This master's thesis is engaged in development of new sanding units for a specific type of rail vehicle. Sanding in rail transport is application of most commonly silica sand into wheel-rail contact. Thanks to its reliability it is still the most widely used method for removing contaminants and improving adhesion in that contact. Sanding devices were developed in cooperation with corporation, which deals with production of rail transport equipment, among other things. The most important part of sanding device is sand dispenser. Dispensers were experimentally developed at the test station in the cooperating corporation. Dispensers were tested for utilization conditions on the locomotive of the train and conditions for trams and light rail vehicles. Furthermore, sand boxes have been designed for specific type of rail vehicle and new type of sand discharge tube, which directs sand directly into wheel-rail contact was designed too.

The diploma thesis deals with the design and stress-strain analysis of a flexible coupling composed of individual rubber-textile segments. This concept allows the manufacturer to simplify and unify the production thanks to the ability to use a single segment design for multiple coupling configurations and thus leads to a reduction in costs on the part of the manufacturer. From the consumer side this allows only mechanically or chemically damaged segments to be replaced instead of the entire coupling and saves costs for the potential user. The coupling assembly is primarily designed according to the parameters of intercity electric units and locomotives, however, the individual flexible segments are not limited by this use. When designing a coupling assembly, it is necessary to place requirements primarily on the high safety of all components. The operating mode, in which the relative displacement of the input and output shafts can occur, indicates a relatively wide range of transmitted loads which, if any assembly part is improperly designed, can cause problems leading to temporary putting the entire machine/vehicle out of order. The most critical areas of the assembly include the flexible segments, the bolt connections, the strength of the hubs and the spline joint for torque transfer. Last but not least, the requirements for the non-complex production of components must be taken into account, together with the assembly and maintenance without collision of the components and the necessary tools. In order to verify the above-mentioned requirements, stress-strain analyses are performed simulating the variation of operating load conditions. Due to the reduction of hardware requirements and computational time, together with the absence of experimentally measured data of rubber and PES codes, the flexible segments were modelled at a lower level with a reduced material model favouring the tensile properties of PES cords. However, this reduction provides a more conservative approach, as this use causes higher stresses on the steel components of the assembly. Subsequently, a stress analysis of the splined joint is performed. Due to the absence of specific shaft geometry models of commercial motors and gearboxes, a parallel splines were chosen for this purpose and designed according to the specified maximum torque. The last part of the thesis is focused on verifying the tensile properties of an individual flexible segment.

This master’s thesis contains a basic description of the function and wiring of Electronic tachograph RE1xx from company UniControls - Tramex. The main objectives of this thesis are design and implementation of a functional module, combining the four frequency inputs, two analog inputs and eight digital inputs. The proposed module must be fully compatible with current system of Electronic tachograph and must be according by the basic technical-law standards, which refer of this branch for application this device. Based on the analysis of methods of processing various signals are proposed several concepts of the input module. Individual concepts are described with advantages and disadvantages. On the design concept of this module, followed by a description of the speed sensor, is placed on the redress of vehicle. Design of circumferential involvement of the chosen conception is detailed described and divided into several parts (controlling part, frequency inputs, analog inputs, binary inputs). In this module is accent on increased reliability and interoperability, which is achieved by using for example: power monitor, external watchdog, etc. For realization prototype is a part of thesis design of the PCB. Thesis includes theoretical calculations, which is needed for the design of software. On a functional input module is developed and debugged operating firmware, which is based on single-fiber design of the program. To measure the actual speed are debugged two algorithms - method of periodic sampling and the method of external interrupt. The following is a description of the measurement and processing of analog and digital signals (used algorithms suppress oscilation of input signals). The result of this master’s thesis is functional Module of frequency, analog and digital inputs, which measures vehicle speed, distance covered, direction of movement, two analog signals and evaluates states of the binary signal. Preprocessed data are sent to a Module of central processor through serial communications RS485.

