Performance Study of the Three-Piece and Y25 Bogies Using Frenet Geometric Analysis

Questo elaborato è il frutto di un’esperienza di ricerca condotta negli Stati Uniti presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università dell’Illinois a Chicago ed è basato sull’articolo “Frenet Performance Evaluation of Railroad Vehicle Systems”, accettato per la pubblicazione dalla rivista scientifica Acta Mechanica (Bettamin et al, 2021). La tesi riporta uno studio comparativo tra due carrelli ferroviari molto usati nei treni merci: il carrello three-piece, diffuso in Nord America e altre parti del mondo, e il carrello Y25, diffuso in Europa. I parametri di confronto si basano su un approccio innovativo fondato sull’integrazione di formulazioni multibody non lineari tramite computer software e nuovi concetti geometrici non comuni in letteratura. Gli algoritmi multibody sono utilizzati per generare e risolvere numericamente equazioni differenziali/algebriche in modo automatico, così da determinare le traiettorie reali del moto dei carrelli. Per avere una migliore comprensione del comportamento dinamico dei veicoli, viene fatta una distinzione tra la traiettoria reale da essi tracciata e la geometria dei binari. Le traiettorie reali sono descritte usando gli angoli di Frenet-Eulero, che sono dipendenti dal moto e differiscono dagli angoli che entrano nella definizione della geometria della traccia. In particolare, il Frenet bank angle definisce la sopraelevazione del piano del moto, che contiene la traiettoria reale e varia durante il movimento del veicolo, a differenza dell’angolo di inclinazione della traccia, che rimane costante. In questa tesi è spiegata la differenza tra l’equilibrio delle forze laterali calcolato nel piano della traccia e quello calcolato nel piano di Frenet, basato sulle traiettorie reali. Sono state eseguite simulazioni delle performance dei carrelli su una traccia curva e i risultati numerici ottenuti vengono qui presentati, con particolare attenzione data alle deviazioni della traiettoria reale rispetto alla linea centrale tra i binari. Poiché non è possibile includere in un unico studio tutti i parametri di valutazione dei carrelli, questa ricerca è incentrata sull’analisi dell’angolo di attacco, delle forze di contatto tra flange e binari e delle forze centrifughe agenti sui due carrelli. I risultati vengono presentati senza fornire un giudizio sulle prestazioni complessive dei veicoli.