Semi-actively controlled suspension system of railway vehicle

Je všeobecně známo, že semiaktivně řízené tlumiče mohou podstatně vylepšit jízdní vlastnosti silničních nebo kolejových vozidel, a to především stabilitu vozidla a komfort posádky. Efektivita semiaktivně řízeného tlumení je silně závislá na dynamických vlastnostech tlumičů. Tím je myšlena rychlost přepínání stavů tlumiče (časová odezva), a poměr mezi maximální a minimální tlumící silou (dynamický rozsah). Dynamické vlastnosti tlumiče nepříznivě ovlivňují vířivé proudy v jádru pístu. V první části dizertační práce je popsán materiálový a tvarový přístup k eliminaci těchto proudů. Bylo navrženo několik variant magnetoreologického (MR) ventilu, jejich vlastnosti byly simulovány pomocí magnetického modelu a výsledky byly ověřeny měřením magnetických vlastností vyrobených jader. Také byly naměřeny dynamické vlastnosti sestavených tlumičů. Nejkratší časové odezvy je možné dosáhnout při výrobě magnetického obvodu ventilu z feritu (oxid železa) nebo SMC (soft magnetic composites), díky jejich vysoké elektrické rezistivitě. Nejvyššího dynamického rozsahu je možné dosáhnout užitím materiálu Vacoflux, díky jeho vysoké magnetické saturaci. Drážkování ventilu dokáže časovou odezvu zkrátit na 1/6. Pozornost je věnována také dynamickým vlastnostem fail-safe MR tlumiče s permanentním magnetem. Permanentní magnet v MR ventilu zajištuje stálé magnetické pole v případě výpadku napájení. Takový MR tlumič byl navržen a otestován přižemž se ukázalo, že přítomnost magnetu v jádru tlumiče dynamické vlastnosti tlumiče nezhorší. Další část dizertační práce se zabývá vlivem časové odezvy a dynamického rozsahu tlumiče na účinnost semiaktivního řízení odpružení železničního vozidla. Jeden nový algoritmus byl v práci navržen. Pro přiblížení realitě byl použit reálný magnetorheologický tlumič v simulaci hardware-in-the-loop. Ukázalo se, že nejvyšší účinnosti řízení je dosaženo s časovou odezvou 8 ms, a že časová odezva pro pokles síly je důležitější než časová odezva pro její nárůst. Ideální dynamický rozsah tlumiče by měl být kolem 10. V ideálním případě bylo dosaženo snížení příčných vibrací skříně o 34%. Tyto výsledky je třeba vzít v úvahu při návrhu MR tlumičů pro železniční vozidla, a to jak pro vysokorychlostní, tak pro konvenční vozidla, která jsou v současné době v provozu.
It is well known that semi-actively controlled dampers can significantly improve the running behaviour of road or rail vehicles, mainly in terms of vehicle stability or passenger comfort. The effectiveness of semi-actively controlled damping is strongly dependent on the dynamic behaviour of the dampers. It means the speed at which the damper states change (time response) and the ratio between the maximum and minimum damping force (dynamic range). The dynamic behaviour of the damper is negatively influenced by the eddy currents in the piston core. In the first part, the thesis describes the material and the shape approach to eliminate these currents. Several variants of the magnetorheological (MR) valve were designed, their properties were simulated using a magnetic model, and the results were verified by measuring the magnetic properties of the manufactured cores. The dynamic behaviour of the assembled dampers was also measured. The shortest force response time is obtained when the valve's magnetic circuit is made of ferrite (iron oxide) or SMC (soft magnetic composites) due to the high electrical resistance of these materials. The highest dynamic range can be achieved by using the Vacoflux material due to its high magnetic saturation. A valve with grooves can reduce the force response time to 1/6. Attention is also paid to the dynamic behaviour of the fail-safe MR damper with a permanent magnet. The permanent magnet in the MR valve provides a permanent magnetic field in the case of a power failure. Such an MR damper has been designed and tested, and it has been found that the magnet in the damper core does not degrade the dynamic behaviour of the damper. The next part of the dissertation thesis deals with the influence of the damper force response time and dynamic force range on the effectiveness of semi-active control of the railway vehicle suspension. One new algorithm has been proposed in the thesis. A real MR damper was tested in the hardware-in-the-loop simulation to get closer to reality. It has been shown that the highest control efficiency is achieved with the force response time of 8 ms and that the response time for the force drop is more important than the response time for the force rise. The ideal dynamic range of the damper should be around 10. In the ideal case, a 34% reduction in lateral vibration was achieved. These results must be taken into account when designing MR dampers for a railway vehicle, both for high-speed and conventional vehicles currently in service.

Citation

JENIŠ, F. Semi-actively controlled suspension system of railway vehicle [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.

Language of document

en

Study field

Konstrukční a procesní inženýrství

Comittee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda) Prof. Bogdan Sapinski (člen) Prof. Egidio Di Gialleonardo (člen) doc. Ing. Petr Voltr, Ph.D. (člen) doc. Ing. Milan Omasta, Ph.D. (člen)

Date of acceptance

2024-09-26

Defence

Disertační práce splňuje požadavky plynoucí z § 47 Zákona č. 111/1998 Sb., Zákona o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů a z článku 42 Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně. Obsahuje původní výsledky uveřejnění mj. ve třech článcích v impaktovaném časopise.

Result of defence

práce byla úspěšně obhájena

Document licence

Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení