Kontakt zwischen Rad und Schiene - das Kernelement der Dynamik der Schienenfahrzeuge
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- Irma Eberhardt
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1 Kontakt zwischen Rad und Schiene - das Kernelement der Dynamik der Schienenfahrzeuge Oldrich POLACH DaimlerChrysler Rail Systems (Schweiz) AG Winterthur 9 Dec, Seite -1- RSKont2.ppt
2 Inhalt Einführung zum Thema Rad-Schiene-Kontakt Funktionen Geometrie Normalproblem Tangentialproblem - Übersicht Berechnung der Tangentialkräfte in Simulationsprogrammen Zeitsparende Methode, Vergleiche Zusammenhang Kraftschluss - Reibbeiwert Beispiel der Anwendung: Fahrzeug- und Antriebsdynamik 9 Dec, Seite -2- RSKont2.ppt
3 Rad-Schiene-Kontakt und seine Funktionen Tragen Führen Ziehen / Bremsen Q Q YY X 9 Dec, Seite -3- RSKont2.ppt
4 Geometrie des Rad-Schiene-Kontaktes Rad-Schiene-Kontakt im Vergleich Kontaktfläche [mm] Radprofil neu abgenutzt 9 Dec, Seite -4- RSKont2.ppt
5 Geometrie des Rad-Schiene-Kontaktes Radprofil neu abgenutzt Konusprofil Verschleissprofil Rad-Schiene-Kontakt Gerade Verschleissprofil Konusprofil 1-Punkt-Berührung 2-Punkt-Berührung Bogen 9 Dec, Seite -5- RSKont2.ppt
6 Linearisierung der Rad-Schiene-Geometrie Rollradiusdifferenz r 2 r r 1 r Konizität effektive ef r1 r2 2 y äquivalente eq 1 2 y 2 r y sin sin d 9 Dec, Seite -6- RSKont2.ppt
7 Normalproblem Elliptischer Kontakt (Hertz, 1882) Nichtelliptischer Kontakt elliptisch nichtelliptisch 9 Dec, Seite -7- RSKont2.ppt
8 Tangentialproblem Schlüpfe (Creepages) Längsschlupf Längsgleiten Wenden um Hochachse Rollradiusdifferenz Querschlupf Quergleiten Schräglauf -4-2 B 2 4 Spin (Bohrschlupf) B. sin 9 Dec, Seite -8- RSKont2.ppt
9 Tangentialproblem Historie Carter (1926), Fromm (1927) zweidimensionale Lösung Rollrichtung ohne Querschlupf, ohne Spin a ' a ' -a Haftfläche a Gleitfläche Tangentialspannung : ' a a' Haftfläche f a a a' ' wenn a, ' ' a Gleitfläche f 2 2 a wenn a, ' a ' a 9 Dec, Seite -9- RSKont2.ppt
10 Tangentialproblem Historie Vermeulen-Johnson (1964) Rollrichtung y FEHLER Ohne Spin Haft- und Gleitfläche kreisförmig (elliptisch) a Gleitfläche Haftfläche Lösung : Elliptische Integrale a a Approimation der eakten Lösung: Sättigungsfunktion F S ' F ' 2 F ' 2 y Übergangsbereich Sättigung F S f Q k F S k 3 f Q 1 k 27, k FS ', f Q für k für 3 k 3 9 Dec, Seite -1- RSKont2.ppt
11 Theorie von Kalker Eakte Theorie (1969) allgemeine Theorie (Längs- + Querschlupf + Spin) Änderung der Tangentialspannung ohne Einfluss auf die Verteilung der Normalspannung Reibbeiwert konstant Haft- und Gleitfläche Maimale Tangentialspannung f. ma Programme DUVOROL (veraltet) und CONTACT (1979) 9 Dec, Seite -11- RSKont2.ppt
