This research focuses on the development of assessment methods for vibratory behavior of a railway disk brake system. The disk brake is a type of primary brake that is fundamental means for decelerating and stopping the railway vehicle. Hence, the stability and durability of the system are essential to ensure the safe operation. When the brake is applied, the pads are pressed on to the disk by the caliper assembly. The frictional force generated between the disk and the pads convert kinetic energy into heat energy. Here, the system is subject to self-excited vibrations generated by their frictional contact which can have hazardous impacts to the structure.
The self-excited vibrations of the brake systems are noticeable by their distinctive squeal and groan noise. The squealing noise is high-frequency noise that is often generated at low speeds. It is not always a critical safety issue, but it is a cause for discomfort and potential human health issues. On the other hand, groan noise results from low-frequency vibration, which may lead to structural damage, such as vibrational fatigue cracks and fractures. While it is relatively easy to suppress vibration and resonance by simply increasing the rigidity by increasing the thickness of the steel structures, this will lead to a heavier bogie frame. The heavier bogie will affect ride performance, track wear as well as other aspects of the railway vehicle operation and is not preferred. To design lightweight bogies, it is essential to develop a method to evaluate the vibratory characteristics of the structural design.
Finding the essential design parameters that influence the characteristics is important to model the vibration behavior of the brake systems. In the actual world, the system's vibration is affected by numerous factors. Therefore, it is difficult to determine the parameters that influence the characteristics from the actual operation measurement only. To eliminate the effect of the environmental conditions from the vibration measurement, reproductive experiments on a brake test rig will be performed under similar braking conditions to the actual operation. Based on both results, the research aims to develop a basic brake system simulation model. After establishing the basic model, the study seeks to expand it to a complex model, including the bogie structure. The simulation model will be validated by the experiments conducted under similar conditions in the brake test rig.
As a result of this dissertation project, there will be better quantitative methods to understand the overall vibration phenomenon of the brake system, including the bogie structure. Therefore, scientific outcome will be vital in helping to identify potential mechanical failures for future design and enhance the lightweight design of the bogies.
The increasing significance of sustainable mobility and environmentally friendly transportation systems has led to a surge in research and development in this area. The railway transportation, as an environmentally friendly and sustainable mode of transportation, plays a crucial role in providing affordable solutions for public passenger transport in urban, suburban and regional areas. The development of innovative technologies aims to meet the needs of operators and passengers while minimizing environmental impact by addressing the major challenges of quality, reliability, cost-effectiveness, energy efficiency and emissions. Currently, metro bogies often exhibit one axle per wheelset, resulting in heavy brake actuators and high mass brake discs. These unsprung brake disc masses have a negative impact on track damage, emission and energy consumption including noise and pollutants. Furthermore, as particulate emissions from transport vehicles become a growing concern for human health and the environment, non-exhaust emissions from wear and turbulence gain significance. The brake system is a major source of wear-related particulate emissions and is therefore a focus of research to reduce such emissions. An innovative braking concept using sintered friction materials and advanced components, along with a transmission stage, should reduce chassis mass and enhance the tribological behaviour of the braking mechanism. Furthermore, this system aims to diminish noise and particulate emissions in line with lightweight construction requirements.
In the pursuit of sustainable transportation solutions, this dissertation focuses on the development of an innovative braking system for railway transportation which plays a vital role in fostering environmentally friendly mobility. By utilizing a gear stage, the system eliminates the necessity of the brake discs on unsprung railway axles, thereby significantly reducing wheel, track and superstructure damage and subsequently lowering the total life cycle costs. In addition, minor braking forces enable the use of lightweight brake components, contributing to an overall weight reduction. Nevertheless, increased sliding speeds at the friction partners related to the gear ratio pose a challenge that will be scientifically investigated throughout the project. On the flipside, fundamental tribological investigations will be carried out to evaluate friction partners with novel, environmentally friendly material compositions. The subsequent analyses using selected test specimens on an innovative brake test rig for rail vehicles will offer valuable insights into the friction value stability, wear behaviour and temperature load. The simulation-based analyses will complement the experimental work. Therefore, the scientific output will provide a deeper understanding of global and local system characteristics and facilitating targeted investigations of braking concept. The innovative braking system is expected to make a significant contribution environmental protection and sustainable mobility.
