Even since railway vehicles were invented, railway scientists and engineers have been putting a lot of effort in finding the solution to the fundamental conflict between vehicle stability in the lateral plane and vehicle's capability of negotiating curves. Many configurations of railway bogie vehicles have been proposed and applied to minimise the conflict. The purpose of the research project is i) to create new configurations that can decouple the basic conflict, ii) to investigate dynamic behaviour of the new configurations and iii) to conceive a new mechanism that can improve the dynamics of the new configurations. Three configurations of body-steered bogie vehicles have been set up in the research. The sufficient conditions for them to be capable of perfect steering have been derived. They are called perfect steering vehicles when they satisfy these sufficient conditions. Their curving ability, stability and ride performance have been investigated. To overcome the disadvantages of the perfect steering vehicles, the reconfigurable mechanism has been conceived. The improvement in the dynamic behaviour of the perfect steering vehicles with the reconfigurable mechanism has been demonstrated. A computer program has been developed to undertake the simulation. The steering capability of the perfect steering vehicles is much better than that of conventional bogie vehicles. There are two modes of instability in the perfect steering vehicles: low conicity instability and conventional instability in the perfect steering vehicle. The perfect steering vehicles can decouple the conflict between their conventional stability and curving. The improvement of stability and ride performance of the perfect steering vehicles is, however, limited by the low conicity instability. When the reconfigurable mechanism is applied, a body-steered bogie vehicle can become a perfect steering vehicle when on curves and can become a conventional bogie vehicle when in other circumstances. Low conicity instability can be eliminated when the reconfigurable mechanism is used. This class of vehicles possess the advantages of both conventional bogie vehicles and perfect steering vehicles, and thus, provide a very valuable solution for the fundamental conflicts between the stability and steering ability and between ride performance and stability of railway vehicles. The findings in this thesis have great significance in developing perfect steering vehicles.

There is always a desire to develop and offer the best and most protable products on the market. This master thesis in mechanical engineering investigates the possibility to reduce the costs of the bogie suspension on Volvo's articulated haulers. The so called stays in the existing bogie suspension are significant components that connects the axle housings to the frame. The existing solution consists of stays that are expensive, heavy and time consuming to manufacture. Concepts in CAD will be compared to each other and and all concept will be evaluated in more detail. Totally five concepts were generated and modelled. They were compared regarding strains on rubber parts, required stay dimensions, collision between different parts and axle movements. Two proceeded concepts for further development after the evaluation and two new concepts were generated. A new comparison was made with additional tests. Simulations conrmed that it was only possible to proceed with one of the two developed concepts because one of the concepts would require large dimensions to manage the applied forces. The selected concept was redesigned and adapted to be as realizable as possible. Bushing kits, reinforcements, and detailed designs of parts were considered. Simple FEMcalculations was only made on parts that wasn't depending on components on the frame since these calculations would be too advanced and time consuming. The resulting concept needs more work to be realizable since there are geometry optimization on molded components left as well as advanced calculations when integrating the solution on the frame. A weight loss ofapproximately 95kg and a cost reduction of 3700SEK was made. Further investigations has to be done to determine if it's possible to obtain a positive business case with the new bogie suspension.

La réduction des coûts de maintenance est l’un des enjeux majeurs auquel doit faire face l’industrie ferroviaire pour rester concurrentielle. Parmi les organes de suspension nécessitant un entretien périodique fréquent, les éléments à base métal-caoutchouc jouent un rôle clé dans le fonctionnement du bogie. Les variations des propriétés mécaniques de ces éléments sont étudiées au travers de techniques de vieillissement accéléré pour représenter leur comportement tout au long du cycle de vie. Par ailleurs, des outils de description des variabilités observées sont proposés afin d’établir une stratégie de simulations dynamiques en considérant différents modèles d’un matériel roulant homologué. L’objectif est de quantifier leurs effets sur des indicateurs sécuritaires préconisés par les normes du secteur ferroviaire. Finalement, cette étude permet de justifier la pertinence d’une stratégie d’allongement de cycle de vie en maintenant le niveau de sécurité inhérent au matériel roulant ferroviaire. / The reduction of maintenance costs is a key stake for the competitivity of railway rolling stock manufacturers. The optimization of maintenance operations can be addressed by less, better-planned overhaul operations, through an increase of the life-cycle of some components. Among the most frequently checked suspension organs, rubber-to-metal elements have a key role on the bogie performance. The change on the mechanical properties of these elements are studied by accelerated ageing techniques, so as to represent their behaviour throughout their lifecycle. Several hyper-elastic laws, associated with the characterization of the rubber ageing, have been proposed in these works. These models have been used to simulate the behaviour of the real components. Hence, a set of tools describing the variability observed on the parts is proposed, allowing the design of a strategy for dynamics simulations considering several models of an already approved rolling stock model. The aim is to quantify the variability effect on the safety indexes demanded by standard norms. Finally, this study justifies the pertinence of a strategy aiming life-cycle extensions while ensuring the intrinsic safety levels required on railway rolling stock.

The design of the freight train truck has gone relatively unchanged over the past 150 years. There has been relatively little change to the fundamental railway truck design because of the challenges of implementing a cost effective and reliable modification to designs that have proven effective in decades of operation. A common U. S. railway truck consists of two sideframes, a bolster, two spring nests, and four friction wedges. The two sideframes sit on the axels. The bolster rides on springs on top of the sideframes. The friction wedges also ride on springs on top of the sideframe, and are positioned between the bolster and sideframe, acting as a damping mechanism. Better understanding the dynamic behavior and forces on the bodies are critical in reducing unnecessary wear on the components, along with potential negative behavior such as loss of productivity and increase in operating costs. This thesis will investigate the dynamic behavior of the truck under warping conditions using a stand-alone model created in Virtual.Lab. This research covers two main areas. First, the full-truck model will be developed and its simulation results will be compared to test data from the Transportation Technology Center, Inc. (TTCI). Data was provided from warp testing performed at the TTCI facilities in the spring of 2008. Once validated, the model will be used to gain a better understanding of the forces and moments that are propagated through the system, and of the dynamics of all bodies. Due to costs and physical constraints, not every bogie component can be instrumented during test, so the computer model will be able to provide valuable information not easily obtained otherwise. Second, full-truck models using different contact geometry between the wedges, sideframes, and bolster will be compared. A model with extremely worn sideframes will allow for investigation into the effects of wear on the damping abilities and warp stiffness of the truck. Another model using split wedges will be compared with the previous model to investigate into the behavior differences in the truck using different types of wedges. By understanding the impact of different geometries on the overall performance of the truck, better decisions on design and maintenance can be made in the future. After creating the models, we found that the full-truck model created in LMS® Virtual.Lab compared well with the test data collected by TTCI. In the comparison with NUCARS® we determined that the stand-alone model, which incorporates the wedges as bodies, captures the warp dynamics of the truck better than NUCARS®, which models the wedges as connections. By creating a model with severely worn sideframes, we were able to determine that the truck loses its abilities to damp bounce in the system as well as to prevent warping when the components become sufficiently worn. The split-wedge model behaved similarly to the standard full-truck model for bounce inputs, but had a significantly different behavior in warp. Further development will be needed on the split-wedge model to be confident that it behaved as expected. / Master of Science

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.

The Bogie frame is an important and integral member of bogie. In Indian Railways, LHB (Linke Hofmann Busch) coaches are used as passenger coaches. They are equipped with FIAT bogie frames. Inorder to overcome the limitations of the existing FIAT bogie frame structure, a new bogie frame structure namely New CASNUB Bogie Frame is designed to equip with LHB coach. The New CASNUB Bogie Frame design is validated by conducting Stress analysis using ANSYS Mechanical APDL software. The stresses induced in both the frame structures are compared. Stresses induced in the New CASNUB Bogie frame are lesser than in the FIAT Bogie frame and are within the allowable stress limits of material used. New CASNUB Bogie Frame can be used as an alternative for LHB coaches in Indian Railways.

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.

