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TRANSCRIPT
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Optimierung modernerLok-Drehgestelle durchfahrzeugdynamische Systemanalyse
Oldrich PolachBombardier Transportation (Schweiz) AG, Winterthur
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2Rad2002-1.ppt
Inhalt
� Typische fahrzeugdynamische Analysen (Standardanalysen)
� Optimierung der Anforderungen auf Fahrstabilität undBogenfahrt
� Systemanalyse der Kraftschlussregelung undFahrzeugdynamik
� Erweitertes Kraftschlussmodell
� Beispiel der Systemanalyse Kraftschlussregelung-Fahrzeugdynamik
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3Rad2002-1.ppt
Systemdynamik der Schienenfahrzeuge
Analyse:Linearisierte Analyse
Numerische Simulation
Analyse:Linearisierte Analyse
Numerische Simulation
MKS(Starrkörper-
modell)
MKS(Starrkörper-
modell)Aktive
Elemente
AktiveElemente++ FlexibleStrukturen
FlexibleStrukturen
-40
-20
0
20
40
60
80
0 5 10 15 20 25
Zeit [s]
Y [
kN]
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4Rad2002-1.ppt
Beispiele der Simulationsmodelle: ADAMS/Rail
� Lokomotive SBB 460
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5Rad2002-1.ppt
Beispiele der Simulationsmodelle: SIMPACK
� Multi-System-Lok � Lok DB BR 101
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6Rad2002-1.ppt
Fahrtechnische Standardanalysen bei Lokomotiven
� Eigenwerte
� Linearisierte Stabilitätsanalyse
� Nichtlineare Stabilitätsanalyse
� Fahrt in der Geraden mit gemessener Gleislagestörung
� Bogenfahrt ohne und mit gemessener Gleislagestörung
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7Rad2002-1.ppt
Eigenwerte
� Beurteilung derEigenfrequenzenund -dämpfungen
Nicken
Wendenp g
1
2
32
3
11
3
2
Wanken
-
8Rad2002-1.ppt
050
100150200250300350400450
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60
Conicity
Vcr [
km/h
]
Konizität
Linearisierte Stabilitätsanalyse (Stabilitätskarte)
Kasten-Schlingern Drehgestell-Schlingern
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9Rad2002-1.ppt
Nichtlineare Stabilitätsuntersuchung
Auswertung derQuer- und
Wendebewegung
Auswertung derQuer- und
WendebewegungFahrtsimulation
(Abklingverhalten)
Fahrtsimulation(Abklingverhalten)Queranregung
Queranregung
Queranregung
stabil
instabil
-
10Rad2002-1.ppt
Fahrverhalten und Fahrkomfort
Auswertung derBeschleunigungAuswertung derBeschleunigungFahrtsimulation
FahrtsimulationGleisunebenheiten(Störung)
Gleisunebenheiten(Störung)
Bewertungskurven nach ERRI B 153für Messungen auf dem Fussboden
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02
Frequenz [Hz]
horizontal vertikal
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11Rad2002-1.ppt
Bogenfahrt
Auswertung:Kräfte, Verschleiss
Auswertung:Kräfte, VerschleissSimulation
SimulationTrassierung(+ Gleislagestörung)
Trassierung(+ Gleislagestörung)
+
R 2
R 1
1st: 2.5 -6.2 16.8
1st: -3.1 -0.2 8.02nd: -3.6 -4.2 19.1
1st: -0.6 -8.6 21.9
1st: -7.6 1.2 19.4
-30.0-10.010.030.0
1st: -2.4 -11.0 28.6
1st: 6.7 -0.9 17.2
1st: -1.5 -5.1 13.52nd: 2.2 -1.9 7.3
1st: 7.6 2.9 21.5
-30.0 -10.0 10.0 30.0
Stellung der Radsätze im Gleis
Q Y
-
12Rad2002-1.ppt
Bogenfahrt: Führungskraft
0
10
20
30
40
50
5 10 15 20 25 30cx [kN/mm]
Y [
kN]
Stabilität: Kritische Geschwindigkeit
0
50
100
150
200
250
300
5 10 15 20 25 30cx [kN/mm]
vcr
[km
/h]
Konizität Rad-Schiene 0,45Restdämpfung 5 %
Bogenradius 500 mQuerbeschleunigung 1,1 m/s2
Optimierung des Konflikts Fahrstabilität - Bogenfahrt
� Auslegung der Radsatzführung:Zielkonflikt zwischen Stabilität und Bogenfahrt
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13Rad2002-1.ppt
