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Titel
Methodenuntersuchung zur aktiven Schwingungsreduktion eines Schienenfahrzeug-Wagenkastens
VerfasserSchandl, Gerhard
Begutachter / BegutachterinLugner, Peter ; Jörgl, Hanns Peter
Erschienen2005
UmfangVII, 136 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2006
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Fahrkomfort / aktive Schwingungsreduktion / Schienenfahrzeuge / Passagiereinfluss / Mehrkörperdynamik / Modularisierung
Schlagwörter (EN)ride comfort / active vibration control / railway vehicle / passenger car body interaction / multi body dynamics / modularisation
Schlagwörter (GND)Schienenfahrzeug / Wagenkasten / Schwingung / Reduktion
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-21226 Persistent Identifier (URN)
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Methodenuntersuchung zur aktiven Schwingungsreduktion eines Schienenfahrzeug-Wagenkastens [5.91 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept eines aktiven Schwingungsreduktionssystems für einen Schienenfahrzeug-Wagenkasten entwickelt sowie seine Funktion mittels numerischer Simulation demonstriert. Dieses System soll die Strukturschwingungen des Wagenkastens, die einen maßgeblichen Einfluss auf den Schwingungskomfort ausüben, verringern und damit den Fahrkomfort für die Passagiere erhöhen oder - bei gleich bleibendem Fahrkomfort - eine geringere Fahrzeugmasse und damit geringere Achslasten sowie einen niedrigeren Energieverbrauch ermöglichen. Das hier untersuchte aktive Schwingungsreduktionssystem besteht aus Piezo-Dehnungssensoren, die an der Wagenkastenstruktur befestigt sind und die Strukturschwingungen erfassen. Die Signale dieser Sensoren werden durch einen Regelalgorithmus verarbeitet, der daraus Stellgrößen berechnet, die zur Ansteuerung von Piezo-Aktoren verwendet werden. Diese ebenfalls an der Wagenkastenstruktur befestigten Aktoren leiten Momente in die Struktur ein, die den Schwingungen der Struktur entgegenwirken. Als Regelalgorithmus wird in der vorliegenden Untersuchung eine Zustandsvektorrückführung mit Polzuweisung verwendet.

Die Rekonstruktion des Zustandsvektors aus den Messgrößen erfolgt durch einen LQ-Beobachter. Die Erprobung des Systems erfolgt durch numerische Simulation eines ausgeführten Metro-Fahrzeugs, das mit einem aktiven Schwingungsreduktionssystem ausgestattet wird. Bei der Simulation einer Fahrt auf einer Strecke mit Gleislagefehlern können Reduktionen der mit einem Komfortfilter bewerteten Vertikalbeschleunigung von bis zu 35% gegenüber einem baugleichen Fahrzeug ohne Schwingungsreduktionssystem erzielt werden. Weiters wird der Einfluss der Fahrgäste auf das Schwingungsverhalten des Wagenkastens durch numerische Simulation untersucht. Die Ergebnisse dieser numerischen Berechnungen werden mit den Ergebnissen veröffentlichter Messungen an realen Fahrzeugen verglichen. Dabei kann eine gute Übereinstimmung erzielt werden. Zuletzt wird eine Methode zur modalen Synthese komplexer Strukturen aus einfacheren Strukturelementen entwickelt und untersucht. Das Ziel ist dabei durch Zusammensetzen standardisierter Module eine näherungsweise Vorabberechnung der Schwingungseigenschaften eines Wagenkastens zu ermöglichen.

Zusammenfassung (Englisch)

In the present thesis the concept of an active vibration reduction system of a railway vehicle car body is developed and studied in numerical simulations. The aim of this system is the reduction of structural vibrations, which have a great impact on the ride comfort and therefore an increase in passenger ride comfort or a reduction of the vehicle mass and therefore axle loads and energy consumption while still reaching the ride comfort level of a heavier vehicle with stiffer car body. The active vibration reduction system investigated here consists of piezo-strain-sensors mounted on the car body structure measuring the flexible deformation. Via a feedback control loop the output signals of these sensors generate a set value which is used to drive piezo-actuators. These actuators which are also mounted on the car body structure apply moments to the car body reducing the structural vibration. In the present study state-feedback with pole-placement is used as control algorithm. Furthermore, a LQ-observer estimates the state variables of the sensor signals. In order to conduct a numerical study of the active vibration reduction system a multi-body-model of a complete metro railway vehicle is used. The ride on a track with irregularities is simulated and the vertical acceleration on different positions on the car body floor is calculated. Compared to the similar vehicle without active vibration reduction system a reduction of up to 35% of the comfort-weighted vertical acceleration is achieved.

Furthermore, the influence of the passengers on the vibration behaviour of the car body is investigated. For this reason a simple passenger model which can be easily incorporated in a multi-body model of a railway vehicle is proposed. Results of numerical calculations achieved with this model are compared to published measurements of railway vehicle. The comparison shows a good agreement of simulation results and experimental data. Finally a method for a modal synthesis to build up complex structures from simpler structural elements is developed and investigated. The aim of this approach is to enable an approximate pre-calculation of the vibration characteristics of a car body by assembling of standardized modules.