Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2008

Das lauftechnische Verhalten von Schienenfahrzeugen ist fahrzeugseitig geprägt von Eigenschaften, die im Wesentlichen aus der Spurführung, den bewegten Massen, Geometrien und aus der Federungs- und Dämpfungscharakteristik des Fahrzeugs herrühren. Die Federungscharakteristik muss dabei weiter gefasst werden als nur auf die eigentlichen Federelemente des Drehgestells beschränkt. Auch die Steifigkeiten des Wagenkastens und weitere Steifigkeiten innerhalb der Drehgestelle können eine Rolle spielen. Bezüglich des Drehgestellrahmens wird dabei einem Aspekt bislang wenig Aufmerksamkeit geschenkt – der Bewertung und Optimierung seiner Steifigkeiten und Gestaltung im Hinblick auf die lauftechnischen Eigenschaften des Fahrzeugs. Inhalt der Arbeit ist die Auseinander-setzung mit dieser Thematik. Den Untersuchungen liegt die repräsentative Ausführungsform eines Drehgestellrahmens in Doppel-H-Form mit 2 Langträgern und 2 Querträgern zu Grunde. Mit Hilfe eines Stabmodells, welches diese Rahmenform nachbildet, werden Berechnungsformeln für die maßgeblichen Steifigkeiten des Drehgestellrahmens aufgestellt. Durch Parametervariationen am Rechenmodell wird gezeigt, wie sich die Steifigkeitseigenschaften des Drehgestellrahmens durch andere Geometrien, Trägerquerschnitte oder Werkstoffe verändern. Es zeigt sich, dass die Rahmensteifigkeiten selbst in verhältnismäßig großen Wertebereichen variieren können. Da für die lauftechnische Bewertung die Steifigkeiten des Drehgestellrahmens nicht isoliert zu betrachten sind, sondern in Reihenschaltung zu den verhältnismäßig geringen Primärfedersteifigkeiten, relativiert sich diese Aussage. An Hand statischer und dynamischer lauftechnischer Kenngrößen werden die Auswirkungen der Rahmensteifigkeiten auf das lauftechnische Verhalten des Schienenfahrzeugs untersucht. Dafür werden vereinfachende Rechenmodelle aufgestellt bzw. ein existierendes Mehrkörper-Simulationsprogramm genutzt, womit die gesuchten Werteverläufe bestimmt werden. Die Wirkung der Drehgestellrahmensteifigkeiten kann danach in unerwünschte, parasitäre Steifigkeiten und erwünschte Steifigkeiten unterschieden werden. Zu den parasitären Steifigkeiten des Drehgestellrahmens zählen die Biegesteifigkeiten vertikal und quer sowie die Schersteifigkeit. Hier sind bei der Auslegung ausreichend hohe Werte anzustreben. Andernfalls verschlechtern sich Kennziffern wie der Neigungskoeffizient, die kri-tische Geschwindigkeit und das Vertikalschwingverhalten der primär abgefederten Masse. Die Verwindungssteifigkeit des Rahmens wirkt als erwünschte Steifigkeit positiv auf das lauftechnische Verhalten. Mit kleinen Werten kann die Sicherheit gegen Entgleisen in Gleisver-windungen signifikant verbessert werden. Die gegensinnige Längssteifigkeit des Rahmens würde bei sehr niedrigen Werten den erwünschten Effekt haben, die Führungskräfte im Bogen zu reduzieren. Gleichzeitig ginge dies aber zu Lasten der kritischen Geschwindigkeit, da diese Steifigkeit dort als parasitäre Steifigkeit wirkt. Die Untersuchungen zeigen allerdings, dass die für diese beiden Effekte erforderlichen kleinen Wertebereiche mit dem ausgewählten Rahmentyp nicht erreicht werden. Weiterhin wird der Einfluss der Drehgestellrahmenmasse untersucht. Durch Werkstoffauswahl und Bauweise können hier Veränderungen erzielt werden. Eine niedrige Rahmenmasse begünstigt das vertikale Schwingungsverhalten und verbessert zusammen mit niedrigen Massenträgheitsmomenten die kritische Geschwindigkeit. Kleine Werte bei den erwünschten Steifigkeiten und hohe Werte bei den parasitären Steifigkeiten bei gleichzeitig niedriger Masse sind in der konventionellen Rahmenbauweise schwer vereinbar. Aus diesem Grund wird abschließend ein masse- und steifigkeitsoptimierter Dreh-gestellrahmen vorgeschlagen, der diesen Auslegungskonflikt auflösen kann. Die überschläglich kalkulierten Werte für die Steifigkeiten und die Rahmenmasse bestätigen die Vorteile des Konzepts. Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass es sinnvoll und zweckmäßig ist, die Steifigkeitsparameter des Drehgestellrahmens bereits in der Entwurfsphase des Fahrzeugs zu analysieren und ggf. einer Optimierung zu unterziehen. Mit den vorgestellten Berechnungs-werkzeugen wird eine geeignete und zeitsparende Möglichkeit dafür aufgezeigt.