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Maintenance cost is one of the important issues in railway heavy haul operations. For the iron-ore company LKAB, these costs are mainly associated with the reprofiling and changing of the wheels of the locomotives and wagons. The main reason for the wheel damages is usually surface initiated rolling contact fatigue (RCF) on the wheels.The present work tries to enhance and improve the knowledge of the vehicle-track interaction of the Swedish iron-ore freight wagons and locomotives used at Malmbanan. The study is divided into two parts. Firstly, it is tried to get into the roots of RCF using the simulation model of the iron ore wagon (Paper A). Secondly, the study is focused on predicting wear and RCF on the locomotive wheels also via a dynamic simulation model (Paper B).In the first paper, some key issues of the dynamic modelling of the wagons with three piece bogies are first discussed and then parameter studies are carried out to find the most important reasons of wheel damages. These parameter studies include track design geometry, track irregularities, wheel-rail friction level, cant deficiency and track stiffness. The results show a significant effect of the friction level on the amount of RCF risk.As the locomotive wheel life is much shorter than that of the wagons, LKAB has decided to change the locomotive wheel profile. Two final wheel profiles are proposed; however, one had to be approved for the field tests. In the second paper, the long term evolution of the two profiles is compared via wear simulation analysis. Also, the RCF evolution on the wheel profiles as a function of running distance is discussed. The process is first carried out for the current locomotive wheel profiles and the results are compared with the measurements. Good agreement is achieved. Finally, one of the proposed profiles is suggested for the field test because of the mild wear and RCF propagation. / <p>QC 20150210</p>

This thesis aims at systematically studying the possibilities of minimising devastatingconsequences of high-speed derailments by appropriate measures and features in thetrain design, including the running gear. The course of events immediately afterderailments is studied with respect to whether the train stays upright and close to thetrack centre line or deviates laterally with probably serious consequences. There is abelief in the railway community that some trains can better cope with derailment thenothers, although this superiority is apparently hard to quantify.Firstly, an empirical database has been established containing as much relevantinformation as possible of past incidents and accidents occurred at higher speeds due tomechanical failure close to the interface between the running gear and the track, as wellas other causes that ultimately brought the train into a derailed condition. Although nevertwo derailments are the same, certain patterns appeared to crystallise after analysing thecourse of events immediately after the failure based on the descriptions available in eachincident or accident report. Ultimately, this led to that several critical vehicle parameterscould be distinguished as capable to influence the outcome of a derailment.Secondly, two of the critical vehicle features found in the first stage have been subject todetailed analysis by means of multi-body system (MBS) simulations. The first phase ofthe computer simulation program focused on studying the tendency of a wheelset toderail as a result of an axle journal failure on the outside of the wheel. The prederailmentcomputer simulation model has been validated with good results for twoauthentic Swedish events of axle journal failure.Thereafter, one of the newly found critical vehicle feature, the wheelset mechanicalrestrictions relative to the bogie frame, have been extensively studied on an X 2000power unit and trailer car model. The results show that a vertical mechanical restrictionof the wheelset relative to the bogie frame of approximately 50 to 60 mm is capable ofkeeping the wheelsets on the rails after an axle journal failure, for the studied conditions.An axle mounted brake disc constitutes the second critical vehicle feature that has thepotential to favourably influence the sequence of events in cases of wheel flangeclimbing. A minimal range of geometrical parameters for which the rail would safely fillthe gap between the brake disc and the wheel has been calculated.The third and last part of the thesis establishes the prerequisites necessary in order tostudy the remaining of the critical vehicle parameters found in the first part, whichrequires complete MBS simulations of derailed vehicles rolling on track structures, i.e.concrete sleepers. To accomplish this task, hysteresis data for the force as function ofconcrete material indentation, are aimed to be acquired by means of finite element (FE)simulations. Therefore, the intended FE model of wheel-concrete sleeper impact issubjected to a tentative validation procedure. A good agreement is observed whencomparing the FE model results with an authentic accident in terms of concrete sleeperindentation. Furthermore, preliminary results in terms of a wheelset tendency to reboundafter concrete sleeper impact are presented. / QC 20101125