Download - Virtual Vehicle

Schwerpunkt-Thema: 

Gesamtsystem Rail 

Fahrzeug, Fahrweg und Interaktion 

magazine 

Nr. 14, II-2013 

Im Interview: 

Dr. Jochen Eickholt 

Im Interview: 

Prof. Klaus Rießberger 

Innovative Modellierungs-, Simulations- und Messverfahren 

Rad-Schiene Kraftschluss ■ Virtuelle Homologation 

Sicherheit ■ Schallabsorbierung und Schwingungsreduktion

Inhalt Nr.14, II-2013 

4-6 7 Interview 

Geballtes Know-how 

Starker Aufwärtstrend bei Rail-Anwendungen 

am VIRTUAL VEHICLE: Neben der Analyse des 

Rad-Schiene-Kontakts als Schnittstelle zwischen 

Fahrzeug und Fahrweg sind Verschleißminimierung, 

Lärmreduktion und Energieeffizienz 

die Herausforderungen der Zukunft. 

14 Gastbeitrag 

Innovative Schienentechnologien 

Die voestalpine Schienen GmbH ist federführend 

bei der Entwicklung von neuen Technologien 

für den Schienensektor. Dabei spielt das 

Verständnis für die grundlegenden Mechanismen 

im Rad-Schiene Kontakt eine zentrale 

Rolle. 

20 Interview 

Im Interview: Dr. Jochen Eickholt 

Die Entwicklung der Bahn der Zukunft wird in 

den nächsten Jahren primär kostengetrieben 

und weniger technologiegetrieben sein. Der 

Leiter der Division Rail Systems der Siemens 

AG berichtet über aktuelle Trends in der Schienenfahrzeugindustrie. 

2 magazine Nr. 14, II-2013 

Eisenbahnen auf der Überholspur 

Prof. Klaus Rießberger hat dem europäischen 

Eisenbahnwesen nachhaltig seinen Stempel 

aufgedrückt. Mit dem VVM sprach der emeritierte 

Universitätsprofessor über die künftigen 

technischen und organisatorischen Herausforderungen 

der Eisenbahnen in Europa. 

16 

Geräuschreduktion 

VIRTUAL VEHICLE beschäftigt sich seit Jahren 

mit dem Thema Geräuschentwicklung im Schienenverkehr. 

Ziel ist es, das Geräusch am Ort 

der Entstehung zu bekämpfen und damit andere 

Maßnahmen wie Lärmschutzwände überflüssig 

zu machen. 

23-29 

Sandung, Fahrkomfort und E/E 

Beiträge zu optimierten Sandungsanlagen, der 

verbesserten Prognosesicherheit bei der Komfortauslegung 

von Schienenfahrzeugen oder 

durchgängige Toolketten für E/E-Systeme im 

Eisenbahnbereich zeigen das weite Spektrum 

der Rail-Forschung am VIRTUAL VEHICLE. 

8-13 

Fahrzeug, Fahrweg & RCF 

Effiziente Methoden zur Bewertung des Zusammenspiels 

von Fahrzeug und Fahrweg, der 

Rad-Schiene-Kontakt und das Verschleiß- und 

Schädigungsverhalten stehen im Mittelpunkt 

dieses Themenblocks. 

18 

Virtuelle Fahrwerksentwicklung 

Numerische single- oder multidisziplinäre Optimierungsverfahren 

gewinnen in der Entwicklung 

hochkomplexer Produkte wie Schienenfahrzeuge 

an Bedeutung. Die Integration dieser 

Methoden in die Produktentwicklungsprozesse 

wird dabei besonders berücksichtigt. 

30 Gastbeitrag 

Institut für Eisenbahnwesen 

Impulse für ein betrieblich, technisch und wirtschaftlich 

erfolgreiches System Bahn: Das Institut 

für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft 

steht für eine umfassende Sicht auf das System 

Bahn und berücksichtigt neben wirtschaftlichen 

auch betriebliche und technische Aspekte.

Schiene mit System 

Der Bereich Rail ist seit der Gründung des VIRTUAL VEHICLE ein 

wesentlicher Grundpfeiler der Forschungsaktivitäten. Aus einer Vielzahl 

von übergreifenden Projekten bildete sich mit der ganzheitlichen 

Betrachtung des Systems Bahn eines der erfolgreichsten und zugleich 

integrativsten Forschungsfelder. 

Dr. Jost Bernasch, Geschäftsführer 

Dr. Michael Schmeja, Leitung Area Informations- und Prozessmanagement, Koordinator Rail 

Leichter, leiser, wirtschaftlicher 

Energieeffizienz sowie Herstellungs- und Instandhaltungskosten 

– das sind die elementaren 

Innovationstreiber im Bereich Rail. Die 

technische Raffinesse und Performance des 

Systems Bahn muss sich vor dem Hintergrund 

stark steigender Beanspruchung von Fahrzeug 

und Fahrweg bewähren: Die Überlastung bestimmter 

Gleisabschnitte steigt, die Zugfolgezeiten 

werden laufend kürzer und die Triebfahrzeuge 

verfügen über eine immer effizientere 

Kraftübertragung. 

Belastungen vorherzusagen und Programme 

zu entwickeln, mit deren Hilfe überprüft werden 

kann, wie Schäden entstehen, wie sie wachsen 

und welches Material verwendet werden muss, 

um Schäden hinauszuzögern, ist nur eine der 

aktuellen Forschungsaufgaben des VIRTUAL 

VEHICLE. Ziel ist es, für den künftigen Bahnausbau 

etwa Rad und Schiene besser aufeinander 

abzustimmen, Schädigung und Verschleiß 

zu minimieren und so den Wartungsaufwand 

und auch das Unfallrisiko zu senken. 

Das COMET K2 Forschungsprogramm am 

VIRTUAL VEHICLE führt die wichtigsten europäischen 

Partner der Eisenbahnindustrie zusammen. 

Netzbetreiber wie ÖBB, DB und SBB 

finden sich ebenso in den Forschungsprojekten 

wie Siemens oder voestalpine und andere 

Schienenfahrzeughersteller und Zulieferer. 

Impressum: 

Medieninhaber, Herausgeber, Verleger: 

Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug 

Forschungsgesellschaft mbH (ViF) 

A-8010 Graz, Inffeldgasse 21A 

Tel.: +43 (0)316-873-9001 Fax: ext 9002 

E-Mail: office@v2c2.at Web: www.v2c2.at 

Redaktion und Gestaltung: 

Wolfgang Wachmann, Lisa Pichler 

Fotos: ViF, Industriepartner, TU Graz 

FB: LG f. ZRS Graz, FN: 224755 Y 

UID: ATU54713500 

Das Gesamtsystem Rail 

Wie bei der Entwicklung im Automobilbereich 

kommt auch bei Rail-Anwendungen der Gesamtsystembetrachtung 

eine wichtige Rolle 

zu, um sie in Bezug auf Sicherheit sowie Wartungs- 

und Betriebskosten optimal auslegen 

zu können. Die unterschiedlichen Aspekte mit 

den aktuellen Forschungsthemen zu Fahrzeug, 

Fahrweg und der Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion 

stellen wir Ihnen auf den folgenden Seiten 

vor. 

Neben einem Überblick über die komplexe 

Interaktion des Systems Bahn taucht diese 

Ausgabe des VVM auch in die Tiefe der Teilmaterie. 

Physikalische Effekte im Rad-Schiene 

Kraftschluss, innovative Modellierungs-, Simulations- 

und Messverfahren oder die Schritte zu 

einer virtuellen Homologation werden ab Seite 

4 beleuchtet. Jenseits theoretischer Betrachtung 

bietet die Forschungsarbeit aber auch 

handfeste Anwendungsorientierung: Versuche 

und aktuelle Erfahrungsberichte aus dem realen 

Bahnbetrieb liefern wir dazu ab Seite 12. 

Gemeinsam ans Ziel 

Wie stark bereichsübergreifend das Thema Rail 

am VIRTUAL VEHICLE erforscht wird, zeigen 

Beiträge der Areas „Information & Process Management“ 

(Seite 18), Forschungen zur funktionalen 

Sicherheit in der Area „E/E & Software“ 

(Seite 28), Schallabsorbierung und Schwingungsreduktion 

in der Area „NVH & Friction“ 

(Seite 16) bis hin zur Optimierung von Sandungsanlagen 

in der Area „Thermodynamics“ 

(Seite 23). 

Besonderer Dank gilt an dieser Stelle den Gastautoren 

unserer Partner aus Industrie und Forschung, 

die das Gesamtbild der „Schiene mit 

System“ vervollständigen: 

Prof. Klaus Rießberger, Emeritus der TU Graz 

und wesentlicher Initiator des Themas Rail am 

VIRTUAL VEHICLE, zeigt als einer der profundesten 

Kenner des europäischen Eisenbahnwesens 

die künftigen technischen und organisatorischen 

Herausforderungen der Eisenbahnen 

in Europa auf (Seite 7) und Dr. Jochen 

Eickholt / Siemens AG wirft für das VVM einen 

umfassenden Blick auf die Trends in der Schienenfahrzeugindustrie 

(Seite 20). 

Wir hoffen, Sie teilen unsere Faszination über 

die Weite dieses Forschungsfeldes und wünschen 

Ihnen viel Vergnügen bei der Lektüre 

dieses Magazins! 

Das Kompetenzzentrum VIRTUAL VEHICLE wird im Rahmen von COMET – Competence Centers for Excellent Technologies 

durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT), das Österreichische Bundesministerium 

für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), das Land 

Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG) gefördert. Das Programm COMET wird durch die FFG abgewickelt. 

magazine Nr. 14, II-2013 

3

Geballtes Know-how für Schiene 

und Fahrzeug 

Starker Aufwärtstrend bei Rail-Anwendungen am VIRTUAL VEHICLE: Neben der Analyse und Beschreibung 

des Rad-Schiene-Kontakts als Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Fahrweg sind Verschleißminimierung, 

Lärmreduktion und Energieeffizienz die Herausforderungen der Zukunft. Neue Online-Messmethoden lassen 

den Instandhaltungsbedarf an Schiene und Fahrzeug rechtzeitig im Betrieb erkennen. 

Im Zentrum der Rail-Aktivitäten am VIRTUAL 

VEHICLE steht die ganzheitliche Betrachtung 

des Systems Bahn. Diese umfasst das Fahrzeug 

selbst, den Fahrweg und die Fahrzeug- 

Fahrweg-Interaktion. Allein dieser Umstand 

zeigt, dass Know-how aus allen relevanten 

Fachdisziplinen vonnöten ist, um die Berechnung 

und Simulation über alle technischen und 

prozessorientierten Bereiche hinweg adäquat 

abzudecken (siehe Abbildung 1). Die realitätsnahe, 

computerunterstützte Modellierung des 

Systems Bahn spielt bereits in einer frühen 

Phase der Produktentstehung eine entscheidende 

Rolle. 

Noch stärker als im Automotive-Bereich sind 

auch bei den Schienenfahrzeugen Energieeffizienz 

und Kosten die wahren Innovationstreiber. 

Die technischen Superlative in punkto Höchstgeschwindigkeit 

treten – wie etwa am Beispiel 

des ICE X – in den Hintergrund. Die Fahrzeuge 

müssen leichter, leiser und billiger werden, wo- 

Abbildung 1: System Eisenbahn – relevante Aspekte 

Quelle: VIRTUAL VEHICLE 


bei gleichzeitig die Sicherheit und Performance 

zumindest beibehalten werden muss. 

Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion 

Verständlich, dass daher ein großer Schwerpunkt 

der Forschungsarbeiten am VIRTUAL 

VEHICLE auf den Schnittpunkt zwischen 

Fahrzeug und Schiene gelegt wird. Die bisherigen 

Modelle der klassischen Kontaktmechanik 

stoßen an ihre Grenzen. Sie beschäftigen 

sich nicht ausreichend mit den tribologischen 

Effekten und genau da wurden am VIRTUAL 

VEHICLE in den letzten Jahren Schwerpunkte 

gesetzt. Einflüsse wie z.B. von Zwischenschichten, 

von Temperaturen oder Rauigkeiten 

im Rad-Schiene-Kontakt werden geeignet abgebildet 

(siehe z.B. Abbildung 2). 

Diese Aspekte gilt es, auf einer physikalischen 

Basis zu klären – wohl wissend, dass sich der 

Spagat zwischen kurzen Rechenzeiten und vernünftigen 

Modellen wie ein roter Faden durch 

das Thema Rollkontakt zieht. 

Ziel ist es, die Effekte nicht nur abzubilden sondern 

auch zu verstehen. Erst dann können in 

einem zweiten Schritt Maßnahmen abgeleitet 

werden, um das System insgesamt zu verbessern. 

Kostenfaktor Gleisgeometrie 

Ein Gleis ist im Grund nie ideal verlegt, es 

entstehen im Laufe der Zeit durch betriebliche 

und umweltrelevante Einflüsse geometrische 

Abweichungen von der Ausgangslage. Es zeigt 

sich, dass man alleine auf Basis der Schienengeometrie 

keine allgemeingültigen Aussagen 

über die Gleislagequalität treffen kann. Verschiedene 

Fahrzeuge reagieren auf dieselbe 

vorhandende Schienengeometrie unterschied-

lich. Die Rail-Experten am VIRTUAL VEHICLE 

versuchen, neue Lösungen zu entwickeln, die 

die Interaktion des Fahrwegs mit dem Fahrzeug 

berücksichtigen (siehe Abbildung 3). Schließlich 

muss methodisch bewertbar sein, ob ein 

Schienenfahrzeug mit der Gleisgeometrie auf 

der Strecke ein Problem hat und ob etwas getan 

werden muss, damit ein sicherer Verkehr 

gewährleistet ist. Dadurch ist es möglich, dass 

die vorhandenen Geldmittel beim Tausch von 

Schienensträngen noch effizienter eingesetzt 

werden können. Das Thema betrifft auch den 

Bereich der Fahrzeugzulassung. Denn auch 

in den diesbezüglichen Normen finden sich 

rein geometrische Kenngrößen, wie das Gleis 

aussehen muss. Gerade im Hinblick auf internationale 

Zulassungen gilt es ebenfalls, die 

unterschiedlichen Gleislagen hinsichtlich der 

Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion zu bewerten. 

Virtuelle Zulassungen 

Der Trend geht eindeutig in Richtung virtuelle 

Zulassungen über Simulationen und weg von 

den Messfahrten. Die Kernfragen dabei: Ist der 

Entwicklungsprozess sicher und haben auch 

die Tools die entsprechende Qualität für die Zulassung? 

Es ist also nicht nur wichtig, dass der 

Ingenieur das Fahrzeug richtig modelliert, sondern 

dass man davon ausgehen kann, dass das 

Simulationsprogramm keine Fehler erzeugt. 

Verschleiß und Schädigung 

Auch beim Thema Verschleiß und Schädigung 

– Rissinitiierung und Risswachstum – liegt 

ein Hauptaugenmerk darauf, zu verstehen, 

welche Parameter im System Eisenbahn die 

wesentlichen Treiber dieser Phänomene sind. 

Aufgrund der komplexen Zusammenhänge der 

Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion ist es nur möglich, 

die Phänomene und Ursachen zu erklären, 

indem die physikalischen Effekte ausreichend 

genau abgebildet werden. Die daraus entstehenden 

Modelle erlauben es in weiterer Folge, 

Optimierungen am System Bahn vorzunehmen. 

Intensiv setzt man sich in diesem Zusammenhang 

mit der Materialmodellierung auseinander 

– speziell was die Abbildung der hohen plastischen 

Verformung an der Oberfläche betrifft. 

Denn sie hat eine enorme Bedeutung, um das 

Thema Verschleiß und Schädigung zu erklären 

(siehe Abbildung 4). Das betrifft sowohl das 

Schienenfahrzeug selbst, als auch den Fahrweg, 

denn es gibt ähnliche Phänomene auf 

beiden Seiten. 

Funktionale Sicherheit im Fokus 

Im Eisenbahnbereich ist die „Funktionale 

Sicherheit“ allgegenwärtig. Darunter ist die 

Fähigkeit eines sicherheitsbezogenen elektrischen 

und elektronischen Systems zu verstehen, 

um beim Auftreten von systematischen 

und zufälligen Fehlern einen sicheren Zustand 

zu gewährleisten. Am VIRTUAL VEHICLE widmet 

man sich schon heute diesen Fragen mit 

einem Projekt, das neue Methoden, Prozesse 

und Tools für Systemmodellierung, Softwarearchitektur, 

Sicherheitsanalysen sowie Verifikations- 

und Validierungsmaßnahmen umfasst. 

Lärm: Beim Verursacher ansetzen 

Schienenfahrzeuge verursachen zwangsläufig 

Lärm, gegen den es nur zwei Gegenmaßnahmen 

gibt: Entweder die Schienenwege in 

verbautem Gebiet mit Lärmschutzwänden zu 

versehen oder direkt beim Verursacher anzusetzen. 

Zu letzterem Aspekt hat das VIRTUAL 

VEHICLE das Projekt Rad-Schiene-Schallabsorber 

durchgeführt. 

Hier werden sowohl auf dem Prüfstand als 

auch in der Simulation gemeinsam mit Siemens 

und der voestalpine Schiene Maßnahmen zur 


Abbildung 2: Rauigkeiten 

im Rad-Schiene Kontakt 

– Einfluss auf „reale“ 

metallische Kontaktfläche 


Schwingungsreduktion an Rad und Schiene 

untersucht. 

Selbstverständlich sind beim Lärm auch die 

aeroakustischen Aspekte zu erwähnen. Voraussetzung 

ist eine CFD-Analyse, die Aussagen 

über die Aerodynamik trifft. In einem 

nachgeschalteten Rechengang werden jene 

Verwirbelungen unter die Lupe genommen, 

die aeroakustische Auswirkungen haben. Ziel 

ist es, eine disziplinübergreifende Optimierung 

herbeizuführen. 

Partnerschaftliche Kooperation mit 

Industrie und Wissenschaft 

Leitlinie für alle Aktivitäten im Rail-Bereich des 

VIRTUAL VEHICLE ist das Bestreben, Partner 

wie Siemens, die ÖBB, die Schweizer Bahn, 

die Deutsche Bahn oder Schienenhersteller 

wie die voestalpine Schienen zu unterstützen. 

Die erzielten Ergebnisse aus der anwendungsorientierten 

Forschung werden geeignet dokumentiert, 

damit die Partner (Schienenfahrzeughersteller, 

Infrastrukturbetreiber, Zulieferer und 

Komponentenlieferanten) diese noch schneller 

in ihre Prozesse integrieren können. Damit 

kennt das VIRTUAL VEHICLE auch genau den 

Bedarf der Industrie - nicht zuletzt auch durch 

die Präsenz in vielen Gremien, wie etwa in der 

Österreichischen Verkehrswissenschaftlichen 

Gesellschaft (ÖVG), wo das VIRTUAL VEHICLE 

im Arbeitskreis Schienenfahrzeuge Mitglied ist 

und eine Arbeitsgruppe leitet. Das ist gelebte 

Synergie zwischen Industrie und Wissenschaft. 

Einer der wichtigsten wissenschaftlichen Partner 

ist die TU Graz. Mit den Instituten für Mechanik, 

Baumechanik, Leichtbau, Eisenbahnwesen 

und Verkehrswirtschaft gibt es eine rege 

Zusammenarbeit in Projekten, Dissertationen 

und Diplomarbeiten. Dass Graz ein idealer Boden 

ist, um Eisenbahnforschung zu betreiben, 

5

Abbildung 3: Entwicklung neuer 

Interaktions-Bewertungsmethoden unter 

Anwendung von MKS Simulationen 


zeigt sich auch in der guten Zusammenarbeit 

des VIRTUAL VEHICLE mit Siemens, das sein 

Weltkompetenzzentrum für Fahrwerke ebenfalls 

in der steirischen Landeshauptstadt angesiedelt 

hat. 

Fachbereich mit großem 

Zukunftspotenzial 

Die Wichtigkeit des Themas Rail zeigt sich am 

VIRTUAL VEHICLE auch im Personalstand - 

gut 15 Prozent der beschäftigten Mitarbeiter 

befasst sich intensiv mit diesem Thema. In 

der ersten Förderperiode wurden elf K2-Rail- 

Projekte - quer über alle Forschungsareas - mit 

Abbildung 4: Metallographische Untersuchungen an einem Schienenquerschnitt 



einem Volumen von 11 Millionen Euro definiert 

– Tendenz steigend. Darüber hinaus wurden 

Dienstleistungen im Umfang von mehreren 

hunderttausend Euro erfolgreich abgearbeitet. 

Zukunftsthema Diagnose-Monitoring 

Die Zukunft hat am VIRTUAL VEHICLE bereits 

begonnen: Schadensfrüherkennung ist die Herausforderung 

der kommenden Jahre. Hier geht 

es um die Entwicklung von neuen Methoden 

und Ansätzen wie man durch Onboard-Messungen 

den Instandhaltungsbedarf online auf 

Fahrzeug- und Fahrwegseite sichtbar machen 

kann. Damit kann bewertet werden, wie sich 

das Fahrzeug insgesamt und einzelne Komponenten 

(z.B. Dämpfer) aktuell verhalten oder 

wie Kräfte im Rad-Schiene-Kontakt wirken. 