Das lauftechnische Verhalten von Schienenfahrzeugen ist fahrzeugseitig geprägt von Eigenschaften, die im Wesentlichen aus der Spurführung, den bewegten Massen, Geometrien und aus der Federungs- und Dämpfungscharakteristik des Fahrzeugs herrühren. Die Federungscharakteristik muss dabei weiter gefasst werden als nur auf die eigentlichen Federelemente des Drehgestells beschränkt. Auch die Steifigkeiten des Wagenkastens und weitere Steifigkeiten innerhalb der Drehgestelle können eine Rolle spielen. Bezüglich des Drehgestellrahmens wird dabei einem Aspekt bislang wenig Aufmerksamkeit geschenkt – der Bewertung und Optimierung seiner Steifigkeiten und Gestaltung im Hinblick auf die lauftechnischen Eigenschaften des Fahrzeugs. Inhalt der Arbeit ist die Auseinander-setzung mit dieser Thematik. Den Untersuchungen liegt die repräsentative Ausführungsform eines Drehgestellrahmens in Doppel-H-Form mit 2 Langträgern und 2 Querträgern zu Grunde. Mit Hilfe eines Stabmodells, welches diese Rahmenform nachbildet, werden Berechnungsformeln für die maßgeblichen Steifigkeiten des Drehgestellrahmens aufgestellt. Durch Parametervariationen am Rechenmodell wird gezeigt, wie sich die Steifigkeitseigenschaften des Drehgestellrahmens durch andere Geometrien, Trägerquerschnitte oder Werkstoffe verändern. Es zeigt sich, dass die Rahmensteifigkeiten selbst in verhältnismäßig großen Wertebereichen variieren können. Da für die lauftechnische Bewertung die Steifigkeiten des Drehgestellrahmens nicht isoliert zu betrachten sind, sondern in Reihenschaltung zu den verhältnismäßig geringen Primärfedersteifigkeiten, relativiert sich diese Aussage. An Hand statischer und dynamischer lauftechnischer Kenngrößen werden die Auswirkungen der Rahmensteifigkeiten auf das lauftechnische Verhalten des Schienenfahrzeugs untersucht. Dafür werden vereinfachende Rechenmodelle aufgestellt bzw. ein existierendes Mehrkörper-Simulationsprogramm genutzt, womit die gesuchten Werteverläufe bestimmt werden. Die Wirkung der Drehgestellrahmensteifigkeiten kann danach in unerwünschte, parasitäre Steifigkeiten und erwünschte Steifigkeiten unterschieden werden. Zu den parasitären Steifigkeiten des Drehgestellrahmens zählen die Biegesteifigkeiten vertikal und quer sowie die Schersteifigkeit. Hier sind bei der Auslegung ausreichend hohe Werte anzustreben. Andernfalls verschlechtern sich Kennziffern wie der Neigungskoeffizient, die kri-tische Geschwindigkeit und das Vertikalschwingverhalten der primär abgefederten Masse. Die Verwindungssteifigkeit des Rahmens wirkt als erwünschte Steifigkeit positiv auf das lauftechnische Verhalten. Mit kleinen Werten kann die Sicherheit gegen Entgleisen in Gleisver-windungen signifikant verbessert werden. Die gegensinnige Längssteifigkeit des Rahmens würde bei sehr niedrigen Werten den erwünschten Effekt haben, die Führungskräfte im Bogen zu reduzieren. Gleichzeitig ginge dies aber zu Lasten der kritischen Geschwindigkeit, da diese Steifigkeit dort als parasitäre Steifigkeit wirkt. Die Untersuchungen zeigen allerdings, dass die für diese beiden Effekte erforderlichen kleinen Wertebereiche mit dem ausgewählten Rahmentyp nicht erreicht werden. Weiterhin wird der Einfluss der Drehgestellrahmenmasse untersucht. Durch Werkstoffauswahl und Bauweise können hier Veränderungen erzielt werden. Eine niedrige Rahmenmasse begünstigt das vertikale Schwingungsverhalten und verbessert zusammen mit niedrigen Massenträgheitsmomenten die kritische Geschwindigkeit. Kleine Werte bei den erwünschten Steifigkeiten und hohe Werte bei den parasitären Steifigkeiten bei gleichzeitig niedriger Masse sind in der konventionellen Rahmenbauweise schwer vereinbar. Aus diesem Grund wird abschließend ein masse- und steifigkeitsoptimierter Dreh-gestellrahmen vorgeschlagen, der diesen Auslegungskonflikt auflösen kann. Die überschläglich kalkulierten Werte für die Steifigkeiten und die Rahmenmasse bestätigen die Vorteile des Konzepts. Die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass es sinnvoll und zweckmäßig ist, die Steifigkeitsparameter des Drehgestellrahmens bereits in der Entwurfsphase des Fahrzeugs zu analysieren und ggf. einer Optimierung zu unterziehen. Mit den vorgestellten Berechnungs-werkzeugen wird eine geeignete und zeitsparende Möglichkeit dafür aufgezeigt.