Beobachtbarkeitsanalyse und Beobachterentwurf für ein Einzelrad-Einzelachs-Fahrwerk

Kurzfassung

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) konzentriert einen großen Teil der Schienenfahrzeugforschung im Langzeitprojekt "Next Generation Train\ (NGT). Dabei ist das Ziel, einen doppelstöckigen Ultra-Hochgeschwindigkeitszug zu konzipieren. Um die Passagierkapazität zu erhöhen und somit den Energieverbrauch pro Kopf zu reduzieren, werden Einzelrad-Einzelachs-Fahrwerke (EEF) vorgesehen. Im Gegensatz zu konventionellen Fahrwerken benötigen EEF bei hohen Geschwindigkeiten eine geregelte Spurführung, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die aktive Spurführung eine nahezu ideale radiale Einstellung der Fahrwerke bei Kurvenfahrten, was eine signifikante Reduktion von Verschleiß und Geräuschemission impliziert. Das theoretische Potential des Einsatzes der EEF konnte bereits in Mehrkörpersimulationen und einer Optimierungsstudie nachgewiesen werden . Allerdings werden sowohl in den Simulationen als auch am Prüfstand alle Zustände direkt über Sensoren gemessen, was auf offener Strecke weder aus wirtschaftlicher noch aus technischer Sicht möglich ist. Um eine kontrollierte Umgebung für die Entwicklung der aktiven Spurführung zu schaffen, wurde ein "Experimentalfahrwerk\ (EFW) des NGT-Mittelwagens gebaut . Dieses Fahrwerk ist im Maßstab 1:5 nach Ähnlichkeitsgesetzen konstruiert und wird auf einem Rollprüfstand über einen Echtzeitrechner betrieben. Dieser Beitrag zeigt auf, welche Sensorkonfiguration erforderlich ist, um auch im realen Betrieb die lateralen Position y des EFW durch einen nichtlinearen Beobachter schätzen zu können. Ein wichtiger Aspekt der Beobachterentwicklung ist die Betrachtung der nichtlinearen Rad/Schiene-Schnittstelle, in der Kontaktgeometrie und Reibcharakteristiken zusammenwirken. Robustheit gegenüber Parameteränderungen im Rad/Schiene-Kontakt ist das Hauptziel der aktiven Spurführung. Unter dieser Voraussetzung wurde ein vorläufiger Regler für die Spurführung entwickelt. Für die aktive Spurführung ist die Kenntnis des lateralen Versatzes des Fahrwerksmittelpunktes relativ zum Gleiskanal essentiell. Aufgrund der hohen Reisegeschwindigkeiten und Gleislagefehlern entstehen hochdynamische Anregungen, welche direkt auf das Fahrwerk wirken. Da unter realen Bedingungen die direkte sensorische Erfassung der Position nicht möglich ist sind im EFW eine Reihe von Sensoren zur indirekten Ermittlung des lateralen Versatzes verbaut. Zur Ermittlung der lateralen Position des Fahrwerks werden drei Sensorkonfigurationen untersucht. Die Messgrößen beinhalten Gierwinkel , Gierrate , Querbeschleunigung und die Winkelgeschwindigkeiten der Räder. Im Fahrwerksrad verbaute Kraft-Momenten-Sensoren messen die Kräfte Fz und Fy in vertikaler und lateraler Richtung sowie das Moment Mx um die Längsachse. Das nichtlineare System EFW wird in Abhängigkeit der Sensorkonfigurationen auf Beobachtbarkeit untersucht. Auf Basis dieser Analyse wird ein Erweitertes Kalman-Filter (EKF) zur Schätzung der lateralen Position entworfen. Das EKF eignet sich hier aufgrund seiner Umsetzbarkeit und Echtzeitfähigkeit auf dem Echtzeitrechner. Die Auslegung des EKF erfolgt durch Optimierung in der Simulationsumgebung Dymola. Abschließend wird die Schätzung der lateralen Position anhand von realen Messdaten am Prüfstand validiert und diskutiert.