Future railway trends require travelling at high speeds without deterioration in the ride quality, but further improvement of the ride quality by optimisation of the passive suspension components has reached its limits. This suggests that active suspensions should be used. Rigorous studies over the past four decades have shown that this technique is able to overcome the passive suspension limitation in terms of improving the overall ride performance of the railway vehicle with the incorporation of additional active elements i.e. actuators, sensors and processors. The work in this thesis investigates a novel method for controlling the actuators within the suspension system, something which has been neglected in previous studies. It is a particular problem because at higher frequencies, when the suspension is providing isolation of the car body from the track irregularities, the actuator must accommodate the suspension movements whilst producing very small forces, otherwise the ride quality substantially deteriorates. Instead of considering more complex active suspension control strategies, which tend to be complex and may be impractical, the performance of the actuator across the secondary suspension is investigated. This research looks into improving actuator technologies for railway secondary suspensions in order to achieve the full benefits of active control. This thesis explores novel methods to improve the ride quality of the railway vehicle through secondary suspension actuator and controller design, with the ultimate aim of integrating this technology into a fully active railway vehicle. The focus of this active suspension research is therefore upon incorporating real actuator technology, instead of the usual assumption of ideal actuators. For meaningful and reliable research a simple, well established active control strategy is used for assessment to highlight the degradation in the suspension performance compared with the ideal actuators. Preliminary investigation demonstrates significant degradation of the ride quality caused by real actuators in the secondary suspension, and this research looks at methods to reduce this effect. Including actuators within a secondary suspension system is a difficult actuator problem compared to the normal application of actuators such as position control. This is because the actuator controller design process requires the consideration of the interaction of the vehicle suspension. The actuators that have been identified as suitable for the application are the electromechanical and servo-hydraulic types, and these are incorporated across the secondary suspension. The effects of the actuator dynamics have been analysed. Practical classical controllers are used to provide force-feedback control of both types of actuator in the secondary suspension. A variety of actuator control techniques are considered including: optimisation of the actuator controller parameters to solve the multi-objective and multivariable problem, the introduction of feed forward techniques and the use of optimal control approaches.

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<p> The steady state response for models of an actual six-axle locomotive running on a sinusoidally irregular track is investigated. Three mathematical models are set up, a simplified model which assumed no springing or damping of trucks or motors, and no creep forces, a full model for the "stationary" vehicle in which creep forces are assumed negligible and a full model for the "moving" vehicle, which creep forces, gravity stiffness effects and wheel tread profiles are considered. </p> <p> The steady state response of the vehicle components to varying input frequencies is calculated and the response curves are computer plotted in each case. The natural frequencies for the simplified and the full model are also calculated. For the "moving" vehicle responses for the cases of new and worn wheels are obtained. Effect of creep and wheel tread profiles is studied. </p> The accuracy with which each of the devised models describe the performance of the real railway vehicle is compared. A discussion of the conclusions drawn from the analysis, including the applications to the design of high speed railway vehicles is given. Much attention was devoted to the development and testing of five computer programs for which simplified flow charts are given in Appendix V. </p> / Thesis / Master of Engineering (ME)

<p>In the railway industry, slip control has always been essential due to the low friction between the wheels and the rail. In this master’s thesis we have gathered several slip control methods and evaluated them. These evaluations were performed in Matlab-Simulink on a slip process model of a railway vehicle. The objective with these evaluations were to show advantages and disadvantages with the different slip control methods. </p><p>The results clearly show the advantage of using a slip optimizing control method, i.e. a method that finds the optimal slip and thereby maximizes the use of adhesion. We have developed two control strategies that we have found superior in this matter. These methods have a lot in common. For instance they both use an adhesion observer and non-linear gain, which enables fast optimization. The difference lies in how this non-linear gain is formed. One strategy uses an adaptive algorithm to estimate it and the other uses fuzzy logic. </p><p>A problem to overcome in order to have well functioning slip controllers is the formation of vehicle velocity. This is a consequence of the fact that most slip controllers use the velocity as a control signal.</p>

In the railway industry, slip control has always been essential due to the low friction between the wheels and the rail. In this master’s thesis we have gathered several slip control methods and evaluated them. These evaluations were performed in Matlab-Simulink on a slip process model of a railway vehicle. The objective with these evaluations were to show advantages and disadvantages with the different slip control methods. The results clearly show the advantage of using a slip optimizing control method, i.e. a method that finds the optimal slip and thereby maximizes the use of adhesion. We have developed two control strategies that we have found superior in this matter. These methods have a lot in common. For instance they both use an adhesion observer and non-linear gain, which enables fast optimization. The difference lies in how this non-linear gain is formed. One strategy uses an adaptive algorithm to estimate it and the other uses fuzzy logic. A problem to overcome in order to have well functioning slip controllers is the formation of vehicle velocity. This is a consequence of the fact that most slip controllers use the velocity as a control signal.

