Development platform
TX4: aktive Lenkung in der realen Welt
Der TX4, ein modifiziertes Tram 2000, ist, womit Traila es bewiesen hat.
Fragestellung
Wie lässt sich ein aktives Lenksystem an einem realen Schienenfahrzeug validieren, nicht nur in der Simulation?
Was wir getan haben
Stattete ein reales Schienenfahrzeug, TX4, mit einer eigens dafür entwickelten Sensorik aus
Entwarf und simulierte ein Regelsystem für die aktive Radsatzlenkung, bevor es je auf dem Fahrzeug lief
Brachte das System von der Simulation auf das Fahrzeug, erprobt auf einer Zürcher Teststrecke. Entwickelte Hardware und Software über wiederholte Feldtestfahrten weiter.
Was wir gemessen haben
Fahrzeugdynamik und Verschleiss, in der Simulation und erneut im Feld, bei passiver und aktiver Lenkeinstellung, bei mehreren Geschwindigkeiten
Akustische Leistung mit einer 48-Kanal-Akustikkamera, Vergleich der Fahrzeugarchitektur bei ein- und ausgeschalteter aktiver Lenkung
Radsatzposition, über induktive Sensoren und einen Positionsschätzer, über wiederholte Testfahrten hinweg
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Das Testfahrzeug trug gleichzeitig zehn Sensortypen: Drehgeber, induktive Positionssensoren, Videokameras, Beschleunigungssensoren, Laserlinienscanner, einen Linearencoder, Drucksensoren, Geschwindigkeitssensoren und Dehnungsmessstreifen.
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In der Simulation senkte die aktive Lenkung die gesamte Verschleisskennzahl eines hinteren Drehgestells um 45%. Untersucht wurden fünf Kurvenradien zwischen 16 und 76 Metern, modelliert an einem T2000-Tram, jeweils bei der für die betreffende Kurve in Zürich zulässigen Höchstgeschwindigkeit.
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Feldtests massen einen Lärmrückgang von 65,0 dBA auf 61,5 dBA, im Vergleich eines konventionellen Drehgestells mit der aktiv gelenkten Achse.
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Feldtests fanden sowohl auf dem öffentlichen Tramnetz der VBZ als auch auf einer geschlossenen Teststrecke statt, durch Weichen, Gleisverbindungen und Kreuzungen, auf Kurven mit einem Radius bis hinab zu 18,5 m, bei Geschwindigkeiten bis 12 km/h.
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Wiederholte Feldfahrten zeigten, dass die induktiven Sensoren jedes Gleismerkmal zuverlässig erkannten, bei Geschwindigkeiten bis 12 km/h.
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Die Simulation der Lenkmethode hielt den Radanstieg in jedem getesteten Fall innerhalb einer halben Millimeter, sowohl bei 6 als auch bei 12 km/h.
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Der TX4 ist inzwischen ausgemustert. Die Erkenntnisse und Technologien aus dem Entwicklungsprogramm fliessen in die nächste Fahrzeuggeneration ein.
Ursprung
Trailas Forschung reicht bis in die Mitte der 1990er-Jahre zurück.
Trailas Forschung zum Rad-Schiene-Kontakt und zur Fahrzeugdynamik reicht bis in die Mitte der 1990er-Jahre zurück. Die Stränge umfassen Räder mit rotierendem Spurkranz, adaptive Konizität und Methoden der aktiven Lenkung, alle gerichtet auf dieselbe Ursache: was dort geschieht, wo Rad und Schiene aufeinandertreffen.
Aktive Lenkung, sichtbar gemacht
Der Kontakt, gesteuert oder nicht.
Traila entwickelte und erprobte in Zürich das weltweit erste sensorbasierte aktive Lenksystem für den städtischen Schienenverkehr, mit mehreren tausend Testkilometern auf dem TX4. Damit liess sich der Rad-Schiene-Kontakt nicht nur beobachten, sondern steuern. Diese Forschung setzt sich in den Fahrzeugen von morgen fort.
Aktive Lenkung
Hier begann Traila, und hier geht die Entwicklung weiter.
Aktive Lenkung ist, womit Traila begann. Eine Testkampagne in Zürich betrieb den TX4, ein Testfahrzeug, inzwischen ausgemustert: ein ausgemustertes T2000, nachgerüstet mit dem aktiv gelenkten Drehgestell und einer Messtechnik-Ausrüstung. Zürich war die Teststrecke, nicht der Kunde.
Die Arbeit setzt sich in einem Fahrzeugprogramm der nächsten Generation mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie fort und trägt die Ursache in die Fahrzeuge von morgen. Mehr dazu folgt.
Ruhe durch Konstruktion.
Indem die Lenktechnologie die Radsätze aktiv am Gleisverlauf ausrichtete, beseitigte sie die Fehlausrichtung: Das senkte Kurvenlärm, körperschallübertragene Vibration und Radquietschen in der TX4-Testkampagne. Die Akustikkamera machte diese Reduktion sichtbar, im Vergleich eines konventionellen Drehgestells mit der aktiv gelenkten Achse.
