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Structural Vibrations of Passenger Car Bodies Caused by ... · PDF fileInstitut für Land-...

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Institut für Land- und Seeverkehr Fachgebiet Schienenfahrzeuge 1 19.05.2011 Structural Vibrations of Passenger Car Bodies Caused by Track Excitations Dipl.-Ing. Christian Mängel Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht SIMPACK User Meeting 2011
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Institut für Land- und Seeverkehr

Fachgebiet Schienenfahrzeuge

1 19.05.2011

Structural Vibrations of Passenger Car Bodies

Caused by Track Excitations

Dipl.-Ing. Christian Mängel

Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht

SIMPACK User Meeting 2011

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Chair of Rail Vehicles

Main Focuses of Research

• Acoustics of rail vehicles – Quiet track

– Measurement and noise reduction of vehicles

• Construction of rail vehicles – Simulation of vehicle dynamics

– Detachble cab …

• Safety of rail vehicles – Rail breakage detection

– Crash simulation …

• Telematics and maintenance in freight transport – Condition based maintenance for freight wagons

– Durability optimisation of wheels

– Automatic tread check …

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Lightweight Constructions of Railway Vehicles

Demands on modern passenger car bodies:

• Low weight to reduce the energy consumption and the track forces

• Good ride comfort on board even at high speed

• High and flexible seating capacity

• Continuous (clear and open) passenger compartment

The car body becomes more susceptible to structure

vibrations

These structural vibrations strongly affect the riding comfort of

passenger cars.

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Consequence for Simulations

To simulate the dynamic behavior of railway vehicles and to predict the ride

comfort, structural vibrations have to be included in a simulation model

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Aim of Research

Methods to improve the ride comfort of the vehicle:

• Using an active vibration reduction system

• Increasing the stiffness of the car body structure to achieve higher

eigenfrequencies

– In general: higher vehicle

weight

– Stiffener which significantly

influence the design of the

interior desing

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Aim of Research

• Method for designing and sizing structural components in an early

development stage.

• In 2006 a project started in which methods for laying out rail vehicles

with good ride comfort are investigated

• One conclusion of the study is that there is a correlation of the bending

modes of the car body, the velocity and the design of the vehicle

• With a rising velocity there are conditions with increasing or decreasing

ride comfort

• This is already known for vertical excitation and bending modes

𝑣 =4 𝑎∗ ∙ 𝑓

𝑁

N = 1, 3 ,4 … N = 2, 4, 6 …

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Resonance Velocity for vertical Bending Mode

The use of odd or even numbers (N) depends on the bending mode:

2a*

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Average NMV (Mean Comfort) - EN 12299

N_mv_

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Co

mfo

rt N

_M

V

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Velocity [km/h]

Influence of the resonance velocity for bending modes on the ride comfort

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Periodic Vehicle Excitations

The previous characteristics can be caused by a periodic excitation

– Periodic track irregularities

– Imbalanced wheel sets or

– Out-of-round wheels

– Hunting oscillation etc.

[Knothe/Stichel]

Polar Plot of Wheel Roughness Data

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Resonance Velocity for lateral Bending Mode

Resulting question:

• Is there a high correlation between the lateral and rotational motions of

the bogies?

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Linear Analysis

• Simplification, e.g. rail wheel contact is not completely described

• Especially lateral track irregularities do not have to excite every wheel

set in the same way

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Non linear Analysis

Correlation between the bogies

• Regarding:

– Stochastic track irregularities

– Dynamic behavior of the vehicle

– Gauge clearance

– Etc.

• Validation through measurements

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Influence on Car Body Eigenfrequencies

Investigation of characteristic car body eigenfrequencies, their

corresponding excitation due to track irregularities and the

dynamic behavior of the bogies regarding

– Vehicle concept

– Primary and secondary suspension, especially yaw dampers

– Connections between car bodies

– Asymmetric structures

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Typical Mode Shapes of a Flexible Car Body

First vertical bending

First lateral bending

First rhombic mode/diagonal distorsion

First Torsion

First Breathing

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Vehicle Concepts

• Parameter

– Length of the car body

– Bogie spacing

– Wheelbase

– Primary and secondary suspension

– Eigenfrequencies of the car body

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Vehicle Concepts

• Elastic car bodies from ANSYS

• Incorporation of the FE-Modell into SIMPACK with FEMBS

• Car bodies are described by

– 30 eigenmodes

– Mass, center of mass, I-Tensor

– Geometry

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Variation in Car Body Design

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Variation in Car Body Design

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60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

v [

km

/h]

0 5 10 15 20 25 30

f [Hz]

1·10-3

1·10-2

1·10-1

[ m

/s^2

]

Simulations Results: Vertical Acceleration

1st rhombic mode 1st vertical bending 2nd vertical bending 3rd rhombic mode

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160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

v [

km

/h]

0 5 10 15 20 25 30

f [Hz]

1·10-3

1·10-2

1·10-1

[ m

/s^2

]

Simulations Results: Vertical Acceleration

1st rhombic mode 2nd rhombic mode Only lateral track excitation

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Conclusion

• The critical resonance velocities for different bending modes

of the carbody structure can be shown for vertical bending

forms as well as for lateral track excitations influencing the

lateral or rotational movement of the bogies

• For the latter the secondary suspension predominantly

influences the effect of the resonance velocities

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Further Work

• Evaluation of the interaction between the modes in the

resonance velocity

• Influence of the coupling of car bodies

• Effect of resonance velocities on lightweight freight carrying

cars on track forces


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