BelKol-MKS: Bestimmung von einsatz- und fahrzeugabhängigen Belastungskollektiven bei Schienenfahrzeugdrehgestellen mittels Mehrkörpersimulation

belkolmks

Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an Schienenfahrzeuge sind in der Vergangenheit ständig gewachsen. Die gestiegenen Energiekosten und die damit verbundene wirtschaftliche Bedeutung des Energieverbrauchs im Fahrzeugbetrieb haben in der Entwicklung zu einem vermehrten Einsatz der Konstruktionsprinzipien des Leichtbaus in Verbindung mit dem Berechnungskonzept der Betriebsfestigkeit geführt. Voraussetzung für eine leichte, energiesparende und gleichzeitig sichere Konstruktion ist, dass die für die Betriebsfestigkeitsrechnung verwendeten Belastungskollektive den im späteren Fahrzeugeinsatz entstehenden Belastungen entsprechen.

Belastungskollektive für die Betriebsfestigkeitsrechnung von Drehgestellkomponenten (z.B. dem Drehgestellrahmen) werden derzeit aus statischen und quasi-statischen Lastfällen ermittelt. Der Einfluss des Fahrzeugverhaltens auf die Belastungen wird durch dynamische Zuschlagsfaktoren berücksichtigt, die auf Erfahrung und teilweise normativen Vorgaben beruhen. Solche Zuschlagsfaktoren sind für Straßen- und U-Bahn-Fahrzeuge beispielsweise in [1] und für Vollbahnfahrzeuge in [2] gegeben. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es weder den Einsatz des Fahrzeuges noch sein individuelles dynamisches Verhalten berücksichtigt.

Eine Alternative zur Ermittlung von Belastungskollektiven besteht in der Verwendung der Mehrkörpersimulation (MKS). Die MKS wird seit längerem für die fahrdynamische Auslegung und Bewertung von Schienenfahrzeugen eingesetzt. Gegenüber dem bestehenden Lastannahmeverfahren hat sie den Vorteil, das dynamische Fahrzeugverhalten inhärent zu berücksichtigen. Untersuchungen zur Betriebsfestigkeitsrechnung mittels Mehrkörpersimulation an Schienenfahrzeugen wurden bereits in den 1990er Jahren durchgeführt [3], [4], [5]. Diese konnten die prinzipielle Eignung des Verfahrens zeigen.

Die MKS wird derzeit hauptsächlich zur Absicherung der Lastannahmen bei Sonderlastfällen eingesetzt. Hierzu werden kurze Fahrten mit definierten Strecken und Verläufen der Geschwindigkeit, der Antriebs- und Bremsmomente simuliert. Für die Ermittlung von repräsentativen Belastungskollektiven eignet sich ein solches Vorgehen jedoch nicht, da die benötigten genauen Verläufe der Geschwindigkeit, der Antriebs- und Bremsmomente sowie der Trassierung und der Gleislage während der Entwicklung nicht vorhanden sind. Aufgrund der hohen Laufleistung von Schienenfahrzeugen (etwa 7,5 Mio. Kilometer bei Nah- und Regionalfahrzeugen und 15 Mio. Kilometer bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen) wäre dies trotz der heute vorhandenen Rechenleistungen nicht umsetzbar. Zur Ermittlung repräsentativer Belastungskollektive mittels Mehrkörpersimulation werden daher repräsentative Szenarien benötigt, welche den geplanten Einsatz des Schienenfahrzeugs widerspiegeln und rechentechnisch umsetzbar sind.

Im Rahmen von BelKol-MKS wird daher die Generierung von repräsentativen Belastungskollektiven bei Schienenfahrzeugdrehgestellen mittels Mehrkörpersimulation erforscht. Es wird untersucht, wie sich die Vielzahl an Einsatzparametern (beispielsweise Anzahl, Länge und Geschwindigkeitsverteilung der Fahrzyklen, Anzahl, Radius, Überhöhung und Überhöhungsfehlbetrag der Bögen sowie die Gleislage) reduzieren lassen und welchen Einfluss die Fahrzeugmodellierung hat. Aus den Erkenntnissen soll ein Verfahren entwickelt werden, welches es mit überschaubarem Aufwand erlaubt, bereits in der Entwicklung die im späteren Betrieb entstehenden Belastungen zu berechnen. Dies ermöglicht die Nutzung noch vorhandener Leichtbaupotentiale und erhöht die Sicherheit im Entwicklungsprozess.

Das Projekt wird in Kooperation mit der Siemens AG Österreich, Welt-Kompetenzzentrum für Fahrwerkstechnik in Graz, durchgeführt.

[1]: VDV 152: Empfehlungen für die Festigkeitsauslegung von Personenfahrzeugen nach BOStrab.

[2]: DIN EN 13749: Bahnanwendungen – Radsätze und Drehgestelle – Spezifikations-verfahren für Festigkeitsanforderungen an Drehgestellrahmen. Berlin: Beuth-Verlag.

[3]: Luo, R. K., Gabbitas, B. L. und Brickle, B. V.: An integrated dynamic simulation of metro vehicles in a real operating environment. In: Vehicle System Dynamics 23, S. 334–345, 1993.

[4]: Stichel, S.: Betriebsfestigkeitsberechnung bei Schienenfahrzeugen anhand von Simulationsrechnungen. Fortschritt Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 288. Düsseldorf: VDI Verlag, 1996.

[5]: Flach, M.: Rechnerische Lebensdauerabschätzung für stochastische Lasten im Schienenfahrzeugbau. Siegen: FOMAAS, 1999.

 

KONTAKT


Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik

RWTH Aachen

Eilfschornsteinstraße 18

52062 Aachen

 

Tel.: +49 (0)241 80 95546

Fax:  +49 (0)241 80 92263

Mail: 

Wir nutzen Cookies auf unserer Website. Einige von ihnen sind essenziell für den Betrieb der Seite, während andere uns helfen, diese Website und die Nutzererfahrung zu verbessern (Tracking Cookies). Sie können selbst entscheiden, ob Sie die Cookies zulassen möchten. Bitte beachten Sie, dass bei einer Ablehnung womöglich nicht mehr alle Funktionalitäten der Seite zur Verfügung stehen.