Dynamisches Verhalten von gummigefederten Eisenbahnrädern

Waltz, Manuela; Betten, Josef

doi:26865

Dynamisches Verhalten von gummigefederten Eisenbahnrädern = Dynamic behaviour of rubber elastic railway wheels

Waltz, Manuela (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manuela Waltz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang227 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Betten, Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-09-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12552
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61767/files/Waltz_Manuela.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Schienenfahrzeug (Genormte SW) ; Mehrkörpersystem (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Nichtlineare Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Elastomer (Genormte SW) ; Gummi (Genormte SW) ; Gummibauteil (Genormte SW) ; Radsatz (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Simpack (frei) ; Bauteilmodell (frei) ; gummigefedert (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der Arbeit wurde das schwingungstechnische Verhalten von gummigefederten Rädern simuliert. In einem ersten Schritt ist das Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten an einem bestehenden Rad untersucht worden. Im Anschluss daran wurden optimale Parameter für ein verbessertes Design abgeleitet, bei dem die Beschleunigungen im Wagenkasten und die Kräfte im Rad-Schiene-Kontakt deutlich reduziert werden konnten.Im Gegensatz zu anderen Untersuchungen wurden hierbei die komplexen nichtlinearen Eigenschaften von gummigefederten Rädern mit berücksichtigt. Zur Simulation diente hierbei sowohl ein FE-Modell als auch ein MKS-Modell. Das FE-Modell hat Aufschluss über das Verformungsverhalten von gummigefederten Rädern geliefert. Da zusätzlich umfangreiche Messungen stattgefunden haben, konnten die Simulationsergebnisse verifiziert werden. Aufgrund der Komplexität des FE-Modells des gummigefederten Schienenrades gelang es nicht, eine FE-Analyse des rollenden Rades durchzuführen. Im Gegenzug dazu besteht bei MKS-Programmen die Möglichkeit, rollende Schienenräder zu simulieren. Zur Abbildung der komplexen Eigenschaften der Elastomerelemente wurde das Bauteilmodell von Prof. Wahle verwendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich sowohl die Steifigkeit als auch die Dämpfung in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit ändern. Diese Effekte sind mit vereinfachten linearen Modellen zur Beschreibung der Elastomerelemente nicht darstellbar.Ein verbesserter Fahrkomfort (geringere Beschleunigung im Wagenkasten) konnte für die hier untersuchten gummigefederten Räder analytisch nicht gefunden werden. Jedoch sind die dynamischen Radlastschwankungen bei gummigefederten Rädern geringer als bei starren Rädern. Da die dynamischen Radlastschwankungen sowohl den Verschleiß, als auch die Polygonisierung der Räder beeinflussen, ist anzunehmen, dass der durch gummigefederte Räder gemessene verbesserte Fahrkomfort im Schienenfahrzeug auf die geringere Polygonisierung der Räder zurückzuführen ist.Zusätzlich wurden Parameter für die Steifigkeit und Dämpfung von gummigefederten Rädern ermittelt, bei denen die Beschleunigung im Wagenkasten deutlich unter der bei starren Rädern liegt. Allerdings sind hierbei die Relativwege zwischen Radscheibe und Radreifen so groß, dass ein neues Konstruktionsprinzip benötigt wird. So ist entweder auf eine ausreichende Wärmeabfuhr zu achten, oder die Steifigkeit müsste über eine metallische Federung realisiert werden. Eine geringe radiale und axiale Steifigkeit des Rades wirkt sich destabilisierend auf den Sinuslauf des Radsatzes aus. Auch eine zu hohe Dämpfung im System senkt die kritische Geschwindigkeit im Radsatz.

The vibration behaviour of rubber elastic wheel sets was simulated in this dissertation. At first the stiffness and the damping of an existing wheel was tested. Subsequent to this, optimized parameters for an improved design where derived. With this new design the acceleration in the railcar body and the forces in the wheel-rail-contact could be reduced drastically.In contrast to other studies, the complex nonlinear behaviour of radial elastic wheels was considered. The simulation was done by MBS models as well as FE models.With the FE model the deformation of elastic wheels was simulated. In addition to this, considerable measurements were done. So the simulation could be verified by the measurements.Because of the complexity of the FE model of the rubber elastic wheel, it wasn’t possible to do an FE analysis of a rolling wheel. In MBS programmes it is possible to simulate rolling wheels. The rubber model of Prof. Wahle was used to simulate the complex properties of the rubber.With this model it could be shown that the stiffness and the damping changes with the rotational speed. These effects can not be simulated with linear models for the description of elastomer parts. An improved riding comfort (less acceleration in the railcar body) couldn’t be found for the existing rubber elastic wheels. But the dynamic variation of wheel forces for elastic wheels is smaller then those for inelastic wheels. The dynamic variation of wheel forces is responsible for the polygonisation of wheels. So the polygonisation of elastic wheels is smaller then those for inelastic wheels. This can be the reason for the improved riding comfort for elastic wheels. In a second step improved parameters of the stiffness and damping for rubber elastic wheels were derived. With this improved design the acceleration of the railcar body could be reduced. But with this design the deformation of the rubber is rather large. Because of this a new design is needed. A low radial and axial stiffness causes a reduced critical speed of the wheel sets.

Volltext:
PDF
(zusätzliche Dateien)