ISB – Innovatives System Bahn – Begleitmaßnahmen 2006 Aktive Schwingungsdämpfung durch Regelung elastischer Fahrzeugstrukturen Dr. Martin Kozek Technische Universität Wien – Institut für Mechanik und Mechatronik

Inhalt Zweck und Definition eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems Aktorprinzip Regelsystem und Simulationsergebnisse Experiment Zusammenfassung

Zweck einer aktiven Schwingungsdämpfung für Schienenfahrzeuge Erhöhung Fahrkomfort Reduktion der Schwingungen des Wagenkastens und damit der auf den Fahrgast wirkenden Beschleunigungen Gewichtsersparnis und Energieeffizienz Reduktion der Achslasten durch Leichtbau Reduktion der Antriebsenergie Kostenersparnis (in der Fertigung und im Betrieb) Material Fertigungszeiten Antriebsenergie Jedoch: Systemkosten der Regelung  Gesamtoptimierung notwendig (Mechatronik)

Definition des aktiven Dämpfungssystems Erfassen von Schwingungsausschlägen durch Sensoren (Messsignale) Berechnen von Stellsignalen aus den Messsignalen durch einen Regler Ansteuerung der Aktoren mit den Stellsignalen zur Reduktion der gemessenen Schwingungsausschläge

Mechatronisches Konzept Regelsystem Ziel: Beeinflussung der elastischen Schwingungen (Eigenmoden) durch die Regelung Messen (Signalrückführung) Regler Verstärker Stellen

Aktorprinzip mit Vorspannung Struktur Konsole (Piezo-) Aktor F(t) F(t) U(t)

Eigenschwingungsformen Grundeigenformen von Metrofahrzeugen Zusätzlich: Moden höherer Ordnung und Eigenformen mit lokal konzentrierten Deformationen Biegung Dachquerverziehung Torsion

Blockschaltbild des Regelsystems Entwurfsmodell der flexiblen Struktur (Simulationsmodell des Wagenkastens) EINGANGSSTÖRUNGEN (Leistungsdichtespektren von System- und Messrauschen) PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl., Stellgrößen...) UNSICHERHEITEN (Aktoren, vernachlässigte Dynamik) REGLER

Reglerauslegung und Ergebnisse Auslegung eines-Synthese-Reglers Leistungsdichtespektrum der Vertikalbeschleunigung Additives Unsicherheitsgewicht (grün: große Unsicherheit  ergibt schwachen Regler rot: kleine Unsicherheit  ergibt starken Regler) Deutliche Reduktion der Amplituden der ersten drei Moden!

Experiment - Modell Aufgabenstellung Wagenkastenmodell (Maßstab ca. 1:10) FE-Analyse zur Auslegung Experimentelle Modalanalyse am Modell Validierung des Regelungssystems am Prüfstand

Experiment - Prüfstand Messgrößen Signalaufbereitung Anregung

Experiment - Ergebnisse Leistungsdichtespektrum der Vertikalbeschleunigung KPP,e Zustandsraumregler ausgelegt durch Pole-Placement mit Kalmanfilter als Beobachter KDK2,e Regler ausgelegt durch -Synthese/D-K-Iteration (H-Entwurf) Biegung Torsion

Zusammenfassung Durch das gezeigte aktive Schwingungsdämpfungssystem lassen sich Strukturschwingungen von Schienenfahrzeugen reduzieren Mit Hilfe des vorgestellten Regelungssystems sind mechanisch einfachere Wagenkasten-Rohbauten möglich Das vorgestellte Konzept, das sowohl theoretisch als auch am Modell experimentell untersucht wurde ist auch für andere Wagenkästen anwendbar