Modeling and Analysis of Vibration Causes in Roller Coasters: From Friction-Induced Self-Excitation to Wheel-Rail Irregularities and Track Flexibility

Die vorliegende Dissertation erweitert die bisher begrenzte Forschung zu Vibrationen in Achterbahnen und beschäftigt sich speziell mit dem potenziellen Auftreten selbsterregter Schwingungen sowie den Auswirkungen von Variationen der Eindringtiefe zwischen Rad und Schiene, einschließlich Unregelmäßigkeiten und dynamischen Gleisverformungen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Modellierung der Rad-Schiene-Kontaktkräfte und deren Rolle bei der Entstehung dieser Vibrationen. Zunächst werden minimale Modelle eingeführt, die ein grundlegendes Verständnis der Bedingungen vermitteln, die zu selbsterregten Schwingungen führen können. Diese dienen als theoretische Grundlage für die Untersuchung des vollständigen nichtlinearen Kontaktmodells. Theoretische Analysen selbsterregter Schwingungen werden am Beispiel eines Achterbahnwagens durchgeführt, der Kurven durchfährt. Um diese theoretischen Erkenntnisse auf praktische Szenarien anzuwenden, wird eine Methode zur Erzeugung und Steuerung der Bewegung eines Achterbahnzugs entlang räumlicher Trajektorien entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Variationen in den Kontaktmodellparametern auch ohne Unregelmäßigkeiten zu starken Vibrationen führen können, insbesondere bei hoher Kurvensteifigkeit und unzureichender Radvorspannung und Dämpfung. Zudem zeigt sich, dass die Kombination des tangentialen Kontaktmodells mit Gleisunregelmäßigkeiten andere Ergebnisse liefert als Szenarien ohne Reibungskräfte. Dieser Kontrast unterstreicht die Notwendigkeit eines präzisen Kontaktmodells für ein differenziertes Verständnis der Achterbahndynamik. Weiterhin wird der Einfluss von Schienenunregelmäßigkeiten auf die Vibrationsantwort von Achterbahnsystemen neu untersucht. Diese Unregelmäßigkeiten führen zur Erzeugung von Superharmonischen und zur Modulation der Eigenfrequenzen des Fahrzeugs, bedingt durch Variationen der effektiven Kontaktsteifigkeit, die von den g-Kräften abhängen. Zusätzlich verstärken Gleisverformungen die durch Unregelmäßigkeiten verursachten Vibrationen und führen in einigen Fällen zu unerwünschter Resonanz. Abschließend wird die Relevanz der vorgeschlagenen Vibrationsursachen mit realen Messungen verglichen, wobei konsistente Ergebnisse hinsichtlich der Modulation von Eigenfrequenzen nachgewiesen werden. Obwohl die Phänomene nicht isoliert vom gesamten Vibrationsspektrum realer Systeme betrachtet werden können, liefern sie wertvolle Einblicke und legen die Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten zur Achterbahndynamik.