Modeling of friction wedges for railroad vehicles usin the linear complementarity method

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos JuniorDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Por 150 anos, os truques de três peças têm sido a estrutura padrão para o suporte de eixos e suspensões de trens de carga em diversos países. Embora sua robustez e facilidade de manutenção tenham conservado, em linhas gerais, a disposição e projeto dos componentes, novos requerimentos de carga e velocidade dos trens vêm mudando a forma como os projetistas enxergam o truque. Especial atenção tem sido dada ao modelo matemático da cunha de atrito, a peça fundida que é responsável pelo amortecimento dos vagões. A cunha de atrito promove a dissipação da energia mecânica por meio de contato de atrito seco com outros componentes do vagão. Devido às altas forças normais desenvolvidas nas superfícies de contato com características não suaves e, em geral, não lineares de atrito, as equações que regem o movimento da suspensão tornam-se de resolução difícil e surgem fenômenos como o de adesão escorregamento e o comportamento caótico típico de osciladores auto excitados. O presente trabalho tem como objetivo propor o uso de algoritmos de solução de problemas de complementaridade linear para resolver as forças de contato entre os corpos, visando a aprofundar a discussão sobre os modelos adotados para a cunha de atrito. Os resultados obtidos mostram que é possível modelar as forças de contato desse sistema utilizando um problema de complementaridade linear e que essa abordagem é, sob certas condições, mais eficiente do que o método das penalidades, normalmente aplicado para a resolução de problemas de contatoAbstract: For about 150 years now, three-piece trucks have been the standard axis' and suspensions' subframe used in freight railroad cars. The toughness and low maintenance costs of this system worked to maintain its basic design almost unchanged, but new requirements for loads and speed for freight cars are changing the way designers see the three-piece truck. Among the many interesting components of the three-piece truck, the friction wedge is getting some attention. The friction wedge is the main damping element in three-piece trucks and acts to dissipate mechanical energy via highly stiff contacts with friction. Due to the non-smooth and non-linear nature of frictional efforts, the equations of motion of the three-piece trucks become very awkward to deal with. Interesting phenomena of stick-slip, bifurcations, and limit cycle, typical of friction oscillators appear to some extent under normal operation. This work's main objective is to propose a new approach based on complementarity problems, used to solve for contact forces, to further extend the discussion on wedge dampers models. Results show that it is possible to model the problem using the linear complementarity problem and that, in some situations, this can be even more computationally efficient than the usual approach to solve contact problems: the penalty methodMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânic

On the application of linear complementarity-based contact to study the dynamic behavior of friction dampers of railway vehicles

Secondary suspension of freight cars has a small number of components, is reliable, cheap to maintain, and has a very traditional design. Despite all these characteristics, its dynamic response is subject to a number of interesting phenomena related to friction damping that are not completely explored for new design of heavy vehicles. This paper describes a new method for modeling this type of mechanical system using a linear complementarity approach for contact calculation. Results presented here show that friction coefficient not only can affect the general damping of the dynamic response to sinusoidal excitation, but also impacts the development of nonlinear phenomena related to stick-slip. These should be taken into account the development of the new generation of freight wagons aiming for increased performance and safety and reduced maintenance costs40