The topic of this PhD thesis is active suspension in rail vehicles whichis usually realized through sensors, controllers and actuation components.A well established example of an active suspension is the tiltingcontrol system used to tilt the carbody in curves to reduce centrifugalacceleration felt by passengers. Active suspension for rail vehicles is beingstudied since 1970s and in this PhD thesis it has been tried to expandon some aspects of this topic.This study extends the research field by both experimental and theoreticalstudies. In the first phase of the study which led to a licentiatedegree the focus was more on experimental work with active verticalsuspension (AVS). This was implemented by introducing actuators inthe secondary suspension of a Bombardier test train, Regina 250, in thevertical direction. The aim has been to improve vertical ride comfort bycontrolling bounce, pitch and roll motions.In the second phase after the licentiate, the studies have been moretheoretical and can be divided into two parts. The first part of the workhas been more focused on equipping two-axle rail vehicles with differentactive suspension solutions for improving the vehicle performanceregarding comfort and wheel-rail interaction. Three papers are writtenon active suspension for two-axle rail vehicles. Two of the papers discussthe use of H¥ control for wheelset guidance in curves to reducewheel-rail damage. The third paper shows that by use of active verticaland lateral suspension (AVS and ALS) in two-axle rail vehicles goodcomfort can be achieved as well. The paper then studies how the threeactive suspension systems (ALS, AVS, and ASW) interact once implementedtogether on a two-axle rail vehicle.The second part is a study on safety of active suspension systems.The study discusses a possible procedure to ensure that a designed activesuspension for a rail vehicle will be safe in all possible failure situations. / <p>QC 20170602</p>

One way to make rail vehicles a competitive means of transportation is to increase running speed. However, higher speeds usually generate increased forces and accelerations on the vehicle, which have a negative effect on ride comfort. With conventional passive suspension, it may be difficult to maintain acceptable passenger comfort. Therefore, active technology in the secondary suspension can be implemented to improve, or at least maintain, ride comfort at increased vehicle speeds or when track conditions are unfavourable. This thesis describes the development of an active secondary suspension concept to improve ride comfort in a high-speed train. Firstly, an active lateral secondary suspension system (ALS) was developed, including dynamic control of the lateral and yaw modes of the carbody. Furthermore, quasi-static lateral carbody control was included in the suspension system in order to laterally centre the carbody above the bogies in curves at high track plane acceleration and hence to avoid bumpstop contact. By means of simulations and on-track tests, it is shown that the ALS system can offer significant lateral ride comfort improvements compared to a passive system. Two different control strategies have been studied—the relatively simple sky-hook damping and the multi-variable H∞ control—using first a quarter-car and then a full-scale vehicle model. Simulation results show that significant ride comfort improvements can be achieved with both strategies compared to a passive system. Moreover, H∞ control in combination with the carbody centring device is better at reducing the relative lateral displacement in transition curves compared to sky-hook damping. Secondly, an active vertical secondary suspension system (AVS) was developed, using simulations. Dynamic control of the vertical and roll modes of the carbody, together with quasi-static roll control of the carbody, show significant vertical ride comfort improvements and allow higher speeds in curves. Further, the AVS system compensates for negative ride comfort effects if the structural stiffness of the carbody is reduced and if the vertical air spring stiffness is increased. Finally, the two active suspension systems (ALS and AVS) were combined in simulations. The results show that both lateral and vertical ride comfort is improved with the active suspension concept at a vehicle speed of 250 km/h, compared to the passive system at 200 km/h. Further, active suspension in one direction does not affect the other direction. The ALS system has been included in two recent orders comprising more than 800 cars. / QC 20111205 / Gröna Tåget

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.

This master thesis deals with creation computional model of specific door leaf which was researched and now is provided by company named IFE-CR, a.s. Finite element method analysis is performed within the standards for load conditions during the operation. Stress-strain response should be the main factor to comparing results with experiment on real door. Based on acquired knowledge from the original model we can evaluate credibility of mechanical behavior of newly designed model which has lower profil tapered from the original 42 mm to 25,4 mm. From the results of FEM analysis of the modified profile is evaluated applicability to the real operational state. At the end is quantified material and financial savings achieved by reducing the height of profile.