12 Theorie von Kalker Aufteilung der Kontaktfläche Längsschlupf Reiner Spin (klein) Querschlupf und Spin Gleitfläche Haftfläche Rollrichtung Längsschlupf und Spin Längs-, Querschlupf und Spin Reiner Spin (gross) 9 Dec, Seite -12- RSKont2.ppt
13 Theorie von Kalker Tangentialkräfte Längs- und Querkraft Querkraft durch Spin 1 1 Änderung der Skalierung 1 y a b f, fy [ - ] f f y a/b = 1 fy [ - ] a/b = , y [ - ] n [ - ] 9 Dec, Seite -13- RSKont2.ppt
14 Lineare Theorie von Kalker Koeffizienten von Kalker F F M y z c 11 - Längskraft c 22 - Querkraft c 23 - Querkraft durch Spin c 33 - Moment um Normalachse G a b c 11 c 23 c 22 a b c23 a b a b c 33 s sy c11, c22, c y b a c 11 c 22 c a/b b/a 9 Dec, Seite -14- RSKont2.ppt
15 Weitere Methoden geeignet für Simulationsprogramme FASTSIM (Kalker, 1982) Tangentialspannung Rollrichtung Tangentialspannung Haftfläche: linear Gleitfläche: f. ma b y Gleitfläche Haftfläche a Segmentierung der Kontaktfläche 9 Dec, Seite -15- RSKont2.ppt
16 Weitere Methoden geeignet für Simulationsprogramme Shen-Hedrick-Elkins (1983): lineare Theorie von Kalker F. F ' G. a. b. c11 s y 3 a. b.. ' G. a. b. c22. sy G. c23 Gesamtkraft F S ' F ' 2 F ' 2 y Approimation nach Vermeulen-Johnson verwendet auch für Spin F S f Q k k 3 F S f Q 1 k 27, k FS ', f Q für für k k 3 3 Vektorzerlegung auf die Komponenten F,F y F F F S ' ' F S F y F F y S ' ' F S 9 Dec, Seite -16- RSKont2.ppt
17 Methoden zur Berechnung der Tangentialkräfte zwischen Rad und Schiene Eakte Theorie von Kalker (CONTACT) Vereinfachte Theorie von Kalker (FASTSIM) Angewendet in: ADAMS, MEDYNA, GENSYS, SIMPACK, VOCO Look-up Tabellen Angewendet in: ADAMS, VAMPIRE Vereinfachte Methoden und Funktionen Angewendet in: MEDYNA, VAMPIRE, SIMPACK 9 Dec, Seite -17- RSKont2.ppt
18 Nachteile der bekannten Methoden Eakte Theorie von Kalker (CONTACT) Sehr lange Rechenzeit Vereinfachte Theorie von Kalker (FASTSIM) Lange Rechenzeit im Vergleich mit anderen Methoden Look-up Tabellen Limitierte Datenmenge, Vorberechnung notwendig Vereinfachte Methoden und Funktionen Grosse Differenzen im Vergleich mit der eakten Theorie 9 Dec, Seite -18- RSKont2.ppt
19 Zeitsparende Methode (Polach, 1989) Vorteile Kompromiss zwischen der Rechenzeit und der benötigten Genauigkeit Spin berücksichtigt Rechenzeit vergleichbar mit vereinfachten Funktionen und mit Look-up Tabellen Vorberechnung überflüssig Genauigkeit vergleichbar mit FASTSIM oder Look-up Tabellen 9 Dec, Seite -19- RSKont2.ppt
20 Prinzip der Methode Elliptische Kontaktfläche nach Hertz Normalspannung, Rollrichtung Reibbeiwert konstant Tangentialspannung Unterteilung der Kontaktfläche in Haft- und Gleitgebiet Maimale Tangentialspannung y f. ma Lineare Zunahme der Tangentialspannung in der Haftfläche b Gleitfläche Haftfläche a 9 Dec, Seite -2- RSKont2.ppt
