Schienenfahrzeugdynamik

ISBN-13: 9783540434290 / Niemiecki / Twarda / 2003 / 360 str.

Klaus Knothe; Sebastian Stichel

Opis

Mit der Renaissance des Schienenverkehrs hat das Spezialgebiet "Schienenfahrzeugdynamik" an Bedeutung gewonnen. Auf entsprechendes Interesse wird das erste Buch im deutschsprachigen Raum stossen, das hier seinen Schwerpunkt hat. Obwohl es auf der Vorlesung "Schienenfahrzeugdynamik" an der TU Berlin basiert und Vorkenntnisse bezuglich Mechanik, Schwingungslehre und angewandter Mathematik voraussetzt, spricht es auch den Praktiker an. Das Buch behandelt die Vertikaldynamik bis hin zu Komfortbetrachtungen und die Lateraldynamik so weit, dass dem Leser ein Verstandnis der Stabilitat von Schienenfahrzeugen moglich ist. Den Vorgangen im Kontakt Rad/Schiene wird besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es enthalt die jungsten Erkenntnisse aus Forschung und Bahnpraxis. Die Autoren gehen detailliert auf die spezielle Terminologie der Schienenfahrzeugdynamik und benachbarter Fachgebiete ein."

Spis treści

1. Einleitung.- 1.1 Grundlegende Aufgaben des Rad/Schiene-Systems.- 1.2 Bedeutung der Dynamik für den Betrieb von Schienenfahrzeugen.- 1.3 Zur Geschichte der bahntechnischen Forschung seit 1800.- 1.3.1 Von 1800 bis 1945.- 1.3.2 Neuanfang nach 1945: Japan und Frankreich.- 1.3.3 Forschung und Entwicklung in Deutschland zur Überwindung der ”Grenzen des Rad/Schiene-Systems“.- 1.4 Bahntechnische Industrie in Europa.- 1.5 Übersicht über das Buch.- 1.5.1 Einteilung in Gruppen.- 1.5.2 Vertikalschwingungen und Lateralschwingungen.- 1.5.3 Bogenlauf.- 1.5.4 Frequenzbereichsrechnung und Zeitbereichsrechnung.- 2. Modellierung von Fahrzeug, Gleis und Anregung.- 2.1 Vorüberlegungen und Koordinatensysteme.- 2.2 Fahrzeugmodellierung.- 2.2.1 Laufwerkskonstruktionen, Radsatzfesselungen und Drehgestellführungen.- 2.2.2 Mechanisches Modell des Fahrzeugs. Verbindungselemente.- 2.2.3 Elastische Wagenkästen.- 2.3 Modellierung des Gleises und der Anregung.- 2.3.1 Gleismodellierung.- 2.3.2 Modellierung der Anregung.- 3. Modellierung des Rad/Schiene-Kontaktes.- 3.1 Profilgeometrie.- 3.2 Kinematik des Kontakts von Rad und Schiene.- 3.2.1 Kinematik des Kontakts bei konischen Profilen und Kreisprofilen.- 3.2.2 Kontaktkinematik bei beliebigen Profilen.- 3.2.3 Zur Ermittlung der äquivalenten Berührkenngrößen mit der Methode der Quasilinearisierung.- 3.2.4 Umrechnung in äquivalente Kreisprofile.- 3.2.5 Linearisierte Kontaktkinematik mit Gleislagefehlern.- 3.2.6 Schlupfberechnung.- 3.3 Normalkontaktmechanik.- 3.3.1 Überblick zur Kontaktspannungsberechnung.- 3.3.2 Annahmen zum Normalkontaktproblem.- 3.3.3 Nichtelliptische Kontaktflächen.- 3.3.4 Behandlung des Normalkontaktproblems nach Hertz.- 3.3.5 Kugelkontakt oder Punktkontakt (point contact).- 3.3.6 Ellipsoidkontakt.- 3.3.7 Walzenkontakt, Linienkontakt.- 3.3.8 Linearisiertes Ersatzmodell.- 3.4 Tangentialkontaktmechanik.- 3.4.1 Einführung in das Tangentialkontaktproblem.- 3.4.2 Analytische Lösung für Walzenkontakt (Linienkontakt).- 3.4.3 Kalkers Theorie des Rollkontakts für Ellipsoidkontakt.- 3.4.4 Näherungslösung nach Vermeulen-Johnson und ShenHedrick-Elkins.- 3.4.5 Vereinfachte Theorie des rollenden Kontaktes [107].- 3.4.6 Anpassung der Theorie an die Praxis.