Das Fahrwerk von einem Schienenfahrzeug ist ein dynamisches System und erfährt stochastische Anregungen durch den Fahrweg. Bis jetzt wurde das Fahrwerk als ein schwingungsfähiges System unzureichend untersucht. Derzeit gibt es keine Steifigkeitsabstimmungen zwischen den Komponenten hinsichtlich Schwingungsverhalten und Festigkeit sowie keine strukturdynamischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten. Da durch den gewünschten Leichtbau neue, weichere Strukturen entstehen, passiert es immer häufiger, dass die Komponenten im Betrieb zum Schwingen beginnen. Diese gering gedämpften Schwingungen können rasch zu Ermüdungsrissen führen, die dann die Sicherheit mindern und die Gewährleistungs- und Instandhaltungskosten erhöhen.
Ziel dieser Arbeit ist ein stabiles, robustes und validiertes Verfahren (von Lasten bis Auslastungen) zur Optimierung und Auslegung von schwingungsrelevanten Strukturkomponenten hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit zu entwickeln. Zuerst werden an einem Fahrzeug gemessene Betriebsdaten anhand statistischer Signalverarbeitungsmethoden unter Berücksichtigung der Strukturdynamik- und Festigkeitsgesetze analysiert. Dabei werden auch die Fahrzeug- und Fahrwegparameter herangezogen und auf ihre Korrelation zu den gemessenen Daten untersucht. Da die spektralen Methoden Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Berechnung und Bewertung versprechen, ist das Ziel die Lasten (Ersatzanregung für weitere Berechnung) im Frequenzbereich zu definieren. Hierbei werden wissenschaftliche Methoden für die Erstellung der parametrisierten Anregungsfunktionen aus vorhandenen Messdaten entwickelt, um ein besseres Verständnis für die gemessenen Daten sowie die Extraktion relevanten Anteile in Bezug auf die Ermüdung zu gewinnen. Die Systemantwort (Beanspruchung an der Strukturkomponente) ist weiterführend ebenfalls im Frequenzbereich gegeben und verlangt spektrale Bewertungsmethoden. Im Rahmen dieser Tätigkeit wird an den wissenschaftlichen Erweiterungen spektraler Methoden der Vibration Fatigue für instationäre Anregungen gearbeitet. Die entwickelten Konzepte werden durch Versuche und ausgewählte Schadensfälle bewertet, verglichen und validiert, welche sowohl transient als auch spektral berechnet werden. Ergänzend wird eine Koppelung eines Topologie-Optimierers mit der entwickelten Bewertungsmethodik angestrebt, um Strukturkomponenten mit gewünschten strukturdynamischen Eigenschaften und ausreichender Festigkeit bereits im Designprozess ableiten zu können.
Die im Rahmen des Dissertationsvorhabens erzielten, wissenschaftlichen Erkenntnisse und die entwickelte Methodik sollten zu einer anwendungsnahen, sowie betriebssicheren Auslegung und Optimierung von schwingungsfähigen Strukturkomponenten beitragen.
Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in vielen technischen Bereichen eingesetzt. In der Regel besteht ein Verbund aus einem Festigkeitsträger und einem Matrixwerkstoff, der die Fasern mit einer höheren Steifigkeit einbettet. Durch den Verbund zweier signifikant unterschiedlicher Materialien entsteht ein Werkstoff, dessen Eigenschaften im Allgemeinen stark von denen der Grundwerkstoffe abweichen. Die Abbildung der Materialeigenschaften stellt demnach eine wesentliche Herausforderung dar.
Besonders ist auch das Schädigungsverhalten der Faserverbundwerkstoffe. Es können hierbei je nach Belastung verschiedene Schädigungsmechanismen auftreten, die, in dieser Art, in keinem der Grundwerkstoffe auftreten. Für die Abschätzung von statischen Größen stehen Modelle zur Abbildung von Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung. Diese unterstützen die Auslegung im Sinne der Belastbarkeit, wobei eine Aussage über die Lebensdauer von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen nur selten möglich. Das kann eine zeit- und kostenaufwändige Entwicklung mit mehreren Prototypen notwendig machen.
Das Ziel der Arbeit besteht darin die in vorangegangenen experimentellen Untersuchungen an Luftfederbälgen evaluierten Schadensmechanismen unter Laborbedingungen systematisch zu untersuchen und die Schwingfestigkeit des Grundmaterials bei verschiedenen Lasten zu analysieren. Es soll hierbei eine wissenschaftliche Methodik für die Untersuchung entwickelt und diese auf einen typischen Faserverbundwerkstoff mit Gummimatrix aus der Luftfeder der Sekundärfederstufe eines Schienenfahrzeuges angewendet werden. Spezieller Fokus liegt hierbei auf der Erarbeitung einer Kleinprobengeometrie, welche unter definierten Belastungen, einen für die reale Anwendung repräsentativen Schadensmechanismus wiedergibt. Auf Basis dieser Versuchsmethodik sollen Parameterstudien durchgeführt werden, welche die Grundlage für eine weiterführende Lebensdauerbewertung ermöglichen.