21 Prinzip der Methode Transformation Ellipsoid Transformation Halbkugel * y a y * b a * y y* b a a Tangentialkraft: a F ( U ) d dy 2. Q. f 1 2 arctan, wo 2 3 C.. a Q. f 2. b s 9 Dec, Seite -21- RSKont2.ppt
22 Prinzip der Methode Reiner Spin a Mit Hilfe der Transformation zur Halbkugel: y F y a. b b wo a 9 Dec, Seite -22- RSKont2.ppt
23 Prinzip der Methode Anwendung Auf der Basis vom Eperiment Die Konstante C bestimmt durch Eperiment Als Rechenzeit sparende Lösung mit den Konstanten von Kalker C 8 3 G a c jj wo c jj c s 2 s y 11 c 22 s s 2 C S 4 G. b a 3 c 23 9 Dec, Seite -23- RSKont2.ppt
24 Programm ADH INPUT : Radlast Reibbeiwert Schubmodul Halbachsen der Kontaktellipse Konstanten von Kalker Längs- und Querschlupf Spin SUBROUTINE ADH(Q,F,A,B,SX,SY,OM,C1,C2,C3,FX,FY) C *********************************************** C * Computation of Wheel/Rail Forces * C * (c) O. Polach, * C *********************************************** REAL MI REAL KS G=8.4E+1 PI= FX= FY= MI= SYC=SY IF (ABS(SY+OM*A).LE.ABS(SYC)) GOTO 1 SYC=SY+OM*A 1 CONTINUE SC=(SX*SX+SYC*SYC)**.5 IF (SC.EQ.) GOTO 999 S=(SX*SX+SY*SY)**.5 IF (S.EQ.) GOTO 2 CJ=((C1*SX/S)**2+(C2*SY/S)**2)**.5 EP=PI*G*A*B*CJ*SC/(4.*Q*F) MI=(EP/(1.+EP*EP)+ATAN(EP))*2.*F/PI 2 KS=1.+6.3*(1.-EXP(-A/B)) EPM=8.*B*((A*B)**.5)*G*C3*ABS(SYC)/(3.*KS*Q*F) DE=((EPM)**2-1.)/((EPM)**2+1.) FYS=9.*A*F*KS*(EPM*(-DE**3/3.+DE**2/2.-1./6.) / +1./3.*(1.-DE**2)**(1.5))/16. FX=Q*MI*SX/SC FY=Q*(MI*SY+FYS*OM)/SC 999 CONTINUE PRINT FX, FY RETURN END OUTPUT : Längskraft Querkraft 9 Dec, Seite -24- RSKont2.ppt
25 Vergleich mit Programm FASTSIM Längs- und Querschlupf Reiner Spin Rechenzeit 1.8 y = 1.8 FASTSIM ADH Änderung der Skalierung 3 1 FASTSIM f, fy [ - ].6.4 y = 1.1 fy [ - ].6.4 a/b = 1.2 FASTSIM ADH ADH [ - ] n [ - ] 9 Dec, Seite -25- RSKont2.ppt
26 Vergleich der Simulationen ADAMS/Rail Modell der Lok 2 9 Dec, Seite -26- RSKont2.ppt
27 Vergleich der Simulationen ADAMS/Rail Modell der Lok 2 Mechanismus der der Radsatz-Kopplung: Radsatz Lenkerstange Fahrzeugmodell: 51 Körper 84 Bushings 4 Anschläge 24 Dämpfer Achslager Koppelwelle 9 Dec, Seite -27- RSKont2.ppt
28 Vergleich der Simulationen mit Programmen FASTSIM und ADH Y rechts [kn] Querkraft Rad-Schiene R = 15 m, a lat = m/s² Steife Achsführung Radsatz Anlaufwinkel Rechenzeit Y links [kn] Radsatz FASTSIM ADH [mrad] Radsatz FASTSIM ADH FASTSIM ADH 9 Dec, Seite -28- RSKont2.ppt
29 Vergleich mit Messung a lat = -.3 m/s² Querkraft Rad-Schiene a lat = 1.1 m/s² R = 3 m 6 6 Y rechts [kn] 4 2 Y rechts [kn] 4 2 Rechenzeit -2 Radsatz -2 Radsatz Y links [kn] Radsatz FASTSIM ADH Messung Y links [kn] Radsatz FASTSIM ADH Messung FASTSIM ADH 9 Dec, Seite -29- RSKont2.ppt