Ein Schienenfahrzeug erzeugt geringe Gleiskräfte und geringen Verschleiß an Rädern und Schienen, wenn sich die Radsätze im Gleisbogen radial einstellen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Bedingungen für ein dreiachsiges Fahrwerk mit radialer Einstellbarkeit gelten, damit es möglichst stabil fährt. Außerdem wird es mit einem konventionellen dreiachsigen Fahrwerk bezüglich stabiler Fahrt und Verhalten im Bogen verglichen. Zusätzlich werden angetriebene Radsätze erfasst. In der Auslegungsphase eines Fahrzeuges kommt es darauf an, die wesentlichen Parameter zu analysieren und die optimalen Werte wenigstens in ihrer Größenordnung festzulegen. Da hierfür eine Vielzahl von Rechnungen nötig ist, braucht man einfache und schnelle Werkzeuge. Es wird ein Verfahren für die Bestimmung der optimalen Parameterwerte für Stabilität entwickelt. Der Einfluss der Elastizitäten und Dämpfungen in den Kopplungen wird berücksichtigt. Parameter dürfen in der Praxis nicht beliebige Werte, insbesondere nicht beliebig hohe Werte annehmen. Diese Randbedingungen werden einbezogen. Die Empfindlichkeit der Parameter gegenüber Abweichungen von den optimalen Werten wird dargestellt. Mit den optimalen Parameterwerten wird das Fahrverhalten im Bogen geprüft. Bei Fahrt im Bogen kann der Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene in der Hohlkehle oder in der Spurkranzflanke des Rades liegen. In diesem Bereich sind die Beziehungen der Kontaktparameter stark nichtlinear; das Rechenmodell bezieht diese Effekte ein. Die Ergebnisse zeigen, dass drei Radsätze, die in der Lage sind, sich ungehindert radial einzustellen, stabil fahren können. Auch die Existenz eines Fahrzeugkastens ändert nichts an dieser grundsätzlichen Aussage. Voraussetzung ist allerdings, dass einige Parameter ausreichend große Werte annehmen können. Die Grenzen, die die Parameterwerte nicht überschreiten dürfen, haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Steifigkeiten, die eigentlich die radiale Einstellung behindern, wirken sich positiv auf die Stabilität und das Verhalten im Bogen unter Fliehkraft aus.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

Ein Schienenfahrzeug erzeugt geringe Gleiskräfte und geringen Verschleiß an Rädern und Schienen, wenn sich die Radsätze im Gleisbogen radial einstellen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Bedingungen für ein dreiachsiges Fahrwerk mit radialer Einstellbarkeit gelten, damit es möglichst stabil fährt. Außerdem wird es mit einem konventionellen dreiachsigen Fahrwerk bezüglich stabiler Fahrt und Verhalten im Bogen verglichen. Zusätzlich werden angetriebene Radsätze erfasst. In der Auslegungsphase eines Fahrzeuges kommt es darauf an, die wesentlichen Parameter zu analysieren und die optimalen Werte wenigstens in ihrer Größenordnung festzulegen. Da hierfür eine Vielzahl von Rechnungen nötig ist, braucht man einfache und schnelle Werkzeuge. Es wird ein Verfahren für die Bestimmung der optimalen Parameterwerte für Stabilität entwickelt. Der Einfluss der Elastizitäten und Dämpfungen in den Kopplungen wird berücksichtigt. Parameter dürfen in der Praxis nicht beliebige Werte, insbesondere nicht beliebig hohe Werte annehmen. Diese Randbedingungen werden einbezogen. Die Empfindlichkeit der Parameter gegenüber Abweichungen von den optimalen Werten wird dargestellt. Mit den optimalen Parameterwerten wird das Fahrverhalten im Bogen geprüft. Bei Fahrt im Bogen kann der Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene in der Hohlkehle oder in der Spurkranzflanke des Rades liegen. In diesem Bereich sind die Beziehungen der Kontaktparameter stark nichtlinear; das Rechenmodell bezieht diese Effekte ein. Die Ergebnisse zeigen, dass drei Radsätze, die in der Lage sind, sich ungehindert radial einzustellen, stabil fahren können. Auch die Existenz eines Fahrzeugkastens ändert nichts an dieser grundsätzlichen Aussage. Voraussetzung ist allerdings, dass einige Parameter ausreichend große Werte annehmen können. Die Grenzen, die die Parameterwerte nicht überschreiten dürfen, haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Steifigkeiten, die eigentlich die radiale Einstellung behindern, wirken sich positiv auf die Stabilität und das Verhalten im Bogen unter Fliehkraft aus.