- 4. Vertikaldynamik. Bewegungsgleichungen und freie Schwingungen.- 4.1 Bezeichnungen und Annahmen.- 4.2 Bewegungsdifferentialgleichungen mit Impuls und Drallsatz.- 4.2.1 Verschiebungsfreiheitsgrade beim Zweiachser.- 4.2.2 Zwangsbedingungen.- 4.2.3 Kräfte in den Feder- und Dämpferelementen.- 4.2.4 Freischneiden der Einzelmassen.- 4.2.5 Impuls- und Drallsatz zum Aufstellen des Gleichungssystems.- 4.2.6 Elimination der Zwangskräfte. Endgültiges Gleichungssystem.- 4.3 Prinzip der virtuellen Verrückungen für Starrkörpersysteme.- 4.3.1 Vorbemerkungen.- 4.3.2 Formulierung des Prinzips der virtuellen Verrückungen.- 4.3.3 Einbau kinematischer Zwangsbedingungen. Beispiel Fahrzeug.- 4.4 Aufstellen der Bewegungsgleichungen mit dem Prinzip.- 4.4.1 Verschiebungsvektor mit den Freiheitsgraden des freigeschnittenen Systems.- 4.4.2 Zusammenhang zwischen Federdehnungen und Systemverschiebungen.- 4.4.3 Angabe der Federgesetze und Formulierung der virtuellen Formänderungsenergie.- 4.4.4 Angabe der Massenmatrix und Formulierung der virtuellen Arbeit der Massenträgheitskräfte.- 4.4.5 Äußere Belastungen und Zwangskräfte.- 4.4.6 System von Bewegungsdifferentialgleichungen des freien Systems. Einführung von Zwangsbedingungen.- 4.5 Bewegungsgleichungen für elastische Wagenkästen.- 4.6 Lösung für freie Schwingungen.- 4.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 4.- 4.7.1 Zwangskräfte bei Erfüllung der Zwangsbedingungen.- 4.7.2 Gültigkeit der Rollbedingung.- 5. Erzwungene Vertikalschwingungen, Frequenzbereichslösung.- 5.1 Komplexe Schreibweise.- 5.2 Vertikalschwingungen beim Abrollen über ein Cosinusgleis.- 5.2.1 Gleislagefehler und Fußpunktanregung.- 5.2.2 Lösung für die Tauchbewegung.- 5.2.3 Interpretation der Lösung.- 5.3 Fahrzeug auf allgemein periodischem Gleis.- 5.4 Lösung für ein Fahrzeug mit elastischem Wagen.- 5.5 Aufgaben zu Kapitel 5.- 5.5.1 Zweiachsiges Fahrzeug auf Cosinusgleis.- 5.5.2 Zweiachser auf allgemein periodischem Gleis.- 6. Regellose Schwingungen.- 6.1 Charakterisierung einer unregelmäßigen Fahrbahn.- 6.2 Ermittlung der Fahrzeugantwort bei regelloser Gleisanregung.- 6.3 Spektrale Leistungsdichten von Gleislagefehlern.- 6.3.1 Einige Anmerkungen zur Ermittlung der spektralen Leistungsdichte der Gleislagefehler.- 6.3.2 Spektrale Leistungsdichten für das Netz der DB.- 6.4 Wegkreisfrequenzen und Zeitkreisfrequenzen.- 6.5 Bedeutung des Antwortleistungsspektrums.- 7. Schwingungseinwirkungen auf den Menschen — Komfortbeurteilung.- 7.1 Wertungsziffer nach Sperling.- 7.1.1 Allgemein periodische Schwingungen.- 7.1.2 Regellose Schwingungen.- 7.2 ISO 2631.- 7.3 CEN Norm ENV 12299.- 7.3.1 Vereinfachtes Kriterium für mittleren Komfort — NMV.- 7.3.2 Komfortstörungen in Übergangskurven — PCT.- 7.3.3 Diskrete Komfortstörungen — PDE.- 7.4 Abschlussbemerkungen.- 7.4.1 Messen oder Rechnen.- 7.4.2 Komfort als Systemeigenschaft.- 7.4.3 Einwirkungsdauer einer komfortbeeinträchtigenden Schwingung.- 7.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 7.- 7.5.1 Berechnen der Wertungsziffer nach Sperling.- 8. Einführung in die Lateraldynamik.- 8.1 Vorbemerkung.- 8.2 Sinuslauf und Klingelformel.- 8.3 Voraussetzungen und Annahmen bei der Ableitung der KlingelFormel.