Dynamische Einflüsse von Weichenüberfahrten auf Straßenbahnzüge

Abstract

Weichen gewährleisten die Flexibilität des schienengebundenen Verkehrs, zumal sie einem Schienenfahrzeug den Übergang zwischen unterschiedlichen Gleisen ermöglichen. Allerdings ist die Interaktion zwischen Rad und Schiene im Fall von Weichen in deutlichem Maße komplexer als bei gewöhnlichen Gleisen, was sich in der Tatsache begründet, dass die Schienenprofile entlang der Weiche bereits rein konstruktiv sehr rasch veränderliche Querschnitte aufweisen. Insbesondere kann diese Eigenschaft zu wesentlichen Stoßbelastungen führen, welche auf das entsprechende Straßenbahnfahrzeug einwirken. Im Hinblick auf die Auslegung von Straßenbahnzügen werden diese von Weichen herrührenden Belastungen jedoch hauptsächlich durch Normen berücksichtigt und weniger mittels dynamischer Simulationen ermittelt. In der vorliegenden Arbeit wird aus diesem Grund die Wechselwirkung zwischen Straßenbahnweiche und Fahrzeug mittels der Methode der Mehrkörpersysteme und dynamischer Simulation näher beleuchtet. Derart werden zunächst prinzipielle bei der Überfahrt von Weichen auftretende Phänomene anhand eines einfachen Radsatzmodells identifiziert und einer Plausibilitätsbetrachtung unterzogen. Dabei finden sowohl Flachrillenweichen, welche vor allem in städtischen Straßenbahnnetzen häufig verbaut werden, als auch Tiefrillenweichen Berücksichtigung. Anschließend wird im Speziellen der Einfluss definierter Weicheneigenschaften auf translatorische Beschleunigungen sowie auf ausgewählte am Wagenkasten angreifende Koppelstellenkräfte untersucht. Dies erfordert zunächst eine mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgende Generierung einer Vielzahl unterschiedlicher Weichen. Diese basiert zum einen auf Herstellerdaten und zum anderen auf Informationen aus den entsprechenden den Oberbau regulierenden Normen. Im Zuge dieser Untersuchungen werden zwei Straßenbahnmodelle - ein Drehgestellfahrzeug und ein Multigelenkfahrzeug - berücksichtigt, um im Rahmen dieser beiden Modelle Gemeinsamkeiten aufdecken zu können. Neben einem prinzipiellen Verständnis einer Straßenbahnweiche an sich sowie der Auswirkungen einzelner Weicheneigenschaften können auf diese Weise einflussreiche Weichenparameter unabhängig von diesen beiden Fahrzeugmodellen ermittelt werden.

Turnouts provide flexibility in the area of rail-bound transportation as they enable railways to transfer between different lines. However, dynamic interaction between wheel and rail is more complicated in turnouts than on normal tracks (e.g. curved tracks, etc.) due to severe and sudden changes in the rail profiles. Particularly, this change in the rail's cross sections leads to noticeable impact loads acting on the vehicle. Regarding the design of light rail vehicles (e.g. tramways) these load cases are mainly considered by consulting normative standards and less by calculating them by numerical simulations. Therefore, the presented thesis is devoted to the investigation of the interaction between turnout and vehicle by applying the multibody system approach and dynamic simulation. At first, by using a simple model of a rigid wheelset fundamental phenomena occurring in case of turnout passages are identified and checked regarding their plausibility. Thereby not only turnouts with flange-bearing frogs, as they are implemented frequently in urban tramway networks, are considered but also turnouts equipped with frogs featuring a regular flangeway depth. Subsequently, the influence of defined turnout parameters on translational accelerations as well as on selected forces acting on the carbody is investigated in detail. In fact, this requires the generation of several different turnouts by applying mathematical principles. These are based on data gathered by turnout manufacturers as well as on information given in the respective standards. In the course of these investigations two different vehicle models -- a conventional vehicle consisting of two bogies with rigid wheelsets and one carbody and an articulated tramway model -- are considered to reveal commonalities with respect to the interaction with the turnout. Besides a fundamental understanding of the tramway turnout itself and the influence of specific turnout characteristics, influential turnout parameters can be determined independently from the two vehicle models in use.