontaktpressung, die berechnet wurde, indem die
Gesamtkraft durch die belastete Sensorfläche dividiert wird, war ebenfalls um
76 % kleiner. Bild 7 zeigt das Pressungshistogramm bei Maximalkraft. Es ist dargestellt, welche Kraftanteile bei bestimmten Pressungen abgetragen werden. Werden mehr Kraftanteile bei hohen Pressungen abgetragen, führt dies zwangsläufig
zu einer größeren Schotterzerstörung.
Zusätzlich sind die kumulierten Kräfte

Bild 5: Tagesgänge der maximalen Schwellenpressung für jeden Zug über 6 Tage

dargestellt. Ohne Schwellenbesohlung
wurden 80 % der Gesamtkraft bei Pressungen ≤ 7,6 N/mm² abgetragen. Im Fall
der besohlten Schwelle liegt dieser Wert
deutlich niedriger bei ≤ 1,05 N/mm². Die
Pressungen sind somit bei der besohlten
Schwelle deutlich niedriger und homogener auf den Schotter verteilt, was zu
einer stark verbesserten Schotterschonung führt.
Bei einer anderen Messkampagne wurden
im Rahmen eines Forschungsprojekts die
Lastabtragungseigenschaften von Schwellen mit verschiedenem Schwellendesign
bei Zugüberfahrt ermittelt. Bei den zu untersuchenden Schwellendesigns handelte es sich einerseits um die gut erprobte, besohlte Schwelle mit der L2-Schwellengeometrie mit einer Länge von 2,6 m
und andererseits dem innovativen, neuen
Schwellendesign der besohlten Schwelle
mit der L17-Schwellengeometrie mit einer
Länge von nur 2,4 m. Zur Untersuchungdes Lastabtragungsverhaltens wurden je
drei aufeinanderfolgende Schwellen halbseitig, unter Annahme einer symmetrischen Lastabtragung, mit zwei Sensorele-menten ausgestattet. Anschließend wurde die maximale Schwellenpressung beiÜberfahrt einer Lokomotive mit ca. 22 t
Radsatzlast ermittelt. Für die Auswertung
wurde jedes Sensorelement in drei annähernd gleich große Teile unterteilt und die
ermittelte Schwellenpressung als Funktion
vom Abstand zur Schwellenmitte dargestellt.
Aus den Mittelwerten der drei Schwellen
ergab sich das in Bild 8 dargestellte Ergebnis. Die Pressungsbilder lassen erkennen,
dass die besohlte, kürzere L17-Schwelle erwartungsgemäß etwas höhere Pressungen
im Bereich des Schienenauflagers und desSchwellenendes aufweist, da gesamthaft
eine geringere Auflagefläche zur Verfügung
steht. Richtung Schwellenmitte hin zeigt
das neue Design einen sehr ähnlichen Pressungsverlauf wie die erprobte, vollbesohlte
L2-Schwelle. Ergänzt wurden die ermittelten
Pressungsdaten mit Ergebnissen von Verformungsmessungen an den Schwellenenden und in Schwellenmitte (Schwellenbiegung). Die Verformungsmessungen zeigten
eine gleichmäßigere Gesamtschwelleneinsenkung bei der L17-Schwelle im Vergleich
zur L2-Schwelle.

Bild 6: Vergleich von Pressungen unter einer Schwelle, links ohne Besohlung und rechts mit einer PUR SLB3007-Schwellenbsohlung

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Bild 7: Pressungshistogramm bei Maximalkraft

und Bild 9 (c) dargestellt. Bild 10 zeigt
das Zeitsignal der über die Sensorfläche
gemittelten Schwellenpressung bei Zugüberfahrt. Die Veränderung der Schwellenbettung durch den Stopfvorgang ist
sowohl in der Pressungsverteilung wie
auch in der absoluten Größe der Zeitsignale deutlich erkennbar. Darüber hinaus
ist auch eine Messung während des Stopfvorgangs technisch möglich.

