Spurführungskräftebasierte Regelung eines nicht angetriebenen mechatronischen Losradfahrwerks

Bernicke, Sebastian; Eckstein, Lutz; Dellmann, Torsten

doi:10.18154/RWTH-2019-05092

Spurführungskräftebasierte Regelung eines nicht angetriebenen mechatronischen Losradfahrwerks = Wheel-rail-force based control of a non-driven independently rotating wheelset

Bernicke, Sebastian^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeSebastian Bernicke

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (183 Seiten) : Illustrationen

ISBNISBN 978-3-8440-6669-2

ReiheBerichte aus der Fahrzeugtechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Dellmann, Torsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-01-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05092
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/761730/files/761730.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme (414210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Losrad (frei) ; Regelung (frei) ; mechatronisches Fahrwerk (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die im Schienenfahrzeugbau allgemein verwendeten Radsätze müssen bei hohen Fahrgeschwindigkeiten fest angebunden werden, um Fahrstabilität zu gewährleisten. Als Konsequenz ergibt sich erhöhter Verschleiß durch den unterdrückten, systemimmanenten Wellenlauf. Losräder können sehr hohe Fahrgeschwindigkeiten bei einfachem mechanischem Aufbau ermöglichen, haben aber keine guten Bogenlaufeigenschaften. Um die Vorteile beider Fahrwerksbauarten zu kombinieren, bietet sich die Verwendung von mechatronisch gelenkten Losrädern an. Viele Regelungen, die bisher vorgestellt wurden, basieren auf dem direkten Messen von Querversatz und Schrägstellung der Räder im Gleis. Dieser Messvorgang ist in der Praxis aktuell nicht mit der nötigen Zuverlässigkeit umzusetzen. In dieser Arbeit wird eine auf der Messung von Spurführungskräften basierende Regelung vorgestellt, welche die bei Schienenfahrzeugen erforderliche Robustheit garantiert. Somit können die Losräder des Fahrwerks radial zur Schiene eingestellt werden. Nach einer Analyse des Stands der Technik werden die theoretische Herleitung sowie der Aufbau des Simulationsmodells beschrieben. Verschiedene Möglichkeiten der Aktuierung bzw. des Aufbaus von mechatronischen Fahrwerken werden vorgestellt. Die Notwendigkeit einer robusten Aufnahme von Messsignalen wird aufgezeigt, ebenso die Vorteile der Radialeinstellung der Räder im Gleis. Mit Hilfe von Simulationen im Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK sowie des Aufbaus der Regelung in MATLAB-Simulink wird die Funktionsfähigkeit einer derartigen Regelung gezeigt. Die Messsignale werden mit einem Störsignalüberlagert sowie mit einer Regelabweichung versehen, um realistische Bedingungen zur Erprobung zu erzeugen. Es wird eine Gleisstrecke mit stochastischen Lagefehlern erstellt, welche überkritische Verlaufsparameter aufweist, um eine Funktionsfähigkeit der Regelung auch in Ausnahmesituationen zu zeigen. Bahnfeste Sensoren werden ausgewählt, ein Ausfallkonzept wird vorgestellt, ebenso die Fähigkeit der Regelung, Auswirkungen von Bremsen bzw. Antrieben kompensieren zu können. Die Sicherheit gegen Entgleisen wird bewertet, ein Verschleißvergleich mit Losrad- sowie mit herkömmlichen Radsatzfahrwerken wird vorgestellt. Die Notwendigkeit, das in dieser Arbeit vorgestellte Regelungsprinzip praktisch zu überprüfen, wird dargestellt.

Wheelsets, which are commonly used in railroad construction, must be rigidly coupled at high speeds to ensure driving stability. Increased wear due to the suppressed, system-inherent instability is the consequence. Independently rotating wheels can enable very high speeds with a simple mechanical design, but they have no good curving performance. The use of steered independently rotating wheels combines the advantages of both principles. Yet, many control strategies are based on the direct measurement of lateral deflection and inclination of the wheels relative to the rails. Practically, this cannot be implemented with the needed reliability. In this thesis, the measurement of wheel-rail guiding forces is used for the radial adjustment of the wheels. After an analysis of the state of the art, the theoretical background and the structure of the simulation model is described. Various possibilities of actuation and different principles of mechatronic undercarriages are presented. The need for a robust recording of measurement signals is demonstrated, as well as the benefits of radial adjustment of the wheels relative to the track. Simulations in the multi-body program SIMPACK and in MATLAB-Simulink show the functionality of such a control. The measurement signals are superposed with an interfering signal and with a deviation to generate realistic conditions for testing. A track with stochastic irregularities shows the functionality of the control. The track has supercritical parameters to work even in exceptional circumstances. Rail-suitable sensors are selected, and a failure concept is presented, as well as the ability to brake or drive the wheels of the undercarriage. The safety against derailment is evaluated. The wear of the developed undercarriage is compared with the wear of unsteered independently rotating wheels and with conventional wheelsets. A practical verification of the presented control is an aim for future research

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