This master thesis deals with wheel set axles of rail vehicles, their design and methods of implementation stress analysis. In this work, I created a powered locomotive wheel set: axle and wheel. For the purpose of the design department of the Bonatrans Group a.s. company I developed an analytical solver, which allows creating stress analysis, which will be used for verifying finished design and in addition it allows printing of stress analysis as report for the railway´s offices. Next step was a stress analysis of this design of axle in this analytical solver.

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.

Im Rahmen der Arbeit wird eine Simulationsmethodik auf Grundlage der elastischen Mehrkörpersimulation dargestellt, welche eine Prognose des Körperschallverhaltens eines Bahnantriebs in einem Frequenzbereich bis 1 kHz ermöglichen soll. Randbedingung in der Modellbildung ist die Anwendbarkeit des Verfahrens im Entwicklungsprozess. Die vorgestellte Modellbildung der Anregung erfolgt für die mechanische Geräuschanregung aus den Zahneingriffen im Achsgetriebe. Für die Identifizierung dominanter Körperschallquellen wurde der Innenraumschall eines aktuellen Regionalzuges experimentell untersucht und ausgewertet. Weiterhin wurde das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs in einer Prüfstandsumgebung gemessen. Anhand der experimentellen Ergebnisse ist ein systematischer Vergleich zwischen Messung und Berechnung über dem gesamten Betriebsfeld des Antriebsstrangs möglich. Ein umfangreicher Messung-Rechnung-Vergleich der verzahnungsbedingten Anregungsfrequenzen zwischen gemessenen Oberflächenbeschleunigungen am Antrieb und den Berechnungsergebnissen zeigen eine akzeptable qualitative Übereinstimmung über dem Betriebsfeld. Die Anwendung des Berechnungsmodells für die akustische Auslegung des Antriebs ist somit möglich. Im Detail ergeben sich jedoch deutliche quantitative Abweichungen der Schwingwerte für einzelne Betriebspunkte. Sowohl die Analyse verschiedener Modellvarianten als auch eine Sensitivitätsstudie zeigen auf, dass die Modellbildung der Wälzlager, die Modellbildung und Parametrierung der Verzahnungsanregung und die Modellierung der Antriebswelle großen Einfluss auf die Ergebnisse haben und Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Modells liefern.:1.1 Motivation 1.2 Problemstellung 1.3 Zielsetzung 1.4 Lösungsansatz und Abgrenzung 1.5 Wissenschaftliche Fragestellung und Gliederung der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Historische Entwicklung der Modellbildung 2.2 Entwicklung von Mehrkörperformalismen 2.3 Berechnung von Antrieben mittels Mehrkörpersimulation 2.4 Analyse aktueller Ansätze der Körperschallberechnung mittels EMKS 2.5 Zusammenfassung und Bewertung 3 Modellbildung für die Körperschallberechnung 3.1 Modellbildung dynamischer Systeme 3.2 Finite-Elemente-Methode 3.3 Elastische Mehrkörpersysteme 3.4 Lineare Modellordnungsreduktion 3.5 Zeitschrittintegrationsverfahren 3.6 Sensitivitätsanalyse 4 Grundlagen der Akustik 41 4.1 Einführung 4.2 Akustik des Schienenfahrzeugs 4.3 Akustik von Zahnradgetrieben 4.4 Akustik von elektrischen Maschinen 5 Experimentelle Untersuchung des Versuchsfahrzeugs 5.