Festigkeitsberechnung eines Bremsmagneten für Magnetschienenbremsen und Entwicklung eines Bremsmagnetprüfstandes

Abstract

Magnetschienenbremsen sind heutzutage bei modernen Zügen nicht mehr wegzudenken. Die Anforderungen an die Bremsen werden immer höher, weshalb genaue Berechnungsverfahren immer mehr an Bedeutung gewinnen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Festigkeitsberechnung und Optimierung des GRIP-Bremsmagneten, welchen die Firma Knorr-Bremse Mödling 2018 auf den Markt bringt. Ziel ist es, eine im Vergleich zu den Vorgängern leichtere Magnetschienenbremse zu entwickeln, welche aber trotz der Leichtbauweise alle im Betrieb auftretenden Belastungen mit einer gewissen Sicherheit aushält. Die Berechnung erfolgt mithilfe der Finite Elemente-Methode, als Simulationsumgebung wird dabei das Programm ANSYS Workbench herangezogen. Es erfolgt eine Bewertung in Hinsicht auf statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Bremsmagneten, mithilfe von vordefinierten Lastkollektiven. Zusätzlich wird eine konstruktive und materialtechnische Optimierung der Bauteile durchgeführt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Prüfung des Magneten im Versuchslabor. Es wird ein Vergleich der Ergebnisse der Simulation des aktuellen Bremsrahmenprüfstandes und der Rechnung nach der B012-Richtlinie durchgeführt. Anschließend erfolgt eine, an vordefinierten Anforderungen angelehnte, Erstellung von mehreren Konzepten für einen Komponentenprüfstand eigens für die Bremsmagnete einer Magnetschienenbremse. Nach der Bewertung der einzelnen Konzepte, erfolgt die Ausarbeitung der gewählten Variante und die Auslegung der enthaltenden Bauteile. Abschließend wird ein Vergleich des neuen Prüfstandes mit der Rechnung nach der B012-Richtlinie durchgeführt.

Magnetic track brakes are indispensable in modern rail vehicles nowadays. Track brake requirements are always increasing, meaning exact calculation methods are becoming more and more important. The first part of this thesis deals with the strength calculation and optimization of the new GRIP-brake magnet, which will be launched in 2018 by the company Knorr-Bremse Mödling. The aim is to develop a lighter magnetic track brake in comparison to the previous designs, which can bear all the upcoming loads during the train operation with an adequate guarantee, despite the light weight design. The stress-strain analysis is executed with the finite element method, using the software ANSYS Workbench. After calculating the upcoming stresses, an assessment of the static strength and fatigue strength is done with the FKM-Guideline, considering predefined load spectrums. Furthermore an optimization of the design and material usage of the components is conducted. The second part of this thesis deals with testing the brake magnets in the experimental laboratory. First a comparison between the simulation-results of the current track brake-testing bench and the calculation with the B012-Guideline is drawn. Afterwards several concepts for a unit testing bench for the brake magnets are established, considering predefined requirements. After analyzing and rating the concepts, the best one is getting developed and designed with all the corresponding components. Finally, a comparison between the new testing bench and the calculation with the B012-Guideline is executed.