Resümee 

Die Bahn der Zukunft wird leiser, wirtschaftlicher 

und zuverlässiger sein. Durch langjährigen, 

stabilen Kompetenzaufbau verfügt das 

VIRTUAL VEHICLE über ein umfassendes 

System-Know-how und die entsprechenden 

Entwicklungstools, um die Zukunft der Bahn 

erfolgreich mitzugestalten. ■ 

Zu den Autoren 

Dr. Michael Schmeja leitet 

die Area Informations- 

und Prozessmanagement 

und koordiniert die 

Querschnittsfunktion Rail 

am VIRTUAL VEHICLE. 

Dr. Martin Rosenberger 

ist stellvertretender Bereichsleiter 

des Bereichs 

„Mechanics & Materials“ 

am VIRTUAL VEHICLE. 

Dr. Klaus Six ist Key 

Researcher im Bereich 

Vehicle Dynamics – Rail 

Applications am VIRTUAL 

VEHICLE.

VVM: Sie waren 25 Jahre lang Universitätsprofessor 

für Eisenbahnwesen. Was hat sich in dieser 

Zeit im System Bahn verändert? 

Rießberger: 1984 war die Eisenbahn in der 

öffentlichen Wahrnehmung ein abgewirtschaftetes, 

vielleicht historisch interessantes, aber 

weitgehend unmodernes Transportmittel. Sie 

wurde europaweit lieblos verwaltet und es 

hat nur sehr wenige Leute gegeben, die sich 

um ihre Zukunft bemüht haben. Die „moderne 

Technologie“ hieß Automobil, gefördert von 

den im großen Stil errichteten Autobahnen und 

Straßen. Mittlerweile haben sich die Umfeldbedingungen 

verändert – das Auto stößt zunehmend 

an seine Grenzen, wie wir täglich an den 

Staus in den Ballungszentren sehen können. 

Die Transportzeiten per Automobil wurden unzuverlässig 

während die Bahn aufgrund ihrer 

peniblen Planung gleichzeitig das zuverlässigere 

Fortbewegungsmittel geworden ist. Die 

ÖBB hat sich zur pünktlichsten Bahn der EU 

entwickelt. 

Spätestens 1989 wurde man sich auch in Österreich 

der Potentiale des Bahnsystems bewusst. 

Der letzte Satz meiner Antrittsvorlesung 1984 

war: „Wir haben hier einen Rosenstock, den wir 

mit einiger Pflege zu einem blühenden Strauch 

entwickeln können“. Und heute stelle ich fest, 

dass dies auch über weite Strecken gelungen 

ist. Man hat der Bahn den Weg frei geräumt für 

ein eigenes Agieren in ihrem Umfeld. Manche 

Bahnen in Europa haben diesen Prozess noch 

nicht abgeschlossen, wenn ich z.B. an Italien, 

Frankreich oder einige Bahnen im Osten der 

EU denke. Aber die öffentliche Wahrnehmung 

hat sich zum Positiven gewandelt. Der Ausbau 

der Hauptstrecken hat in Österreich Vorrang. 

Seit 9. Dezember 2012 fährt die ÖBB von Wien 

nach Salzburg in 2 Stunden 22 Minuten. Auch in 

Richtung Süden sind mit dem Koralm- und dem 

Semmeringtunnel endlich die richtigen Zeichen 

gesetzt. 

VVM: Von einem „Vereinten Europa der Eisenbahnen“ 

sind wir dennoch weit entfernt – wie 

die national verankerten Zulassungsbedingungen 

für Schienenfahrzeuge zeigen. 

Rießberger: Das sollte natürlich ein harmonisierter 

Prozess sein. Leider haben sich in Eu- 

ropa die „Bahnen der Ingenieure“ in „Bahnen 

der Juristen“ verwandelt, die eine Flut von Vorschriften, 

Normen und Festlegungen zu erfüllen 

haben. Dazu treten die Kaufleute mit penibler 

Kostenverfolgung. Gemessen wird nicht mehr 

der technische Erfolg an sich, sondern die Life- 

Cycle-Costs und andere unternehmerische 

Kennzahlen. 

VVM: Wie sieht Ihrer Meinung nach der Eisenbahn-Ingenieur 

der Zukunft aus? 

Rießberger: Im Eisenbahnwesen war es immer 

notwendig, bei technischen Entscheidungen die 

wirtschaftliche Auswirkung gleichberechtigt zu 

bedenken. Dafür muss der künftige Eisenbahn- 

Ingenieur entsprechend ausgebildet werden. 

Das traditionelle Schachterl-Denken muss 

überwunden werden. Maschinenbauer gegen 

Bauleute, Bauleute gegen Elektriker usw. Es 

wird nicht funktionieren, wenn jeder nur seinen 

Schrebergarten verwaltet. Ein Curriculum, das 

mehr auf eine Tätigkeit bei der Bahn – oder der 

affinen Industrie – abzielt, wäre wichtig - etwa 

eine allgemeine Bauingenieur-Ausbildung mit 

maschinentechnischen Elementen. Das System 

Eisenbahn erfordert auch ein Denken im System. 

Die Frage, ob es in der Bahn in Zukunft noch 

Ingenieure geben wird, ist berechtigt. Laut FAZ 

will die Deutsche Bahn in den nächsten Jahren 

8000 Ingenieure einstellen. Das Interesse an 

diesen Tätigkeiten ist derzeit noch überschaubar. 

Was fehlendes Ingenieurs-Know-how bewirken 

kann, ist an den Bahnen Englands und 

der Niederlande zu besichtigen. In Österreich 

scheidet derzeit eine ganze Reihe verdienter 

Ingenieure aus. Leider wurde hinter diesen 

Führungskräften keine zweite Reihe aufgebaut. 

VVM: Sie sagen, die Schiene holt gegen die 

Straße auf. Wie wird es in 20 Jahren aussehen? 

Gibt es eine nennenswerte Verlagerung 

und wird sich diese vergrößern? 

Rießberger: Die Umgebungsbedingungen bleiben 

ja nicht gleich. 2030 wird es auf jeden Fall 

enger, weil die Bevölkerung in Europa und in 

der Welt weiterhin wächst. Wir werden dann 

nicht mehr die Straßen haben, um alle Autos 

gleichzeitig bewegen zu können. Es wird billiger 


Interview 

Die Eisenbahnen sind auf der Überholspur 

Prof. Klaus Rießberger hat dem europäischen Eisenbahnwesen nachhaltig seinen Stempel aufgedrückt. Mit 

dem VIRTUAL VEHICLE MAGAZIN sprach der emeritierte Universitätsprofessor über die künftigen technischen 

und organisatorischen Herausforderungen der Eisenbahnen in Europa. 

und bequemer sein, das Auto stehen zu lassen 

und auf den öffentlichen Verkehr umzusteigen. 

In Wien ist es ja bereits soweit. 

VVM: Was sehen sie als Herausforderung aus 

technischer Sicht für die europäischen Eisenbahnen? 

Rießberger: Lärm und Erschütterungen stehen 

an der Spitze der zu lösenden Fragen. Bei etwa 

400 Zugfahrten pro Tag - wie auf einigen österreichischen 

Strecken - verstehe ich den Unmut 

der Bürger. Für die Bahn selbst ist die größte 

Herausforderung eine verlässliche Betriebsabwicklung. 

Hier hat die ÖBB schon viel getan. 

VVM: Wie kann eine Institution wie das VIR- 

TUAL VEHICLE ihren Beitrag für das klaglose 

Funktionieren des Systems Bahn und die Reduktion 

der Lärmemissionen leisten? 

Rießberger: Durch Ideen zur laufenden Verbesserung 

der Bahn in allen Teilen, wobei das 

Denken die Kosten und die Einführung („Migration“) 

einschließen muss. Zur Sicherstellung 

der zuverlässigen Funktion des Systems „Bahn“ 

sollte der Bereich „Rail Systems“ im VIRTUAL 

VEHICLE“ weiter ausgebaut werden. 

Weil die ÖBB den Weiterentwicklungen immer 

positiv gegenübergestanden sind, hat sich 

in Österreich eine nennenswerte Anzahl von 

Firmen entwickelt, die auf ihrem Gebiet Weltmarktführer 

sind. Diese offene Tür muss auch 

künftig von Forschungsunternehmen wie dem 

VIRTUAL VEHICLE genutzt werden. ■ 

Forschungs-Partner 

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. 

Klaus Rießberger 

leitete von 1984 bis 2009 

das Institut für Eisenbahnwesen 

und Verkehrswirtschaft 

der TU Graz und ist 

unter anderem Präsident 

der Europäischen Eisenbahningenieurverbände 

(UEEIV). 

7

Fahrzeug und Fahrweg - 

eine gemeinsame Interaktion 

Ein transeuropäisches Eisenbahnsystem erfordert einen sicheren und durchgehenden Zugverkehr. Am VIRTUAL 

VEHICLE werden hierfür neue effiziente Methoden zur Bewertung des Zusammenspiels von Fahrzeug und 

Fahrweg entwickelt, welche eine gemeinsame Anwendung bei Fahrzeughersteller und Infrastrukturbetreiber 

ermöglichen. 

Das Zusammenwirken von Fahrzeug und 

Fahrweg spielt in vielen Bereichen des Eisenbahnbetriebs 

eine wichtige Rolle. Für Fahrzeughersteller 

sind in Bezug auf die Auslegung 

von Schienenfahrzeugen die Bereiche Fahrsicherheit, 

Fahrkomfort und Akustik von großer 

Bedeutung. Für die Infrastrukturbetreiber ist 

ein gutes Zusammenwirken wesentlich für eine 

möglichst kosteneffiziente Instandhaltung. 

Zur Berücksichtigung dieser gemeinsamen Interaktion 

von Fahrzeug und Fahrweg müssen 

sowohl den Fahrzeugherstellern als auch den 

Infrastrukturbetreibern sinnvolle und effiziente 

Methoden zur Bewertung des Zusammenspiels 

zur Verfügung gestellt werden. Die derzeit gültigen 

Europäischen Normen EN 14363 und EN 

13848 bieten hierfür jedoch beiden Partnern 

keine zufriedenstellenden Lösungen. 

Problematik der normativen 

Bewertungsmethoden 

Die Untersuchungen des Fahrzeug-Fahrweg- 

Systems zeigen, dass neben den Betriebsbe- 

Abbildung 1: Darstellung von Gleislageabweichungen im Wellenlängenbereich als Basis 

für eine Interaktionsanalyse 



dingungen das dynamische System im Wesentlichen 

von den Gleislageabweichungen 

angeregt wird. Das Fahrzeug wird bei der Überfahrt 

in Schwingung versetzt, wodurch sich 

wiederum Beschleunigungen im Fahrzeug und 

auch rückwirkende Fahrzeugreaktionskräfte 

auf den Fahrweg ergeben. 

Die in den Europäischen Normen definierten 

Methoden zur Bewertung von Gleislageabweichungen 

berücksichtigen diese Interaktion jedoch 

nicht. Als Beurteilungsgrößen werden in 

den beiden genannten Normen nur die Kenngrößen 

‚Maximalwert‘ und ‚Standardabweichung‘ 

der geometrischen Gleislageabweichungen 

herangezogen. Verschiedene Fahrzeugtypen 

in Kombination mit unterschiedlichen Betriebsbedingungen 

wie Fahrzeuggeschwindigkeit, 

Rad/Schiene-Profilpaarungen und Kontaktbedingungen 

reagieren dagegen unterschiedlich 

auf die gleichen geometrischen Gleislageabweichungen. 

Diese Variationen bleiben in den 

aktuellen normativen Gleislage-Bewertungsmethoden 

durch die reine Beurteilung von geometrischen 

Kenngrößen völlig unberücksichtigt. 

TGA-Methode berücksichtigt 

Interaktion 

Am VIRTUAL VEHICLE wurde im Rahmen 

eines Forschungsprojekts in Kooperation mit 

Siemens AG Österreich und der voestalpine 

Schienen GmbH die sogenannte Track Geometry 

Assessment (TGA) Methode entwickelt. 

Diese Methode berücksichtigt im Vergleich zu 

den normativen Bewertungsmethoden die Interaktion 

von Fahrzeug und Fahrweg durch eine 

Abschätzung der zu erwartenden Fahrzeugreaktionen. 

Hierfür werden nicht nur wie in der 

Europäischen Norm die Störungsamplituden 

der Gleislageabweichungen, sondern auch 

die in Abbildung 1 dargestellten Wellenlängenanteile 

der Abweichungen und folglich deren 

Auswirkungen auf das Fahrzeugverhalten bewertet. 

Theoretische Überlegungen und auch 

praktische Erfahrungen der Projektpartner zeigen, 

dass die Überfahrt eines Fahrzeugs über 

zwei, in Abb. 1 dargestellten geometrischen 

Gleislagefehler (Einzelfehler und Fehler mit 

charakteristischer Störung) trotz gleicher Störungsamplituden 

ein stark unterschiedliches 

dynamisches Fahrzeugverhalten verursachen 

kann. 

Zur Berücksichtigung dieses Effekts werden bei 

der TGA-Methode die Gleislageabweichungen 

in den Wellenlängenbereich transformiert und 

mit sogenannten repräsentativen empirischen 

Übertragungsfunktionen gewichtet. Durch die 

Verwendung solcher Übertragungsfunktionen 

kann das Verhalten von verschiedenen Fahrzeugen 

bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen 

optimal berücksichtigt werden. Nach 

der Gewichtung erfolgt wiederum eine Rücktransformation 

in den Wegbereich. Die damit im 

Wegbereich vorliegenden geschätzten dynamischen 

Verläufe der Fahrzeugreaktionen ermöglichen 

eine ausgezeichnete Bewertung des 

Zusammenspiels von Fahrzeug und Fahrweg. 

Ergebnisse der TGA-Methode 

Zur Analyse der Ergebnisse der TGA-Methode

wurden Mehrkörpersystem (MKS) Simulationen 

durchgeführt. Hierfür wurde ein Fahrzeugmodell 

mit sehr hoher Modelltiefe gewählt und mit 

realen Gleislagestörungen angeregt. Als Referenzgröße 

für die Interaktion wird in diesem 

Beispiel die laterale Fahrzeugreaktionskraft herangezogen. 

In Abbildung 2 ist der Zusammenhang 

von Abschnittsmaximalwerten zwischen 

MKS-Referenzsimulation und TGA-Schätzung 

(violett) und MKS-Referenzsimulation und Regressionsmodell 

mit normativen Bewertungsgrößen 

(orange) dargestellt. Die Qualität der 

Maximalwertschätzung wird in der Punktwolkendarstellung 

durch die Streuung der Punkte 

um die Proportionalitätsgerade (grüne Linie) 

ausgedrückt. In der Abbildung ist ersichtlich, 

dass die TGA-Methode auf Grund des berücksichtigten 

Fahrzeugverhaltens bei der Interaktionsbewertung 

eine deutlich geringere Streuung 

und somit bessere Ergebnisse gegenüber den 

Methoden der Europäischen Normen liefert. 

Daraus können schlussendlich sehr effiziente 

Maßnahmen für die Fahrzeugauslegung bzw. 

Fahrweginstandhaltung abgeleitet werden. 

Interaktionsrelevante 

Systemparameter 

In einem aktuellen Forschungsprojekt wird 

ein Verfahren für die Bewertung der Interaktion 

von Fahrzeug und Fahrweg entwickelt, 

welches neben den Betriebsbedingungen auch 

noch die nichtlinearen Effekte des Fahrzeug- 

Fahrweg-Systems (z.B. Bauteilkennlinien oder 

Rad-Schiene Kontakt) in ausreichendem Maße 

mit einbezieht. Hierfür ist es notwendig, die 

Interaktionsrelevanz von unterschiedlichen 

Betriebsbedingungen bzw. von nichtlinearen 

Effekten mit Methoden der Statistik - insbeson- 

Abbildung 2: Vergleich der TGA-Methode mit aktuellen Methoden aus den Europäischen Normen 

dere der Sensitivitätsanalyse - zu bestimmen. 

Basierend auf einer systematischen Versuchsplanung 

kann damit ein Verfahren entwickelt 

werden, welches die Systemparameter entsprechend 

ihrer Interaktionsrelevanz berücksichtigt. 

Zu beachten ist dabei jedoch, dass 

die dafür notwenigen Systeminformationen 

wie z.B. Reibungsverhältnisse im Rad-Schiene 

Kontakt nicht immer hinreichend bekannt sind. 

Die daraus resultierenden Auswirkungen werden 

daher hinsichtlich Robustheit des Verfahrens 

zurzeit untersucht. 

Zeitliche Interaktionsveränderung 

Aufgrund der begrenzten Mittel und des 

Abbildung 3: Betrachtung der gemeinsamen Interaktion und 

Ableitung von Maßnahmen zur Optimierung des Gesamtsystems 


wachsenden Kostendrucks ist eine strikte 

Ausrichtung der Instandhaltung nach den Life- 

Cycle-Costs des Fahrwegs und einer grenzwertorientierten 

Instandhaltung erforderlich. 

Dies bedeutet, dass ein Verfahren zur Bewertung 

der Interaktion, wie in Abb. 3 dargestellt, 

auch eine Prognose der zeitlichen Entwicklung 

der zu erwartenden Interaktion bieten soll. 

Hierfür werden ebenfalls Prognosemodelle entwickelt, 

welche die interaktionsrelevanten Parameter 

in Hinblick auf die zeitliche Veränderung 

entsprechend berücksichtigen. 

Anwendung und Ausblick 

Die Entwicklung des Interaktions-Bewertungsverfahrens 

wird durch die intensive Mitarbeit 

der Industriepartner - auf Seiten der Fahrzeughersteller 

Siemens AG Österreich und 

auf Seiten der Bahnbetreiber Schweizerische 

Bundesbahnen SBB Infrastruktur, DB Netz AG 

und ÖBB Infrastruktur AG in Kombination mit 

dem wissenschaftlichen Partner der TU Graz / 

Institut für Mechanik - optimal ermöglicht. Diese 

gemeinsame Entwicklung bietet ein großes 

Potenzial für eine gemeinsam verwendbare und 

akzeptierte Methode für die Fahrzeughersteller 

und Infrastrukturbetreiber. ■ 

Zum Autor 

Dr. Bernd Luber ist Lead 




VEHICLE. 



9

Die Tribologie bestimmt den Rad- 

Schiene Kontakt 

Der Rad-Schiene Kontakt beim System Eisenbahn bestimmt ganz wesentlich die Fahrzeugdynamik sowie das 

Verschleiß- und Schädigungsverhalten von Fahrzeug und Fahrweg. Kontaktmodelle, die auf der Berücksichtigung 

der komplexen tribologischen Effekte in der Rad-Schiene Schnittstelle basieren, sind von großer Bedeutung für 

die Verbesserung des Systems Bahn in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Kosten. 

Der Rad-Schiene Kontakt stellt die Schnittstelle 

zwischen Fahrzeug und Fahrweg dar. Diese 

Schnittstelle muss auf sehr kleinen Kontaktflächen 

– in der Größe eines Fingernagels – unter 

höchsten Belastungen die Funktionen Tragen, 

Führen sowie Antreiben und Bremsen realisieren. 

Modelle zur Beschreibung der wesentlichen, 

im Rad-Schiene Kontakt auftretenden 

Effekte sind von hoher Bedeutung, da mit deren 

Hilfe das System Eisenbahn unter Verwendung 

von Simulationstools optimiert und teure 

Versuche auf ein Minimum reduziert werden 

können. Typische Fragestellungen in diesem 

Zusammenhang sind z.B. jene der Fahrzeugdynamik 

sowie der Fahrzeug- und Fahrwegschädigung 

aufgrund von Verschleiß, Rollkontaktermüdung 

und Komponentenermüdung (siehe 

auch Beitrag „RCF & Verschleiß: Prognose 

gefragt!“, Seite 12). Um hier jedoch einen entscheidenden 

Schritt voran zu kommen, gilt es, 

die komplexen tribologischen Zusammenhänge 

im Rad-Schiene Kontakt durchgängig zu verstehen 

und in Modellen abzubilden. „Einfache“ 

Standardmodelle reichen dabei häufig nicht 

mehr aus. Dies gilt auch in Verbindung mit den 

weiteren Forschungsschwerpunkten am VIR- 

TUAL VEHICLE im Rail-Bereich (siehe Beiträge 

„Fahrzeug und Fahrweg - eine gemeinsame 

Interaktion“, Seite 8 und „RCF & Verschleiß: 

Prognose gefragt!“, Seite 12). 

State-of-the-art Reibkraftmodelle 

Zur Beschreibung der im Rad-Schiene Kontakt 

entstehenden Reibkräfte gibt es eine Reihe von 

Modellen. Die meisten gehen von konstanter 

Coulombscher Reibung aus, woraus folgt, 

dass das Verhältnis von maximal übertragbarer 

Reibkraft zu Normalkraft entsprechend eines 

vorab zu definierenden Reibungskoeffizienten 

konstant ist. Unter dieser Annahme ergibt sich 

qualitativ der in Abbildung 1 rot dargestellte Zusammenhang 

zwischen dem Längsschlupf und 

dem Kraftschluss. Bei diesem Verlauf können 

je nach Antreiben oder Bremsen grundsätzlich 

zwei Bereiche unterschieden werden. Im 

Mikroschlupfgebiet – einem Bereich mit steil 


ansteigendem Kraftschluss bei kleinen Schlüpfen 

– gibt es in der Kontaktfläche gleichzeitig 

Haft- und Gleitgebiete. Im Makroschlupfgebiet 

– einem Bereich mit konstantem Kraftschluss 

bei hohen Schlüpfen – tritt Gleiten im gesamten 

Kontaktgebiet auf, dabei entspricht der Kraftschluss 

dem vorgegebenen Reibungskoeffizienten 

µ. 