Die im Rahmen der Tätigkeit erarbeiteten Methoden und erzielten Ergebnissen sollen in eine simulationsgestützte Lebensdauerberechnung von Luftfedersystemen, bestehend aus Luftfederbalg und Zusatzfeder, inkludiert werden, womit eine zeit- und kosteneffiziente Auslegung dieser Komponenten auf Basis der wissenschaftlichen Erkenntnisse der Arbeit ermöglicht wird.
Die Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Fahrweg verursacht am Gesamtsystem Bahn hohe Anschaffungs- und Instandhaltungskosten. Ziel ist es diese Kosten zu reduzieren, indem das Zusammenspiel von Fahrzeug und Fahrweg als Gesamtsystem betrachtet und verbessert wird. Voraussetzung für einen kostengünstigen, aber trotzdem sicheren Betrieb ist das Verständnis für die Interaktion zwischen Fahrwerk und Schiene. Ziel ist es die Rückwirkung eines Fahrwerkes auf die Schiene mit Hilfe von elastischen Mehrkörpersystemen (MKS) zu ermitteln, wenn das System Fahrzeug-Gleis ganzheitlich und systematisch betrachtet wird. Dafür müssen Messdaten aus Fahrzeugmessungen und Fahrwegmessungen präzise zusammengeführt werden.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist es ein ganzheitliches Berechnungsmodell zu entwickeln, welches die gezielte und sichere Auslegung von Schienenfahrzeugen mit geringeren Wartungs- und Anschaffungskosten ermöglicht. Mit den im Rahmen der Tätigkeiten gewonnenen Forschungsergebnissen soll es möglich sein, Handlungsempfehlungen für den optimalen Betrieb des Gesamtsystems Bahn zu geben. Für die Ermittlung der schädigungsrelevanten Belastungen auf die Schiene wird ein Mehrkörpermodell des Fahrzeuges erstellt und mit repräsentativen Szenarien beaufschlagt, welche den spezifizierten Einsatz wiederspiegeln. Dafür wird untersucht, welchen Einfluss die zahlreichen Eingangsparameter auf das Fahrzeugmodell haben und ob sich diese für eine rechentechnische Umsetzbarkeit reduzieren lassen.
Für die Ermittlung der wesentlichen Eingangsgrößen für die Lastsimulation und zur Verständnisbildung des Gesamtsystems Fahrzeug/Gleis werden Messungen von Fahrzeug und Gleis analysiert. Zeitgleich werden verschiedene Modellierungskonzepte von Drehgestell und Schiene betrachtet und bewertet. Auf das daraus resultierende Gesamtmodell werden die gewonnenen Eingangsgrößen aus der Messung aufgebracht um mögliche Einsatzszenarien eines Fahrzeuges realitätsnah abbilden zu können.
Aus den im Rahmen der Arbeit entwickelten MKS Modellen soll es auch möglich sein die Beanspruchung für weiterführende Betriebsfestigkeitsuntersuchungen von schwingungsgefährdeten Drehgestellanbauteilen zu erhalten. Dabei werden frequenzabhängige Energieanteile berücksichtigt, die vom Fahrweg in das Fahrzeug eingeleitet werden und zu Schäden an schwingungsfähigen Anbauteilen führen können. Auf der Grundlage dieser wissenschaftlichen Erkenntnisse soll somit ein besseres Verständnis des Systemverbundes gegeben werden, wodurch eine einheitliche Weiterentwicklung des Gesamtsystems Bahn ermöglicht werden kann.
Die stetig steigenden Anforderungen an den modernen Maschinenbau sowie die gestiegene Forderung nach reduzierten Ressourceneinsatz fordern zunehmend den Einsatz von komplexen Konstruktionen und neuer hochfester Werkstoffe. Damit können grundsätzliche Funktionen ermöglicht, Bauteilgewichte reduziert und Kosten für Material und Ressourcen gesenkt werden.
Das Ziel der Arbeit liegt darin, das Potential eines verschweißten Werkstoffes unter Berücksichtigung eines Nachbehandlungsverfahrens auf sein Ermüdungsverhalten zu untersuchen. Der Fokus der Nachbehandlung liegt hierbei auf dem Verschleifen des Nahtübergangs, um dahingehend neue Erkenntnisse auf das Lebensdauerverhalten unter zyklischer Belastung zu erlangen. Für die Erstellung der dafür notwendigen Schweißproben aus S355 und S960 Blechen soll ein spezielles Schweißverfahren herangezogen werden, welches bei hoch komplexen Bauteilstrukturen angewendet wird. Anschließend soll das Ermüdungsverhalten mittels Simulationen, Messungen und Bruchflächenanalysen der Proben untersucht und ausgewertet werden. Der Effekt von Versatz und Winkelverzug in Bezug auf die Lebensdauer stellt hierbei einen Schwerpunkt dar.
Durch die Versuchsmethodik sollen Grundlagen etabliert werden und in zukünftige Lebensdauerbewertungen mit einfließen. Zudem wird aus den gewonnenen Erkenntnissen an ergänzenden hochfesten Formrohren eine praxisnahe Anwendung validiert.
Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Forschungstätigkeiten und die daraus erzielten wissenschaftlichen Erkenntnisse sollen nicht nur eine Kosten- und Zeitersparnis bei der Fertigung komplexer Schweißstrukturen erzielen, sondern auch als Grundlage für die Auslegung von geschweißten und nachbehandelten Schweißverbindungen aus hochfestem Stahl dienen.
An moderne Fahrwerke von Schienenfahrzeugen wird der Anspruch gewichtsoptimierter, ungefederter Massen, die Steigerung der Bauteillebensdauer, Reduktion der Instandhaltungskosten sowie Verlängerung der Wartungsintervalle gestellt. Radsatzwellen unterliegen weiters hohen Beanspruchungen und sind wesentlich für den sicheren Betrieb. Durch Wärmebehandlungen in der Fertigung können variable Eigenspannungszustände in die Bauteile eingebracht werden. Diese können sich auch negativ auf die gestellten Ansprüche auswirken. Eine effektive Methode, um einen definierten Eigenspannungszustand zu realisieren, ist der Fertigungsprozess „Festwalzen“. Dieser ist einer der letzten Fertigungsschritte, welcher an Radsatzwellen optional durchgeführt werden kann. Dabei wird ein Festwalzwerkzeug mit einer definierten Kraft unter konstantem Vorschub auf das rotierende Bauteil gepresst. Die Oberfläche des Bauteils wird geglättet, kaltverfestigt und in den oberflächennahen Bereich werden Druckeigenspannungen eingebracht. Vor allem letztere wirken sich bei korrekter Wahl der Festwalzparameter positiv auf die Rissinitiierung sowie den weiteren Rissfortschritt aus. Um den Einfluss von Festwalzprozessparametern bereits im Vorhinein abbilden und optimieren zu können, ist der Aufbau einer validen Simulationsmethodik unerlässlich.
Die Ziele der Dissertation sind demnach die Entwicklung einer numerischen Simulation des Festwalzprozesses und eine darauf basierende Optimierung ausgewählter Prozessparameter hinsichtlich der Bauteillebensdauer sowie einer möglichen Gewichtseinsparung. Für die Simulation der Eigenspannungen wird ein geeignetes elastisch-plastisches Materialmodell evaluiert und mit Hilfe von Werkstoffversuchen auf einen Radsatzwellenwerkstoff parametriert. Mit gegebenen Randbedingungen wird der Festwalzprozess simuliert und mit Eigenspannungsmessungen sowie weiteren Messungen lokaler Eigenschaften, wie beispielsweise Härte-Mappings sowie auch Schliffbilder, validiert. Mit dem Festwalzsimulationsmodell werden weiters Prozess-Parametervariationen durchgeführt und deren Einfluss auf die oberflächennahen Druckeigenspannungen systematisch untersucht. Einflussreiche Festwalzparameter können dabei die Werkzeuggeometrie, die Festwalzkraft, die Vorschubgeschwindigkeit, der Reibwert sowie Schlupf zwischen Werkzeug und Werkstück, und Mehrfachwalzen sein. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf die Übertragbarkeit auf reale Radsatzwellengeometrien gelegt. Um die Ergebnisse praktikabel anwendbar zu machen, soll ein analytisches Modell zur Abschätzung von Eigenspannungen vergleichend analysiert und auf weitere Festwalzparameter erweitert werden. Die im Zuge der Tätigkeit entwickelten Modelle und Methoden zur Evaluierung von Eigenspannungszuständen werden weiterführend in eine Bewertung der lokalen Betriebsfestigkeit integriert, wodurch ein wissenschaftlicher Beitrag durch eine systematische Optimierung des Festwalzprozesses in Bezug auf die Bauteillebensdauer gegeben ist.