Konstruktion und Mehrkörpersimulation des Versuchsaufbaus einer Mg-Bremse am Rollenprüfstand

Abstract

Der Mindestabstand zweier Schienenfahrzeuge im Betrieb wird durch den maximalen Bremsweg vorgegeben. Bei radwirksamen Betriebsbremsen kann dieser bei schlechten Kraftschlussbedingungen, verursacht durch Laub, Eis oder Nässe, jedoch stark ansteigen. Magnetschienenbremsen sind vom Rad-Schiene-Kontakt unabhängige Bremssysteme, die für Schnellbremsungen eingesetzt werden. Aufgebaut wie ein Elektromagnet können sie sich direkt an die Schiene anziehen und eine Reibkraft im Kontakt erzeugen. Mit steigenden Anforderungen an die Auslastung des Schienenverkehrs, wachst auch das Anwendungsgebiet von Mg-Bremsen. Neue Anforderungen und Herausforderungen wie eine Geschwindigkeitsabhängigkeit des magnetischen Flusses, oder eine Wechselwirkung der Zwischenglieder konnten identifiziert werden. Um die Bremse in einem breiteren Geschwindigkeitsbereich einsetzen zu können, sind auch selbsterregte Schwingungen und der bei niedrigen Geschwindigkeiten steigende Gleitreibungskoeffizient Teil der Untersuchungen. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und Mehrkörpermodellierung eines Versuchsaufbaus einer Magnetschienenbremse. Dafür werden alle Herausforderungen in einem Lastenheft als konstruktive Anforderungen formuliert. Die Vorstellung des physischen Versuchsaufbaus erfolgt mit einer detaillierten Beschreibung aller relevanten Bauteile. Genaue Luftspaltmaßeinstellmöglichkeiten, unterschiedliche Konfigurationen und mehrere Magnetkernarten ermöglichen die Behandlung aller offenen Fragestellungen bei Messungen am Rollenprüfstand ATLAS. Der Versuchsaufbau wird in einem virtuellen Umfeld als Mehrkörpermodell aufgebaut, und auf Plausibilität untersucht. Bei transienten Abbremsungen treten bei niedrigen Geschwindigkeiten Vibrationen auf, die als selbsterregte Schwingungen identifiziert werden können. Auch die Kraftverläufe untermauern die Plausibilität der Ergebnisse. Das Modell ist erweiterbar aufgebaut, und kann durch Erkenntnisse aus den Messungen im Prüflabor leicht ergänzt werden. In Zukunft soll damit eine vollständige Parametrisierung der Magnetschienenbremse möglich sein.

The minimum distance between two trains is determined by the maximum braking distance. Current wheel-effective braking systems can be insufficient in poor traction conditions caused by foliage, ice or wet conditions. Magnetic track-brakes are braking systems that are independent of wheel-rail contact and are used for emergency braking manoeuvres. Designed like an electromagnet, they generate an attractive force between rail and track-brake which causes a frictional force in the contact area. With increasing demands on the utilization of railway traffic, magnetic track brakes and their requirements shift into focus. The results from previous research, conducted as driving test simulations, have identified new challenges such as speed dependence of the magnetic flux or an interaction of the intermediate elements. To keep the brake activated in a bigger velocity-range, self-excited vibrations and a rising coefficient of friction at low velocities shift into focus. This thesis focuses on the design and multi-body modelling of a test bench for a magnetic track-brake, considering all the outlined challenges. The test bench is presented with a detailed description of all relevant components. Precise air gap setting options, different configurations and several types of magnetic core aim to answer the unresolved questions regarding track-brakes. To do so, the test bench is installed in the ATLAS, a wheel-adhesion test rig, to undergo numerous tests and generate data. A multi-body dynamics model creates the test setup in a virtual environment and is checked for plausibility. During a braking manoeuvre, self-excited vibrations occur at low speeds. The simulated forces further support the plausibility of the results from the simulations. The multi-body model is designed to be expandable and adaptable. Knowledge gained through data evaluation of the physical test bench can be implemented to generate more accurate simulation results and ultimately make a parameterization of a track brake possible.