Intelligentes, integriertes Einzelrad-Antriebs-Brems-Modul für Schienenfahrzeuge (EABM) Integrierbarkeit eigenständiger Antriebs-Bremsmodule in Schienenfahrzeuge hinsichtlich Spurführung und Konstruktion
Final Report Abstract
Das Potenzial des Einzelrad-Antriebs-Brems-Moduls besteht in folgenden Eigenschaften: - Skalierung der Antriebsleistung: Bei Verwendung eines standardisierten Moduls können Fahrzeuge flexibel nach Bedarf mit entsprechender Antriebsleistung ausgestattet werden - Integration: Durch integrierte Anordnung der Komponenten eines Moduls werden überflüssiges Material und unnötige Komponenten eingespart, was zu einer leichteren und wirtschaftlicheren Konstruktion führt. - Wartungsfreundlichkeit: Module können während Wartungsarbeiten einfach (de)montiert werden, was wiederum die Verfügbarkeit des Fahrzeugs erhöht. Diesen Umständen muss die Konstruktion von Modul und Fahrwerk gerecht werden. Zentrales Element des Moduls bildet der Antriebsstrang, hier werden die von elektrischem Antrieb und Reibungsbremse erzeugten Drehmomente auf die Radeinheit und somit auf den Rad-Schiene-Kontakt übertragen. Die Geschaltete Reluktanzmaschine bietet den Vorteil, dass kein Getriebe zwischen Antrieb und Rad erforderlich ist. Weiterhin wird durch Umkehrung des Motorprinzips (sogen. „Außenläufer“) die Möglichkeit geschaffen, das durch den Antrieb erzeugte Drehmoment direkt und mit möglichst geringer Biege- und Torsionsmomentbelastung auf den Rad-Schiene-Kontakt zu übertragen. Das doppelte Kegelrollenlager ist gleichzeitig Achs- und Motorlager. Der Umrichter befindet sich direkt am Stator, dadurch ist er jedoch hohen Stoßbelastungen ausgesetzt, die durch Gleislagefehler sowie Gleisunterbrechungen (Herzstücke, Schienenstöße, etc) hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde wird zwischen Stator und Umrichter ein Federelement vorgesehen, welches diese Stoßbelastungen abmildert und somit die Lebensdauer der elektronischen Komponenten erhöht. Die Schnittstelle zwischen Modul und Fahrzeug ist das Fahrwerk. Um auch hier die Anforderungen an das EABM maximal erfüllen zu können, wurde eine Fahrwerksplattform auf Basis eines Einzelrad-Einzelfahrwerks entwickelt, welche als Grundlage für (Niederflur) Straßenbahn-, U-Bahn- und Vollbahn-Fahrzeuge dienen kann. Das Antriebskonzept des Moduls baut auf dem Grundprinzip des Einzelrads auf, d.h. die Antriebe von rechtem und linkem Rad sind funktionstechnisch voneinander getrennt. Weiterhin sollen die Räder im Fahrwerk tangential zum Gleis einstellbar sein, um Spurkranzanlauf, Verschleiß und Geräusch zu minimieren. Dies bedingt jedoch im Gegensatz zu ähnlichen radsatzbasierten Lösungen (z.B. SYNTEGRA) die mechatronische Regelung des Differenzmomentes zwischen rechter und linker Seite. Als mechanisches Grundprinzip wird ein um die Hochachse drehbares Einzelradpaar verwendet. Die mechatronische Regelung muss die Größen „Schrägstellungswinkel“ sowie „Querverschiebung“ von Radpaar zu Gleis regeln; da es sich um ein stark gekoppeltes Mehrgrößensystem handelt, wurde hierfür ein Zustandsregler entworfen. Eine erste Funktionsfähigkeit wurde mit einem linearen (MATLAB/Simulink) und einem nichtlinearen Modell (SIMPACK) nachgewiesen. Weiterhin wurde untersucht, ob sich das System betriebssicher verhält, wenn es zu einem Versagen des mechatronischen Systems in Form eines denkbaren „worst case“ (dauerhaft einseitig anliegendes Moment) kommt. Ein solches Szenario ruft eine dauerhafte Schrägstellung des Radpaares hervor, was wiederum Spurkranzanlauf und unter entsprechenden Bedingungen Entgleisung durch Aufklettern des Spurkranzes bedeutet. Hierfür wurde der maximal zulässige Schrägstellungswinkel u.a. in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit bestimmt. Es wurde ersichtlich, dass es neben einem Winkelanschlag zusätzlicher Maßnahmen bedarf, um das Fahrwerk für alle betrieblichen Situationen entgleisungssicher auszulegen. Im Mittelpunkt der nächsten Phase steht die Fertigung eines integrierten Modul-Prototyps. Dies beinhaltet die Auskonstruktion gemäß dem erarbeiteten Konzept. Dieser Prototyp wird für Versuche am Einzelrad-Bremsenprüfstand des IFS genutzt werden. Die Funktionsfähigkeit der mechatronischen Spurführungsregelung auf Basis zweier getrennter Antriebe soll neben Simulationsrechnungen anhand eines Spurführungsprüfstands verifiziert und verbessert werden. Eine bisher ungelöste Herausforderung stellt hierbei nach wie vor die Sensorik dar, da diese unter schwierigen Bedingungen eine hohe Messgenauigkeit aufweisen muss. Mit Hilfe des Prüfstands sollen potenzielle Sensorlösungen innerhalb des geschlossenen Regelkreises untersucht werden. Die Untersuchung einer geeigneten Rückfallebene wird ebenfalls fortgesetzt, einerseits auf EABM-spezifischen Niveau, so dass ein zukünftiges EABM-Fahrwerk damit ausgestattet werden kann, andererseits findet die Untersuchung (u.a. auf Simulationsbasis) an einem allgemeinen Schienenfahrzeugmodell statt, um zu Aussagen bezüglich des Einfluss verschiedener Fahrzeugparameter (Massen, Feder-/Dämpferkonstanten) auf die Entgleisungssicherheit zu gelangen. Ein mögliches Anwendungsgebiet für angetriebene, mechatronisch spurgeführte Fahrwerke besteht insbesondere bei Niederflur-Straßenbahnen (Einzelrad-Fahrwerke) und Mehrsystem-Stadtbahnwagen (z.B. Stadtbahnwagen B bzw. GT 6/8 100 Karlsruhe), die sowohl engste Bogenradien als auch höhere Fahrgeschwindigkeiten (bis 100 km/h) bewältigen müssen.
Publications
- Betrachtungen zu spurführungstechnischen Rückfallebenen eines mechatronischen Fahrwerks. Rad-Schiene 2008, 27.-29. Februar 2008, Dresden
Hermanns, M., Dellmann, T.