Effekte aus Kraftschlussmessungen 

am Fahrzeug 

Die grüne Kurve in Abbildung 1 stellt qualitativ 

einen typischen, aus Messungen bekannten 

Kraftschlussverlauf dar. Dabei zeigen sich 

über den gesamten Schlupfbereich massive 

Abweichungen im Vergleich zu den erwähnten 

State-of-the-art Modellen, wie geringere Kraftschlussgradienten 

bei kleinen Schlüpfen sowie 

negative Kraftschlussgradienten bei höheren 

Schlupfwerten. Die maximal erreichbaren 

Kraftschlusswerte hängen darüber hinaus von 

der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Normallast 

und den Rad-Schiene Rauigkeiten sowie von 

der Existenz flüssiger und fester Zwischenschichten 

wie z.B. Wasser, Schmutz und Abrieb 

aber auch bewusst eingebrachter Stoffe 

Abbildung 1: Rad-Schiene Kontakt – Kraftschlusscharakteristik 


wie Sand, Schmiermittel oder Friction Modifier 

ab (Abbildung 2). Die erwähnten Phänomene 

lassen sich über Prüfstandsversuche nachweisen 

und treten auch im realen Fahrzeugbetrieb 

auf (siehe auch Abbildung 4, Abhängigkeit des 

Kraftschlussmaximums von der Fahrzeuggeschwindigkeit). 

Die angesprochenen Stateof-the-art 

Modelle können diese Effekte nicht 

beschreiben. Daher werden häufig empirische 

Beschreibungen, d.h. direkt aus Messungen 

und ohne Modellvorstellung, verwendet. Dieses 

Vorgehen birgt allerdings den Nachteil in sich, 

dass die Modellparameter für bestimmte Bedin- 

Abbildung 2: Abhängigkeit des maximalen Kraftschlusses von der 

Fahrzeuggeschwindigkeit, der Normallast und der Rauigkeit 

Quelle: VIRTUAL VEHICLE

gungen eingestellt werden. Ändern sich diese 

Bedingungen, ist das Modell nur mehr bedingt 

gültig. 

Aus diesem Grund legt das VIRTUAL VEHI- 

CLE in Kooperation mit industriellen und wissenschaftlichen 

Partnern einen Forschungsschwerpunkt 

auf die Entwicklung eines 

Reibkraftmodells auf physikalischer Basis. Dieses 

Modell zur Beschreibung der wesentlichen 

tribologischen Effekte im Rad-Schiene Kontakt 

ermöglicht es, auch bei stark variierenden 

Randbedingungen aus Messungen bekannte 

Reibkrafteffekte abzubilden. 

Erweitertes Reibkraftmodell 

Abbildung 3 stellt die Struktur des neu entwickelten 

Modells dar. Dieses Modell berechnet 

in Abhängigkeit von Kontaktgeometrie, Normallast, 

Schlüpfen sowie der Existenz von Zwischenschichten 

die lokale Reibkraftverteilung 

im Kontakt und daraus die resultierenden Reibkräfte 

in Längs- und Querrichtung. Dazu wurde 

eine Reihe von physikalischen Submodulen implementiert 

und miteinander vernetzt. Aufgrund 

der auftretenden Gleiteffekte im Rad-Schiene 

Kontakt stellt sich im Kontakt eine Temperaturverteilung 

ein, die die übertragbaren Reibkräfte 

beeinflusst. Diese Temperaturverteilung 

wird im Kontakttemperaturmodell berechnet. 

Im Mikrokontakt-Modell wird in Abhängigkeit 

der Rad-Schiene-Rauigkeiten und der zuvor 

berechneten Temperatur die „reale“ metallische 

Kontaktfläche der Asperitenkontakte berechnet, 

die im Vergleich zur Annahme von glatten 

Oberflächen generell kleiner ist. Über diese 

„reale“ Kontaktfläche wird zusammen mit einem 

temperaturabhängigen Materialmodell lokal die 

maximal übertragbare Reibkraft bestimmt. Damit 

ist der Reibungskoeffizient keine vorzuge- 

Abbildung 4: Kraftschluss (Längsreibkraft/Normalkraft) 

– Versuche 

mit Lokomotive vs. Simulation bei 

verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten 


bende Inputgröße mehr, sondern wird im Modell 

in Abhängigkeit der physikalischen Größen 

Temperatur und Rauigkeit berechnet. Der Einfluss 

von fluiden Zwischenschichten (z.B. nasse 

Schienen) wird über den sich aufbauenden 

Fluiddruck berücksichtigt. Das Scherverhalten 

der Asperitenkontakte und eventuell vorhandener 

fester Zwischenschichten (z.B. Sand) 

wird über das sogenannte 3rd Body Layer Modell 

berücksichtigt. 

Validierung 

Bei der Entwicklung des Modells wurde auf 

die Validierung großer Wert gelegt. Zunächst 

wurde das Modell durch diverse Prüfstandsversuche 

im Labor validiert und parametriert. 

Anschließend wurden Fahrzeugversuche mit 

einer Lokomotive durchgeführt. In Abbildung 

4 sind typische Versuchsergebnisse den Resultaten 

des neuen physikalischen Reibkraft- 

Abbildung 3: Erweitertes Reibkraftmodell, Struktur und Submodule 


modells gegenübergestellt. Es zeigt sich eine 

sehr gute qualitative und quantitative Übereinstimmung. 

Auch die Geschwindigkeitsabhängigkeit 

wird sehr gut wiedergegeben, was mit 

Standardmodellen nicht erreicht werden kann. 

Anwendung 

Das neu entwickelte physikalische Reibkraftmodell 

ermöglicht im Vergleich zu Standardmodellen 

physikalisch noch fundiertere Prognosen 

hinsichtlich Fahrsicherheit, Fahrwegbeanspruchung 

und Komfort auf Basis von MKS Simulationen. 

Damit kann das Modell einen wichtigen 

Beitrag in Richtung virtueller Zulassung leisten. 

Aber auch bei der Prognose von Verschleiß und 

Rollkontaktermüdung wird über dieses Modell 

eine wesentliche Qualitätssteigerung erreicht. 

■ 

Zum Autor 

Projektpartner 

• Technische Universität Graz 

• University of Sheffield 

• L.B. Foster Rail Technologies 

• ÖBB Infrastruktur AG 

• Siemens AG 

• voestalpine Schienen GmbH 

Dr. Klaus Six ist Key 




VEHICLE. 


11

RCF & Verschleiß: Prognose gefragt! 

Die Instandhaltung von Gleis und Schienenfahrzeugen spielt eine große Rolle, um Qualität und Verfügbarkeit des 

Schienenverkehrs zu gewährleisten. Für die Instandhaltungsplanung ist es notwendig, die Schäden, die durch 

RCF und Verschleiß entstehen, vorherzusagen. Das VIRTUAL VEHICLE entwickelt neue Berechnungsmodelle 

zur Prognose dieser Schäden, wobei durch Verknüpfung von globalem Fahrzeugverhalten mit lokaler 

Schädigung das Gesamtsystem Bahn berücksichtigt wird. 

Rollkontaktermüdung und Verschleiß 

Wenn das Rad die Schiene überrollt, treten 

hohe Kontaktkräfte auf. Diese Kontaktkräfte 

(rund 10 t) verteilen sich auf eine Kontaktfläche 

von der Größe einer 1-€-Münze, eine typische 

Fläche für den Rad-Schiene-Kontakt. Daraus 

ergeben sich hohe Kontaktspannungen, 

die oberflächennah hohe plastische Verformungen 

bewirken. Die große Anzahl an Überrollungen 

führt unter ungünstigen Bedingungen 

zur Bildung von Rissen. Eine bekannte Ausprägung 

dieser sogenannten Rollkontaktermüdung 

(engl. rolling contact fatigue, RCF) sind 

zum Beispiel Head-Checks (siehe Abb. 2). 

Begleitet wird der Rollkontakt immer von einem 

mehr oder weniger großen Verschleiß. Dieser 

trägt ähnlich einem Schleifprozess sukzessive 

die obersten Werkstoffschichten ab. Entsteht 

ein Riss durch RCF, wird dieser durch den 

Verschleiß verkürzt. Die beiden Schädigungsmechanismen 

hängen also zusammen. Ein gewisser 

Verschleiß ist durchaus vorteilhaft, weil 

die Risse dadurch verkürzt werden und so der 

RCF-Schädigung entgegenwirken. 

Grenzen der Instandhaltung 

Die beschriebenen Schädigungsmechanismen 

Verschleiß und RCF agieren in dem enorm 

komplexen System Bahn, in dem nahezu jedes 

Zusammentreffen von Rad und Schiene einzigartig 

ist. Hinzu kommt, dass sich während jeder 

Überrollung die Profile von Rad- und Schiene 

aufgrund des Verschleißes ändern. Dennoch 

sind die Schäden durch Verschleiß und RCF 

durch die etablierten Instandhaltungsmaßnahmen 

der Infrastrukturbetreiber unter Kontrolle. 

Steigende Beförderungszahlen und erhöhte 

Verfügbarkeit verlangen allerdings große 

Anstrengungen, um die Infrastrukturqualität 

auch in Zukunft aufrecht zu erhalten. Einerseits 

sollen die bereits hohen Kosten der Instandhaltung 

nicht weiter steigen, andererseits muss 

die Instandhaltungsplanung immer früher 

erfolgen – eineinhalb Jahre vor Instandhaltungsdurchführung 

sind heute bereits Realität. 

In diesen immer größeren Zeiträumen können 

auch größere Änderungen im System Bahn 


entstehen, wie beispielsweise die Veränderung 

des Fahrzeugmix. Die Prognose von Verschleiß 

und RCF auf Basis von Inspektionen wird damit 

schwieriger. Daher ist es sinnvoll, zusätzlich auf 

rechnergestützte Prognosemodelle zurückzugreifen, 

um Kosten und Qualität gleichermaßen 

zu gewährleisten. Die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen 

kann so zielgerichtet und 

bedarfsgerecht erfolgen. 

Berechnung von Verschleiß und RCF 

Gemeinsam mit unseren Partnern wurde eine 

Simulationskette entwickelt, um eine gute Prognose 

von Verschleiß und RCF zu ermöglichen. 

Für die Beschreibung des Gesamtsystems 

werden unterschiedliche, großteils eigens 

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Berechnungsablaufes 

für Verschleiß und Schädigung 


entwickelte Berechnungsmodelle kombiniert, 

siehe Abb. 1. Mit Hilfe einer Mehrkörpersystem 

(MKS) Simulation wird das globale dynamische 

Fahrzeugverhalten berechnet. Die in 

der MKS-Simulation eingesetzten Kontaktmodelle 

bilden den Rad-Schiene Kontakt mit einer 

ebenen, elliptischen Kontaktfläche ab. 

Beim Kontakt von verschlissenem Rad und 

Schiene ergeben sich aber vor allem an der 

Fahrkante gekrümmte, nicht-elliptische Kontaktflächen. 

Durch die nicht-elliptischen, gekrümmten 

Kontaktflächen kommt es zu lokal 

großen Veränderungen der Kontaktspannungen 

in der Kontaktfläche. Diese spielen für 

Verschleiß und RCF eine bedeutende Rolle und 

müssen deshalb ausreichend genau modelliert 

werden. 

Um diese lokalen Änderungen der Kontaktspannungen 

zu berechnen, wurde ein Kontaktmodell 

entwickelt, das einerseits die gekrümmte, nichtelliptische 

Kontaktfläche ausreichend genau 

abbildet und andererseits die notwendige Recheneffizienz 

für die häufige Anwendung in der 

Schadenssimulation sicherstellt. 

Nach der detaillierten Kontaktanalyse erfolgt 

die Berechnung von Verschleiß und Schädigung. 

Das Schädigungsmodell berechnet 

näherungsweise die auftretende plastische 

Verformung und Verfestigung pro Überrollung. 

Damit werden die erwähnten großen plastischen 

Verformungen nahe der Schienenoberfläche 

berechnet, wobei die Interaktion zwischen 

Verschleiß und plastischer Verformung 

berücksichtigt wird. 

Obwohl die Schiene sehr große Verformungsgrade 

erträgt, steigt mit jeder weiteren Überrollung 

die Wahrscheinlichkeit zur Rissinitiierung. 

Die berechnete plastische Verformung wird nun 

zum Beispiel mit einer kritischen Verformung, 

bei der Rissinitiierung auftritt, verglichen und 

so ein Maß für die Schädigung angegeben. 

Am Ende der Berechnungsabfolge werden die 

Profiländerung aufgrund des Verschleißes und 

der aktuelle Schädigungszustand berechnet. 

Die beschriebene Simulationskette in Abb. 1 

wird so lange wiederholt, bis die geforderte Anzahl 

an Zugüberfahrten erreicht ist. 

Anwendung der Simulationskette 

am Beispiel der Wiener U-Bahn 

Im Folgenden sind die Ergebnisse der Berechnung 

für einen ausgewählten Gleisabschnitt im 

U-Bahn Netz der Wiener Linien dargestellt. In 

der MKS-Simulation sind die Fahrzeugtypen 

abgebildet, die in der U-Bahn verwendet werden. 

Es handelt sich dabei um Fahrzeuge mit 

konventionellen und radialstellenden Drehgestellen. 

Die Rad- und Schienenprofile stammen 

aus Messungen.

Abbildung 2: Gegenüberstellung der prognostizierten 

Rissrichtung nach rund 4 Mio. Lastwechsel 

in der Simulation (Insert) mit den im Betrieb 

auftretenden Rissen (grün, Magnetpulverprüfbild) 


Nach der Berechnung der globalen Fahrzeugdynamik 

erfolgt, wie in Abb. 1 beschrieben, die 

detaillierte Kontaktanalyse. Anschließend wird 

der Verschleiß und die Schädigung berechnet, 

wobei die Überfahrhäufigkeit berücksichtigt 

wird. Die Berechnung deckt einen Beobachtungszeitraum 

von knapp zwei Jahren ab, was 

rund vier Millionen Überrollungen entspricht. 

In Abb. 2 ist die prognostizierte Rissrichtung 

(rote Linien auf grauem Hintergrund) nach rund 

vier Millionen Überrollungen mit dem Foto der 

Magnetpulverprüfung überlagert. Der Ort und 

die Richtung der prognostizierten Risse stimmen 

gut mit der Messung überein. Durch die 

im ersten Schritt vereinfachte Berücksichtigung 

des Betriebes (z.B. Radprofile und Beladung) 

ergibt sich ein unvollständig prognostiziertes 

Rissband auf der Fahrfläche. Aus den einzelnen 

Berechnungsschritten lassen sich nun die 

Beiträge zur plastischen Verformung der einzelnen 

Fahrzeuge identifizieren. Die Head-Checks 

werden durch den Kontakt der vorlaufenden 

Achsen der Fahrzeuge mit dem konventionellen 

Fahrwerkskonzept verursacht. (Abb. 3, A11 und 

A21). Die Risse auf der Fahrfläche entstehen 

durch eine Kombination aller Fahrzeuge, wobei 

die gelenkten Fahrzeuge einen maßgeblichen 

Beitrag leisten. (Abb. 3, A12, A22, B11, B12, 

B21 und B22). 

Was bleibt zu tun? 

Die vorgestellte Simulationskette ermöglicht es, 

den Schienenfahrzeugbetrieb vom Fahrzeug bis 

Abbildung 3: Magnetpulverprüfbild mit überlagerten, berechneten Kontaktflächen der anfänglichen Überrollungen, 

Einfärbung entsprechend den Kontakttangentialspannungen; Indizierung der Fahrzeugtypen: A = 

konventionelles Fahrwerk, B = gelenktes Fahrwerk; die Nummern kennzeichnen die Achsen und Drehgestelle 

(Bsp. A21 = erste Achse, zweites Drehgestell Fahrzeug A) 


hin zur lokalen Schienenstelle mit ihren ausgeprägten 

Schädigungsmustern abzubilden. Die 

dazu entwickelten Modelle beschreiben den 

Kontakt von Rad und Schiene für die Schädigungsrechnung 

ausreichend genau. Außerdem 

können damit die plastischen Verformungen in 

der Schiene berechnet werden. Damit stehen 

die für die Schädigungsbewertung notwendigen 

Informationen zur Verfügung. Vergleiche 

von Berechnungsergebnissen mit Messdaten 

von Prüfstandversuchen und von der Strecke 

zeigen eine qualitativ gute Übereinstimmung. 

Um allerdings gesicherte Aussagen zum ursächlichen 

Zusammenhang von dynamischem 

Fahrzeugverhalten und lokaler Schädigung 

ableiten zu können, müssen die Modelle weiter 

validiert und kalibriert werden. Außerdem 

muss die Abbildung des täglichen Betriebes 

verbessert werden, indem mehr Systemparameter 

berücksichtigt werden. Angedacht sind 

beispielsweise mehrere Beladungszustände, 

Geschwindigkeitsvariationen oder auch eine 

größere Anzahl an Profilen. Außerdem werden 

Prüfstandversuche durchgeführt und weitere 

Betriebsdaten der Strecke analysiert. 

Breite Anwendbarkeit 

Die abgesicherten Modelle sollen schlussendlich 

die Beantwortung grundsätzlicher Fragestellungen 

ermöglichen. Zum Beispiel lässt sich 

der Einfluss der Achslast auf die Schädigung 

berechnen oder die Art des Spurführungskonzeptes 

bewerten, also des Fahrzeugtyps. 

Was passiert, wenn Rad- oder Schienengüte 

verändert werden? Welche Auswirkungen haben 

Rad- oder Schienenprofile? Aber auch die 

Auswirkungen auf eine bestimmte Strecke bei 

Änderung des Fahrzeugmix lassen sich be- 

werten. Die vorgestellte Simulationskette bietet 

auch Lösungen für das inverse Problem: Wie 

wirkt sich eine andere oder neue Strecke auf 

ein Fahrzeug aus? 

Die Komplexität des Systems Bahn lässt sich 

durch die Kenntnis der relevanten Einflussfaktoren 

auf die Schädigung zwar nicht verringern, 

die relevanten Mechanismen und Parameter 

werden aber besser verstanden und die Vorhersage 

von Schäden und deren Einflussfaktoren 

wird ermöglicht. Damit kann den steigenden 

Kosten für die Instandhaltung mit einer verbesserten 

Prognose der Wirkung von Instandhaltungsmaßnahmen 

begegnet werden. ■ 

Zum Autor 

DI Christof Marte ist 

Gruppenleiter Rail- 

Applications am 

VIRTUAL VEHICLE. 


• Institut für Baumechanik/TU-Graz 

• Österreichische Akademie der Wissenschaften 

/ Erich Schmid Institut 

• Materials Center Leoben 

• DB Systemtechnik GmbH 

• Schweizer Bundesbahnen AG 

• Siemens AG Österreich 

• voestalpine Schienen GmbH 

• Wiener Linien GmbH & Co KG 


13

Gastbeitrag 

Innovative Schienentechnologien für 

die Herausforderungen der Zukunft 

Die voestalpine Schienen GmbH ist federführend bei der Entwicklung von neuen Technologien für den 

Schienensektor. Dabei spielt das Verständnis für die grundlegenden Mechanismen im Rad-Schiene Kontakt 

eine zentrale Rolle. Die Zusammenarbeit mit Kompetenzzentren wie VIRTUAL VEHICLE liefert dazu einen 

wichtigen Beitrag. 

Technologietreiber 

Die voestalpine Schienen GmbH produziert am 

Standort Leoben – Donawitz seit über 100 Jahren 

Eisenbahnschienen. Betrachtet man alleine 

die letzten 25 Jahre, gab es im Eisenbahnwesen 

eine Reihe von Technologie-Sprüngen, an 

denen die voestalpine Schienen GmbH federführend 

beteiligt war. Als Beispiel können die 

Erzeugung von 120m Langschienen oder die 

Einführung von wärmebehandelten Schienen 

am Europäischen Markt angeführt werden. 

Alle diese Entwicklungen zielen darauf ab, 

die Lebensdauer des Produktes Schiene trotz 

steigender Belastungen und Zugfrequenzen zu 

erhöhen. Die wesentlichen Gründe, die zu vorzeitigem 

Ausbau von Schienen führen können, 

sind einerseits Verschleiß und andererseits so 

genannte Rollkontaktermüdungsschäden (kurz 

RCF, vom englischen Rolling Contact Fatigue). 

