Laufdynamische Verhältnisse von Kleinradius-Eisenbahnrädern

Wheels are components of decisive significance for rail vehicles in terms of properties such as structural strength, running quality and space for loading or interior layout. Using small wheels allows a further lowering of the floor throughout the full length of the vehicle, which exploits more loading space above running gears for freight wagons, enables drive-on/off loading of taller road vehicles for auto transporter wagons and provides room for bi-level gangways for double-deck coaches. However, with smaller wheels, running stability is expected to decrease and the tread becomes more susceptible to wear. It is thus worth investigating whether it is possible to use unconventionally small wheels in favor of their benefits in vehicle capacity increase and layout design without causing an excessive deficit of its running dynamics properties. Understanding the extent of the running dynamics behaviour deterioration associated with smaller wheels and identifying possible remedies are important first steps for this investigation. These constitute the goals of this dissertation: (1) to determine how the running dynamics behaviour of a common rail vehicle changes with wheel radii varying into an unconventionally small range; (2) to test the effect of certain proposed modifications to the running gear in restoring the dynamics performance lost through the use of small wheels. This dissertation takes a numerical approach, obtaining the behaviour of a selected reference vehicle through conducting time-domain integrations with its multibody simulation (MBS) model with its wheel radius set as a varying parameter. The reference vehicle in question is chosen as a generic freight wagon with Y25 two-axle single-frame bogies. The stability, the curve negotiation, and wear behaviour of the vehicle with wheel radii ranging from 140 mm to 500 mm are analyzed, once for the original vehicle without any corrective modifications to ascertain the hypothetic consequences of using smaller wheels, then once again after two proposed modifications are implemented to assess the effectiveness of the countermeasures both individually and in combination. The specific modifications proposed are the scaling of the wheel profile with a factor dependent on the wheel radius and the use of a radial steering mechanism. The simulation results indicate that for a Y25 bogie using its original wheel profile, the decrease in wheel size without introducing further modifications causes a significant decrease in the vehicle’s non-linear critical speed and a significant increase in tread wear, whereas its theoretically expected benefit on curve negotiation is minimal. The addition of a functioning radial steering mechanism is able to restore the wear and stability behaviour of the small-wheeled vehicle, bringing the three aspects of dynamics performance back into balance. On the other hand, a wheel-radius-dependent scaling of the wheel profile, in which the scaling factor is chosen to be equal to the ratio of the actual wheel radius against the standard wheel radius of the reference Y25 bogie, benefits stability beyond practical demand at the sacrifice of severe deteriorations for curving and wear properties both with and without the simultaneous implementation of the radial steering mechanism. In the practical sense, the research suggests that small wheels may be applicable for operational railway vehicles in the running dynamics’ point of view, since there exists the use of radial steering as a working countermeasure against the performance loss associated with the wheel size reduction.Eisenbahnräder sind Schienenfahrzeugkomponenten von entscheidender Bedeutung, unter anderem in Bezug auf die Festigkeit, die Laufqualität und der Raum für Ladung oder Innenraumgestaltung. Die Anwendung von kleinen Rädern ermöglicht eine tiefe Bodenhöhe über die gesamte Wagenlänge, wodurch zusätzlicher Raum über den Laufwerken für Güterbeladung genutzt werden kann. Zudem wird das Auf- und Abfahren von größeren Straßenfahrzeugen auf/von einem Eisenbahn-Autotransportwagen sowie die Gestaltung von Durchgängen auf beide Etagen eines Doppelstock-Reisezugwagens ermöglicht. Mit kleineren Rädern muss man hingegen mit Stabilitätsverlust des Schienenfahrzeuges und erhöhter Verschleißanfälligkeit der Räder rechnen. Daher ist es von Interesse, ob es möglich ist, zugunsten der Vorteile von Kapazitätserhöhung und Innenraumgestaltung außergewöhnlich kleine Räder einzusetzen, ohne eine unverhältnismäßig starke Verschlechterung der Laufdynamik des Fahrzeuges. Wichtige erste Schritte hierfür sind sowohl ein Verständnis fürs Ausmaß der Fahrdynamikverschlechterung aufgrund außergewöhnlich kleiner Radgrößen zu entwickeln als auch die Identifizierung von Gegenmaßnahmen. Aus diesen Aspekten leiten sich die zwei Ziele dieser Doktorarbeit ab: (1) zu untersuchen, wie sich die klassischen fahrzeugdynamischen Eigenschaften mit der Radgröße ändern bis zu einem ungewöhnlich kleinen Radradius; (2) zu überprüfen, inwiefern vorgeschlagene Änderungen am Laufwerk der kleinradbedingten Dynamikverschlechterung entgegenwirken können. Diese Doktorarbeit geht numerisch vor und erzeugt durch Multikörpersimulation (MBS: engl. für „Multibody Simulation“) die laufdynamischen Verhältnisse eines Referenzfahrzeuges mit zweiachsigen Festrahmen-Drehgestellen des Typs Y25, wobei der Radradius zwischen 140 mm und 500 mm variiert. Untersucht werden die Laufstabilität sowie die Bogenfahrt- und Radverschleißverhältnisse des Fahrzeuges, zuerst mit dem ursprünglichen Fahrzeug ohne jegliche Modifizierung am Laufwerk zwecks Ermittlung vermuteter Folgen der Radverkleinerung, dann jeweils nach der Anwendung der beiden vorgeschlagenen Gegenmaßnahmen (sowohl individuell als auch kombiniert) für die Auswertung ihrer Effekte. Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen sind zum einen eine radradiusabhängige Skalierung des Radprofils und zum anderen die Anwendung eines Radialeinstellungsmechanismus. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Stabilität und das Verschleißverhältnis des Y25-Drehgestells mit ursprünglichem Radprofil mit einer Verkleinerung des Rades deutlich verschlechtern, wohingegen die theoretisch zu erwartende Bogenfahrtverschonung nur geringfügig ist; vorausgesetzt, dass keine weiteren Veränderungen gemacht werden. Ein Radialeinstellungsmechanismus kann die Stabilität und das Verschleißverhältnis ausbessern und einen besseren Ausgleich zwischen den drei Aspekten der Fahrzeugdynamik schaffen. Eine Radprofilskalierung hingegen, mit einem Faktor, der dem Quotienten aus dem aktuell betrachteten und dem ursprünglichen Radradien des Y25-Referenzdrehgestells entspricht, verbessert die Stabilität übermäßig auf Kosten von starken Verschlechterungen der Bogenfahrt- und Verschleißeigenschaften, unabhängig vom Einsatz der Radialeinstellung. Die Arbeit stellt vor, dass es möglich ist, kleine Räder mit verlässlicher Laufdynamik im Betrieb einzusetzen, da mit der Radialeinstellung eine funktionierende Gegenmaßnahme zur Verschlechterung der fahrzeugdynamischen Eigenschaften durch die Radverkleinerung besteht