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 5.2 Versuchsablauf und Messgrößen 5.3 Messunsicherheit und Störeinflüsse 5.4 Untersuchte Fahrzyklen 5.5 Analyse des Innenraumgeräuschs 5.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Experimentelle Untersuchung am Antriebsprüfstand 6.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 6.2 Wahl der Beurteilungsgröße zur Körperschallcharakterisierung 6.3 Aufbau des untersuchten Antriebsstrangs 6.4 Versuchsaufbau und Messgrößen 6.5 Wendebetrieb und Drehrichtungsdefinition 6.6 Messunsicherheit und Störeinflüsse 6.7 Untersuchte Betriebsszenarien 6.8 Analyse der instationären Betriebszustände 6.9 Analyse der stationären Betriebszustände 6.10 Resonanzerscheinungen der Verzahnungsanregung bis 1000 Hz 6.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 7 Aufbau des Berechnungsmodells 7.1 Zielstellung der Modellbildung 7.2 Anmerkung zur Wahl der Simulationsumgebung 7.3 Mehrkörpersimulation im erweiterten Frequenzbereich 7.4 Erläuterungen der Modelltopologie und Submodelltechnik 7.5 Modellierung der Wuchtgüte 7.6 Modellierung der Verzahnungsanregung 7.7 Modellierung der Elastomerelemente 7.8 Modellierung der Wälzlager 7.9 Modellierung der Wellen 7.10 Erstellungsprozess eines elastischen Körpers 7.11 Modellierung des Antriebsgehäuses als Finite-Elemente Modell 7.12 Experimentelle Modalanalyse am Antriebsgehäuse und Modellkorrelation 7.13 Anbindungsmodellierung am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.14 Modellordnungsreduktion am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.15 Verwendete Eigenmoden für die elastischen Körper 7.16 Dämpfungsparameter der elastischen Körper 7.17 Modellierung der Hohlwelle 7.18 Anmerkung zur Lasteinleitung und zum Prüfstandseinfluss 8 Analyse des Berechnungsmodells 8.1 Fragestellungen an die Analyse des Berechnungsmodells 8.2 Referenzmodellierung und Referenzlastfälle 8.3 Eigenschaften des Systemverhaltens und Plausibilitätskontrolle 8.4 Parametereinfluss der Zeitschrittintegration 8.5 Ausgewählte Sensitivitätsanalysen 9 Vergleich von Messung und Simulation 9.1 Vorgehen in der Beurteilung 9.2 Untersuchte Modellvarianten 9.3 Qualitativer Vergleich des Betriebsverhaltens 9.4 Quantitativer Vergleich stationärer Betriebszustände 9.5 Quantitativer Vergleich instationärer Betriebszustände 9.6 Zusammenfassung und Beurteilung 10 Zusammenfassung und Ausblick

Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung eines Energiespeichersystems in ein dieselelektrisches Schienenfahrzeug. Ziel der Arbeit ist es mit einem automatisierten Ansatz die besten Parameter für das Energiespeichersystem zu finden. Um die geeignetsten Parameter zu bestimmen, wurde eine Optimierung basierend auf genetischen Algorithmen verwendet. Neben der Charakteristik des Energiespeichersystems wird auch dessen Betriebsstrategie untersucht und optimiert. Der Fahrstil genau wie die Leistung des Dieselmotors werden ebenfalls variiert, um die Ergebnisse der Optimierung mit und ohne Energiespeichersystem zu vergleichen. / This work deals with an implementation of an energy storage system in a diesel electric driven rail vehicle. The aim of this work is an automatic approach to find the best parameters for an energy storage system. To find the best fitting parameters an optimization based on genetic algorithms is used. Beside the characteristics of the energy storage system as well the strategy to operate it is investigated and optimized. The driving style as well as the power of the internal combustion engine are varied in order to compare the solution of the optimization with and without energy storage systems.

I denna rapport beskrivs en utvecklad utbildningssimulator över spårfordon och dess del- komponenter på järnvägen. Simulatorn är en hårdvarubaserad prototyp över ett dörrsystem på spårfordon. Prototypen ska användas av systemspecialister och tekniker inom järnvägs- branschen. Simulatorn ger användare en teknisk demonstration av hur komponenter funge- rar i ett dörrsystem. Prototypen innehåller motor, brytare, reläer och givare. Komponenterna används för att illustrerar funktioner i ett dörrsystem på ett spårfordon. Utbildningssimula- torn kontrolleras med en styrenhet och genom tryckknappar för manuell styrning. För de- monstration av säkerheten vid av och ombordstigning används en optisk givare som symbo- liserar hinderdetektering. Utbildningssimulatorn har två vanliga fel inbyggda: kabelfel och jordfel. En instruktions- manual bestående av ett kretsschema används för felsökning. Kretsschemat över dörrsyste- met används för hitta felen och åtgärda dem. I felanalysen ingår de faktorer som är orsaken till att de vanligaste felen inträffar på ett spårfordon. Dörrsystem tar emot diagnostiska ko- der från en dörrdator som styr prioriteringen på vilka åtgärder som ska göras. / This report is a description of a developed educational simulator over rail vehicles and its components. The simulator is a hardware-based prototype over a door system on rail vehi- cles. System specialists and technicians will use the prototype. The Simulator should give the user a technical demonstration on how components work in a door system. The proto- type consists of motor, switch, relay and sensor. The components are used for illustration of the functions in a door system on a rail vehicle. The educational simulator is controlled with a control unit and with pushbuttons for manual control. For demonstration of the boarding security an optical sensor is used as symbolize for the obstacle detection. The educational simulation has two embedded common faults: cable fault and ground fault. The instruction manual consists of a circuit diagram and is used for troubleshooting. The circuit diagram over the door system is used to find the faults and to correct them. The fault analysis includes the factors, which is the reason for the most common faults to occur in a rail vehicle. Door system receives diagnostic code from a door computer that control priori- tizing for arrangements that will be made.

The wheel-rail contact is at the core of all research related to vehicle-track interaction. This tiny interface governs the dynamic performance of rail vehicles through the loads it transmits and, like any high stress concentration zone, it is subjected to serious damage phenomena. Thus, a clear understanding of the rolling contact between wheel and rail is key to realistic vehicle dynamic simulation and damage analyses. In a multi-body-system simulation package, the essentially demanding contact problem should be evaluated in about every millisecond. Hence, a rigorous treatment of the contact is highly time consuming. Simplifying assumptions are, therefore, made to accelerate the simulation process. This gives rise to a trade-off between accuracy and computational efficiency of the contact models in use. Historically, Hertz contact solution is used since it is of closed-form. However, some of its underlying assumptions may be violated quite often in wheel-rail contact. The assumption of constant relative curvature which leads to an elliptic contact patch is of this kind. Fast non-elliptic contact models are proposed by others to lift this assumption while avoiding the tedious numerical procedures. These models are accompanied by a simplified approach to treat tangential tractions arising from creepages and spin. In this thesis, in addition to a literature survey presented, three of these fast non-elliptic contact models are evaluated and compared to each other in terms of contact patch, pressure and traction distributions as well as the creep forces. Based on the conclusions drawn from this evaluation, a new method is proposed which results in more accurate contact patch and pressure distribution estimation while maintaining the same computational efficiency. The experience gained through this Licentiate work illuminates future research directions among which, improving tangential contact results and treating conformal contacts are given higher priority. / <p>QC 20130911</p>

Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung eines Energiespeichersystems in ein dieselelektrisches Schienenfahrzeug. Ziel der Arbeit ist es mit einem automatisierten Ansatz die besten Parameter für das Energiespeichersystem zu finden. Um die geeignetsten Parameter zu bestimmen, wurde eine Optimierung basierend auf genetischen Algorithmen verwendet. Neben der Charakteristik des Energiespeichersystems wird auch dessen Betriebsstrategie untersucht und optimiert. Der Fahrstil genau wie die Leistung des Dieselmotors werden ebenfalls variiert, um die Ergebnisse der Optimierung mit und ohne Energiespeichersystem zu vergleichen. / This work deals with an implementation of an energy storage system in a diesel electric driven rail vehicle. The aim of this work is an automatic approach to find the best parameters for an energy storage system. To find the best fitting parameters an optimization based on genetic algorithms is used. Beside the characteristics of the energy storage system as well the strategy to operate it is investigated and optimized. The driving style as well as the power of the internal combustion engine are varied in order to compare the solution of the optimization with and without energy storage systems.