Systemdynamik vonRad und Schiene

Die Ziele des Forschungsprojekts NextGeneration Train (NGT) in Bezug aufFahrgeschwindigkeit, Passagier-Kapa-zität, Komfort sowie Lärm- und Ver-schleißreduktion sind nur zu erreichen,wenn die Dynamik des Systems Rad/Schiene in die Betrachtung einbezogenund positiv beeinflusst wird.

MehrkörpersimulationZur Analyse der Fahrzeug-Systemdynamikvon Schienenfahrzeugen hat das DLRbereits in der Vergangenheit wesentlicheBeiträge geleistet und den Weg für denvirtuellen Entwurf eines Schienenfahr-zeugs in der Mehrkörpersimulation be-reitet.

Im Projekt NGT wird diese Methodik imRahmen eines wirklichkeitsnahen Aus-legungsszenarios eingesetzt, um die zuerwartenden fahrdynamischen Lasten zuberechnen und zum Beispiel beim Entwurfder Wagenkastenstruktur zu berücksich-tigen. Für die Zulassungsfähigkeit einesZugkonzepts ist es außerdem wichtig,dass die Rad-Schiene-Kräfte bestimmteGrenzwerte nicht überschreiten.

Indem die Strukturdynamik von Rad oderRadsatz und Gleis berücksichtigt und dieKontaktbeschreibung verfeinert werden,erweitern sich die Möglichkeiten des vir-tuellen Entwurfs. Phänomene wie Längs-profilverschleiß, Roll-Kontakt-Ermüdungund Rollgeräuschentstehung könnendann in einem geschlossenen Entwurfs-prozess unter Verwendung vorhandenerfahrdynamischer Modelle analysiert wer-den.

The research project Next GenerationTrain (NGT) has an ambitious agendaregarding vehicle speed, passengercapacity, comfort, noise and wear level.These targets can only be met, if thedynamics of the wheel/rail system istaken into account and beneficiallyinfluenced.

Multibody SimulationAlready in the past the DLR provided significant contributions to the computer-aided analysis of the vehicle dynamicsand thus advanced the virtual design ofrailway vehicles by multibody simulation.In order to use this know-how in theproject NGT, a lay-out-scenario close toreality has been defined, so that thedynamic loads along a reference trackcan be evaluated and among other thingsbe considered to dimension the carbodystructure.

The wheel/rail forces are also evaluatedto check whether the specific limits de-fined for the homologation of the vehicleare not exceeded.

Further improvements of the simulationmethodology concern the considerationof the structural dynamics of the wheelsor wheel-sets and rails and include a re-fined wheel/rail contact description.Consequently the capabilities of the vir-tual design will be extended significantly,since phenomena such as longitudinalwear, roll-contact-fatigue and rolling-noise may now be analysed using thesame engineering process chain and asfar as possible reuse existing models.

Han

dout

Wheel/Rail SystemDynamics

Normalkraftverteilung des Rad-Schiene-Kontakts in verfeinerter Darstellung

Distribution of wheel/rail normal contactforces in refined representation

Verteilung der Körperschallleistung auf der Radoberfäche

Distribution of structure borne noise level on the wheel surface

Gutes Gleis Schlechtes GleisGood Track Bad Track

Leise/Quiet Laut/Noisy

Mechatronisches FahrwerkMechatronische Systeme zur aktivenSpurführung und Fahrwerksregelung bie-ten ein enormes Potenzial zur Verbesse-rung der Sicherheit und des Komfortsvon Schienenfahrzeugen. Neben Laufsta-bilität, Verschleiß- und Lärmreduktionmuss das mechatronische Fahrwerk für den NGT auch in der unteren Ebene einesDoppelstockfahrzeugs einen komforta-blen, ebenen Durchgang für die Fahr-gäste ermöglichen und zur Traktion desZugverbands beitragen. Eine zusätzlicheHerausforderung ist es, die Zuverlässigkeitder Mechatronik im täglichen Bahnbe-trieb zu gewährleisten.

Zentrale Komponenten des vorgeschla-genen Fahrwerks sind die geregelt ange-triebenen Einzelräder und der zugehörigeRadträger, der radial in einen Gleisbogeneingelenkt werden kann. Die Einzelrad-motoren sind gleichzeitig Antriebsaggre-gate und Aktuatoren, die den beidenEinzelrädern eines Radträgers verschiede-ne Drehmomente aufprägen können. So lässt sich das Fahrwerk im Spurkanalausrichten und in Bögen einlenken. Dasmacht den Radlauf leiser und mindertden Verschleiß.

Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt e.V.German Aerospace Center

Institute of Robotics and Mechatronics Münchner Straße 20D-82234 Weßling

Contact: Dr.-Ing. Andreas Heckmann Phone: +49 8153 28-1699Telefax: +49 8153 28-1850E-mail: Andreas.Heckmann@dlr.dewww.DLR.de

Mechatronic Running GearMechatronic systems for active steeringand running gear control in principleoffer an enormous potential for enhance-ments regarding safety and comfort.

Besides fulfilling requirements such asrunning stability, wear- and noise-reduc-tion, a mechatronic running gear for theNext Generation Train has to allow a pla-nar alleyway for passengers at the lowerlevel of a doubledeck vehicle and has tocontribute to the traction of the train line.To ensure the reliability of mechatronicsin daily train operation is an additionalchallenge.

The major components of the proposedconcept are the feedback-controlled single wheels and the wheel carrier,which may be aligned along a curveradius. The wheel drives serve two pur-poses, they are traction systems andactuators, which may apply different torques on both wheels of one carrier.This way the carrier-wheels-unit may beadjusted to the middle of the track andmay be steered into curves so that low-wear and -noise running characteristicsare achieved.

Konzept eines Einzelrad-Einzelfahrwerks

Mono-wheel running gear concept

Computerdarstellung des Next Generation Train

Artist’s view of the Next Generation Train