Lösung des Zielkonflikts: Kopplung der Radsätze
� Funktionen der Koppelwelle� Erhöhung der Stabilität
� Übertragung der Zug/Bremskräfte Radsatz-Drehgestellrahmen
� Bessere radiale Einstellung der Radsätze im Bogen
� Erprobte Lösung:Koppelwelle im Drehgestell der Lokomotive 2000(SBB 460, BLS 465, NSB El 18, VR Sr2)
Koppelwelle
Radsatz Lenkerstange
Achslager
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14Rad2002-1.ppt
Entwicklungsprojekt: Drehgestell der Multi-System-Lok
� Antriebsvarianten� Antrieb mit Hohlwelle� Tatzlagermotor
� Radsatzführung: modulare Bauweise
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15Rad2002-1.ppt
Modulare Bauweise der Radsatzführung
� Module
�sehr weiche Radsatzführung mitKoppelwelle (KW)
�sehr weiche Radsatzführung mit Koppelwelleund Koppelwellendämpfer (KWD)
�steife Radsatzführung
�weiche Radsatzführung
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16Rad2002-1.ppt
Konstruktion des Drehgestells
� sehr weicheRadsatzführung mitKoppelwelle
� steife / weicheRadsatzführung
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17Rad2002-1.ppt
150
200
250
300
350
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
cx [kN/mm]
vcr
[km
/h]
ohne Koppelwelle
mit Koppelwelle
mit Koppelwelle undKoppelwellendämpfer
Stabilität - linearisierte Analyse
� Kritische Geschwindigkeit(Konizität Rad-Schiene 0,45)
-
18Rad2002-1.ppt
Summe der Führungskräfte
0
5
10
15
20
25
30
35
40
ohne KW mit KW mit KW und KWD
s �
Y
[kN
]
Stabilität - nichtlineare Analyse
Querbeschleunigung am DG-Rahmen
0
2
4
6
8
10
12
14
ohne KW mit KW mit KW und KWD
y"
[m/s2
]
-10-505
10
0 200 400 600 800 1000 1200Weg [m]
ÿ [m
/s2 ]� Maximalwerte bei der
Simulation der Fahrt mitTestgeschwindigkeit
-
19Rad2002-1.ppt
� Führungskraft des anlaufenden Rades
Bogenfahrt
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
cx [kN/mm]
Y [
kN]
ohne Koppelwelle, R = 300 mmit Koppelwelle, R = 300 mohne Koppelwelle, R = 500 mmit Kopellwelle, R = 500 m
-
20Rad2002-1.ppt
� Führungskraft des anlaufenden Rades� Verschleiss am anlaufenden Rad
Bogenfahrt
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
cx [kN/mm]
Y [
kN]
ohne Koppelwelle, R = 300 mmit Koppelwelle, R = 300 mohne Koppelwelle, R = 500 mmit Kopellwelle, R = 500 m
0
200
400
600
800
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
cx [kN/mm]
AR
[N m
/ m
]
ohne Koppelwelle, R = 300 mmit Koppelwelle, R = 300 mohne Koppelwelle, R = 500 mmit Kopellwelle, R = 500 m
-
21Rad2002-1.ppt
� Führungskraft Rad-Schiene(Radprofil S 1002, Schiene UIC 60)
Bogenfahrt: Einfluss der Einbauneigung der Schienen
Neigung 1 : 40 Neigung 1 : 20
0
10
20
30
40
50
60
70
300 500 1000Bogenradius [m]
Y
[kN
]
ohne KW mit KW
0
10
20
30
40
50
60
70
300 500 1000Bogenradius [m]
Y
[kN
]
ohne KW mit KW
-
22Rad2002-1.ppt
Erfahrungen mit radial einstellbaren Drehgestellen
Verschleissreduktion:
� Reprofilierungsintervale mit Lok SBB 460 auf der Gotthardstrecke3 - 4 x länger als bei älteren Lok
� Reprofilierungsintervale der Lokomotiven Ge 4/4III der RhB etwa4x länger als bei älteren Lokomotiven
-40 -20 0 20 40 60
-20
-10
0
10
Radprofil der Lok RhBGe 4/4III nach 310 000 kmLaufleistung
-
23Rad2002-1.ppt
Weiterentwicklung des Rad-Schiene-Modells
� geeignet für Lauftechnik(Mikroschlupf)
� wird für Längs- und Querrichtungbetrachtet
� abhängig vom Schlupf
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 1 2 3
Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
trocken
nass
Fahrzeugdynamik Antriebsdynamik
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 1 2 3 4 5 6Schlupfgeschwindigkeit [km/h]
Kra
ftsch
luss
trocken
nass
