Optimierung modernerLok-Drehgestelle durchfahrzeugdynamische Systemanalyse

Oldrich PolachBombardier Transportation (Schweiz) AG, Winterthur

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

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]

4Rad2002-1.ppt

Beispiele der Simulationsmodelle: ADAMS/Rail

� Lokomotive SBB 460

5Rad2002-1.ppt

Beispiele der Simulationsmodelle: SIMPACK

� Multi-System-Lok � Lok DB BR 101

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

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

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

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

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

14Rad2002-1.ppt

Entwicklungsprojekt: Drehgestell der Multi-System-Lok

� Antriebsvarianten� Antrieb mit Hohlwelle� Tatzlagermotor

� Radsatzführung: modulare Bauweise

15Rad2002-1.ppt

Modulare Bauweise der Radsatzführung

� Module

�sehr weiche Radsatzführung mitKoppelwelle (KW)

�sehr weiche Radsatzführung mit Koppelwelleund Koppelwellendämpfer (KWD)

�steife Radsatzführung

�weiche Radsatzführung

16Rad2002-1.ppt

Konstruktion des Drehgestells

� sehr weicheRadsatzführung mitKoppelwelle

� steife / weicheRadsatzführung

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

32Rad2002-1.ppt

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