Forschung als Erfolgsrezept 

Um gezielt Lösungen für die Probleme im 

Rad-Schiene Kontakt anbieten zu können, ist 

Abbildung 1: Wärmebehandlungsanlage mit Warmsäge und Kühlbett für 120m Langschienen 

Quelle: voestalpine Schienen GmbH 


Abbildung 2: Head Checks und Spalling auf der Schiene (links). Typischer Squat auf der Lauffläche (rechts) 


es nötig, die Mechanismen dahinter genau zu 

verstehen. Ist das bei Verschleißerscheinungen 

noch relativ einfach, so stellen RCF-Schäden 

aufgrund ihrer vielfältigen Erscheinungsformen 

eine große Herausforderung dar. Typische 

RCF-Schäden, die man weltweit in den Gleisnetzen 

finden kann, sind z.B. Head Checks 

(periodische Risse an der Fahrkante), Spalling 

(Ausbrüche an der Fahrkante) oder Squats 

(Eindellungen auf der Fahrfläche mit darunter 

liegendem Rissnetzwerk). All diese RCF-Effekte 

sind jedoch nicht auf Materialfehler zurückzuführen, 

sondern sind eine Konsequenz 

der ständig steigenden Belastungen im Rad- 

Schiene Kontakt. 

Die Forschungsaktivitäten der voestalpine 

Schienen GmbH konzentrieren sich unter anderem 

auf die Auslöser für diese RCF-Schäden. 

Neben Erkenntnissen aus weltweiten 

Gleistests, die in enger Kooperation mit Kunden 

durchgeführt werden, spielen die zwei vollmaßstäblichen 

Rad-Schiene Prüfstande eine 

maßgebliche Rolle. Auf diesen Prüfständen 

ist es möglich, innerhalb sehr kurzer Zeiträume 

(wenige Tage) diese Schädigungs-Effekte 

im Labor reproduzierbar nachzustellen und zu 

erforschen. 

Mit Kooperation zum System- 

verständnis 

Einen wichtigen Aspekt der Forschungsaktivitäten 

stellt die Kooperation mit Kompetenzzentren 

und universitären Partnern dar. Neben der 

langjährigen und erfolgreichen Partnerschaft 

mit dem VIRTUAL VEHICLE arbeitet die voestalpine 

Schienen GmbH auch mit dem Material 

Center Leoben, der Universität Leoben, 

dem AC²T Kompetenzzentrum für Tribologie 

und dem CHALMERS Railway Mechanics 

Competence Center in Schweden zusammen. 

In diesen Kooperationsprojekten werden 

die grundlegenden Mechanismen hinter den 

Schädigungserscheinungen untersucht und 

simuliert. Die voestalpine fördert dabei die Zusammenarbeit 

und den Wissensaustausch der

einzelnen Kooperationspartner untereinander 

durch spezielle Workshops im Halbjahresabstand. 

Entscheidend für das Systemverständnis 

ist aber auch die Zusammenarbeit mit Kunden 

aus allen Bereichen (Schwerlast, Mischverkehr, 

Nahverkehr) und anderen Industriepartnern 

(aus benachbarten Bereichen wie z.B. der 

Schienenfahrzeuge) in diesen Projekten. 

Innovative Produkte 

Die erzielten Forschungsergebnisse wurden 

und werden konsequent in der Entwicklung neuer 

innovativer Produkte und Prozesse verwendet. 

Als Beispiel können hier die höchstfesten 

wärmebehandelten perlitischen Schienengüten 

angeführt werden. Diese mit dem HSH® (Head 

Special Hardening) Verfahren hergestellten 

Schienengüten haben eine Oberflächenhärte 

von bis zu 440 BHN, ohne die Zähigkeitseigen- 

Abbildung 3: Logistik: Langschienentransport mit Langschienenlager 

am Werksgelände der voestalpine Schienen GmbH 


schaften wesentlich zu verändern. Diese hochfesten 

Perlite werden je nach Festigkeits- und 

Härteklasse im Nah-, Misch,- oder Schwerlastverkehr 

aufgrund ihres ausgezeichneten Widerstandes 

gegen Verschleiß und RCF-Schäden 

sehr erfolgreich eingesetzt. 

Die Tatsache, dass perlitische Schienengüten 

aber bei entsprechender Belastung RCF- 

Schäden ausbilden, haben zur Entwicklung 

der neuesten Schienengeneration geführt, der 

Bainitischen Schiene DOBAIN®. Über ein spezielles 

Wärmebehandlungsverfahren wird ein 

sogenanntes bainitisches Mehrphasengefüge 

erzeugt, dass aufgrund seiner optimierten Mikrostruktur 

die Bildung von RCF-Rissen weitgehend 

verhindern soll. 

Ausgiebige Langzeitversuche auf den Rad- 

Schiene Prüfständen der voestalpine Schienen 


Abbildung 4: Eine Schiene 

wartet in der HSH® (Head 

Special Hardening) Anlage 

auf die Wärmebehandlung. 


GmbH haben den ausgezeichneten Widerstand 

gegen Rissbildung nachgewiesen. Im Moment 

befinden sich Bainitische Schienen bei mehreren 

europäischen Bahnbetreibern in der Gleiserprobung. 

Die bisher erhaltenen Ergebnisse 

bestätigen die von den Prüfstandversuchen 

abgeleiteten Aussagen bezüglich des Rissbildungswiderstandes. 

In Zukunft ist geplant, diese 

Bainitischen Schienen in Streckenbereichen 

mit schweren RCF-Problemen einzusetzen, um 

hier den nötigen Instandhaltungsaufwand zur 

Entfernung dieser Schäden (Schleifen, Fräsen…) 

deutlich zu reduzieren. 

Darüber hinaus beschäftigt sich die voestalpine 

Schienen GmbH auch mit den Themen Logistik 

(just in time Lieferung von Langschienen an die 

Baustelle), Schweißtechnik sowie mit RAMS 

und LCC Berechnungen. 

Der bisherige Erfolg bestätigt, dass die Zusammenarbeit 

mit Kompetenzzentren, Universitäten, 

Kunden und anderen Industriepartnern 

einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der 

Probleme im Rad-Schiene Kontakt liefert. Damit 

ist es für alle beteiligten Partner auch in Zukunft 

möglich, „einen Schritt voraus“ zu sein. ■ 

Industrie-Partner 

DI Dr. Richard Stock 

ist im Bereich Technischer 

Kundendienst 

der voestalpine 

Schienen GmbH tätig. 

15

Geräuschreduktion an Rad 

und Schiene 

Die Area NVH & Friction beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema Geräuschentwicklung im Schienenverkehr. 

Ziel ist es, das Geräusch am Ort der Entstehung zu bekämpfen und damit andere Maßnahmen wie 

Lärmschutzwände überflüssig zu machen. 

Die Umweltbelastung durch Lärm aufgrund des 

Schienenverkehrs ist insbesondere in Ballungsräumen 

ein nach wie vor aktuelles Thema. Da 

man die Nachteile von weiteren Schallschutzwänden 

vermeiden möchte, werden neue Techniken 

untersucht, die das Geräusch schon am 

Ort seiner Entstehung reduziert. Dazu sind vor 

allem Maßnahmen zur Schwingungsreduktion 

an Rad und Schiene geeignet. 

Zur Reduktion von Bahnlärm werden vielfach 

Lärmschutzwände eingesetzt, deren Nachteil 

im massiven Landschaftseingriff, in der Einschränkung 

von Sichtverhältnissen und natürlich 

auch im finanziellen Aufwand besteht. Eine 

wesentlich elegantere Lösung sind Dämpfer/ 

Tilger Elemente (Abb. 1 links), die am Ort der 

Geräuschentstehung angebracht werden. Solche 

Konstruktionen sind zwar in der Literatur 

bekannt, werden aber derzeit nicht großflächig 

eingesetzt. 

Geräuschentstehung im 

Rad-Schiene Kontakt 

In einem relativ breiten Geschwindigkeits- 


bereich ist das Rollgeräusch die maßgebliche 

Geräuschquelle eines akustisch gut konstruierten 

Schienenfahrzeuges. Die Gründe für die 

Entstehung von Rollgeräuschen sind die raue 

Lauffläche des Rades und der Schiene. Als 

Rad- bzw. Schienenrauigkeit werden aus akustischer 

Sicht Unebenheiten im Wellenlängenbereich 

von etwa 3 mm bis 60 cm bezeichnet. 

Die Schienenriffeln, mit typischen Wellenlängen 

von ca. 4 cm bis 12 cm, und die Radunrundheiten 

fallen ebenfalls in den Bereich der 

akustischen Rauigkeit. Die Aufrauung der Rad- 

Schiene-Kontaktflächen findet nach heutigem 

Wissensstand durch Verschleiß, plastischer 

Deformation und Rollkontaktermüdung statt, 

die genauen Entstehungsmechanismen sind 

aber noch nicht vollständig erforscht. 

Für die Geräuschabstrahlung des Wagons spielen 

die Räder eine bedeutende Rolle, die Abstrahlung 

steht in direktem Zusammenhang mit 

den angeregten Eigenschwingungsformen der 

Räder. Untersuchungen zeigen, dass für die 

Geräuschabstrahlung hauptsächlich bestimmte 

radiale und axiale Radschwingungsformen verantwortlich 

sind. Deshalb ist es sehr wichtig, 

Abbildung 1: Rad mit Absorber am Modalanalyseprüfstand (links) und berechnete Eigenschwingungsform (rechts) 


die Eigenschaften der Räder so zu gestalten, 

dass diese Radschwingungen nicht mehr angeregt 

werden. Dabei liegt das Interesse hauptsächlich 

in dem Frequenzbereich von 1,5 bis 3 

kHz. Die durch den Rad-Schiene Kontakt entstandene 

Schwingungsenergie wird nicht nur 

an Rad, Fahrwerk und Wagenkasten sondern 

auch an die Schiene weitergeleitet. Die Schiene 

verhält sich trotz der Befestigung an den 

Schwellen sehr schwingungsaktiv. Durch die 

Anregung entstehen in der Schiene zwischen 

den Schwellen wellenförmige Schwingungsformen 

(„pinned – pinned“) mit ca. 1 bis 2 kHz. 

Ziel ist also, diesen Schwingungen entgegenzuwirken 

und sie zu reduzieren. 

Möglichkeiten der 

Geräuschreduktion 

Aufgabe ist die Entwicklung neuartiger Rad- und 

Schienenabsorber mit verbesserter Wirksamkeit 

im Vergleich zu kommerziell erhältlichen 

Varianten. Neben technischen und finanziellen 

Vorteilen ist die Beherrschung der Methode zur 

virtuellen Auslegung dieser Radabsorber (Abbildung 

1 rechts) ebenso ein wichtiges Ziel.

Abbildung 2: Darstellung der berechneten 

modalen Dämpfungen der 

lokalen Moden (blau), der globalen 

Moden (braun) und der gemessenen 

modalen Dämpfungen der globalen 

Moden (magenta) eines Rades mit 

Absorber 


Neben der Optimierung der Radgeometrie 

können für die Geräuschreduktion im Rad sogenannte 

Radschallabsorber herangezogen 

werden. Ähnliche Absorber können auch bei 

der Schiene verwendet werden, wo sie im Bereich 

der höchsten Auslenkung der Schwingung 

eingesetzt werden, also typischerweise mittig 

im Schwellenfach. 

Zu diesem Zweck wurden in der Area NVH & 

Friction des VIRTUAL VEHICLE spezielle Methoden 

und Simulationsmodelle entwickelt, die 

sich zur Berechnung des Schwingungsverhaltens 

von Eisenbahnwagonrädern und Schienen 

inklusive Schallabsorber eignen. 

Simulation 

Die Aufgabe bestand darin, Simulationstechniken 

und Modelle zu entwickeln, welche die 

vibro-akustischen Eigenschaften des Rades als 

Gesamtsystem aber auch dessen Einzelkomponenten 

(Absorber, Rad) richtig abbilden. Dazu 

sind viele Materialparameter notwendig. Einige 

davon, wie E-Modul, Dichte, Poisson Zahl, 

stellen die Materialhersteller zur Verfügung, bei 

dem frequenzabhängigen Verlustfaktor (Dämpfung) 

gibt es jedoch derzeit keine zuverlässige 

Angaben. 

Zur Identifikation des Verlustfaktors für die Simulationsmodelle 

können aus diesem Grund 

experimentelle Methoden wie z.B. Zug-Druck 

Versuch, Modalanalyse, Oberst-Methode, herangezogen 

werden. Es wurden daher zahlreiche 

Versuche mit der von uns angepassten 

Oberst-Methode an Probekörpern aus viskoelastischen 

Materialien durchgeführt, um die 

Dämpfungseigenschaften von verschiedenen 

visko-elastischen Materialien, die in Rad- und 

Schienenschallabsorbern vorkommen, zu bestimmen. 

Basierend auf diesen Daten wurden 

die FE-Modelle von Rad und Schiene inkl. 

Absorber (Abbildung 1 rechts) aufgebaut und 

berechnet. Abbildung 2 zeigt eine Beispielberechnung 

für dieses Rad mit Absorber. Es 

ist ersichtlich, dass die berechneten modalen 

Dämpfungen der globalen Moden (braun) sich 

jenen aus der Messung (magenta) sehr gut annähern. 

Die modalen Dämpfungen mit den hohen Werten 

in Abbildung 2 stellen die Dämpfungen 

der lokalen Moden der Absorber dar. Für die 

Geräuschabstrahlung des Rades sind diese 

Moden nicht relevant und werden daher nicht 


Bei der Schiene werden auch ähnliche Berechnungen 

durchgeführt. Aber zusätzlich zur 

Berechnung der modalen Dämpfung an einem 

kurzen (2m) Schienenstück mit Absorber wird 

auch die „Track Decay Rate“ (TDR) an einem 

langen (12m) Schienenstück (inkl. Schiene, 

Klemmen, Schwellen, Schotter) berechnet. Die 

TDR dient in der Praxis zur Beurteilung des 

Dämpfungsverhaltens (letztendlich auch für 

die Geräuschabstrahlung) vom Gleis und zeigt 

dadurch auch die Wirkung von Schienenabsorbern. 

Ausgehend von diesen validierten Ausgangsmodellen 

wurde durch zahlreiche Berechnungsschritte 

eine optimale Ausführung des 

Rad- und Schienenabsorbers hinsichtlich Geometrie, 

visko-elastischem Material und Materialverteilung 

erstellt. 

Zusammenfassung 

Am VIRTUAL VEHICLE stehen eine Vielzahl relevanter, 

experimentell validierter Simulationsmethoden 

zur Verfügung, mit deren Hilfe das 

vibro-akustische Verhalten von Rad und Schiene 

beschrieben werden kann. Ferner ist es 

möglich, die Wirkung der verwendeten Schallabsorber 

hinsichtlich der Geräuschabstrahlung 

abzuschätzen und deren optimale Auslegung 

zu suchen. 

Ausgehend von im Forschungsprojekt aufgebauten 

Methoden und Simulationsmodellen 

sind Folgeaktivitäten bezüglich der Auslegung 

und der experimentellen Validierung (Vorbeifahrtgeräusch-Messung) 

eines Prototypenschalldämpfers 

im Zuge eines Projektes mit 

einem unserer Industriepartner geplant. Bei der 

Anwendung an den Rädern eines Zuges wird 

eine Reduktion des Vorbeifahrtgeräusches um 

bis zu 5 dB erwartet. Dies würde einerseits eine 

deutlich wahrnehmbare Geräuschreduktion für 

die betroffene Bevölkerung bedeuten, andererseits 

wird durch einen großflächigen Einsatz 

von Rad- bzw. Schienenabsorbern Lärm direkt 

an der Quelle reduziert. Dadurch kann teilweise 

auf die Errichtung von Lärmschutzwänden verzichtet 

und so maßgeblich die Wirtschaftlichkeit 

des Eisenbahnwesens gesteigert werden. ■ 

Zum Autor 

Dr. Karoly Jalics ist Leiter 

des Prüfstandszentrums im 

Bereich NVH & Friction am 



17

Optimierungsverfahren für die virtuelle 

Fahrwerksentwicklung im Schienenfahrzeugbau 

Numerische single- oder multidisziplinäre Optimierungsverfahren gewinnen in der Entwicklung hochkomplexer 

Produkte wie Schienenfahrzeuge an Bedeutung. Das VIRTUAL VEHICLE forscht anwendungsnah mit der 

SIEMENS AG zu diesen Themen und beschäftigt sich mit den unterschiedlichsten Methoden auf diesem 

Gebiet. Dabei werden vor allem Aspekte der Integration dieser Methoden in die Produktentwicklungsprozesse 


Ein großer Teil der Entwicklung ist heutzutage 

bereits virtualisiert und dementsprechend ohne 

kostenaufwändige Prototypen zu bewerkstelligen. 

Allerdings hat die Virtualisierung eine 

Vielzahl von Werkzeugen mit unterschiedlichen 

mathematischen Ansätzen hervorgebracht, die 

meist nur von den jeweiligen Fachgebietsexperten 

verstanden und angewendet werden. 

Bisheriger Auslegungsprozess nach 

klassischem Muster 

Der bisherige Auslegungsprozess orientierte 

sich an der klassischen Vorgehensweise: Nach 

der Analyse der Anforderungen werden die entsprechenden 

digitalen Prototypen erstellt und 

dann hinsichtlich einzelner Auslegungsziele 

optimiert. Allerdings verbleiben die Experten 

dabei oftmals in ihren Domänen, die ein hohes 

Maß an tiefem Expertenwissen verlangen und 

die unterschiedliche mathematische Lösungsansätze 

und Programmsysteme mit jeweils 

unterschiedlichen Datenstrukturen aufweisen. 

Diese domänenbezogene Arbeitsweise führt 

Abbildung 1: Möglicher Aufbau eines 

automatisierten Optimierungssets 


zur Optimierung von Subsystemen, berücksichtigt 

jedoch durch ihren lokalen Charakter die 

Gesamtperformance des Systems nicht immer 

ausreichend. 


Lösungsansatz und grundsätzliche 

technische Fragestellungen 

Eine Möglichkeit, Gesamtsystemoptimierungen 

durchzuführen, ist der Einsatz numerischer Optimierungsverfahren. 

Sie sind in der Lage, mathematische 

Abbilder domänenübergreifender 

Fragestellungen zu erstellen und diese dann 

zur Bewertung und Verbesserung des Gesamtsystems 

heranzuziehen. Jedoch bedarf der 

praktische Einsatz dieser Verfahren der Entwicklung 

einiger grundlegender methodischer 

Voraussetzungen, damit eine effiziente Anwendung 

in der Produktentwicklung möglich wird. 

Eine grundlegende Voraussetzung für die effiziente 

Anwendung numerische Optimierungsverfahren 

ist ein hoher Grad an Automatisierung 

des gesamten Prozesses, damit der Benutzer 

nicht gezwungen ist, die Einzelsimulationen 

manuell mit Variablenwerten zu bestücken, zu 

starten und Ergebnisse zu extrahieren. Werden 

mehrere Modelle verwendet, ist darüber 

hinaus eine Koordination des Datenflusses 

zwischen den beteiligten 

Komponenten notwendig. 

In Abbildung 1 ist 

eine mögliche allgemeine 

Basisarchitektur eines 

solchen automatisierten 

Aufbaus dargestellt. Sie 

kann je nach verwendeter 

Software leicht variieren. 

Die in Abb. 1 dargestellten 

elementaren Bausteine 

sind der Optimierungsalgorithmus, 

das Daten- 

und Solvermanagement 

sowie die Solver. Der 

Optimierungsalgorithmus 

trifft aufgrund von Vorgaben der Zielrichtungen 

und Nebenbedingungen eigenständig Entscheidungen 

darüber, wie das jeweilige System 

zu verändern ist. Um ihn mit entsprechenden 

Daten zu beliefern, ist ein geeignetes Datenmanagement 

notwendig, das Ergebnisdateien 

der einzelnen beteiligten Simulationsdisziplinen 

interpretieren kann und daraus die wichtigen 

Daten extrahiert. Gleichzeitig muss das Datenmanagementmodul 

auch die entsprechenden 

Eingabedateien zur Verfügung stellen und mit 

denjenigen Variablen bestücken, die im Rahmen 

der Optimierung variiert werden sollen. 

Das Solver-Management hat sicherzustellen, 

dass die Solver zum richtigen Zeitpunkt mit 

den richtigen Daten starten, muss das Ende 

der Simulationsläufe erkennen und eventuelle 

Unregelmäßigkeiten wie etwa abgestürzte oder 

ungültige Rechenläufe berücksichtigen. 

User Interaktion 

Neben der Architektur des Optimierungssets 

sind aber noch weitere Aspekte zu klären. Diese 

betreffen die Interaktion des Menschen mit 

dem System. Die an das System übergebenen 

Modelle müssen entsprechend bestehenden 

strengen Richtlinien aufgebaut sein, die eine 

automatisierte Modellveränderung zulassen. 

Dazu müssen Variablen in die Modelle eingeführt 

werden, die gesteuert werden können. Die 

zweite Interaktion betrifft die Interpretation der 

Ergebnisse nach dem Ablauf der Optimierung. 

Dem Bearbeiter sind geeignete grafische Darstellungen 

zur Verfügung zu stellen, welche die 

oftmals hohe Anzahl an Rechenläufen komprimiert 

und gut verständlich darstellen. 

Auswahl eines Algorithmus 

Der letzte, aber sehr wesentliche Punkt ist 

die Wahl eines geeigneten mathematischen 

Algorithmus. Nicht jeder Algorithmus ist für 

jede Problemstellung gleichermaßen geeignet. 

Daher ist es wichtig, den richtigen auszuwählen. 

