Wankkompensation für ein Metrofahrzeug mit Vierpunktsteuerung mit Hilfe aktiver Luftfedern

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit Untersuchungen einer elektronisch geregelten Luftfedersystemsekundärstufe für ein übliches Metrofahrzeug mittlerer Kapazität mit 4-Punkt-Steuerung. Die heutzutage häufig ausgeführte mechanische Regelung des Luftfedersystems wurde zur Niveauregulierung entworfen, eine elektronische Regelung bietet aber deutlich mehr Möglichkeiten, das Verhalten des Metrofahrzeugs positiv zu beeinflussen. Dieser Gedanke rief die Motivation hervor, zu untersuchen, ob eine elektronische Regelung der Luftfedersystemsekundärstufe den Lichtraumbedarf des Fahrzeugs wesentlich reduzieren kann und dadurch einen breiteren Wagenkastenquerschnitt ermöglicht. Primäres Ziel dieser Arbeit war es, eine Potentialuntersuchung des aktiv geregelten Luftfedersystems eines üblichen Metrofahrzeugs mittlerer Kapazität mit 4-Punkt-Steuerung hinsichtlich Wankkompensation durchzuführen. Dazu wurde das Verhalten eines solchen Systems mittels Mehrkörpersimulation (MKS) näher untersucht. Der erste Teil der Arbeit gibt einen Überblick über den derzeitigen Stand der Technik in den Themengebieten Neigetechnik, Luftfedermodellierung und Regelstrategien für Neigesysteme im Schienenfahrzeugbau. Nach der Beschreibung des Modellaufbaus, der sich sowohl mit der Modellierung des MKS-Fahrzeugmodells, des Luftfedersystems und der Luftfeder beschäftigt, wird die gewählte Regelstrategie und die daraus entstehende Reglerstruktur vorgestellt. Darüber hinaus werden die untersuchten Szenarien, die hinsichtlich des Lichtraumbedarfs kritisch sind, vorgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse unterschiedlichster Untersuchungen angegeben und diskutiert. Dabei werden vor allem Funktion und Effekt von Vorsteuerung und Regelung untersucht. Im Zuge dessen wurden die Einflüsse unterschiedlicher Störungen ermittelt und auch die Auswirkungen bestimmter Komponenten der Reglerstruktur näher betrachtet. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt gegenüber eines Referenzfahrzeugs, das ein konventionelles Design eines Metrofahrzeugs mit 4-Punkt-Steuerung repräsentiert. Es wurde festgestellt, dass eine Reduktion des Wagenkastenwankwinkels bei Bogenfahrt möglich ist und dass der Druckluftbedarf des Fahrzeugs zunimmt.

This thesis deals with the study of an electronically controlled active air spring secondary suspension for a common medium-capacity metro car with four-point configuration. Today's commonly used mechanical control of such an air spring system was designed for leveling. However, electronic control clearly offers further opportunities to positively affect the behavior of a metro car. This idea was the reason for investigating whether an electronically controlled secondary air spring suspension can reduce the vehicle¿s space demand which in turn would allow for a wider car-body cross section. The primary goal of this thesis was an investigation of the potential of an actively controlled secondary air spring system of a common medium-capacity metro car with four-point-configuration with respect to car-body roll compensation. The behavior of such a system was investigated by means of multi-body-systems simulations. In the first part of this thesis an overview of the state of the art of tilting technology, air spring and air spring system modeling and control strategies for tilting trains is given. After the model description, which deals with the multi-body model of the metro car, the air spring system and air spring modeling, the controller's structure and the control strategy is presented. Furthermore, the studied scenarios, which are critical in terms of the vehicle¿s space demand, are introduced. The results of a number of simulations are presented and discussed in the second part of this thesis. Thereby, function and effect of servo control and feedback control are thoroughly investigated. Influences of several disturbances as well as impacts of predefined control structure components are closely analyzed. The result evaluation is performed compared to a reference vehicle, which represents a conventional medium-capacity metro car design with four-point-configuration. Thereby, it has been detected that an active electronic control of a secondary air spring suspension system allows for a reduction of the space demand of the metro car in circular arcs and that the demand of compressed air increases considerably.