4

Bild 8: Lastverteilung zweier besohlter Schwellentypen (Mittelwerte aus drei Schwellen)

Die Betrachtung und Interpretation beider Messgrößen (Verformung und Pressungsverteilung) bestätigten, dass sichdas neue Schwellendesign gemäß der theoretischen Berechnung verhält und somit
im Feld validiert ist. Damit ist auch erwiesen, dass sich die Sensorschwellentechnologie bestens eignet, um Systemeigenschaften von Schwellen punktgenau unddirekt zu messen und deren Lastabtragung zu charakterisieren.
Diese ersten Anwendungen haben gezeigt,
wie die Sensorschwelle zur Charakterisierung von Oberbaukomponenten und gan-zen Oberbausystemen verwendet werden
kann. Ein drittes Beispiel zeigt, wie damit
auch Instandhaltungsmaßnahmen untersucht werden können. Bei einer mit drei
Sensorelementen ausgestatteten Schwelle (Bild 9 (a)) wurde festgestellt, dassdiese hohl im Schotterbett aufliegt, woraufhin eine Stopfung veranlasst wurde.
Die Bettungssituation einer Schwelle hat
einen direkten Einfluss auf ihr dynamisches Verhalten und ihre Einsenkung bei
Zugüberfahrt. Die Pressungsverteilung an
der Schnittstelle von Schwelle zu Schotter
vor und nach dem Stopfen ist in Bild 9 (b)Zusammenfassung

Insgesamt wurden bis dato 54 Sensorelemente verteilt auf 18 Sensorschwellen in verschiedenen Anordnungen im
Feld verbaut. Die Sensoren liefern nachwie vor verwertbare Daten. In Kombination mit der remote Datenübertragung
in eine Cloud ist die Sensorschwelle einmodernes Forschungs-, Mess- und Monitoringsystem, das für viele Messaufgaben verwendet werden kann. Bisher wurden mit ihr Komponenten und Oberbauvarianten verglichen und validiert. Die
Sensorschwellentechnologie kann in derGrundlagenforschung verwendet werden,um die Basis für die Entwicklung neuer
Komponenten und Methoden zu schaffen. Die größte Stärke der Sensorschwellentechnologie ist, dass Schotterkontaktpressungen in der heiklen Schnittstellezwischen Schwelle und Schotter direkt
unter realistischen Einbaubedingungengemessen werden können. Um die auf-

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Bild 9: (a) Verteilung der Sensoren auf der Schwellenunterseite; Pressung unter einer Sensorschwelle (b) vor und (c) nach dem Stopfvorgang

tretenden Belastungssituationen auf einfache und intuitive Art und Weise beurteilen zu können, bietet die Technologie
neben der qualitativen Auswertung zusätzlich die Möglichkeit, die Pressungsverteilungen als farbcodierte Bilder darzustellen.
Ein weiterer Vorteil der Messkette mit remote Datenzugriff ist, dass auch aus weit
entfernten Gebieten kontinuierlich Messdaten übertragen und ausgewertet werden können. Der Personalaufwand, derbei aufwändigen und langen Messkampagnen oft erheblich ist, wird hierdurch
deutlich reduziert. Weniger Gleiszutritte
bedeuten gleichzeitig eine Erhöhung derSicherheit für das Personal.
Über die genannten Beispiele hinaus
sind noch viele andere Anwendungenfür die Sensorschwellentechnologie denkbar. Kritische Oberbausysteme bzw. Hot
Spots wie Weichen, Übergänge, Isolierstöße oder enge Bögen können an ihrem schwächsten Interface (zum Schotter hin) überwacht werden. Die Auflagesituation einer Weiche, zum Bei-

Bild 10: Zeitsignal der gemittelten Schwellenpressung bei Zugüberfahrt (Lokomotive + Wagen) vor und nach dem Stopfvorgang

spiel im kritischen Bereich des Herzes,
ist somit kontinuierlich messbar unddamit immer bekannt. Dieses Wissenkann für vorausschauende Instandhaltung und Sicherheitsthemen verwendet
werden [5].
Gerade die Kombination aus der Messung in einer wichtigen Schnittstelle mit

den beschriebenen Funktionalitäten undMöglichkeiten lässt vermuten, dass nochviele weitere Anwendungen hinzukommen werden.
#866_A3(Bildnachweis: 1 bis 10, Verfasser)

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Literatur[1]

Austria-Forum der TU Graz, erstellt am
12.08.2021. https://austria-forum.org/af/
Wissenssammlungen/Neues_aus_der_Wissenschaft/Alles_auf_Schiene_ Forschung_rund_um_die_Eisenbahn_an_der_TU_Graz,
abgerufen am 22.03.2022.

