Methoden zur Minderung mittelfrequenter Schwingungen bei Bogenfahrt im Schienennahverkehr

Kurzfassung

Den Ausgangspunkt für diese Arbeit bilden starke Schwingungen bei Bogenfahrt von Stadtbahnzügen der Stuttgarter Straßenbahnen AG. Die Schwingungen werden im Fahrzeuginneren als spürbare Vibrationen des Fußbodens im Frequenzbereich um 80 Hz und als starkes Dröhngeräusch wahrgenommen. Im Vorfeld der Arbeit haben Messungen am Fahrzeug ergeben, dass die Schwingungen am bogeninneren Rad des ersten Radsatzes entstehen, so dass aufgrund der vorliegenden hohen Querschlüpfe im Rad/Schiene-Kontakt eine reiberregte Schwingung naheliegt. Von dort breiten sich die Schwinungen bis in den Wagenkasten aus. Die Messergebnisse ermöglichen aber weder eine eindeutige Identifikation des Entstehungsmechanismus der Schwingung noch offenbaren sie die bestimmenden Parameter.<br> In der Literatur werden verschiedene Mechanismen beschrieben, nach denen es zu Schwinungen bei Bogenfahrt von Schienenfahrzeugen kommen kann. Die Schwingungen treten häufig im Zusammenhang mit Rifeln, Schlupfwellen oder Radpolygonen auf. Allerdings findet sich darunter keine exakt auf das gemessene Schwingverhalten passende Beschreibung. </br><br> Die Analyse des Entstehungsmechanismus erfolgt mit einem Mehrkörper-Modell von Fahrzeug und Fahrweg im Simulationsprogramm SIMPACK, dessen obere Gültigkeitsgrenze durch die Berücksichtigung der wesentlichen Strukturelastizitäten von einer Frequenz von 20 Hz auf rund 200 Hz erweitert wird. Nach Identifikation der unsicheren Modellparameter gelingt es damit den Entstehungsprozess der Schwingungen und deren Ausbreitung im Fahrzeug im Zeitbereich sehr genau nachzubilden. </br><br> Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird der Mechanismus in einem Ersatzmodell mit drei Freiheitsgraden nachgebildet, an dem sich der qualitative Einfluss der bestimmenden Parameter aufzeigen lässt. Diese bestehen im Westenlichen aus den dynamischen Eigenschaften der Radsätze und des Gleises sowie dem Reibungsverhältnis im Rad/Schiene-Kontakt. </br><br> Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Maßnahmen zur Minderung der Schwinungen abgeleitet und deren Mindestpotenziale quantitativ im Gesamtmodell ermittelt. Mit dieser Arbeit wird die generelle Verwendbarkeit derartiger Modelle zur Analyse oder Vorhersage von Fahrzeug-/Fahrweg-Schwingungen bis in einem Frequenzbereich von 200 Hz demonstriert und die notwendigen Entwicklungen zu einer weiteren Vergrößerung des Frequenzbereichs aufgezeigt.</br>