Allerdings gibt es eine Vielzahl von 

unterschiedlichen Algorithmen und die Anwendungsempfehlungen 

sind oftmals sehr generell. 

Insofern ist dieser Schritt fallweise durch 

gezieltes Probieren erfolgreich zu bewältigen. 

Sind diese genannten Voraussetzungen geschaffen, 

können domänenübergreifende Gesamtsystemoptimierungen 

durchgeführt und

damit die Performance des Gesamtsystems 

verbessert werden. 

Beispielanwendung aus dem Projekt 

Multidisziplinäre Optimierung in der 

Fahrwerksentwicklung 

Die theoretischen Ausführungen wurden am 

VIRTUAL VEHICLE gemeinsam mit dem Forschungspartner 

Siemens in verschiedenen 

praktischen Anwendungen verifiziert. 

Eine Beispielanwendung aus der Fahrwerksentwicklung 

ist der klassische Widerspruch 

zwischen der Einhaltung des Lichtraumprofils 

und der Entgleisungssicherheit. Die zu optimierenden 

Variablen (Designvariablen) sind 

die Steifigkeit der Primärfeder in vertikaler 

Richtung (cz+) sowie die sekundäre Wanksteifigkeit 

(cw). Sind diese Steifigkeiten hoch, dann 

erreicht man zwar eine Reduktion der Wankbewegung, 

allerdings steigt dann auch die Tendenz 

zur Radentlastung in Verwindungen und 

damit die Entgleisungsgefahr. Eine zusätzliche 

Nebenbedingung ergibt sich durch den vorhandenen 

Bauraum, der eine obere Grenze der 

möglichen Federwege und somit eine Untergrenze 

der Federsteifigkeiten vorgibt. 

Die Sicherheit gegen Entgleisen ergibt sich aus 

dem Quotienten zwischen lateraler und vertikaler 

Rad-Schiene-Kraft. Die dazu notwendige 

Bestimmung der lateralen Führungskraft 

in einem 150m-Bogen erfolgt automatisiert 

durch MKS-Simulation. Die Berechnung des 

Wankverhaltens erfolgt durch ein iteratives 

analytisches Verfahren aus den Fahrzeugparametern. 

Der benötigte primäre Federweg zu 

einer gegebenen Primärvertikalsteifigkeit wird 

parallel dazu durch MKS-Simulation verschie- 

dener kritischer Szenarien 

bestimmt. 

Die spezifische Optimierungsumgebung 

für diese 

Problemstellung ist in Abbildung 

2 dargestellt. Sie 

muss die Durchgängigkeit 

der Datenstrukturen derart 

sicherstellen, dass alle beteiligten Simulationsläufe 

immer mit denselben, aktuellen Werten 

der Designvariablen ausgeführt werden. 

Der Berechnungsingenieur gibt dem Optimierungsset 

Zielfunktion und Nebenbedingungen 

vor, welche er aus der vorhandenen Aufgabenstellung 

ableitet. Die Optimierungsaufgabe 

kann in diesem Fall grafisch dargestellt werden 

(Abbildung 3), da nur zwei variable Größen (cw, 

cz+) vorhanden waren. Als Zielfunktion wurde 

die Minimierung des Neigekoeffizienten festgelegt. 

Die Isolinien dazu sind in Abbildung 3 blau 

gepunktet dargestellt. Die Entgleisungssicherheit 

muss als einschränkende Bedingung mit 

einem vorgegebenen Grenzwert beachtet werden 

(Abbildung 3, rote durchgezogene Linie). 

Damit bildet er zusammen mit dem maximal 

zulässigen Federweg (Abbildung 3, rote gestrichelte 

Linie) die Nebenbedingungen. Die Einschränkung 

der beiden Nebenbedingungen lassen 

nur ein kleines Lösungsgebiet zu, welches 

durch das grüne Dreieck repräsentiert wird. 

Die Aufgabe des Algorithmus besteht darin, 

das Lösungsgebiet möglichst unabhängig vom 

Startwert zu identifizieren und die beste Lösung 

dort aufzufinden. In Abbildung 3 ist solch 

ein möglicher Lauf dargestellt und die iterativen 

Zwischenlösungen eingezeichnet. 

Abbildung 3: Graphische Darstellung 

eines Optimierungslaufes unter 

Benutzung der ARSM 


Abbildung 2: Spezifische Optimierungsumgebung 

Entgleisungssicherheit vs. Neigekoeffizient mit 

Federwegsrestriktion 


Um die Stabilität der gefundenen Lösungen 

zu bewerten, wurden in weiterer Folge der 

Untersuchung Optimierungsalgorithmen und 

Startwerte variiert. Die Ergebnisse der Untersuchung 

zeigen einen klaren Zusammenhang 

zwischen Ergebnisgüte, Startwerten und Anzahl 

von Rechenläufen. Insofern ist es sinnvoll, 

die Algorithmen problemspezifisch zu wählen. 

Ist einmal die richtige Einstellung getroffen, 

läuft der Prozess automatisiert ab und kann 

daher dem Ingenieur als Auslegungswerkzeug 

entlastend zur Seite stehen. Dadurch kann man 

den Entwicklungsprozess beschleunigen, die 

Wiederholbarkeit von Entscheidungen verbessern 

sowie die Güte der Ergebnisse anheben. 

Zusammenfassung und Ausblick 

Das Projekt zeigt das große Potenzial der 

Anwendung von numerischer Optimierung 

zur Steigerung der Effizienz im Bereich der 

Fahrwerksentwicklung auf. Im Zuge einer bereits 

erfolgten Generalisierung können diese 

Erkenntnisse auch auf andere Bereiche übertragen 

und damit die Vorteile einem breiteren 

Anwenderkreis zugeführt werden. Dazu laufen 

am VIRTUAL VEHICLE bereits weiterführende 

Projekte. ■ 

Zum Autor 

DDI (FH) Michael Alb, M.A. 

ist Senior Researcher im 

Bereich Multidisziplinäre 

Optimierung am VIRTUAL 

VEHICLE. 


19

Interview 

Im Interview: Dr. Jochen Eickholt, Siemens AG 

Trends in der Schienenfahrzeugindustrie 

Die Entwicklung der Bahn der Zukunft wird in den nächsten Jahren primär kostengetrieben und weniger 

technologiegetrieben sein. Dr. Michael Schmeja befragte Dr. Jochen Eickholt (Siemens AG) zu aktuellen 

Trends in der Schienenfahrzeugindustrie. 

VVM: Herr Dr. Eickholt, Sie sind seit 1. Oktober 

2012 CEO der Siemens Rail Systems, wie geht 

es Ihnen? 

Eickholt: Danke der Nachfrage – ich fühle mich 

sehr wohl in meiner neuen Rolle. Das Geschäft 

mit Schienenfahrzeugen ist ein Aushängeschild 

für Siemens, ich habe die Verantwortung dafür 

sehr gerne übernommen. Nach drei Jahren als 

Verantwortlicher für Rail Automation ist das 

eine gute Möglichkeit, mich mit dem System Eisenbahn 

noch intensiver zu befassen. Wenn es 

um Schienenverkehrsfahrzeuge geht, sind die 

Menschen mit viel Begeisterung und Emotionen 

dabei – diese Leidenschaft teile ich. Allerdings 

hätte ich mir den Einstieg auch weniger turbulent 

vorstellen können. Konjunktureller Gegenwind 

und die Kaufzurückhaltung der Kunden 

sind Herausforderungen, mit denen wir in der 

nächsten Zeit fertig werden müssen. 

VVM: Die Automobilindustrie rüstet sich für die 

nächste Krise. Stimmt die alte Regel, dass das 

Eisenbahngeschäft antizyklisch ist? 

Eickholt: In der Vergangenheit hat sich im Eisenbahngeschäft 

mehrfach ein antizyklisches 

Verhalten gezeigt: Einer der Gründe liegt darin, 


dass Verkehrsprojekte finanziell längerfristig 

geplant sind und dann vielfach unabhängig von 

der Konjunktursituation vergeben werden. Ein 

anderer Grund ist, dass die Regierungen dazu 

neigen, die öffentlichen Ausgaben zu steigern, 

wenn die Konjunktur zurück geht, was häufig 

Infrastrukturprojekten und damit auch dem 

Ausbau bzw. der Erneuerung des Schienenverkehrs 

zu Gute kommt. Zurzeit beobachten 

wir das Ausbleiben von Aufträgen aus Ländern 

Südeuropas, wo zweifellos erheblicher Ersatzbedarf 

besteht, aber wegen der überschuldeten 

Haushalte konsequent gespart werden muss. 

Andererseits gibt es Märkte wie den russischen, 

der von dieser Entwicklung nicht betroffen ist. 

VVM: Nochmals der Vergleich mit der Automobilindustrie: 

Durch den Einzug der Mechatronik 

und der starken Diversifizierung in der Wertschöpfung 

ist die Komplexität in der Entwicklung 

kaum mehr beherrschbar. Steht die Eisenbahn 

bald vor einem ähnlichen Problem? 

Eickholt: Die Komplexität der Software für 

die Fahrzeugsteuerung nimmt weiter zu. Dies 

ist zweifelsohne eine Herausforderung, die 

aber beherrschbar ist. Unsere Ingenieure 

stellen sich auf die neuen Entwicklungen ent- 

Innen gelagertes Hochleistungsfahrwerk 

SF7000 für den englischen Markt 

Quelle: Siemens AG 

sprechend ein. Was die Diversifizierung in der 

Wertschöpfung betrifft: der Schienenfahrzeugbau 

ist – im Gegensatz zum Kraftfahrzeugbau 

– eher ein Anlagen- als ein Seriengeschäft. Die 

Stückzahlen sind vergleichsweise gering und 

besonders für den Fern- und Hochgeschwindigkeitsverkehr 

weisen die länderspezifischen 

Betriebs- und Zulassungsbedingungen sowie 

die zum Teil auch historisch bedingten Wünsche 

der Betreiber erhebliche Unterschiede 

auf. Fahrzeuge können also nicht nach Katalog 

verkauft werden, sondern müssen in der Regel 

bei nahezu jedem Auftrag angepasst werden, 

was sich auf die Herstellungskosten auswirkt. 

Bei der Umsetzung der Kundenwünsche müssen 

wir künftig noch enger mit den Kunden zusammenarbeiten, 

damit die Anforderungen und 

Änderungen beherrschbar bleiben. 

VVM: Welche Trends und Herausforderungen 

sehen Sie im Bereich Rail Systems bis 2020 als 

relevant an und welche davon werden auch an 

das VIRTUAL VEHICLE adressiert? 

Eickholt: Die Entwicklung der Bahn der Zukunft 

wird in den nächsten Jahren primär 

kostengetrieben und weniger technologiegetrieben 

sein. Wenn Sie eine teure Maschine 

kaufen, dann versuchen Sie alles, um diese 

möglichst gut auszulasten. Übertragen auf die 

Eisenbahn bedeutet das eine noch intensivere 

Nutzung der Infrastruktur und der Fahrzeuge. 

Das heißt, die Zugfolgezeiten werden nochmals 

verringert werden, zusätzlich wird man die Kapazität 

durch eine Verstetigung des Geschwindigkeitsbandes 

erhöhen, indem der Güterverkehr 

entweder auf Strecken mit relativ geringer 

zulässiger Höchstgeschwindigkeit verlagert 

oder schneller wird und dadurch mehr Durchfluss 

möglich ist. Dies wird hohe Ansprüche an 

die Pünktlichkeit und Zuverlässigkeit und damit 

an Betrieb und Leittechnik stellen. 

In der Fahrzeugentwicklung geht der Trend 

nicht nur in Richtung virtuelle Entwicklung, 

sondern auch in Richtung virtuelles Testen und 

virtuelle Zulassung. Hier sehe ich insbesondere 

Ihr Forschungszentrum gefordert.

VVM: Wann wird das erste Schienenfahrzeug 

in Betrieb gehen, dass virtuell entwickelt, getestet 

und zugelassen wurde? 

Eickholt: Schon heute nutzen wir Verfahren 

zur virtuellen Entwicklung. Die „virtual reality“ 

insbesondere bei der mechanischen und teilweise 

elektrischen Konstruktion ist schon sehr 

weit: 

• Unsere neuen Fahrzeuge sind komplett 

am Rechner in 3D erstellt, die daraus 

abgeleiteten Ansichten und Unterlagen 

werden weitgehend „papierlos“ direkt am 

Arbeitsplatz von Fertigung und Montage 

verwendet. 

• Statische und dynamische Festigkeit, 

Fahrkomfort und Fahrsicherheit werden 

rechnerisch optimiert. 

• Durch aerodynamische Simulationen wird 

die Fahrzeugform gestaltet, um niedrige 

Fahrwiderstände und somit geringen 

Antriebsenergiebedarf zu erzielen und 

die Kräfte auf entgegenkommende Fahrzeuge 

und auf Personen am Bahnsteig bei 

Vorbeifahrt zu minimieren. 

• Maßnahmen zur Verringerung der Brandausbreitung 

im Fahrzeug können ebenso 

per Simulation untersucht werden wie 

die akustischen Eigenschaften des Fahrzeugs. 

Auch bei der funktionalen Entwicklung, umgesetzt 

in Software-Programmen, die auf den 

zentralen Steuerungsrechnern der jeweiligen 

Subsysteme (z.B. Bremse, Fahrgastinformation, 

Antrieb) ablaufen, haben wir heute schon Simulationsverfahren, 

um zum Beispiel Hardware- 

Anschaltungen komplett zu simulieren. Nächste 

Schritte zur Verknüpfung beider Welten haben 

wir bei der Simulation des Fahrverhaltens, mit 

der die Beanspruchung des Antriebsstrangs 

ermittelt wird, punktuell bereits realisiert, was 

mittelfristig noch erheblich ausgeweitet wird. 

In dem von der EU geförderten Vorhaben Triotrain 

werden Wege erarbeitet, wie Simulationen 

bei Fahrzeugzulassungen künftig Versuche 

weitgehend ersetzen können, zunächst bezüglich 

Fahrsicherheit, Aerodynamik und Stromabnehmer. 

Eine weitgehend virtuelle Zulassung 

ist in fünf bis zehn Jahren vorstellbar. 

VVM: Graz hat mit der TU Graz und einer 

starken Kompetenzzentren-Landschaft ein 

sehr technikfreundliches Klima. Welche Rolle 

spielt die Nähe zur Universität für die Standortwahl? 

Eickholt: Demografische Studien zeigen eindeutig, 

dass es zu einer Verknappung von 

qualifizierten Arbeitskräften kommen wird. Wir 

wollen die Besten an uns binden, und damit 

uns das gelingt, müssen wir dort präsent sein, 

wo wir hochqualifizierte Mitarbeiter rekrutieren 

können. 

Um auf Graz zurück zu kommen, Sie haben 

hier das Institut für Eisenbahnwesen mit der renommierten 

Schienenfahrzeugtagung, das von 

Siemens mitfinanzierte Institut für Leichtbau 

mit dem großen Schwingprüfstand, die Fachhochschule 

mit dem Studiengang für Fahrzeugtechnik, 

die Montan-Universität in Leoben und 

das Virtual Vehicle mit 200 Mitarbeitern, bei 

dem auch Siemens von Anfang an beteiligt ist. 

Dies zusammen ergibt eine ungewöhnlich hohe 

Dichte an bahnaffiner Forschung. 

Wir haben seit 2008 mit Ihrem Zentrum eng 

im Bereich Forschung und Entwicklung zusammengearbeitet 

und konnten das attraktive 


Interview 

Moderner Druckprüfstand zur Messung der Radlasten im Kompetenzzentrum Graz 


Fördermodell nutzen. Diese Kombination aus 

Kompetenz, Förderung und interdisziplinärer 

Vernetzung an einem Ort ist eine ideale Voraussetzung 

für ein Weltkompetenzzentrum, 

wie wir es beispielsweise mit den Fahrwerken 

in Graz betreiben. 

VVM: Welche Erwartungen haben Sie an den 

Ingenieur der Zukunft? 

Eickholt: Der Ingenieur der Zukunft braucht 

weiterhin umfassende technisch physikalische 

Kenntnisse, um sich bei steigender Geschwindigkeit 

der Wissenserweiterung in seinem Arbeitsgebiet 

à jour halten zu können. Dazu benötigt 

er auch ein europaweites, besser noch 

ein weltweites Netzwerk zu einschlägigen 

Experten sowie die Fähigkeit, sich auf andere 

Kulturen einstellen zu können. 

Und er muss immer flexibler werden. Insbesondere 

die Informationstechnik, die immer mehr 

Einzug in unsere Fahrzeuge hält, entwickelt 

sich rasend schnell weiter, hier müssen sich 

auch die Ingenieure ständig weiterentwickeln. 

Weiterhin erfordert unsere globale Welt immer 

höhere Mobilität. Inbetriebsetzungsstellen 

weltweit, Werke in Schwellenländern und Koo- 

21

Interview 

perationen mit Lieferanten überall auf der Welt 

müssen flexibel bedient und mit einem hohen 

Anteil an Mobilität bearbeitet werden. 

VVM: VIRTUAL VEHICLE hat sich in zahlreichen 

Untersuchungen mit dem Arbeitsplatz 

der Zukunft beschäftigt. Wie sieht Ihr persönlicher 

Future Workplace aus? 

Eickholt: Die großen Trends und Treiber für den 

Arbeitsplatz der Zukunft liegen in der Globalisierung, 

der Verstärkung der Wissensintensität 

in der Arbeit und damit in der ständigen Notwendigkeit 

zum zeitnahen, ortsunabhängigen 

und unternehmensweiten Zugriff auf Wissen, 

Wissensträger und Problemlösungskompetenz. 

Es steht fest, dass der Arbeitsplatz der Zukunft 

mehr denn je durch den Einsatz modernster Informations- 

und Kommunikationstechnologien 

geprägt sein wird. Auch das Verschmelzen von 

Arbeitszeit und Freizeit und die zunehmende 

Flexibilisierung und Mobilisierung der Arbeit 

sind hier zu nennen. 

Schon heute treffen die wesentlichen Treiber 

für den Arbeitsplatz der Zukunft aufeinander: 

steigende Verbreitung mobiler Endgeräte, 

steigender Bekanntheitsgrad sozialer Medien 

und Wahrnehmung ihrer Nützlichkeit aus 

dem privaten Umfeld, Mentalitätswandel der 

Menschen zum mobilen Arbeiten und die zunehmende 

Verfügbarkeit von Cloud-Services 


im privaten Bereich. In den Unternehmen wird 

die Transparenz über Wissen und Wissensträger 

steigen. Denn es ist oftmals wichtiger, die 

relevanten Wissensträger im Unternehmen zu 

identifizieren, als das explizite Wissen selbst. 

Damit entsteht ein umfassendes digitales Informationsangebot, 

welches über semantische 

Suchmaschinen unternehmensintern erschlossen 

werden kann. 

Obwohl Arbeit zunehmend digitalisiert und virtualisiert 

wird, bin ich der Ansicht, dass der physische 

Arbeitsort auch in Zukunft nicht gänzlich 

verschwinden wird. Denn Mitarbeiter benötigen 

immer einen Platz, um ihre sozialen Kontakte 

mit Kollegen zu pflegen. 

VVM: Gibt es im Leben eines Managers 

zwangsläufig ethische Zielkonflikte? Und wenn 

ja, wie gehen Sie damit um? 

Eickholt: Nein, zwangsläufige ethische Zielkonflikte 

gibt es nach meiner Einschätzung 

nicht. Ich persönlich kann mich in allen Situationen 

auf meine Lebens- und Managementerfahrung 

verlassen. Und dann haben wir 

bei Siemens eine Systematik, die in allen geschäftlichen 

Angelegenheiten ein verlässlicher 

Kompass ist: unser umfassendes Compliance- 

Programm ist für Führungskräfte und Mitarbeiter 

verbindlich – sozusagen ein Regelwerk, das 

den „Pfad der Tugend“ vorgibt. Das bedeutet im 

Hochgeschwindigkeitszüge für 

den Weltmarkt – Fertigung im 

Siemens-Werk in Krefeld 


Klartext Verzicht auf Aufträge, die nur mit Korruption 

und anderen Mitteln erzielbar sind, die 

unserem Rechtssystem nicht entsprechen. Das 

bedeutet für uns Handeln auf der Basis unserer 

Werte sowie die Einhaltung von Regeln und 

Bestimmungen und die Förderung verantwortlicher 

Geschäftspraktiken. 

VVM: Herr Dr. Eickholt, eine letzte Frage: Worum 

geht es eigentlich im Leben? 

Eickholt: Die Frage hat ja eine private und eine 

berufliche Dimension. Ich werde mich bei der 

Antwort auf die berufliche Seite beschränken, 

dabei aber auch auf das private Umfeld hinweisen. 

Unser berufliches Umfeld ist geprägt 

von dem Wunsch nach Selbstverwirklichung 

am Arbeitsplatz. Wir wünschen uns anspruchsvolle 

und abwechslungsreiche Aufgaben, den 

Kontakt mit Mitarbeitern und Kunden, und die 

Möglichkeit, etwas zu bewegen. Das geht nur 

mit einem gesunden sozialen Umfeld und einer 

Familie, die Rückhalt und Rückzugsmöglichkeiten 

gibt. ■ 

Industrie-Partner 

Dr. Jochen Eickholt 

verantwortet bei der 

Siemens AG als 

Leiter der Division 

Rail Systems im 

Sektor Infrastructure & 

Cities das Geschäft mit 

Schienenfahrzeugen. 

