Modelling and simulation of a smart passive yaw damper for enhanced ride comfort in high speed rail vehicles

Yaw dampers are installed on high-speed trains to improve their stability when running at high speed, suppressing their tendency to manifest hunting motion. However, yaw dampers constitute a significant vibration transmission path to the carbody. When excited at high frequency, traditional yaw dampers increase their dynamic stiffness to an asymptotic value, and the first flexible carbody modes, characterised by natural frequencies starting from 9 Hz, may be excited by the force transmitted by these components, worsening comfort performance. This thesis presents an innovative smart passive yaw damper capable of reducing its dynamic stiffness based on the operational excitation frequency, while maintaining good damping performance. By reducing its high-frequency force transmissibility, this innovative solution is expected to improve the ride comfort with respect to traditional passive yaw dampers. To quantify the effectiveness of this solution, a physical model of the innovative yaw damper was developed and validated by means of experimental tests. Besides the new device, a traditional yaw damper was also modelled and characterised to serve as a benchmark. Co-simulations between yaw damper models and a multibody vehicle model of a high-speed train were performed, comparing stability and ride comfort performance offered by the two types of suspension. The results show that the innovative smart passive yaw damper enhances ride comfort and ensures stability under standard operating conditions of a high-speed train.

Gli smorzatori antiserpeggio sono installati sui treni ad alta velocità per migliorarne la stabilità durante la marcia ad alte velocità, riducendo la loro tendenza a manifestare movimenti di serpeggio. Tuttavia, essi sono elementi attraverso cui le forze provenienti dai carrelli vengono trasmesse alla cassa. Quando sono eccitati ad alta frequenza, gli smorzatori antiserpeggio tradizionali aumentano la loro rigidità dinamica fino ad un valore asintotico e i primi modi flessionali della cassa, caratterizzati da frequenze naturali a partire da 9 Hz, possono essere eccitati dalle forze trasmesse da questi componenti, peggiorando le prestazioni di comfort del veicolo. Questa tesi presenta uno smorzatore antiserpeggio innovativo di tipo passivo adattivo in grado di ridurre la sua rigidità dinamica in base alla frequenza di eccitazione, mantenendo buone prestazioni di smorzamento. Questa soluzione innovativa, riducendo la trasmissibilità delle forze ad alta frequenza, dovrebbe migliorare la qualità di marcia rispetto agli smorzatori antiserpeggio tradizionali passivi. Per quantificarne l'efficacia, è stato sviluppato un modello fisico dello smorzatore antiserpeggio innovativo. Oltre al nuovo dispositivo, è stato modellato e caratterizzato anche uno smorzatore tradizionale utilizzato come riferimento. I modelli sono stati poi validati mediante prove sperimentali. Eseguendo delle co-simulazioni tra i modelli degli smorzatori e quello di un treno ad alta velocità, è stato possibile confrontare le prestazioni di stabilità e comfort offerte dai due tipi di sospensioni. I risultati hanno dimostrato che lo smorzatore innovativo migliora il comfort di marcia e garantisce la stabilità di un treno ad alta velocità in condizioni operative standard.