Lightweight design in rail vehicles has been important for quite some time. Structures have been optimised to fulfill their purpose and cut unnecessary weight to reach allowable axle loads. Classically this is done by using steel, thin-walled structures, throughout the car body, or, alternatively, power-pressed aluminum profiles. The use of composites and sandwich structures has, however, been somewhat limited in the railway industry, especially when considering High-Speed trains. The anticipated weight savings, and reduced complexity of this type of structure are believed to have great potential in the future. This thesis covers the development of methods for structural stiffness design of lightweight, load carrying, sandwich panels for high-speed rail vehicles. Focusis on reducing the weight of the vehicles while simplifying the construction to reduce manufacturing costs and assembly times. Significant work is put into understanding the dynamic influence this type of structure has on the car body. / QC 20110516 / Multifunctional body panels

The push for sustainability in all parts of our society has never been as big as it is currently. One project that aims to produce sustainable innovation in the railway industry is the Delsbo Electric competition where some of the world’s most energy efficient vehicles compete. A dominant design has arisen in the competition which means that competitors must seek innovative avenues of development in order to find an edge over the competition. One such avenue has been to use composite material in construction to decrease mass and therefore increase energy efficiency. The KTH Delsbo Electric team views the suspension system as one such avenue that has the potential to improve efficiency. This project is a study into the dynamics of rail vehicles and especially rail vehicle suspension systems. Using a vehicle modelled in an MBS software a parametric study is conducted with the goal to optimize the energy efficiency through an iterating process by only varying the stiffness and damping parameters for the suspension system. Through the iterating process, it became clear that some parameters are more closely linked to different parts of the vehicle behavior than others. The energy efficiency is closely linked to the stiffness in the suspension, especially in the longitudinal direction. The ride comfort was found to be very much linked to the damping parameters. This made it possible to tune the stiffness and achieve high energy efficiency and then adapt that setup to gain better ride comfort. This study also concludes that the vehicle derailment factor (L/V) is inversely linked to energy efficiency. Therefore, an energy efficient vehicle is less likely to derail. The result of this thesis is a setup of energy efficient parameters that will lay the groundwork for a project to design and manufacture a suspension system with the outlined parameters. / Strävan efter hållbarhet i alla delar av vårt samhälle har aldrig varit så stor som den är idag. Ett sådant projekt, vars syfte är att producera hållbara innovationer inom järnvägsindustrin, är Delsbo Electric-tävlingen där några av världens mest energieffektiva fordon tävlar. En dominant design har uppstått vilket betyder att konkurrenter måste hitta innovativa utvecklingsriktningar för att skapa sig ett försprång gentemot de andra. En sådan riktning har varit användningen av kompositmaterial som minskar vikt och därmed ökar energieffektiviteten. KTH Delsbo Electric-teamet ser fjäder- och dämparsystemet som en riktning med hög potential att förbättra energieffektiviteten. Detta projekt är en studie inom spårfordonsdynamik och mer specifikt inom spårfordons fjäder- och dämparsystem. Genom användningen av ett fordon modellerat i ett MBS-program utförs en parameterstudie med målet att optimera energieffektiviteten genom en iterativ process där enbart styvheten och dämpningen varieras. Under den iterativa processen blev det uppenbart att olika parametrar har större påverkan på vissa fordons beteenden än andra. Energieffektiviteten är beroende av styvheten, speciellt i den longitudinella riktningen. Åkkomforten var mycket beroende av dämpningen. På grund av detta kunde styvheten ställas in för att optimera energieffektiviteten och sedan anpassa dämpningen så att åkkomforten blev acceptabel. Denna studie kom också fram till att urspårningsfaktorn (L/V) är omvänt länkad till energieffektiviteten hos ett fordon. Ett fordon som har hög energieffektivitet har därför mindre risk för urspårning. Resultatet av denna studie är en uppsättning energieffektiva parametrar som ska lägga grunden för framtida projekt att designa och tillverka ett fjäder- och dämparsystem utifrån dessa parametrar.

Today, Alstom has several types of High-Voltage sections (HV), which are adapted for every new type of train. Some are very similar in size and components and others are more different. The purpose of this master's thesis was to come up with a way to split this HV box into smaller modules and assemble them using frame- and fastener concepts to simplify the manufacturing and assembly of the HV section. The work consisted of concept generation in parallel or both the frames and fasteners, then evaluating them through matrices using different priorities and parameters. The detail-construction used supported simulations and discussions with Alstom to come up with the final product while incorporating the existing demands of lifespan, durability, and IP-rating. The result was two different fastening concepts between modules which were named “Twist Lock” and “Corner Cut”. They are both using a frame design that utilized adaptable plates that differentiated depending on the intended purpose of the module and its placement in the configuration. The majority of the frame is standardized for all modules while smaller gland plates with different electrical connections are placed depending on the internal components. The fasteners were chosen for ease of assembly according to set strength requirements. “Corner Cut” uses the corners on the exterior of the frame to assemble using bolts and nuts. The “Twist Lock” concept is fastened through the interior and the frame was adjusted so that assembly does not interfere with the internal components. If one of the concept is chosen to be used, Alstom will be able to offer eight different configurations, instead of the two configurations that they have today. To proceed, the attachment must be tested practically based on the set strength requirements. / Idag har Alstom flera typer av högspännings-sektioner (HV) som är anpassade för varje ny tågtyp. Vissa av dem är mycket lika i storlek och komponenter och andra skiljer sig mer åt. Syftet med detta examensarbete var att hitta ett sätt att dela upp denna HV-låda i mindre moduler och montera dem med hjälp av ram- och infästningskoncept för att förenkla tillverkningen och monteringen av HV-sektionen. Arbetet bestod av konceptgenerering parallellt för både ramarna och infästningen, sedan utvärdera dessa genom matriser med olika prioriteringar och parametrar. Detaljkonstruktionen använde stödjande simuleringar och diskussioner med Alstom för att komma fram till den slutliga produkten samtidigt som de befintliga kraven på livslängd, hållbarhet och IP-klassning integrerades. Arbetet resulterade i två olika infästningskoncept mellan modulerna som namngavs “Twist Lock” och “Corner Cut”. De använder båda en ramdesign som utnyttjar anpassningsbara plattor som skiljer sig beroende på modulens syfte och placering i tänkt konfiguration. Majoriteten av ramen är standardiserad för alla moduler medan mindre skruvplattor med elektriska anslutningar placeras beroende på de interna komponenterna. Fästena valdes för att vara enkla att montera utefter satta hållfasthetskrav. ”Corner Cut” använder hörnen på utsidan av ramen och modulerna monteras med hjälp av bultar och muttrar. ”Twist Lock” fästs i stället på insidan och ramen justeras så att montaget inte stör de interna komponenterna. Väljer man att gå över till ett av infästningskoncepten så kan man erbjuda åtta konfigurationer av systemet, i stället för dagens två konfigurationer. För att gå vidare så måste infästningarna testas i produktion utifrån de satta hållfasthetskraven.

A multi-body simulation study was undertaken to investigate the running behavior of a rail grinder vehicle with newly developed Ganz bogies. The main purpose of the simulations was to forecast and support the vehicle acceptance tests and support the ongoing development. A multi-body model was built in Simpack and the most critical force elements were isolated and validated by tests. Derailment safety was assessed based on both European and Australian standards. The vehicle's running stability was carried out for both standard (1435mm) and broad gauge (1676mm) versions. Vehicle sway characteristics were determined through the calculation of flexibility coefficient both numerically and analytically. A parametric study for primary vertical damper was undertaken to assess the empirically selected dampers and optimize the performance. The results show that the damping coefficient can be greatly reduced while maintaining acceptable running behavior, thus the lifetime of dampers can be increased. Based on stability investigations, yaw damper installation is not necessary, though the bracketry for the possibility of later installation will remain on the prototype bogie. / En flerkroppssimulering genomfördes med hjälp av Simpack med syfte att undersöka gångegenskaperna hos ett järnvägsslipfordon, med boggi som nyligen utvecklats av Ganz. Huvudsyftet bakom simuleringarna var att förutspå - och underlätta godkännandet av fordonets acceptanskrav samt underlätta pågående utveckling.  En flerkroppsmodell konstruerades och de mest kritiska kraftbärande elementen undersöktes - och verifierades separat med hjälp av tester. Säkerhetsaspekterna kring urspårning undersöktes utifrån både europeiska och australiska standarder. Fordonets gångstabilitet bedömdes med både standard - samt bred spårviddsvarianter. Fordonets svängningsegenskaper bestämdes genom att genomföra beräkningar av flexibilitetskonstanten både numeriskt och analytiskt.  En parameterstudie genomfördes för fordonets primära vertikala dämpare med avsikt att evaluera empiriskt valda dämpare samt optimera prestanda. Resultaten visar att dämpningskoefficienten avsevärt kan minskas samtidigt som acceptabel rullningsförmåga behålls, vilket därmed förlänger dämparens livstid. Installation av girdämpare är inte nödvändigt, baserat på stabilitetsundersökningar, dock behålls fästen på boggi-prototypen för att möjliggöra framtida monteringar av sådana element.

The Rail Vehicle Research group at Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) is on the path to design and build a scaled test rig called roller rig for research and educational purposes. A roller rig is a device simulating the track with rollers on which the test subject (a wheelset, bogie or even a full vehicle) canbe placed.This thesis report is part of a bigger project involving several team members and it explores the applicability of track irregularities on a scaled roller rig by means of computer simulations. A scaled roller rig model, capable of simulating track irregularities, is generated using the multibody simulation softwareSIMPACK. Track irregularity data, represented as Power Spectral Densities (PSD), are applied to the model created. The model created and implementation of track irregularities are assessed in order to validate the modelling steps.Comparison with a reference vehicle model is carried out to verify if results obtained on the test rig are representative of a vehicle running on track, taking into account roller rig intrinsic errors. Results obtained aim to support the design of the roller rig’s mechanical components from a dynamical standpoint. / Forskargruppen spårfordon på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) arbetar med att designa och bygga en nedskalerad testrigg, en så kallad rullrigg, iforsknings- och utbildningssyfte. En rullrigg är en apparat avsedd att efterlikna järnvägsspåret med hjälp av cylinderhjul, på vilken testsubjektet (hjulaxel, boggi eller ett helt fordon) kan placeras.Denna rapport är en del av ett större projekt som involverar ett flertal gruppmedlemmar och undersöker tillämpligheten av spårlägesfel på en nedskalerad rullrigg med hjälp av simulationer. En nedskalerad rullrigg, kapabel att återskapa spårlägesfel, genereras med flerkroppsdynamik mjukvaran SIMPACK. Data för spårlägesfel, representerade med spektraltätheter (PSD), appliceras på den skapade modellen. Modellen samt implementering av spårlägesfelen bedöms sedan för att validera modelleringens steg.Jämförelse med en referensfordonsmodell genomförs för att verifiera att erhållna resultat från testriggen är representativ för ett verkligt spårfordon, med hänsyn tagen till rullriggens inneboende fel. Erhållna resultat syftar till att stödja utformningen av rullriggens mekaniska komponenter från ett dynamiskt perspektiv.

Before vehicles can be placed in service it has to complete an authorisation process. At the moment,this process is largely depended on tests. This is, however, an expensive and long process. With new technologies and improved simulations this process can be shortened and the costs can be lowered. The validation of a vehicle model, however, is often limited by the available data. Often the measured rail profiles are not available and thus a new UIC60 profile is used for the simulations. The railway track often has been used and showssigns of wear and damages, therefore research has been done to investigate the influence of the rail profiles on the validation of a railway vehicle model. The current methods of validation in the European norm are used to compare simulated values with forces and accelerations available from vehicle measurements. In the first step,25 track sections with different curve radii have beensimulated with a measured rail profile every 100 meters. In the next step, the same sections have been simulated by using the standard UIC60 rail profile. The results show that the use of measured rail profiles does have a positive influence on the outcome of simulation. In the final step, one single narrow curve has been simulated to show the effect of standard and worn rail profiles. Four different wear stages of the rail profile are simulated and compared to the available vehicle measurements available. These simulations show that the use of a medium worn rail profile gives the most accurate value. / Innan ett fordon kan tas i bruk måste det genomgå en tillståndsprocess. För närvarande är denna process till stor del beroende av provningar. Detta är dock en dyr och lång process. Med hjälp av ny teknik och förbättrade simuleringar kan denna process förkortas och kostnaderna sänkas. Valideringen av en fordonsmodell begränsas dock ofta av de tillgängliga uppgifterna. Ofta finns inte de uppmätta rälsprofilerna tillgängliga och därför används en ny UIC60-profil för simuleringarna. Järnvägsspåret har ofta använts och visarDärför har forskning gjorts för att undersöka hur rälsprofilerna påverkar valideringen av en modell av ett järnvägsfordon. De nuvarande valideringsmetoderna i den europeiska normen används för att jämföra simulerade värden med de krafter och accelerationer som finns tillgängliga från fordonsmätningar. I det första steget har 25 spårsektioner med olika kurvradier använts.simulerats med en uppmätt rälsprofil var 100:e meter. I nästa steg har samma sektioner simulerats med hjälp av standardprofilen UIC60. Resultaten visar att användningen av uppmätta rälsprofiler har en positiv inverkan på simuleringsresultatet. I det sista steget har en enda smal kurva simulerats för att visa effekten av standard- och slitna rälsprofiler. Fyra olika slitningsstadier av rälsprofilen simuleras och jämförs med tillgängliga fordonsmätningar. Simuleringarna visar att användningen av en mediumsliten rälsprofil ger det mest exakta värdet.