Die Division Rail Systems (11.500 Mitarbeiter, 

Stand 30.9.2012) umfasst das gesamte 

Schienenfahrzeuggeschäft von Siemens – 

von Eisenbahnen über Metros und Lokomotiven 

bis hin zu Straßen- und Stadtbahnen 

sowie dazugehörige Service-Leistungen.

Dank Optimierung effizient 

auf der Schiene unterwegs 

Sandungsanlagen unterstützen Eisenbahnen beim Beschleunigungs- und Abbremsvorgang. Die virtuelle 

Optimierung solcher Anlagen hilft, die ökologischen und ökonomischen Verbesserungen durchzuführen. Die 

Zusammenarbeit mit dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der Technischen Universität 

Graz, Knorr-Bremse GmbH und Wiener Linien ermöglichte eine durch experimentelle Daten verifizierte 

Beschreibung einer Sandungsanlage. 

Verschmutzte, nasse oder vereiste Schienen 

stellen Schienenfahrzeuge verschiedenster 

Art beim Beschleunigen oder Verzögern vor 

spezielle Herausforderungen. Bei solchen Bedingungen 

wird der Reibwert zwischen Rad und 

Schiene aber auch zwischen Magnetschienenbremse 

und Schiene herabgesetzt, so dass 

Brems- oder Beschleunigungskräfte nur ungenügend 

übertragen werden können. 

Seit langer Zeit werden deshalb Sandungsanlagen 

eingesetzt, um Sand auf die Schiene 

aufzubringen und damit die Reibverhältnisse zu 

verbessern. Unter einer Sandungsanlage versteht 

man eine in Schienenfahrzeugen verwendete 

Einrichtung, bei der mit Hilfe von Druckluft 

Sand aus einem Sandkasten gefördert und über 

Rohre oder Schläuche in den Kontaktbereich 

zwischen Rad und Schiene eingebracht wird. 

Dort wird der Sand zermahlen und steigert somit 

den Reibwert. 

Ökonomische und ökologische 

Kriterien 

Für die Betreibergesellschaften sind neben der 

technischen Betriebssicherheit auch ökonomische 

Kriterien wie geringer Sandverbrauch 

bei höchster Effizienz maßgeblich, denn der 

Sand muss in Vorratsbehältern mitgeführt und 

regelmäßig nachgefüllt werden, was zusätzliche 

Kosten verursacht. 

Auch aus ökologischen Gründen ist ein möglichst 

geringer Sandeinsatz anzustreben. Denn 

der beim Überrollen zermahlene Sand erzeugt 

Rückstände, die entweder auf der Schiene zurückbleiben 

oder aufgewirbelt und in der Umgebung 

verteilt werden. Dies stellt einen Beitrag 

zur Feinstaubbelastung dar. Im Ernstfall können 

diese Rückstände auch zur Beschädigung von 

Rad und Schiene führen. 

Sandungsanlagen sind komplexe technische 

Systeme, in denen verschiedene Funktionen 

zuverlässig umgesetzt werden müssen. Dazu 

gehören zum Beispiel die Trockenhaltung des 

Sandes, die reproduzierbare Bereitstellung von 

bestimmten Massenströmen von Sand und Luft, 

und letztendlich die gezielte Ausbringung auf 

die Schienen. Gerade der letzte Punkt ist Gegenstand 

der hier vorgestellten Untersuchung, 

um eine optimale Geometrie-Variation des Sandungsrohrs 

zu erzielen. Vier Parameter sind 

dafür ausschlaggebend: 

• Druckverlust im Endstück 

• Die durchschnittliche Teilchen- 

geschwindigkeit nach dem Verlassen 

des Sandungsrohrs 

• Das Verhältnis der axialen und radialen 

Teilchengeschwindigkeit und der sich 

daraus ergebende Winkel zur Mittelachse 

des Sandstrahls 

• Der radiale Abstand der Teilchen von der 

Strahlachse 

Um das Verhalten dieser vier Zielgrößen analysieren 

zu können, wurden verschiedene virtuelle 

Kontrollebenen im Berechnungsgebiet 

definiert, an welchen die verschiedenen Eigenschaften 

untersucht werden. Die Simulation der 

vielversprechendsten Geometrievariation wurde 

im Laborversuch bei Knorr-Bremse GmbH 

bestätigt. 

So wurden die oben geschilderten Größen im 

Detail betrachtet: 

Druckverlust beim Endstück 

Durch ein verändertes Design des Endstückes 

ändern sich die Strömungsverhältnisse und 

auch der Druckverlust bei der Durchströmung 

(vgl. Abbildung 1). Um die Funktion der Sandungsanlage 

sicherzustellen, darf sich der 

Druckverlust nicht zu stark erhöhen. 

Durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit 

Je schneller die Teilchen beim Verlassen des 

Sandrohrs sind, desto kleiner sind im Realbe- 

trieb die Effekte durch äußere Einflüsse wie 

Querströmungen – etwa durch Wind. 

Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls 

Das Verhältnis von axialer zu radialer Teilchengeschwindigkeit 

und der sich daraus ergebende 

Winkel zur Mittelachse des Sandstrahls sind 

geeignet, die Bewegungsrichtung der Teilchen 

zu beschreiben. Der Mittelwert dieses Winkels 

über alle Teilchen ist somit ein Maß für die Fokussierung 

des Strahles. 

Radialer Abstand der Teilchen 

von der Strahlachse 

Zusätzlich wurde die Aufweitung des Strahles 

in einem bestimmten Abstand von der Austrittsöffnung 

des Sandrohrs untersucht. Diese ist definiert 

durch den radialen Abstand der Teilchen 

von der Strahlachse. 

Wissenschaftlicher Zugang 

Moderne Software-Pakete unter Berücksich- 

Abbildung 1: Simulation verschiedener Geometrien des 

Endstückes des Sandungsrohrs 



23

tigung der Computational Fluid Dynamics 

(CFD) wie ANSYS-Fluent bieten eine Reihe 

unterschiedlicher Methoden, um Mehrphasenströmungen 

wie bei der Sandung abzubilden. 

Die Wahl des geeigneten Simulationsmodells 

ergibt sich aus den spezifischen Eigenschaften 

der vorliegenden Strömung. Von entscheidender 

Bedeutung sind hierbei die Stärke der 

Beladung, die Interaktion der einzelnen Phasen 

sowie die Ausbildung von möglichen freien 

Oberflächen. 

Für die geschilderte Aufgabenstellung wurde 

die partikelbeladene Strömung mittels eines 

Euler-Lagrangeschen Ansatzes abgebildet. Bei 

dieser Methode werden die einzelnen Sandteilchen 

als Punktmassen in der Simulation behandelt 

und die Wechselwirkung mit der Strömung 

abgebildet. Von besonderer Bedeutung 

in diesem Zusammenhang ist die theoretische 

Behandlung des Teilchen-Wand-Kontakts. Die 

Asphärizität der Sandteilchen, die Rauigkeit der 

Wand und andere Effekte stellten für die Simulation 

der Stöße zwischen den Sandteilchen 

und der Wand eine große Herausforderung dar. 

In der Simulation werden die oben genannten 

Schwierigkeiten gelöst, indem durch das sogenannte 

„virtual wall“-Konzept die Wand stochastisch 

geneigt wird. Eingangsparameter für 

diese Modellierung sind die Rotation der Teilchen, 

Elastizität und Reibungskoeffizient der 

Wand, sowie die Streuung der Wandneigung, 

welche zu einer statistischen Beschreibung des 

Wandabpralls führen. In Abbildung 2 ist das 

„virtual wall“-Konzept schematisch dargestellt. 

Optimierung 


Die in der CFD-Software Fluent als „user-defined 

function“ implementierte Methode zum 

Wandabprall wurde anhand von Laborversuchen 

verifiziert. Das resultierende Simulationsmodell 

wurde dann wiederum benutzt, um 

verschiedene Optimierungsstrategien für die 

Sandungsanlage zu untersuchen und zu analysieren. 

Hierfür wurde eine Reihe von Testfällen 

erstellt, in denen verschiedene Geometrievarianten 

umgesetzt sind. 

Realfall 

Für die genaue Abbildung der Sandung im realen 

Betrieb sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen. 

Ein tragfähiges Simulationsmodell für die 

Gas-Feststoff-Strömung ist erforderlich, insbesondere 

für die Strömung im Sandschlauch. 

Zusätzlich sind Erkenntnisse über die äußeren 

Einflüsse auf die Sandausbringung, also die 

Strömungsverhältnisse im Radhaus des Schienenfahrzeugs 

erforderlich. 

Die Geometrie des Schienenfahrzeugs hat einen 

maßgeblichen Einfluss auf die Effektivität 

der Sandungsanlage und muss daher in der 

Simulation berücksichtigt werden, wie ein Foto 

eines Sandungsvorgangs im Realbetrieb (Abbildung 

3) zeigt. 

Da die Berechnung der Teilchenbahnen im 

Allgemeinen transient zu behandeln ist, kann 

Abbildung 4: Simulation der Straßenbahnumströmung; 

Das Verhalten der Strömung ist durch Stromlinien 

visualisiert. Die Farben der Stromlinien spiegeln die 

Geschwindigkeit wider. 


Abbildung 2: Stochastische Beschreibung 

des Wandabpralls von Sandteilchen 

Quelle: Kahrimanovic/Pirker/Kloss, 2008 

die Simulation der Bremsung mit einem Vollmodell 

der Straßenbahn nicht in einem geeigneten 

Zeitrahmen durchgeführt werden. Aus 

diesem Grund wurde nur ein kleinerer Teil 

des Schienenfahrzeuges für die instationäre 

Berechnung herangezogen. Die dafür benötigten 

Randbedingungen an den Grenzen des 

Berechnungsgebietes werden aus einer stationären 

Simulation der Umströmung des gesamten 

Schienenfahrzeuges gewonnen und auf die 

Teildomäne des transienten Berechnungsgebietes 

aufgeprägt. Ergebnisse der Komplettberechnung 

sind in Abbildung 4 gezeigt. Diese 

Simulationen wurden durch Messungen der 

Luftgeschwindigkeiten am realen Schienenfahrzeug 

verifiziert, die in Zusammenarbeit mit den 

Wiener Linien und Knorr-Bremse GmbH durchgeführt 

wurden.

Abbildung 3: Sandstrahl im Realbetrieb 

Quelle: Knorr-Bremse GmbH 

Im Anschluss an die Komplettsimulation wurde 

eine transiente Simulation der Teildomäne der 

Straßenbahn durchgeführt. Hierbei war es nun 

möglich, verschiedene Geometrievarianten virtuell 

miteinander zu vergleichen und Optimierungspotenziale 

aufzuzeigen. 

Ergebnisse einer solchen Simulation sind in 

den Abbildungen 5 und 6 gezeigt. In diesen 

Abbildungen ist das Verhalten der Teilchen gut 

erkennbar. Während der Auswertung der erhaltenen 

Daten, wird die Verteilung der Teilchen 

auf der Schiene ermittelt. 

Diskussion 

Die Effektivität der Sandung wird durch die 

Menge des Sandes bestimmt, welcher direkt 

vor dem Rad auf die Schiene trifft. Zur Berechnung 

dieser Sandmasse wurde ein durch 

Experimente validierter Simulationsprozess 

entwickelt, welcher es erlaubt, die wesentlichen 

involvierten physikalischen Prozesse abzubilden. 

Somit ist es möglich, verschiedene Geometrievarianten 

miteinander zu vergleichen und 

Optimierungspotenziale zu identifizieren. ■ 

Abbildung 6: Virtuelle Abbildung des Sandstrahls (II / von unten betrachtet). 

Die Farben kennzeichnen unterschiedlich schwere Teilchen. 



DI Sebastian Möller 

forscht im Bereich 

Aerodynamics und 3D- 

Simulation bei VIRTUAL 

VEHICLE. 

Institut für Strömungslehre und 

Wärmeübertragung, TU Graz 

Leitung: Univ.-Prof. Günter Brenn 

Die Forschungsgebiete des Instituts 

umfassen Strömungsmesstechnik, 

mehrphasige Strömungen, Aerodynamik, 

Numerische Simulation und 

Modellbildung, sowie Wärme- und 

Stoffübertragung. Bearbeitet werden 

die Ausbreitung von Druckwellen, die 

Abbildung 5: Virtuelle Abbildung des Sandstrahls (l / seitliche Ansicht). 

Die Farben kennzeichnen unterschiedlich schwere Teilchen. 

Dr. Daniel Langmayr 

ist Key Researcher im 

Bereich Aerodynamics 

und 3D-Simulation bei 


Berechnung turbulenter Strömungen mit 

chemischen Reaktionen, die Aerodynamik 

des Skisprungs, Wärmeübertragung 

mit Phasenwechsel, sowie die Kollision 

flüssiger Tropfen. 

Auf direkte Kooperationen mit der Industrie 

wird großer Wert gelegt. Das Institut 

hat u.a. zwei Windkanäle, (optische) 

Strömungsmesstechnik, einen Parallelrechner 

und diverse Laborausstattung. 


25

Verbesserte Prognosesicherheit bei der 

Komfortauslegung von Schienenfahrzeugen 

Der Fahrkomfort ist ein wichtiger Faktor, um Reisende für die Benützung der Bahn zu begeistern. Daher 

sind Fragestellungen des Komforts bei der Entwicklung und Auslegung von Schienenfahrzeugen von großer 

Bedeutung. Die Anforderungen an die virtuelle Produktentwicklung von Schienenfahrzeugen steigen deutlich, 

da sowohl der Fahrkomfort verbessert werden soll, gleichzeitig aber die Kosten und Entwicklungszeiten 

reduziert werden müssen. 

Die Komfortbeurteilung 

Bei Schienenfahrzeugen wird der Fahrkomfort 

typischerweise durch Messung von Beschleunigungen 

an spezifischen Punkten auf dem 

Fußboden des Wagenkastens beurteilt. Da 

Schienenfahrzeuge aufgrund der relativ geringen 

Stückzahlen praktisch immer prototypenfrei 

entwickelt werden, kommt der Komfortauslegung 

über Simulation als Prognosewerkzeug 

eine große Bedeutung zu. Dafür ist jedoch eine 

genaue Validierung der Simulationsmodelle 

unumgänglich. Beim Vergleich von rechnerisch 

ermittelten Komfortbewertungen mit experimentellen 

Bewertungsergebnissen zeigen sich 

allerdings immer wieder nicht zuordenbare Unterschiede. 

Diese Unterschiede sind zum Teil 

auf Unsicherheiten in den Randbedingungen 

von Simulation und Messfahrt zurückzuführen, 

dazu gehören z.B. die Gleislage oder nicht 

bekannte Schienenprofile. Neben der Modellierung 

von Fahrwerkskomponenten zeigt sich, 

dass die Vernachlässigung von strukturdynamischen 

Eigenschaften des Wagenkastens 


für die Abweichungen verantwortlich gemacht 

werden kann. Gemeinsam mit dem Industriepartner 

Siemens und dem Institut für Mechanik 

der Montanuniversität Leoben werden am 

VIRTUAL VEHICLE der Prozess der virtuellen 

Komfortbeurteilung von Schienenfahrzeugen 

untersucht und Optimierungsmaßnahmen am 

Fahrzeugmodell identifiziert, um zukünftig die 

Prognosequalität der Komfortauslegung weiter 

erhöhen zu können. 

Validierung der Berechnungsmodelle 

im Experiment 

Entsprechend dem V-Modell (Abbildung 1) der 

virtuellen Produktentwicklung werden Simulationen 

und Messungen auf Komponenten-, 

Subsystem- und Gesamtfahrzeugebene gegenübergestellt. 

Auf Komponentenebene werden 

Prüfstandsversuche durchgeführt, um die 

grundlegenden dynamischen Eigenschaften 

von Koppelelementen wie Federn, Dämpfer und 

Gummielementen etc. aufzunehmen. Anhand 

der Messungen werden die Komponentenmo- 

Abbildung 1: V-Modell der Fahrzeugentwicklung und Anwendung auf die Komfortauslegung von Schienenfahrzeugen 


delle parametriert. Die parametrierten Komponentenmodelle 

müssen wiederum erneut mit 

den Komponentenmessungen verglichen werden, 

um sicher zu stellen, dass die jeweiligen 

Komponenten in der Simulation ausreichend 

genau abgebildet worden sind. Auf Subsystemebene 

wurden die strukturdynamischen 

Eigenschaften des Wagenkastens in unterschiedlichen 

Ausbauzuständen mittels Modalanalysemessungen 

ermittelt, d.h. im Rohbauzustand, 

als teilweise ausgebauter Wagenkasten 

und als voll ausgebauter Wagenkasten. Die 

komfortrelevanten dynamischen Eigenschaften 

des Fahrwerks wurden mittels Keilversuchen 

ermittelt. Auf Gesamtsystemebene wurden 

Streckenversuche am Eisenbahnversuchsring 

in Velim (CZ) durchgeführt. 

Keilversuche 

Für die messtechnische Ermittlung der Strukturschwingungen 

des Wagenkastens wurden 

Modalanalysen mit elektrodynamischen 

Schwingerregern durchgeführt. Wegen der er-

höhten Dämpfung der Starrkörpereigenformen 

eines gesamten Schienenfahrzeugs ist eine 

klassische Modalanalyse mittels elektrodynamischen 

Schwingerregers zur Identifikation 

der Starrkörperschwingformen nicht möglich. 

Zudem liegen die Eigenfrequenzen der Starrkörpermoden 

in einem Bereich, in dem auch 

typischerweise die Eigenfrequenzen der elektrodynamischen 

Schwingerreger liegen. 

Daher wurden Keilversuche durchgeführt. Bei 

einem Keilversuch wird ein gesamtes Schienenfahrzeug 

über Keile geschoben, die vor den 

Rädern auf den Schienen platziert sind (Abbildung 

2). Durch das Fallen des Fahrzeugs vom 

Keil und Auftreffen auf dem Gleis wird ein Eingangssprung 

erzeugt und damit das Fahrzeug 

mit einem breiten Anregungsspektrum angeregt. 

Aus der Antwort des Fahrzeugs auf diesen 

Eingangssprung können im nächsten Schritt 

die Eigenfrequenzen ermittelt werden. Je nach 

Anordnung der Keile unter dem Fahrzeug kann 

die Anregung spezifischer Eigenformen wie z. 

B. Nick-, Tauch- oder Wankbewegungen des 

Wagenkastens oder des Fahrwerks angeregt 

werden. 

Äquivalent zum Realversuch wurde der Keilversuch 

auch in der Simulation durchgeführt. In 

der Auswertung der Keilversuche wurden neben 

den Eigenfrequenzen und der Dämpfungen 

auch die Eigenvektoren identifiziert. Durch die 

Verfügbarkeit der Eigenvektoren wird es möglich, 

die komfortrelevanten Eigenbewegungen 

vollständig zu beschreiben und zu valideren. 

Abbildung 2: Platzierung eines Keiles vor den Rädern 


Modellierung des elastischen 

Wagenkastens 

Die Validierung des FE-Modells wird mit den 

Ergebnissen aus der experimentellen Modalanalyse 

durchgeführt. Dabei werden Eigenfrequenzen 

und Eigenvektoren der Berechnung 

und der Messung korreliert. Einen entscheidenden 

Einfluss auf die Ergebnisse haben z.B. 

die Wahl der Finiten-Element-Typen sowie die 

Diskretisierung des Modells (Abbildung 3). Damit 

kann ein Optimum zwischen Ergebnisqualität 

und Berechnungszeit gefunden werden. 

Streckenversuche und Validierung 

der Komfortbeurteilung 

Nach der Validierung der Komponenten und 

Sub-Systeme muss die abschließende Validierung 

der Gesamtsystemsimulation unter möglichst 

betriebsnahen Bedingungen erfolgen. 

Dafür wurden am Eisenbahnversuchsring in 

Velim in Tschechien Messfahrten durchgeführt. 

Auf dem ca. 13 km langen Testring sind Fahrgeschwindigkeiten 

bis zu 230 km/h möglich. 

Essentiell für die Validierung des dynamischen 

Gesamtsystems Schienenfahrzeug ist die 

Aufnahme der Randbedingungen des realen 

Streckenversuchs; dazu gehören Trassierung, 

Gleislagefehler, Rad-Schiene-Profile sowie 

Oberbau-Charakteristiken. Auf die Randbedingungen 

des Streckenversuchs wurde bei den 

Streckenversuchen ein besonderer Schwerpunkt 

gelegt, um die Vergleichbarkeit der Messergebnisse 

mit den Fahrkomfortsimulationen 

gewährleisten zu können. 

Die strukturdynamischen Eigenschaften des 

Wagenkastens müssen in der Fahrkomfortsimulation 

durch die Mehrkörpersystem (MKS) 

Simulation berücksichtigt werden. Dafür muss 

das komplexe FE-Modell des Wagenkastens 

geeignet reduziert und in die MKS-Welt eingebunden 

werden. Für die Modellreduktion wurden 

klassische Verfahren wie die Guyan und 

die Craig Bampton Methode verwendet, um 

den Zielkonflikt zwischen der Ergebnisqualität 

der Simulation und der Rechenzeit bestmöglich 

zu lösen. 

