Active suspension technologies of railway vehicle

Active suspension is an advanced concept in ground vehicle engineering, in which standard suspension components are combined to mechatronic components such as sensors, controllers and actuators, enabling a substantial improvement of vehicle dynamic behaviours with respect to passive suspension. It provides the solutions to the new demands of higher speed, better ride comfort and lower maintenance cost for the new generation of rail vehicles. Tilting train, as a starting point of wide application of active suspension, has proved to be a great success, and more applications of other technologies are only a matter of time. However, the implementation of active suspension technologies in rail vehicle is very slow and cautious, mainly due to two issues that need to be solved properly: safety and cost-benefit ratio. The safety issue is concerned as the actuation system may fail in service and cause critical impacts. Therefore, a fault-tolerant design of the active suspension is crucial to ensure the safety even in failure of active suspension. The cost-benefit ratio decides to which extent the implementation of the technology is worthwhile from the viewpoint of business value, which however is challenging to estimate. Active steering, as one of the most attractive technologies, is studied from the above-mentioned two aspects, to strengthen the perspectives for application of this technology in real service. In order to evaluate the fault-tolerant capability of the active suspension, a methodology is proposed based on Risk Priority Number (RPN) which is a core concept in the theory of Failure Mode and Effect Analysis. The thesis proposed a new method in which a vehicle multi-body simulation is performed to assess the impact of typical failure modes of active steering, thus enabling the objective evaluation of the indexes defining the RPN. Three principles for improving fault tolerance are analysed, including (i) adding passive spring as the backup, (ii) implementing an active suspension architecture with redundant actuators and (iii) reducing the number of actuators through the use of a mechanical linkage. The evaluation of nine proposed schemes demonstrates that the redundant actuators can provide the overall best fault-tolerant capability in all considered failure modes. To enable an assessment of the cost-benefit ratio of active steering on a quantitative ground, this thesis builds a wheel wear calculation program based on the KTH wear model. The removed material over wheel surface is simulated with the presence of active steering, based on which, the benefits of active steering in different track layouts are evaluated. Moreover, three control strategies for active steering are compared in terms of wheel wear evolution, and conclusions about their suitability are drawn. With the trend of railway vehicle lightweighting, car-body structural vibration is posing a new challenge to the vertical ride comfort, which is expected to be solved via mechatronic suspension. This thesis explores four suspension schemes including active and semi-active technologies in secondary and primary suspensions, with LQG and H∞ controllers. The comparison of four schemes based on a 9-DOF vehicle model is summarized in a four-quadrant diagram, showing that the full-active secondary suspension is the most effective solution, whilst the semi-active primary suspension can also considerably mitigate the car-body bending mode. Afterwards, numerical simulation is performed based on a multi-body vehicle model built in SIMPACK and integrated with a finite element model of the car-body to represent car-body flexibility. The results highlight the features of each suspension scheme and show good applicability in a real vehicle.

Le sospensioni attive rappresentano una importante innovazione nel campo dei veicoli terrestri e sono basate sull’utilizzo combinato di componenti tradizionali e di componenti meccatronici come sensori, controllori e attuatori. L’utilizzo di sospensioni attive consente il miglioramento sostanziale delle prestazioni di marcia del veicolo, in confronto all’uso di sospensioni passive. In tal modo, l’uso di sospensioni attive risponde alle esigenze di maggiori velocità di servizio, migliore comfort dei passeggeri a riduzione delle operazioni di manutenzione che rappresentano importanti priorità nello sviluppo delle future generazioni di veicoli ferroviari. I treni a cassa pendolante hanno rappresentato un primo esempio di estesa applicazione della tecnologia relativa alle sospensioni attive e hanno conosciuto un importante successo tecnologico e anche commerciale, aprendo la strada ad altre applicazioni di questa tecnologia nei veicoli ferroviari. Tuttavia, l'implementazione delle tecnologie di sospensione attiva nei veicoli ferroviari è un processo molto lento, principalmente a causa di due problemi che devono essere risolti adeguatamente: le implicazioni dell’utilizzo di sistemi attivi sulla sicurezza di marcia del veicolo e il rapporto costi-benefici. Il tema della sicurezza è fondamentale in quanto il sistema di attuazione potrebbe non funzionare correttamente comportando criticità. Pertanto, è fondamentale che la sospensione attiva sia progettata secondo una filosofia “fault tolerant” per garantire la sicurezza anche in caso di malfunzionamenti. Il rapporto costi-benefici è, invece, decisivo per stabilire fino a che punto l'implementazione della tecnologia è utile dal punto di vista del valore aziendale, che tuttavia è difficile da stimare. La sterzatura attiva degli assi del veicolo rappresenta una delle tecnologie più interessanti ed è studiata in questo lavoro di tesi considerando i due aspetti sopra menzionati, per rafforzare l'applicazione di questa tecnologia nel servizio reale. Al fine di valutare la capacità di tolleranza ai guasti della sospensione attiva, viene proposta una metodologia basata sul “Risk Priority Number” che è un concetto fondamentale della Failure Mode and Effect Analysis. La tesi propone un metodo innovativo per la definizione degli indici che definiscono il RPN, basato sulla simulazione multi-corpo della dinamica del considerando il verificarsi di tipiche modalità di guasto del sistema di sterzatura attiva. Vengono analizzati tre principi per migliorare la tolleranza ai guasti, tra cui (i) l'aggiunta di una molla passiva come sistema di sicurezza d’emergenza, (ii) l'implementazione di una architettura con attuatori ridondanti e (iii) la riduzione del numero di attuatori tramite un cinematismo. La valutazione di nove schemi proposti dimostra che la architettura con attuatori ridondanti fornisce la migliore capacità di tolleranza ai guasti in tutte le modalità di guasto considerate. Per consentire una valutazione su basi oggettive del rapporto costi-benefici del sistema di sterzatura attivo, nell’ambito di questa tesi è stato messo a punto un programma di stima dell'usura delle ruote basato sul modello di usura sviluppato presso KTH. Il materiale rimosso per usura dalla superficie di rotolamento delle ruote è stimato mediante una combinazione di simulazione numerica, modello locale di contatto e legge di usura del materiale. I benefici del sistema di sterzatura attiva sono valutati confrontando la stima dell’usura per il veicolo dotato di sterzatura attiva e in configurazione passiva. Inoltre, vengono confrontate tre strategie di controllo per la sterzatura attiva in termini di evoluzione dell'usura delle ruote e vengono tratte conclusioni sulle loro prestazioni. Con la tendenza alla riduzione della massa dei veicoli ferroviari, le vibrazioni strutturali della cassa pongono nuovi problemi relativi al comfort di marcia verticale, che possono essere risolti mediante l’uso di sospensioni meccatroniche. Questa tesi esplora quattro schemi di sospensioni meccatroniche, considerando l’uso di sospensioni attive e semi-attive al livello delle sospensioni secondarie e primarie e ipotizzando l’uso di controllori LQG e H∞. Il confronto di questi quattro schemi viene effettuato sulla base di un modello di veicolo a 9 DOF ed è riassunto in un diagramma a quattro quadranti, che mostra che la sospensione secondaria full-active è la soluzione più efficace, ma anche la sospensione primaria semi-attiva può mitigare considerevolmente le vibrazioni flessionali della cassa. Successivamente, viene eseguita una simulazione numerica basata su un modello di veicolo SIMPACK integrato con un modello della cassa ad elementi finiti. I risultati confermano le prestazioni degli schemi di sospensione considerati e mostrano una buona applicabilità in un veicolo reale.