� notwendig für Antriebsdynamik(Makroschlupf)
� in Rechnung bis jetzt nur fürLängsrichtung betrachtet
� abhängig von Schlupfgeschwindigkeit
-
24Rad2002-1.ppt
0 36
912
15
1040
70
100
00.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.24
0.28
0.32
0.36
fx [-]
sx [%]
v [km/h]
Rad-Schiene-Modell für Fahrzeug- und Antriebsdynamik
� Einfluss der Fahrgeschwindigkeit
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20 25Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
V = 10 km/h
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20 25Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
V = 40 km/h
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20 25Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
V = 70 km/h
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20 25Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
V = 90 km/h
-
25Rad2002-1.ppt
Erweitertes Rad-Schiene-Modell auf Basis von Messungen
� Zusammenhang Längs-,Quer-, Bohrschlupf undForm der Kontakellipseim erweitertenKraftschlussgesetz
sysx
fy
sysx
fx
%%%%
ωB = 0 rad/ma/b = 1
sysx
fy
sysx
fx
%%%%
ωB = 10 rad/ma/b = 3.5
-
26Rad2002-1.ppt
Co-Simulation Fahrzeugdynamik - Kraftschlussregelung
Fahrzeugmodell(SIMPACK)
Kraftschlussregler(MATLAB-SIMULINK)
MR4
MR3
V
ωR3ωR4
-
27Rad2002-1.ppt
Fahrzeugmodell: Versuchslokomotive BR 128 (Lok 12X)
� Modellaufbau
-
28Rad2002-1.ppt
Fahrzeugmodell: Versuchslokomotive BR 128 (Lok 12X)
� Ergänzung des Lokmodells� Antriebstrang (Motor, Getriebe, Hohlwelle)� Torsionselastischer Radsatz
Hohlwelle
Rechtes Rad
Kupplung Radsatz -Hohlwelle
Torsionssteifigkeitder Radsatzwelle
Linkes Rad Rollieren (49.2 Hz)
Eigenschwingungendes Antriebstrangs:
Eigenschwingungendes Antriebstrangs:
Rattern (21.7 Hz)
-
29Rad2002-1.ppt
0
0.1
0.2
0.3
0 5 10 15 20 25
Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
20 km/h, Messung
60 km/h, Messung
0
0.1
0.2
0.3
0 5 10 15 20 25
Schlupf [%]
Kra
ftsch
luss
20 km/h, Rechnung
60 km/h, Rechnung
20 km/h, Messung
60 km/h, Messung
Evaluation der Parameter des Kraftschlussmodells
� Anpassung des Rad-Schiene-Modells nachgemessenen Kraftschluss-Kennlinien
Ein Parametersatz berücksichtigt die Einflüsse:
� Geschwindigkeit
� Längsschlupf
� Querschlupf
� Spin
� Berührgeometrie
� Normalkraft
-
30Rad2002-1.ppt
Simulation des Übergangs trocken-nass
� Anfahrt in der Geraden Reibwert Rad-Schiene
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 20 40 60 80 100
Weg [m]
�
[ - ]
linke Schiene
rechte Schiene
Antriebsmoment am Rotor
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30
Zeit [s]
MR
[kN
m]
Sollwert Istwert Rotor 3 Istwert Rotor 4
Kraftschluss als Funktion von Schlupf
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Längsschlupf [ - ]
fx
[ - ]
Radsatz 3 links
Radsatz 4 links
-
31Rad2002-1.ppt
Vergleich Messung - Rechnung
� Anfahrt der Versuchkomposition auf bogenreicherStrecke (Kanderviadukt, Schweiz, August 2001)
Längskräfte in der Radsatzführung(Differenz links - rechts)
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700Weg [m]
Kra
ft [
kN]
Messung Radsatz 3 Messung Radsatz 4
Rechnung Radsatz 3 Rechnung Radsatz 4
Rechtsbogen300 m
Linksbogen385 m
Rechtsbogen290 m
-
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Schlussfolgerungen
� Die Standardanalysen ermöglichen virtuelle Erprobungwährend der Entwicklung
� Die Zielkonflikte der fahrtechnischen Anforderungen aufdie Drehgestellkonstruktion lassen sich mit Unterstützungder Simulationen weitgehend optimieren
� Weiterentwicklung der Modellierung des Rad-Schiene-Kontaktes zusammen mit Co-Simulation ermöglichenkomplexe Analysen mechatronischer Systeme modernerLokomotiven