Abbildung 3: Eigenform Dachquerschwingung des elastischen 

Rohbau-Wagenkastens 


Die Weiterentwicklung von Validierungsmethoden, 

wie z.B. des Keilversuchs in Kombination 

mit neuen Auswerteverfahren erlauben eine 

treffsichere Identifikation von Schwachstellen 

in den Simulationsmodellen sowie die Beurteilung 

des quantitativen Einflusses dieser 

Schwachstellen auf die Zielgröße der Validierung, 

sprich den Komfortwert. Durch die anschließende 

zielgerichtete Weiterentwicklung 

der Simulationsmodelle wie z.B. des elastischen 

Wagenkastens oder Komponenten am 

Fahrwerk kann der Komfortwert mit einer Genauigkeit 

von rund 10 % durch die Simulation 

prognostiziert werden. 

Durch die konsequente Validierung der Simulationsmodelle 

von der Komponenten- bis zur 

Gesamtfahrzeugebene, der gezielten Schwachstellenanalyse 

und der anschließenden zielgerichteten 

Verbesserung der Modellierung kann 

damit vor allem das Entwicklungsrisiko für zukünftige 

Projekte deutlich reduziert werden. ■ 

Zum Autor 

Dr. Martin Rosenberger 

ist stellvertretender Bereichsleiter 

des Bereichs 

„Mechanics & Materials“ 

am VIRTUAL VEHICLE 


• Institut für Mechanik; 

Montanuniversität Leoben 

• Siemens AG 


27

Durchgängige Toolketten für 

E/E-Systeme im Eisenbahnbereich 

E/E-Systeme erlangen im Schienenverkehr eine immer größere Bedeutung. Mit der Komplexität der 

Entwicklung steigt auch die Anzahl der eingesetzten Software-Entwicklungswerkzeuge. Aktuell eingesetzte 

Tools erschweren ein Umsetzen sicherheitsrelevanter Normen, da Schnittstellenbrüche eine effiziente 

Kommunikation verhindern. Schwerpunkte am VIRTUAL VEHICLE sind Analysen und Optimierung der 

Toollandschaft bei der Entwicklung von sicherheitskritischen Systemen. 

Wie in vielen technischen Bereichen finden 

E/E-Systeme für Eisenbahnen eine immer 

weitere Verbreitung. Eine Vielzahl technischer 

Funktionen wird verstärkt durch den Einsatz 

von Elektronik realisiert, um unterschiedliche 

Anforderungen effizient abdecken zu können. 

Komfortfunktionen wie die Heizung in Zugabteilen 

mussten früher per Hand geregelt werden. 

Mittlerweile sind elektronisch gesteuerte 

Regelkreise für die individuelle Klimatisierung 

der Abteile Stand der Technik. Zudem hat der 

Passagier als Kunde eine Vielzahl an Wünschen, 

die heute als selbstverständlich erachtet 

werden: So will man nicht nur eine geschlossene 

Mobilfunkverbindung im Zug, Internet soll 

auch noch zur Verfügung stehen, und das möglichst 

schnell und sicher. Elektronische Systeme 

haben auch im Hintergrund viele wichtige 

Aufgaben, die der Passagier nicht wahrnimmt. 

Signalsysteme dienen zur permanenten Überwachung 

der Sicherheit von Strecke und Zug. 

Damit verbunden ist eine Vielzahl an Sensorik, 

die den sicheren Zustand des Zuges und des 

Gleissystems gewährleisten soll. Neue Bahnsysteme 

sind verstärkt für höhere Geschwindigkeiten 

ausgelegt und fordern daher zusätzliche 

Sicherheitsmaßnahmen, um die Risiken im Versagensfall 

zu minimieren. 

Die Vielzahl der Anforderungen an das Gesamtsystem 

ist mit den aktuell eingesetzten 

Entwicklungsansätzen kaum mehr umsetzbar. 

Die Systemarchitektur wird derzeit oft in einem 

Zeichentool, eine Sicherheitsanalyse in einer 

Tabellenkalkulation und der abschließende Bericht 

in einem Textverarbeitungstool erstellt. 

Änderungen müssen manuell eingegeben werden 

und stellen ein großes Fehlerpotential dar. 

Das Löschen einer einzelnen Zelle in einem 

Tabellenkalkulationsprogramm kann in Extremfällen 

zu einer Gefährdung für den Bahnkunden 

führen. Es ist schwierig für den Gesamtprozess 

eine Konsistenz zu wahren, da die Tools nicht 

gekoppelt sind. Eine Methodik mit getrennten 

Tools ist nur für kleinere Projekte sowie für geringe 

Änderungen geeignet. 


Durchgängigkeit der Toolkette als 

Schlüssel zu sicheren E/E-Systemen 

Bei der Entwicklung von sicherheitskritischen 

Systemen kommen üblicherweise mehrere 

Softwaretools zum Einsatz, die jeweils eine 

spezifische Aufgabe erfüllen. Diese Tools werden 

von Spezialisten bedient, die für die jeweiligen 

Aufgaben zuständig sind. So erstellt zum 

Beispiel ein Sicherheitsingenieur die Sicherheitsanalysen 

mit Hilfe eines geeigneten Tools. 

Um die Entwicklungsdaten über die Toolkette 

hinweg austauschen zu können, gibt es grundsätzlich 

mehrere Möglichkeiten: 

1. Austausch über Import/Exportfunktionen 

Der Großteil der kommerziellen Tools arbeitet 

nach diesem Schema. Daten werden über 

Import- und Exportfunktionen ausgetauscht. 

Abbildung 1 zeigt den Informationsfluss bei der 

Verbindung von zwei Tools über Import/Exportfunktionen. 

Beim Import von Daten können je nach Tool Daten 

verloren gehen, da ein fremdes Format erst 

in ein natives Datenformat konvertiert werden 

muss. Der Benutzer des Tools fügt im Rahmen 

der Entwicklungstätigkeit Daten hinzu, zum Beispiel 

werden Sicherheitsanalysen auf Basis der 

vorhandenen Systemarchitektur erstellt. Wenn 

bei diesen Sicherheitsanalysen Schwachstellen 

der Systemarchitektur aufgedeckt werden, ist 

eine Korrektur notwendig, z.B. durch den Einbau 

zusätzlicher Diagnosefunktionen. Dadurch 

wird in den Daten eine Rückführungsschleife 

notwendig. Für wenig umfangreiche Daten kann 

dies manuell durchgeführt werden, bei größeren 

Umfängen muss eine geeignete Datenzusammenführung 

erfolgen (Diff/Merge). Die 

Entwicklung erfolgt üblicherweise in mehreren 

Schritten, d.h. die erzeugten Schleifen werden 

auch mehrfach durchlaufen. Die Kopplung von 

Tools über Import- und Exportfunktionen bringt 

dadurch zusätzliche Komplexität in den Entwicklungsprozess. 

Diff / 

Merge 

Abbildung 1: Datenfluss beim 

Austausch über Import/Export 


File Type 

Predecessing Tool 

Change 

Add 

File Type 

Tool A 

File 

Type Tool B 

Change 

Add 

File Type 

Tool B 

File 

Type 

Tool C 

User 

User 

2. Austausch von Daten über gemeinsame 

Datenbanken 

Mehrere Tools können ihre Daten über gemeinsame 

Datenbanken ablegen und dadurch 

synchronisieren. Dieser Ansatz erfordert abgestimmte 

Metamodelle sowie eine gewisse 

Offenheit der Toolhersteller. Nachteil dieses 

Ansatzes ist die fehlende Rückwärtskompatibilität 

zu bereits in der Entwicklung verwendeten 

Tools.

3. Austausch von Daten über Nachrichten- 

versand zwischen den Tools 

Anstatt eine gemeinsame Datenbank zu nutzen, 

ist es auch möglich, dass Tools ihre selbst 

verwalteten Daten über Nachrichten synchronisieren. 

Dazu werden Steuerungsdaten generiert 

und zwischen den Systemen hin und her 

gesendet, um einen geregelten Austausch der 

Produktivdaten zu ermöglichen. Für typische 

Entwicklungswerkzeuge ist dieser Ansatz aktuell 

noch nicht verbreitet. 

4. Enge Toolkopplung durch gemeinsame 

Datenstrukturen 

Eine sehr enge Verzahnung von Tools lässt sich 

erreichen, indem gemeinsame Datenstrukturen 

verwendet werden. Dies erfordert eine enge 

Kooperation zwischen den Toolherstellern. Ein 

Beispiel für eine enge Toolkopplung ist die Integration 

von MS Visio in das PLM-Tool Teamcenter. 

Anforderungen an die Toolkette für 

E/E-Systeme im Eisenbahnbereich 

Für den Schienenverkehr sind bei der Entwicklung 

von sicherheitskritischen E/E-Systemen 

die Normen EN 50126, EN 50128 und EN 50129 

anzuwenden. Die Inhalte der Normen sind sehr 

umfangreich und betreffen mannigfaltige Aspekte 

des Entwicklungsprozesses: Vorgaben 

für das Management, die Entwicklungs- und 

Analysemethodik, Verifikations- und Validierungsmaßnahmen 

sowie anzuwendende Sicherheitsanalysen. 

Die wichtigsten Tools zur Erfüllung der Norm 

decken dabei folgende Aufgaben ab: 

1. Product Lifecycle Management 

2. Anforderungsmanagement 

3. Systemarchitektur 

4. Sicherheitsanalysen 

Über die in diesen Prozessen eingesetzten 

Tools hinweg erfordert die Norm EN50126 die 

Rückverfolgbarkeit der Anforderungen über 

dem gesamten Tooleinsatz. Für die Sicherheitsanalysen 

ist ein zertifiziertes Tool nach 

EN5012x notwendig, das eine Verlinkung der 

Sicherheitsanalysen (FMEA, FTA, Common 

Cause Failure Analyse) zur Systemarchitektur 

erlaubt. In allen Tools muss eine automatisierte 

Erstellung von Dokumenten möglich sein. Die 

größte Herausforderung besteht darin, dass 

die gesamte Toolkette für Änderungen und Entwicklungsschleifen 

geeignet sein muss. 

Abbildung 2.: Derzeitige Schnittstellenbrüche in der Safety-Toolkette im Schienenverkehr 


Lösungsmöglichkeiten für die E/E- 

Toolkette im Eisenbahnbereich 

Da gängige Tools zwar untereinander keine 

Kopplung aufweisen, in den meisten Fällen jedoch 

standardisierte Schnittstellen zum Datentausch 

anbieten, kann in einem ersten Schritt 

eine Toolkette eingerichtet werden. Dadurch 

wird die eine Durchgängigkeit der Systeme 

noch nicht erreicht, jedoch durch automatisierten 

Datentausch eine Prozessverbesserung 

erzielt, da manuelle Übertragungsfehler ausgeschlossen 

werden können. 

Weitere Verbesserungen der Entwicklungsprozesse 

erzielt man durch den Einsatz von Notationssprachen 

im Entwicklungsprozess. Dadurch 

werden viele Schritte durch eine durchgehende 

Notation der Systemarchitektur formalisiert 

und vereinheitlicht. Hier zeichnet sich ab, dass 

der SysML-Standard zur Modellierung in der 

Industrie eine entscheidende Rolle einnimmt. 

SysML-Tools wie etwa Enterprise Architect verfügen 

in der Regel über Exportmöglichkeiten 

der modellierten Systemarchitektur von Hardware- 

und Softwarekomponenten einschließlich 

möglicher Fehlfunktionen. 

Damit kann bereits zu Beginn des Projektes ein 

„Top-Down“-Ansatz in der Entwicklung verfolgt 

werden, auf dem in weiterer Folge Risiko- und 

Gefährdungsanalysen aufsetzen können. Die 

aufgebaute Struktur des Systems kann durch 

entsprechende Werkzeuge für die Sicherheits- 

und Gefährdungsanalyse direkt eingelesen 

werden. 

Zusammenfassung und Ausblick 

Der Datentausch zwischen den Werkzeugen 

und der gezielte Einsatz von Notationssprachen 

für die Abbildung der Systemarchitektur sind 

am VIRTUAL VEHICLE Gegenstände aktueller 

Forschung. Der Fokus liegt vor allem auf der 

Analyse der Fähigkeiten aktueller Tools sowie 

Erarbeitung von Maßnahmen zur Schließung 

von Lücken für eine durchgängige Toolkette im 

Eisenbahnbereich. 

Am VIRTUAL VEHICLE hat daher das Thema 

Durchgängigkeit von Toolketten im Rahmen 

von Systems Engineering in Kombination mit 

sicheren E/E-Systemen einen besonderen Stellenwert 

erlangt und wird im Rahmen von Projekten 

in Zusammenarbeit mit Industriepartnern 

erforscht. Schwerpunkte liegen auf den Gebieten 

der Konzeptphase, Systemmodellierung, 

Sicherheitsanalysen, Integration der Sicherheit 

in bestehende Entwicklungsprozesse sowie 

Sicherheitszertifizierung von E/E-Systemen. ■ 


DI Joachim Hillebrand 

leitet die Gruppe für 

Embedded Systems am 


DI Peter Reichenpfader 

ist Senior Researcher 

im Bereich Embedded 

Systems am VIRTUAL 

VEHICLE. 


29

Gastbeitrag 

Das Institut für Eisenbahnwesen und 

Verkehrswirtschaft der TU Graz stellt sich vor 

Impulse für ein betrieblich, technisch und wirtschaftlich erfolgreiches System Bahn: Das Institut für 

Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft steht für eine umfassende Sicht auf das System Bahn und berücksichtigt 

neben wirtschaftlichen auch betriebliche und technische Aspekte. Seit 2006 besteht eine Zusammenarbeit 

zwischen dem Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft und dem VIRTUAL VEHICLE. 

Das Eisenbahnwesen im Wandel 

Das Eisenbahnwesen in Europa befindet sich in 

einem massiven Wandel. Zur Stärkung der Eisenbahn 

geht die Europäische Union den Weg 

der Stärkung der Bahnen durch Steigerung 

der Wettbewerbsfähigkeit. Diese soll durch 

eine Liberalisierung erreicht werden, die es 

allen Eisenbahnverkehrsunternehmen gestattet, 

auf allen Netzen zu fahren. Das erfordert 

eine Trennung von Infrastruktur und Eisenbahnverkehrsunternehmen. 

Sprechen die 

Einen von einem notwendigen Schritt mit bereits 

vielen Erfolgen, sprechen Andere davon, 

dass die Eisenbahn genau in jenem Punkt zerschnitten 

wird, in dem „Eisenbahn“ eigentlich 

stattfindet, dem Kontaktpunkt Rad-Schiene. 

Das Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft 

bezieht hier klare Position: Ja, wir 

brauchen einen starken technischen Fokus. 

Und wir müssen technische und auch betriebliche 

Gesetzmäßigkeiten identifizieren und in 

ihren Zusammenhängen darstellen. 

Zudem bin ich als Institutsvorstand überzeugt, 

dass Innovationen im heutigen Umfeld schwer 

umsetzbar sind. 

Umsetzung von Innovationen oft 

schwierig 

Die Gründe dafür sind vielfältig: Juristische 

Richtlinien machen die technische und betriebliche 

Umsetzung oft schwierig. Der wirtschaftliche 

Erfolg einer Innovation muss vorab 

berechnet werden, um sie umsetzen zu können. 

Für eine umfassende Beurteilung des Erfolges 

einer Innovation im Eisenbahnwesen, einer 

Strategie oder ganz allgemein einer Variante 

im wirtschaftlichen Sinne, muss allerdings das 

Gesamtsystem Bahn berücksichtigt werden. 

Schließlich wird die Innovation dort umgesetzt 

und auch wirksam. 

Es lassen sich viele Beispiele zu dieser Problematik 

anführen: Ein Fahrzeug mit besseren 

Laufeigenschaften wird wahrscheinlich teurer 


sein, schont aber die Infrastruktur und kann somit 

zum Gesamtoptimum beitragen. 

Ein verbesserter nachhaltiger Oberbau ist in 

der Investition zwar teurer, reduziert aber den 

Instandhaltungsbedarf, verlängert die Nutzungsdauer 

und reduziert damit betriebliche 

Behinderungen, was wiederum den Eisenbahnverkehrsunternehmen 

zu Gute kommt. 

Das bedeutendste Lenkungsinstrument, das in 

dieser Weise erst ausgestaltet werden muss, 

sind Trassenpreise als Schnittpunkt zwischen 

Infrastruktur und Eisenbahnverkehrsunternehmen. 

Hier müssen Auswirkungen betrieblicher 

Behinderungen ebenso berücksichtigt 

werden wie Qualitäten von Fahrzeugen, Betriebskonzepten 

und dem Fahrweg. Aus diesem 

Grund stellt eine systemadäquate Ausgestaltung 

des Trassenpreissystems der Eisenbahn 

einen Forschungsschwerpunkt des 

Instituts dar. 

Abbildung 1: Instandsetzung Fahrbahn unter Betrieb 

Quelle: TU Graz, Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft 

Forschungsprojekte 

Die Trennung von Fahrweg und Betrieb und 

die Möglichkeit für Dritte, das Schienennetz 

zu nutzen, machte Forschungen zur Bestimmung 

von betrieblichen Folgekosten erforderlich. 

Daraus entwickelten sich Arbeiten 

zu Betriebserschwerniskosten und Dauerlangsamfahrstellen. 

Zudem zeigte sich ein 

relevanter Zusammenhang zwischen Fahrwegbeanspruchung 

und dem rollenden Material. 

Diese Wechselwirkung wird jedoch in der einzig 

verbliebenen Schnittstelle Fahrzeug – Fahrweg, 

den Trassenbenützungsgebühren, nicht 

abgebildet. Weitere Analysen haben gezeigt, 

dass auch andere Auswirkungen im Bereich 

Fahrzeug – Fahrweg, wie betriebliche Kapazität 

oder Lärm in Trassenpreisen nicht oder unzulänglich 

reflektiert werden. 

In unserem Projekt Baustellenlogistik (Abbildung 

1) am Institut für Eisenbahnwesen und 

Verkehrswirtschaft wird der Zusammenhang 

zwischen Bauabschnittslängen und Realisierungskosten 

(Abbildung 2) betrachtet. Dies 

ist für eine technisch-wirtschaftliche Optimierung 

notwendig. Maschinenleistungen, Logistik 

und daraus entwickelte Bauabläufe müssen genau 

untersucht werden, denn sie spielen eine 

entscheidende Rolle. 

Mit den bautechnischen Leistungen und den 

Kostenfunktionen die entstehen, wird es möglich, 

Zielkosten zu definieren. Optimierte Bauabschnittslängen 

können nämlich im Zusammenwirken 

mit Betriebserschwerniskosten als 

Zielkosten definiert werden. 

Das Projekt GleisPROPHET hat die Zielsetzung, 

eine spezifische Prognose des Gleisverhaltens 

abzugeben. Das Projekt baut auf 

Grundlagenuntersuchungen zum Gleisverhalten 

auf und hat bereits zu weiteren Grundlagenforschungen 

geführt. Im Mittelpunkt der 

Forschung stehen technische Innovationen 

im Komponentenbereich mit Fokus auf die 

technischen Langzeitauswirkungen auf Innovationen. 

Beispiele dafür sind: Asphalttrenn-

schichten, Schwellenbesohlungen, Rahmenschwellen 

und generell anwendungsorientierte 

Definitionen von Einsatzbereichen spezifischer 

Komponenten. 

Da eine Bewertung der Lebenszykluskosten 

(LCC) neben der Investition immer auch 

Instandhaltung und Nutzungsdauer berücksichtigen 

muss, wurden Standardelemente zur 

Abbildung dieses Verhaltens mittlerweile für die 

spezifischen Situationen Österreichs (Projekt 

Strategie Fahrweg), der Schweiz (SBB Standardelemente), 

Norwegens (Projekts NORSK) 

und Kroatiens (Projekt TRAMEO) erarbeitet 

und daraus Investitions- und Instandhaltungsstrategien 

abgeleitet. Es handelt sich 

um Projekte zur 

• technischen Instandhaltungsoptimierung 

durch beispielsweise Integrierte Instandsetzung, 

• Neugewichtung präventiver, reaktiver und 

zyklischer Instandhaltung oder 

• die Entwicklung von Schienenschleifstrategien 

im Licht der Head Check Problematik. 

Die Analyse des Langzeitverhaltens führte 

wegen der hohen Beeinflussung der technischen 

Nutzungsdauer durch den Schotter zu 

einer diesbezüglichen Grundlagenforschung 

und zu detaillierten Untersuchungen von 

Schwellenbesohlungen (Projekt WINS). Fragestellungen 

zur Dauerfestigkeit der Schienen 

und zur Bestimmung der Lastkollektive seien 

hier ebenfalls genannt. 