30 Vergleich mit Messung.6 a lat = -.3 m/s² Entgleisungsquotient.6 a lat = 1.1 m/s² R = 3 m Y/Q rechts [ - ].4.2 Y/Q rechts [ - ].4.2 Rechenzeit -.2 Radsatz -.2 Radsatz Y/Q links [ - ] Radsatz FASTSIM ADH Messung Y/Q links [ - ] Radsatz FASTSIM ADH Messung FASTSIM ADH 9 Dec, Seite -3- RSKont2.ppt
31 Erfahrungen mit dem Programm ADH Algorithmus in Anwendung in verschiedenen Programmen seit 199 Positive Erfahrungen sowohl in der Forschung als auch im industriellen Einsatz Angewendet als Standardmethode im Programm ADAMS/Rail Getestet und benutzt als Anwender-Routine in Programmen: SIMPACK, MEDYNA, SIMFA 9 Dec, Seite -31- RSKont2.ppt
32 Zusammenhang Kraftschluss-Reibbeiwert Verlauf des Reibbeiwertes Reibung statisch dynamisch Reibbeiwert statisch dynamisch Gleitgeschwindigkeit Reibbeiwert als Funktion der Gleitgeschwindigkeit Reibbeiwert Gleitgeschwindigkeit 9 Dec, Seite -32- RSKont2.ppt
33 Kraftschluss mit einem von der Schlupfgeschwindigkeit abhängigen Reibbeiwert Einfluss des Oberflächenzustands (Messung Lok SBB 46) Einfluss der Fahrgeschwindigkeit V = 2 km/h.4 Messung.4 Rechnung.36.3 nass + Sand.3 nass + Sand f.2 nass f.2 nass f [-] Seifenlösung s [%].1 Seifenlösung s [%] s [%] v [km/h] 1 9 Dec, Seite -33- RSKont2.ppt
34 Simulation der Fahr- und Antriebsdynamik Modell der Lok 2 mit Antriebsstrang Antrieb: Radsatz Motor Hohlwelle Grossrad Ritzel Zwischenrad Fahrzeugmodell: 294 Freiheitsgrade 9 Dec, Seite -34- RSKont2.ppt
35 Simulation der Fahr- und Antriebsdynamik Einfluss der Zugkraft Zugkraft : Z = kn Z = 1 kn Z = 2 kn Y 1r [kn] Kräfte zwischen Rad und Schiene Y 2r [kn] R = 3 m, a lat = 1 m/s² nass, Reibbweiwert als Funktion der Schlupfgeschwindigkeit Einstellwinkel X 1r [kn] X 2r [kn] [mrad] X 1l [kn] Y 1l [kn] Y 2l [kn] X 2l [kn] 9 Dec, Seite -35- RSKont2.ppt
36 Simulation der Fahr- und Antriebsdynamik Dynamische Änderung der Antriebsmomente Zeitverläufe der Grössen am vorlaufenden Drehgestell M [knm] Rotor 1 Rotor 2 Antriebsmoment am Rotor Zeit [s] R = 4 m, V = 7 km/h, nass M [knm] Rotor 1 Rotor 2 Antriebsmoment am Rotor Zeit [s] 1 Längskräfte am Radsatz 1 6 Quebewegung der Radsätze im Gleis X 1 [kn] Rs 1 links -2 Rs 1 rechts -3 y [mm] 4 Radsatz 1 2 Radsatz Zeit [s] Zeit [s] 1 Längskräfte am Radsatz 2 3 Einstellwinkel zwischen den Radsätzen X 2 [kn] Rs 2 links -2 Rs 2 rechts -3 [mrad] Zeit [s] Zeit [s] 9 Dec, Seite -36- RSKont2.ppt
37 Zusammenfassung Modellierung des Rad-Schiene-Kontaktes Spielt eine entscheidende Rolle in der Dynamik der Schienenfahrzeuge Beinhaltet starke geometrische und physikalische Nichtlinearitäten Ist anspruchsvoll auf die Rechenzeit Kann mit der präsentierten Methode bezüglich der Rechenzeit optimiert werden Soll je nach der Aufgabe mit einem konstanten oder variablen Reibbeiwert berechnet werden 9 Dec, Seite -37- RSKont2.ppt
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