Wien (TU). – Ein Wagenkasten bildet die Grundstruktur eines Eisenbahnwagons und vieler anderer Metrofahrzeuge. Türausschnitte, die diese Fahrzeuge typischerweise besitzen, schwächen die Struktur des Wagenkastens. Um dem entgegen zu wirken bringen Hersteller zusätzliche Versteifungen an. „Dies bedeutet einen höheren Aufwand in Planung und Konstruktion, aber auch einen höheren Materialaufwand. Das konventionelle Fahrzeug ist daher schwerer und verbraucht mehr Energie beim Beschleunigen und Abbremsen“, sagt Universitätsassistent Martin Kozek vom Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien. In Zusammenarbeit mit der Firma Siemens Transportation Systems entwickelten die TU-ForscherInnen ein Konzept, das auf Piezostackaktuatoren basiert und auf zusätzliche Versteifungen verzichtet. Die 25 Zentimeter langen Aktuatoren mit einem Durchmesser von zirka fünf Zentimetern werden an verschiedenen Stellen im Wagenkasten angebracht. Kozek: „Die Dynamik des Wagenkastens wird mit einem robusten Regler geeignet beeinflusst. Aus den Messungen des aktuellen Wagenzustandes generieren wir Stellgrößen, die dem Piezoaktuator zugeführt werden. In einer Größenordnung von fünf bis sieben Kilonewton wirkt er so den aufkommenden Schwingungen entgegen und dämpft das Ganze aktiv.“

Experimente mit den Piezoaktuatoren führten die WissenschafterInnen bisher an einem Wagenkastennachbau im Maßstab 1:10 und an einem Großaktuator durch. „Diese Tests konnten verifizieren, dass das Gesamtkonzept auch in der Realität funktioniert“. Kozek und seine MitarbeiterInnen wiesen darüber hinaus nach, dass in einem Wagenkasten, in dem Verstärkungen herausgenommen und durch das mechatronische Konzept der Piezostackaktuatoren ersetzt wurden, ein besserer Fahrkomfort garantiert werden kann. „Es gibt eine ISO-Norm, die den Fahrkomfort definiert. Es geht hier um Schwingungen in Vertikal- und Horizontalrichtung im Bereich zwischen vier und acht Hertz, in dem die Beschleunigungen als besonders unangenehm empfunden werden. Hier wird die Eigenfrequenz der inneren Organe angeregt und das Ergebnis ist, dass den Fahrgästen genau innerhalb dieses Frequenzbereiches schlecht werden kann. Die Schwingungen sind unterschiedlich stark, je nachdem ob der Zug voll beladen ist oder der Großteil der Passagiere bei der letzten Station ausgestiegen ist. Unser Regelkonzept ist deshalb sehr robust ausgelegt und liefert bei allen Bedingungen optimale Performance“, erläutert Kozek. Der Fahrkomfort ist somit gewährleistet und auch die Sicherheit ist bei einem Ausfall der Schwingungsdämpfung gegeben, da das System nicht in die Federung eingreift.

„Das Projekt demonstriert anschaulich, dass mit neuen Ideen und Technologien der Fahrkomfort weiter gesteigert werden kann,“ so Dr. Wilfried Ulm, Geschäftsführer Siemens Transportation Systems GmbH & Co KG. „ Die Ergebnisse der Kooperation mit der TU Wien sollen in die Konzeption und Produktion künftiger Schienenfahrzeuge am Standort Wien Eingang finden.“

Das Projekt „Aktive Schwingungsdämpfung flexibler Strukturen“ wurde von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützt. Darüber hinaus entwickelte die TU Wien gemeinsam mit dem Projektpartner „Siemens Transportation Systems“ ein Patent daraus.

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Rückfragehinweis:
Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Martin Kozek        
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