- 8.4 Bestimmung der wirksamen Konizität mit Gleichung (8.13).- 9. Bewegungsgleichungen für die Lateraldynamik.- 9.1 Prinzip für einen gefesselten Radsatz.- 9.1.1 Betrachtetes System und einwirkende Kräfte.- 9.1.2 Formulierung des Prinzips der virtuellen Verrückungen.- 9.1.3 Ermittlung der virtuellen Verschiebungen.- 9.1.4 Gleichgewichtsbedingungen in x-Richtung und um die y-Achse.- 9.1.5 Gleichgewichtsbedingungen in y-Richtung und um die z-Achse.- 9.2 Übungsaufgaben zu Kapitel 9.- 9.2.1 Interpretation der Schlupfkraftterme in Gl (9.13).- 9.2.2 Rollwiderstand infolge Bohrschlupf.- 9.2.3 Bewegungsgleichungen für erzwungene Lateralschwingungen.- 9.2.4 Rollwiderstand in der vereinfachten Theorie.- 9.2.5 Nummerische Besetzung der Bewegungsdifferentialgleichung eines gefesselten Radsatzes.- 9.2.6 Schlupfkräfte bei Annahme eines nicht schlupfkraftfreien Referenzzustandes.- 10. Laterales Eigenverhalten eines Radsatzes.- 10.1 Ermittlung von Eigenwerten und Eigenvektoren.- 10.2 Wurzelortskurven.- 10.3 Näherungslösung für niedrige Geschwindigkeiten.- 10.4 Stabilitätsuntersuchung mit Beiwertbedingung oder HurwitzKriterium.- 10.5 Kritische Geschwindigkeit eines Einzelradsatzes.- 10.6 Interpretation der Stabilitätsgrenzbedingung des Einzelradsatzes.- 10.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 10.- 10.7.1 Charakteristische Gleichung.- 10.7.2 Transformation der Radsatz- Bewegungsdifferentialgleichung.- 10.7.3 Grafische Darstellung der Wurzelortskurven eines gefesselten Einzelradsatzes und Bestimmung der kritischen Geschwindigkeit.- 10.7.4 Losradsatz.- 11. Laterales Eigenverhalten und Stabilität von Drehgestellen.- 11.1 Nummerische Ermittlung der Eigenwerte und der Grenzgeschwindigkeit.- 11.2 Analytische Näherungslösungen bei Drehgestellen.- 11.2.1 Koordinatentransformationen zur Einführung generalisierter Verschiebungszustände.- 11.2.2 Drehgestelle mit unendlich großer Biege- und Schersteifigkeit.- 11.2.3 Konstruktive Realisierung sehr großer Biege- und Schersteifigkeiten.- 11.2.4 Drehgestelle mit unendlich großer Schersteifigkeit.- 11.2.5 Drehgestelle mit unendlich großer Biegesteifigkeit.- 11.2.6 Drehgestelle mit endlicher Biege- und Schersteifigkeit ..- 11.3 Übungsaufgaben zu Kapitel 11.- 11.3.1 Bewegungsgleichungen eines Drehgestells.- 11.3.2 Bewegungsgleichungen eines frei rollenden Drehgestells bei niedrigen Geschwindigkeiten.- 11.3.3 Beziehungen für Biegesteifigkeit und Schersteifigkeit.- 12. Stabilität von Drehgestell-Fahrzeugen.- 12.1 Stabilität eines aus zwei Wagen bestehenden Zuges.- 12.2 Stabilität eines Drehgestellfahrzeugs.- 12.2.1 Sinuslauf eines Drehgestellfahrzeugs.- 12.2.2 Drehgestell-Sinuslauf.- 12.2.3 Auswirkung von Reibdrehhemmungen.- 12.3 Anregungen zur Weiterarbeit zu Kapitel 12.- 12.3.1 Abhängigkeit der Stabilität des Drehgestellfahrzeugs von Biege- und Schersteifigkeit.- 12.3.2 Stabilität eines Fahrzeugs mit Losradsätzen.- 12.3.3 Reibdrehhemmung und Drehhemmung mit viskosen Dämpfern.- 13. Nichtlineare Stabilitätsuntersuchungen.- 13.1 Vorbemerkung.- 13.2 Nichtlineare kritische Geschwindigkeit.- 13.3 Verfahren von Urabe und Reiter.- 13.4 Methode der Quasilinearisierung.- 13.5 Grenzen der Fourierzerlegung.- 13.6 Nichtlineare Stabilitätsberechnung im Zeitbereich.- 13.7 Anregungen zur Weiterarbeit zu Kapitel 13.- 13.7.1 Stabilitätsuntersuchung für das Boedecker-Fahrzeug.- 14. Quasistatischer Bogenlauf.- 14.1 Historische Vorbemerkung.- 14.2 Allgemeine Anmerkungen.- 14.3 Bogenlauf eines Radsatzes.- 14.3.1 Frei laufender Radsatz im Bogen (kinematischer Bogenlauf).- 14.4 Radsatz im mitgeführten Rahmen.- 14.5 Bogenlauf von Drehgestellen und ganzen Fahrzeugen.- 14.5.1 Verfahren zur Berechnung des Bogenlaufes nach Uebelacker und Heumann.- 14.5.2 Kräfte beim Bogenlauf von Drehgestellen mit Federung.- 14.6 Verschleißberechnung im Rad-Schiene Kontakt.- 14.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14.- 14.7.1 Vorzeichen der Schlupfkräfte bei unterschiedlichen Radsatzstellungen.- 14.7.2 Schiefstellung und Versatz von Radsätzen.- 14.7.3 Bogenlauf eines Einzelradsatzes.- 15. Beanspruchungsermittlung von Fahrzeugkomponenten.- 15.1 Einleitung.- 15.2 Prinzipielle Vorgehensweise.- 15.3 Spannungsberechnung im Bauteil.- 15.3.1 FE-Rechnung in jedem Zeitschritt.- 15.3.2 Spannungsberechnung mit Hilfe von Transformationsmatrizen.- 15.4 Ermittlung von Beanspruchungskollektiven.- 15.4.1 Ermittlung ertragbarer Beanspruchungen.- 15.4.2 Zählverfahren zur Kollektivermittlung.- 15.4.3 Umrechnen des zweiparametrischen Kollektivs in ein einparametrisches Kollektiv.- 15.4.4 Superposition zum Gesamtkollektiv.- 15.5 Schadensakkumulation — Festigkeitsnachweis.- 15.5.1 Schadensakkumulationshypothesen.- 15.5.2 Konzepte zur Betriebsfestigkeitsberechnung bei Schienenfahrzeugen.- 15.6 Übungsaufgaben zu Kap. 15.- 15.6.1 Transformationsmatrix zwischen MKS-Freiheitsgraden und Spannungen im Drehgestell.- 15.6.2 Ermittlung des Belastungskollektivs der Federkräfte mit Hilfe der Spektraldichtemethode.- 16. Anhang.- 16.1 Formelzeichen.- 16.2 Koordinatensysteme.- 16.3 Grundlagen der Kontaktmechanik.- 16.3.1 Hertzsche Kontaktmechanik.- 16.3.2 Kontaktgleichung.- 16.3.3 Grundgleichungen für das Tangentialkontaktproblem nach Carter.- Funktion ? für die Lösung nach Vermeulen-Johnson.- 16.5 Grundgleichungen der vereinfachten Rollkontakttheorie.- 16.6 Stabilitätsbedingungen charakteristischer Gleichungen mit dem Hurwitz-Kriterium.- 16.7 vcrit mit Nebendiagonalgliedern der Dämpfungsmatrix.- 17. Literaturverzeichnis.

O autorze

Professor Klaus Knothe, 1937 in Breslau geboren, studierte von 1956 bis 1963 an den Technischen Hochschulen in München und Darmstadt (Abschluss Dipl.-Ing., Fachrichtung Mathematik). Er war anschließend Assistent für Mechanik und Konstruktionsberechnung an der TU Berlin.

Blurb

Dieses Buch zur Dynamik von Schienenfahrzeugen entstand aus den Manuskripten zur gleichnamigen Lehrveranstaltung an der TU Berlin. Es wendet sich an Studenten im Hauptstudium mit Vorkenntnissen der Mathematik und Mechanik und an Ingenieure aus der Praxis.

Ausführlich werden alle wichtigen Phänomene der Lauftechnik von Schienenfahrzeugen abgeleitet und erläutert. Das Buch enthält aber auch neue Erkenntnisse aus Forschung und Bahnpraxis. Schwerpunkt sind die Darstellung der komplexen Vorgänge im Rad-Schiene Kontakt, die zum Verständnis der Probleme der Laufstabilität von Schienenfahrzeugen unverzichtbar sind. Der Leser soll am Ende in der Lage sein, die Hintergründe von Rechenprogrammen zu verstehen, die heute in der Praxis im Einsatz sind.