Sensorkonzept zur direkten Bestimmung von Zustandsgrößen an aktiv gelenkten Fahrwerken für Straßenbahnen

Mechatronische Fahrwerke mit aktiver Spurführung können Verschleiß und Lärm im Vergleich zu konventionellen Fahrwerken durch Vermeidung des Spurkranzanlaufs reduzieren. Trotz wissenschaftlicher Untersuchungen, die das Potential aufzeigen, wird eine technische Umsetzung selten vorgenommen. Dies liegt unter anderem an unzureichender Verfügbarkeit von geeigneter Messtechnik, insbesondere von Sensoren. Zur Regelung des Spurführungsverhaltens benötigen mechatronische Fahrwerke Kenntnisse über ihren aktuellen Zustand. Am Markt erhältliche Sensoren sind oft ungeeignet, wichtige Zustandsgrößen am Fahrwerk während der Fahrt direkt zu messen.
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Alternative Ansätze, die interessierenden Größen über Zustandsschätzer ableiten, sind oft unzureichend genau.
In dieser Arbeit wird anhand eines aktiv gelenkten Radpaars ein neues Sensorkonzept zur direkten Bestimmung der Zustandsgrößen Anlaufwinkel und Lateralversatz vorgestellt.
Aus den Anforderungen mechatronischer Fahrwerke wird mittels des V-Modells in drei Makrozyklen ein Sensorkonzept entwickelt und prototypisch aufgebaut. Das Sensorkonzept nutzt dabei die ferromagnetischen Eigenschaften der Schiene. Ein durch den Sensor künstlich erzeugtes Magnetfeld wird durch die Schiene verändert, und Hallsensorelemente messen diese Veränderungen. Aus den Messdaten wird die Lateralposition der Schiene unter dem Sensor über einen Luftspalt von 20mm mit ausreichender Genauigkeit berechnet.
Der Sensorprototyp wird mittels einer Simulation des aktiv gelenkten Radpaars in verschiedenen Testszenarien validiert. Mit zusätzlichen Hardware-in-the-loop-Versuchen wird gezeigt, dass das Sensorkonzept für die mechatronische Spurführung eignet ist.

Mechatronic track guidance can reduce both wear and noise in comparision to conventional running gears by preventing flange contact between wheel and rail. Dispite scientific research, technical implementation is rarely done. One reason is the inavailability of suitable measurement systems and sensors. For active track guidance the current state variables of the vehicle are needed but commercial sensors are often unable to measure these states while driving. Alternatives like state estimation are often inaccurate.
This thesis presents the development and implementation of a new sensor concept to measure angle of attack and lateral displacement.
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Based on the requirements of mechatronic track guidance, a new sensor concept is derived and implemented as a prototype. The sensor concept is based on the disturbance by the ferromagnetic rail in an artificially generated magnetic field. To calculate the lateral position of the rail below the sensor, the disturbance is measured by 40 hallsensor elements. The sensor is tested on a test rig with an air gap of 20mm and shows sufficient accuracy.
The prototype is validated using a simulation of the active steered wheel-set in a hardware-in-the-loop test setup.