Wir arbeiten eng mit lokalen Betreibern, führenden Ingenieurbüros der Bahnbranche und Spezialisten in unseren Nischenbereichen zusammen. So stellen wir sicher, dass unsere Lösungen eng an den betrieblichen Realitäten und Bedürfnissen der Bahnindustrie ausgerichtet sind.
Die Simulation validiert das Modell
Mehrkörpersimulation, überprüft am Gleis.
Trailas Laserscan-Algorithmen verfeinerten die Simulationsumgebung fortlaufend und validierten Sensordaten durch die TX4-Testkampagne. Aufbauend auf drei Jahren realer Daten aus dem Testfahrzeug TX4, inzwischen ausgemustert, bildeten die Modelle die tatsächliche Fahrzeugdynamik mit hoher Genauigkeit ab: Selbst in Kurven blieb der Spurkranz kontaktfrei, wobei die Ergebnisse der Mehrkörpersimulation mit den Messungen am Gleis in Zürich übereinstimmten.
Mit fortschrittlichen Co-Simulationswerkzeugen wie SIMPACK und ABAQUS entwickelt Traila kosteneffiziente Lösungen, die das dynamische Verhalten aktiv gelenkter Schienenfahrzeuge präzise vorhersagen, in voller Übereinstimmung mit internationalen Sicherheitsstandards.
Heritage · Simulation
Was die Arbeit an der aktiven Lenkung in der Simulation zeigte.
Dies sind historische Ergebnisse zur aktiven Lenkung aus der Ursprungsforschung, weitgehend simulationsbasiert. Es sind Heritage-Zahlen, keine Feldergebnisse zur Konditionierung, und keine Aussage zum aktuellen Produkt. Die für das Bundesamt für Verkehr beurteilten Feldergebnisse zur Konditionierung stehen separat auf der Nachweis-Seite, weil sie einen anderen Mechanismus beschreiben.
In der Simulation: bis zu 94% Verschleissreduktion, doppelte Lebensdauer von Rad und Infrastruktur, eine dreifache Reduktion der akustischen Emissionen, und mehr als 100 000 simulierte km.
Heritage-Ergebnisse zur aktiven Lenkung, aus der Simulation. Keine Feldergebnisse zur Konditionierung und keine Aussage zum aktuellen Produkt. Die für das Bundesamt für Verkehr beurteilten Feldergebnisse stehen auf der Nachweis-Seite.
Patente und Publikationen
Die technologische Basis unserer Arbeit.
Traila verfügt über sieben aktive Patentfamilien in den Bereichen aktive Lenkung, Reibung, Monitoring und Lokalisierung. Ergänzt wird das Patentportfolio durch wissenschaftlich begutachtete Publikationen und Beiträge auf Fachkonferenzen.
Leistungen
Sechs Disziplinen, ein Testfahrzeug.
Sensoren und Laserscans: Traila ist spezialisiert auf verschiedene Sensortechnologien. Unsere Ingenieure entwickeln neue Wege, um fortschrittliche Sensorik für die Positionierung der aktiven Lenkung, das Scannen von Gleisen sowie die Weiterentwicklung und Validierung von Simulationen einzusetzen.
HIL, SIL und digitale Zwillinge: Unsere hochmodernen Hardware- und Software-in-the-Loop-Systeme (HIL & SIL) bilden zusammen mit digitalen Zwillingen eine beispiellose Test- und Validierungsplattform. Diese virtuellen Abbilder unserer Hardware erlauben es uns, die Leistung über unzählige Situationen hinweg zu optimieren, bevor sie eingebaut wird. Das beschleunigt die Entwicklung und sichert höchste Präzision und Sicherheit für unsere aktiven Lenksysteme.
Mehrkörpersimulation und Fahrzeugdynamik: Mit dem Industriestandard SIMPACK® können wir vorhersagen, wie unser System funktioniert, und sicherstellen, dass unsere Lösungen in einer Vielzahl von Fahrzeugen und Konfigurationen funktionieren.
Entwicklung von Steuerungssystemen: Unsere Steuerungssysteme sind darauf ausgelegt, komplexe Sensoreingaben zu interpretieren. Durch strenge Tests und fortlaufende Verbesserung stellen wir sicher, dass unsere Lösungen sowohl innovativ als auch alltagstauglich sind.
Mechanische Konstruktion: Reale Tests simulierter Lösungen sind der einzige Weg zu beweisen, dass unsere Systeme in allen Situationen funktionieren. Unsere Ingenieure sind Experten darin, Ideen und Konzepte in die Realität umzusetzen.
Feldtests: Feldtests sind entscheidend, um unsere innovativen Lösungen zur aktiven Lenkung zu validieren. Bei Traila hatten wir ein eigenes Testtram, mit dem wir strenge Praxistests durchführen konnten. Dieser praxisnahe Ansatz erlaubte es uns, unsere Technologie unter realen Bedingungen zu verfeinern, und sicherte Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit.