Active steering system for tramcar bogies

When dealing with the tight curves typical of tramways, high squeal noise levels and severe wear of both wheel and rail, are topics of major concern. Improving conventional bogie curving performance requires the reduction of the contact forces and the even distribution of the guiding lateral force within all the wheels. In order to achieve this target, the wheelset angle of attack with respect to the track should be remarkably decreased and this can be obtained by implementing a proper axle steering system. In this thesis an active steering system for tramcar bogies is proposed, which is based on an articulated bogie frame, equipped with an actuation system to modify the relative yaw angle between the running gear wheelsets and thus the wheelset angles of attack with respect to the track. The goal of the study is to show the benefits achievable by means of active steering and to propose an effective and feasible solution. Reference is made to an articulated tramcar vehicle, whose main features represent the typical configuration of many modern urban rail vehicles. Convenient design should aim at keeping the system complexity to a minimum, hence numerical simulation might be the proper design tool, which allows efficient estimation of achievable curving performance and provides significant information on control and actuation system requirements. Thus, in this thesis, a multibody model has been adopted, which was developed to accurately reproduce the dynamic behaviour of a tramcar vehicle. By means of multibody simulation, curving performance of the proposed active steering bogie is assessed, as well as a feed-back control strategy is designed and tested for several curving scenarios. The numerical model outlines the benefits introduced by the active steering bogie over the conventional rigid-frame running gears, while showing the feasibility and the reliability of the solution under investigation. Finally, the actual stage of development of a prototype of the active steering bogie is illustrated. The architecture of the bogie is presented, as well as the technical specifications of the active steering system components. The on-going experimental activity, consisting in lab-tests and line tests, is expected to verify the proposed active steering bogie potentialities.

L’iscrizione in curve strette di veicoli tranviari è notoriamente caratterizzata da elevati livelli di rumore di stridio (squeal noise) e da severa usura delle ruote e delle rotaie. Migliorare le prestazioni in curva dei carrelli convenzionali, richiede la riduzione delle forze di contatto e un’equa distribuzione della forza di guida laterale tra tutte le ruote. Al fine di perseguire tale obiettivo, l’angolo di attacco delle sale rispetto al binario deve essere significativamente ridotto, e ciò può essere ottenuto implementando un opportuno sistema di sterzatura degli assi. In questa tesi viene proposto un sistema di sterzatura attiva per carrelli tranviari, che si basa su un telaio articolato, equipaggiato con un sistema di attuazione per modificare l’angolo di serpeggio relativo tra le sale del carrello e, di conseguenza, l’angolo d’attacco delle sale rispetto al binario. L’obiettivo di questo studio è di mostrare i benefici conseguibili mediante la sterzatura attiva e, al contempo, proporre una soluzione efficace e fattibile. Nella tesi, viene fatto esplicito riferimento ad un veicolo tranviario articolato, le cui principali caratteristiche rispecchiano la tipica configurazione di molti veicoli ferroviari urbani moderni. Al fine di mantenere la complessità del sistema di sterzatura al minimo, la simulazione numerica rappresenta lo strumento di progetto più idoneo, potendo garantire un’efficiente stima delle prestazioni in curva perseguibili e potendo fornire significative informazioni circa i requisiti dei sistemi di controllo e di attuazione. Perciò, in questa tesi, si è adottato un modello multibody, sviluppato per riprodurre accuratamente il comportamento dinamico dei veicoli tranviari. Attraverso la simulazione multibody è stato possibile valutare le prestazioni in curva del carrello attivo proposto e, contemporaneamente, si è potuta sviluppare e testare una logica di controllo in feed-back per differenti scenari operativi. La tesi si conclude illustrando l’attuale stadio di sviluppo di un prototipo del carrello sterzante proposto. Vengono presentate l’architettura del carrello prototipo e le specifiche tecniche dei componenti costituenti il sistema di sterzatura attiva. La campagna sperimentale attualmente in corso d’opera, comprensiva di prove in laboratorio e prove in linea, è tesa a verificare le potenzialità del carrello sterzante sviluppato.