Michael Sehner MSc (33).
Studium der Physik an derUniversität Innsbruck mit
Master in Experimentalphysik im Feld der Quantenoptik.
Seit 2016 tätig als Entwicklungsingenieur in der Forschung und Entwicklung bei
Getzner Werkstoffe GmbHin den Bereichen Produktentwicklung und
Messtechnik; verantwortlicher Ingenieur für
die Sensorschwellentechnologie, die seit 2018entwickelt wurde.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich.
E-Mail: michael.sehner@getzner.com
Ing. Andreas Augustin (46).
Besuch der Höheren Technischen Bundeslehranstalt
für Maschinenbau und Automatisierungstechnik in
Bregenz; berufsbegleitender Studiengang der Integrierten Produktentwicklung
IPD an der Fachhochschule
Dornbirn. Seit 1997 Tätigkeit als Konstrukteur
im Maschinenbau. Ab 2000 Qualitätsingenieur
in Forschung & Entwicklung. Nachfolgend verschiedene Führungspositionen im Qualitätswesen, der Entwicklung und der Geschäftsleitung bei der Getzner Werkstoffe GmbH; seit2018 in der Unternehmensentwicklung.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6780 Bürs, Österreich.
E-Mail: andreas.augustin@getzner.com

Loy, H., Augustin, A.: Pushing the limits ofballasted track – PUR pads protect heavy
freight corridors. Railway Gazette International, September 2014.
[3] Mc Henry, Michael T.: PRESSURE MEASUREMENT AT THE BALLAST-TIE INTERFACE OF
RAILROAD TRACK USING MATRIX BASEDTACTILE SURFACE SENSORS. Thesis and Dissertation 2013, University of Kentucky, Civil
Engineering.

[4]

Dipl.-Ing. Martin Quirchmair(39). Studium der Technischen Physik an der Technischen Universität Wien. Seit
2013 Entwicklungsingenieur bei Getzner Werkstoffe GmbH mit Schwerpunkt
Oberbauoptimierung und
Schwingungsreduktion im
Eisenbahnoberbau mittels Elastomeren. Von
2015 bis 2017 als Projektmanager Railway für
Getzner USA Inc. in Charlotte, North Carolina,
tätig. Seit 2018 Entwicklungsingenieur in derRailway Division und u. a. Verantwortlicher fürinternationale Forschungsprojekte (z.B. Horizon 2020 – Shift2Rail), Fahrweg-Simulationen, Messungen im Gleis, Koordination vonLaboruntersuchungen und die Produktgruppe Schwellenlager.
Anschrift: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich.
E-Mail: martin.quirchmair@getzner.com

Dr. Harald Loy (48). Bauingenieurstudium an der Technischen Universität München, später Promotion an
der Universität Innsbruck
mit Auszeichnung. Ab 2000
Technischer Berater in München. Seit 2005 Entwicklungsingenieur bei Getzner Werkstoffe GmbH im Bereich Forschung& Entwicklung. Von 2007 bis 2011 parallele
Anstellung als Wissenschaftlicher Mitarbeiterder Universität Innsbruck und derzeit Postdoc
am Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich
Intelligente Verkehrssysteme. Schwerpunkte
der Tätigkeit in den Bereichen Simulation, Laborprüftechnik und In-Situ-Messungen. 2014
Nominierung für den Staatspreis für Innovation, Übernahme der Verantwortung als Leiter
Team Systementwicklung. Seit 2018 Head of
R&D Railway Division.
Anschriften: Getzner Werkstoffe GmbH, Herrenau 5, 6706 Bürs, Österreich und Universität Innsbruck, Institut für Infrastruktur, Intelligente Verkehrssysteme, Technikerstr. 13,6020 Innsbruck, Österreich.
E-Mail: harald.loy@getzner.com

[2]

[5]

Loy, H. et al.: Switches & crossings: definedelasticity for new turnout designs. Railway
Engineering International 2022.
Iliev, D. L.: Die horizontale Gleislagestabilität
des Schotteroberbaus mit konventionellen
und elastisch besohlten Schwellen. Dissertation 2011, Technische Universität München, Lehrstuhl für Verkehrswegebau.