ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DINÂMICO LATERAL DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO

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Manuela
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ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DINÂMICO LATERAL DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO

Mensagem por Manuela » 08 Set 2016, 15:15

Autor: LUCIANO RIBEIRO PINTO CONSOLI

Orientador: Prof. Dr. Roberto Spinola Barbosa

Instituição: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento: Dinâmica e Controle
Cidade: São Paulo
Ano: 2007

Resumo:
O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento
dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma
abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas,
sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em
análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um
modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações,
chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e
dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de
movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados
temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução
analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos
lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O
segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de
entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os
movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra
propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular
suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo “Manchester
Benchmarks for rail vehicle simulation” (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros
que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de
comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal
deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos
participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua
validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais
das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações
por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não
lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das
suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas
uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se
uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das
suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático
da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência.
Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior
sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a
norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da
caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação
deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo
constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro.
Palavras-chave: Dinâmica veicular. Ferrovias. Suspensão mecânica (Simulação).
Conforto veicular.

Abstract
This master’s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway
vehicle’s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of
pneumatic suspensions, to leveling systems’ operation, to carbody flexibility’s
dynamic analysis and to railway’s irregularities. The definition of the physical
modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from
which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody
and two bogies with one wheelset each. Once the motion’s differential equations
are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time
and frequency domains. The first one enables to display time and frequency
responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal
rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained
through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the
wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of
freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the
advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary
suspensions. The article “Manchester Benchmarks for rail simulation” (IWNICKI,
1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities’
principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first,
the results of this work’s modal analysis were confronted to the results published
by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth
validation. The second type of comparison was made between the time domain
results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between
numerical integration simulations using linear and non linear secondary
suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary
suspensions can be done without afecting the results for small displacements and
angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of
secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-
square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result
of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to
the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to
ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when
this stifness is reduced. However this parameter’s variations consequences on
other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater
depth in a future study.
Key-words: Vehicle dynamics. Railway. Mechanical suspension (Modeling).
Vehicle comfort.
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