Weitergabe von Wissen - 

Studienschwerpunkte 

Unser Hauptaugenmerk liegt natürlich auch auf 

der Ausbildung unserer Studierenden. Ein uni- 

Abbildung 3: Tagung moderne Schienenfahrzeuge 


versitäres Studium sollte neben dem Weitergeben 

von fachlichem Wissen auf Verantwortung 

vorbereiten. Ziel des Portfolios unserer Lehrveranstaltungen 

ist es, Studierenden das System 

Eisenbahn mit seinen Wechselwirkungen 

von Infrastruktur, Betrieb und Wirtschaftlichkeit 

näher zu bringen. In der Grundvorlesung Eisenbahnwesen 

liegen die Schwerpunkte auf den 

konstruktiven Aspekten des Bauwesens. In den 

Vertiefungsfächern im Master werden sowohl 

konstruktive Schwerpunkte gesetzt als auch 

betriebliche und wirtschaftliche Grundlagen 

angeboten. Weitere Vorlesungen beschäftigen 

sich mit den Schnittstellen Fahrzeug / Fahrweg 

und Infrastruktur / Betrieb / Eisenbahnverkehrsunternehmen. 

Studierende haben des Weiteren die Möglichkeit, 

die Erkenntnisse in Projektarbeiten 

(Bachelor und Master) umzusetzen. Die drei 

Lehrschwerpunkte reflektieren dabei auch die 

Forschungsschwerpunkte des Instituts, womit 

eine forschungs- und praxisnahe Lehre sichergestellt 

wird. 

Abbildung 2: Unterbausanierung bei der SBB 


Europäischer Treffpunkt der Bahn 

Seit 1954 findet alle eineinhalb Jahre die Tagung 

zum Thema „Moderne Schienenfahrzeuge“ 

an der Technischen Universität Graz 

statt (Abbildung 3). Die rund 600 Teilnehmer 

kommen vorwiegend aus dem deutschsprachigen 

europäischen Raum und zeigen Mal für 

Mal großes Interesse an den Vor- und Beiträgen 

der Firmen der Bahnindustrie, der Bahnverwaltungen 

selbst und dem Bereich Forschung, so 

dass sich die Veranstaltung mittlerweile als 

„europäischer Treffpunkt der Bahn“ etablieren 

konnte. 

Das Institut organisierte die Schienenfahrzeugtagung 

seit 1996 elf Mal, womit im April 2013 

die 41. Tagung stattfindet. 

Auch in Zukunft werden wir uns weder auf einen 

rein technischen, rein betrieblichen, noch rein 

wirtschaftlichen Standpunkt einschränken lassen, 

weil es in Wirklichkeit diese abgegrenzte 

Sicht nicht geben darf. Es gibt nur ein System 

Bahn und damit einen Systemstandpunkt – unabhängig 

von der Anzahl der Subsysteme. ■ 

Zum Autor 

Forschungs-Partner 

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. 

Dr.techn. Peter Veit; 

Institutsvorstand am Institut 

für Eisenbahnwesen und 

Verkehrswirtschaft der TU 

Graz 


31

The Virtual Cable Liner 

Seilbetriebene Automated People Mover (APM) drängen verstärkt als kostengünstiges und umweltfreundliches 

Nahverkehrssystem auf den Markt. Das VIRTUAL VEHICLE leistete einen wichtigen Forschungsbeitrag, um 

die Systemdynamik hinsichtlich Komfort und Wirtschaftlichkeit zu optimieren. 

Der Personentransport in Bereichen mit hohem 

Beförderungsbedarf wie Flughäfen, Stadtzentren 

und Messen wird immer häufiger mit 

APM-Systemen durchgeführt. Diese Systeme 

zeichnen sich neben dem automatischen Betrieb 

durch eine Spurführung und einen separaten 

Fahrweg aus. Die technischen Anforderungen 

sind dabei sehr stark durch die speziellen 

Umgebungsbedingungen geprägt. So sind 

neben hohen Förderleistungen und niedrigen 

akustischen Emissionen vor allem sehr hohe 

Verfügbarkeiten erforderlich, welche z. B. auf 

Flughäfen oftmals über 99 % betragen sollen. 

Im Einsatzgebiet müssen zudem häufig Verkehrswege 

und Gebäude überbrückt werden, 

wodurch spezielle Anforderungen an die Fahrwegkonstruktion 

entstehen. 

Grundsätzlich kann bei APM zwischen Systemen 

mit fahrzeugfesten Antrieben (selbstfahrende 

Fahrzeuge) und mit ortsfesten Antrieben 

unterschieden werden. Bei den ortsfesten Antriebssystemen 

werden die Traktionskräfte in 

der Regel durch eine Drahtseilschleife von den 

externen Antriebsmaschinen zu den Fahrzeugen 

übertragen. 

Seilbetriebene APM-Systeme stellen häufig 

das technisch-wirtschaftliche Optimum in Bezug 

auf die genannten Anforderungen dar. 

Beispielsweise bewirken die fehlenden Antriebs- 

und Bremssysteme an den Fahrzeugen 

Abbildung 1: DCC-Cable Liner Shuttle in Las Vegas, Nevada 

Quelle: DCC 


nicht nur geringe Eigenmassen und akustische 

Emissionen, sondern ermöglichen in weiterer 

Folge leichte Fahrwegkonstruktionen, welche 

architektonische und bautechnische Vorteile 

bieten. Aufgrund der genannten Aspekte erzielt 

dieses Transportsystem in jüngerer Vergangenheit 

eine stärkere Marktdurchdringung. 

Auslegung von seilbetriebenen 

APM-Systemen 

Der Antrieb durch einen Seiltrieb leitet sich im 

Wesentlichen von den Standseilbahnen ab, 

wodurch für die rechnerische Auslegung die 

gängigen Seilbahnnormen (EN 12930, ANSI 

B77.1) zur Anwendung kommen. Zusätzliche 

APM-spezifische Vorgaben ergeben sich aus 

dem ASCE-Code (z. B. ASCE 21-98). 

Die genannten Regulierungen stellen zwar alle 

Methoden zur sicheren Auslegung der Systeme 

zur Verfügung, die technische Optimierung 

hinsichtlich Betriebsfestigkeit, Komfort und 

Beförderungskapazität erfordert jedoch weiterführende 

Simulationswerkzeuge, welche bis 

vor kurzem noch nicht in gewünschter Form zur 

Verfügung standen. 

Daher wurde am VIRTUAL VEHICLE das Forschungsprojekt 

„The Virtual Cable Liner“ mit 

dem Ziel ins Leben gerufen, neue Simulationsmethoden 

zur Vorausberechnung der System- 

dynamik zu entwickeln. Als Referenzsystem 

wurde hierfür der seilbetriebene APM „Cable 

Liner Shuttle“ des österreichischen Herstellers 

„Doppelmayr Cable Car GmbH & Co KG (DCC)“ 

herangezogen (Abbildung 1). Neben DCC fungierten 

die Schweizer „Kontrollstelle IKSS“ und 

das Institut für Eisenbahnwesen der TU Graz 

als weitere Forschungspartner. 

Schwerpunkte des 

Forschungsprojektes 

Die Dynamik eines seilbetriebenen APM-Systems 

ist durch die komplexe Interaktion von 

Fahrzeug, Fahrweg und Seiltrieb gekennzeichnet, 

wobei insbesondere in longitudinaler und 

lateraler Richtung eine starke Kopplung aller 

drei Teilsysteme besteht. Während vor Projektbeginn 

die Vorausberechnung der Fahrzeug- 

Fahrweg-Interaktion mit Hilfe von Programmen 

für Mehrkörpersysteme (MKS) als Stand der 

Technik angesehen wurde, konnte die Abbildung 

des Seiltriebs und dessen Interaktion mit 

den Fahrzeugen als weißer Fleck auf der „Modellierungslandkarte“ 

identifiziert werden. Eine 

ganzheitliche dynamische Vorausberechnung 

des Systems scheiterte somit am Fehlen eines 

entsprechenden Seilmodells. 

Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts lag 

daher in der Entwicklung einer entsprechenden 

Modellierungstechnik für den Seiltrieb. In einem 

zweiten Schritt wurde die Modellierungstechnik 

prototyphaft in ein MKS-Programm implementiert. 

Dies ermöglichte im dritten Schritt im Verbund 

mit entsprechenden Fahrzeugmodellen 

eine integrierte Simulation des seilbetriebenen 

APM-Systems (Abbildung 2). Schlussendlich 

wurden die Simulationsergebnisse anhand von 

Versuchen an einer Gesamtanlage validiert. 

Entwicklung des Seilmodells 

Als Grundlage für die Entwicklung des Seilmodells 

diente die Identifikation und Bewertung 

der maßgeblichen physikalischen Phänomene 

des Seiltriebs. So stellte sich beispielsweise 

heraus, dass bei einem seilbetriebenen APM 

die transversale Bewegung des Seils keinen 

maßgeblichen Einfluss auf die Systemdynamik 

hat.

Als maßgebende Phänomene wurden die longitudinale 

Dehnung des Drahtseils sowie die 

Energiedissipation an den Kontaktstellen zwischen 

Seil und Seilführungselementen identifiziert. 

Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden ein mechanisches 

Ersatzmodell der Seilschleife sowie 

eine entsprechende numerische Umsetzung 

entwickelt. Dabei wurde die Seilschleife durch 

finite Elemente diskretisiert und das resultierende 

Differentialgleichungssystem im Anschluss 

in Form einer User-Routine in die bestehende 

MKS-Umgebung SIMPACK integriert. 

Validierung 

Als Basis für die Validierung der Modellierungstechnik 

wurden Messdaten aus Gesamtanlagenversuchen 

herangezogen, welche im Rahmen 

des Forschungsprojektes an einem Cable 

Liner Shuttle in Las Vegas (USA) durchgeführt 

wurden. Die messtechnische Erfassung der 

Systemdynamik erfolgte dabei durch den Einsatz 

von moderner GPS-Messtechnik. 

Die dynamischen Vorgänge wurden im Anschluss 

mit einem umfassenden Simulations- 

modell, welches die neue Seilmodellierungstechnik 

beinhaltet, nachgestellt. Die relevanten 

physikalischen Größen aus Experiment und 

Simulation, wie beispielsweise Fahrzeugbeschleunigungen 

und Seilkräfte, wurden dabei 

einem Vergleich unterzogen. Insbesondere die 

virtuelle Nachstellung der Notbremssituationen 

zeigte hierbei eine sehr gute Korrelation (Abbildung 

3). 

In weiteren Arbeitspaketen wurde eine Verallgemeinerung 

des Seilmodells durchgeführt, 

wodurch die Prognosegüte weiter gesteigert 

werden konnte. 

Anwendung in der Praxis 

Die Anwendung des entwickelten Seilmodells 

ermöglicht bereits in einer frühen Design- 

Phase die Vorausberechnung der Systemdynamik 

eines seilbetriebenen APM. Es können 

Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden 

Fahrzeugbeschleunigungen und Betriebslasten 

der Anlage getroffen werden. Die Vorausberechnung 

ermöglicht eine verbesserte Auslegung 

und Abstimmung der Fahrzeuge sowie 

der Antriebs- und Bremssysteme, wodurch das 

System in Bezug auf Fahrkomfort und Betriebs- 

Abbildung 2: Seilkräfte bei einem Bremsvorgang eines Cable Liner Shuttle 


festigkeit weiter optimiert werden kann. Folglich 

können auch die Umfänge der experimentellen 

Entwicklung während der Inbetriebnahme von 

neuen Anlagen eingeschränkt und somit Entwicklungszeit 

und auch Kosten reduziert werden. 

Aktuell werden die im Forschungsprojekt entwickelten 

Methoden in enger Zusammenarbeit mit 

dem Hersteller DCC für die Auslegung von neuen 

seilbetriebenen APM-Anlagen eingesetzt. ■ 

Zum Autor 

DI (FH) Christian Nußbaumer 

ist Senior Researcher 

der Forschungsgruppe 

„Vehicle Dynamics - Rail 

Applications“ am VIRTUAL 

VEHICLE. 


• TU Graz - Institut für Eisenbahnwesen 

• Doppelmayr Cable Car GmbH 

& Co KG (DCC) 

• Kontrollstelle IKSS 


Abbildung 3: Fahrzeugbeschleunigung 

bei einer Cable 

Liner Shuttle-Notbremsung 


33

short cuts 

Seit 1998 wurden in Österreich eine Reihe von 

Kompetenzzentren-Programme zur Stärkung 

der Kooperationskultur zwischen Industrie und 

Wissenschaft ins Leben gerufen. Das Ziel war 

der Aufbau stärkerer Synergien und gemeinsamer 

Forschungskompetenzen. Eine Initiative, 

die sich heute für Österreich nachhaltig bezahlt 

macht. VIRTUAL VEHICLE wird hier als internationales 

Vorzeige-Beispiel gesehen. 

Austrian Business Agency-Geschäftsführer Dr. 

René Siegl: „Spitzen-Know-how entspringt der 

Kooperation von Industrie und universitärer 

Forschung. Das VIRTUAL VEHICLE ist eines 

der besten Beispiele dafür. Diese fruchtbare 

Kombination ist als österreichischer Standortfaktor 

ein absoluter Wettbewerbsvorteil. Andere 

Länder beneiden uns darum.“ 

Wirtschafts- und Innovationslandesrat des 

Bundeslandes Steiermark Dr. Christian Buchmann: 

„Besonders die K2-Zentren wie das 

VIRTUAL VEHICLE, das Materials Center Leoben 

und das Austrian Center of Industrial Biotechnology 

sind ein wesentlicher Treiber der 

F&E-Quote, die wir in der Steiermark bis 2020 

in Richtung 5% bewegen möchten.“ 

e-mobility Graz 2013: „Smarte Städte - smarte Mobilität“ 

Im Jahr 2040 werden 80 Prozent der europäischen 

Bevölkerung in Städten leben. Für die 

Energieversorgung, die Umwelt und den Verkehr 

bedeutet das eine enorme Herausforderung, 

die nur mit Hilfe modernster Technologie 

More news: www.v2c2.at 

Kompetenzzentren in Österreich: Die „Innovations-Zugpferde“ 


ACstyria Autocluster Geschäftsführer DI Franz 

Lückler: „Die heimische Fahrzeugindustrie 

braucht einen klaren Wettbewerbsvorsprung. 

Im technologischen Bereich leistet unter anderem 

das VIRTUAL VEHICLE mit seinen komplexen 

Simulationslösungen ausgezeichnete Arbeit. 

Das ist auch der Grund, warum zahlreiche 

renommierte Automobilunternehmen bereits 

intensiv mit dem Kompetenzzentrum kooperieren 

und sich Graz als bevorzugter Standort für 

zu bewältigen sein wird. „Smarte Städte - smarte 

Mobilität“ – unter diesem Motto stand die emobility 

Konferenz vom 30. - 31.1.2013 in Graz. 

Das VIRTUAL VEHICLE war durch mehrere 

Beiträge prominent vertreten. 

zukunftsweisende Fahrzeugforschung etablieren 

konnte.“ 

Der Geschäftsführer der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft 

FFG, Dr. Klaus 

Pseiner: „Das Thema Mobilität zählt traditionell 

zu den Stärken in der Steiermark. VIRTUAL 

VEHICLE konnte hier erfolgreich andocken und 

liefert wertvolle Beiträge in der Entwicklung von 

Fahrzeugkonzepten für die Zukunft.“ ■ 

Die Neuorientierung unserer Mobilität, zukunftsorientierte 

Antriebskonzepte sowie die 

Differenziertheit und Interkompatibilität der 

einzelnen Technologien war auch diesmal der 

Dreh- und Angelpunkt des e-mobility Konferenz. 

Die Konferenz umfasste Themen wie 

Strategie, Energie und Batterie, Nutzfahrzeuge, 

Umweltzonen und Smart Cities ebenso 

wie Emotion, EV-Design, alternative Antriebe 

und aktuelle Praxisbeispiele. Eine großflächige 

Ausstellung rundete das Programm ab. 

VIRTUAL VEHICLE Geschäftsführer Dr. Jost 

Bernasch leitete die Session „Umweltschonende 

Antriebsformen in der Citylogistik“. Das 

VIRTUAL VEHICLE war zudem durch zwei Vorträge 

vertreten: Dr. Alexander Thaler erläuterte 

„Sicherheitsaspekte für Lithium-Ionen-Batterien 

im automotiven Umfeld“ und DI Günter 

Lang informierte über den „Elektrifizierten Antriebsstrang 

im Spannungsfeld von Reichweite 

und thermischem Komfort“. ■ 

e-mobility 2014: 

29.01 - 30.01.2014

Der Rad-Schiene Kontakt ist für die zentralen 

Funktionen Tragen, Führen sowie Antreiben 

und Bremsen bei Schienenfahrzeugen verantwortlich. 

Das auf drei Jahre anberaumte Projekt 

„Dynamic Wheel-Rail Contact Forces“ kurz 

DynKraS hat es sich zum Ziel gesetzt, bereits 

bestehende Modelle um eine Reihe weiterer 

aus Messungen bekannter Effekte zu erweitern. 

Das Projekt wurde bereits 2010 mit den Industriepartnern 

Siemens AG, voestalpine Schienen 

GmbH, LBFoster (Portec Rail/Kelsan Technologies) 

(UK/Kanada), ÖBB Infrastruktur AG und 

der TU Graz als wissenschaftlicher Partner 

gestartet. 

Das VIRTUAL VEHICLE als Projektleiter lud 

am 9. Oktober nun nach Graz ein und die namhaften 

nationalen und internationalen Partner in 

Graz zogen eine erfolgreiche Zwischenbilanz: 

Der erste Abgleich der Simulationen mit Messergebnissen 

aus Fahrzeugversuchen mit einer 

Siemens Lokomotive sowie mit Ergebnissen 

aus Prüfstandsversuchen am Erich-Schmid-Institut 

für Materialwissenschaft (ESI) in Leoben 

More news: www.v2c2.at short cuts 

Rad-Schiene-Kontakt Projekt: Erfolgreiche Zwischenbilanz 

Mit seiner rasanten Entwicklung seit der Gründung 

des K2-Zentrums im Jahr 2008 ist das 

VIRTUAL VEHICLE heute ein Fixstern auf der 

europäischen Forschungsbühne. Derzeit laufen 

am Zentrum acht EU-Projekte mit einem 

Projektvolumen von ca. 2,9 Millionen Euro. Bei 

drei dieser laufenden Projekte ist VIRTUAL VE- 

HICLE in der Rolle des Projekt-Koordinators. 

Das Forschungszentrum ist zudem an fünf laufenden 

ARTEMIS-Projekten beteiligt. Zusammen 

mit einem weiteren bereits genehmigten 

ARTEMIS-Projekt ergibt sich ein Projektvolumen 

von insgesamt 2,8 Millionen Euro. 

Eines der vielen Highlights der vergangenen 

Jahre im Non-K-Bereich war beispielsweise 

2010 die Teilnahme beim Projekt CESAR mit 

dem Fokus „Durchgängige Entwicklungsprozesse 

für Embedded Systems“ im Rahmen der 

Förderschiene ARTEMIS (Gesamtbudget 58,5 

Millionen Euro). Im Jahr 2011 wurde das VIR- 

TUAL VEHICLE in zwei Projekten (GRESIMO 

und der University of Sheffield (UK) wies eine 

gute Übereinstimmung auf. Diese erweiterten 

Modelle haben hohe Relevanz in Bezug auf 

die optimale und damit wirtschaftliche Ausnut- 

zung des Rad-Schiene Kontakts. Die positiven 

Ergebnisse des Projektes stießen bei den Projektpartnern 

auf vollste Zufriedenheit. ■ 

V.l.n.r.: Reihe vorne: DI Alexander Meierhofer (VIRTUAL VEHICLE), Dr. Klaus Six (VIRTUAL VEHICLE), 

DI Gabor Müller (VIRTUAL VEHICLE); Reihe hinten: Dr. Richard Stock (voestalpine Schienen GmbH), 

Dr. Heinz-Peter Kotz (Siemens AG Österreich), Prof. Peter Dietmaier (TU Graz), Ing. Wolfgang Zottl 

(ÖBB-Infrastruktur AG), DI Florian Saliger (ÖBB-Infrastruktur AG) 

VIRTUAL VEHICLE: Ein Fixstern auf der EU-Forschungsbühne 

und ENFASS) als Koordinator bestellt. GRESI- 

MO stellt dabei einen essentiellen Meilenstein 

für das Unternehmen dar, da es das bisher am 

höchsten mit Punktzahl bewertete EU-Projekt 

im Bereich „Europäische Ausbildungsprogramme 

- Marie Curie“ ist. Der Erfolgsweg im 

non-K-Bereich hat sich auch 2012 fortgesetzt. 

10 neue EU-Projekte mit einem Gesamtbudget 

für das VIRTUAL VEHICLE von 4,3 Millionen 

Euro wurden mit Ende des Jahres eingereicht, 

wobei das Forschungszentrum in vier Projekten 

als Koordinator vorgesehen ist. 

Interdisziplinäre Entwicklung von 

Straßen- und Schienenfahrzeugen 

Prozesse, Methoden, Tools, Best Practices 

Neben den Aktivitäten auf europäischer Ebene 

engagiert sich VIRTUAL VEHICLE zudem 

auch verstärkt in nationalen Projekten. 2012 

startete beispielsweise das Leuchtturm-Projekt 

VECEPT zum Thema Elektromobilität, in dem 

das K2-Zentrum eine wichtige Rolle innehat. 

VIRTUAL VEHICLE widmet sich in einigen Projekten 

auf nationaler Ebene auch Themen wie 

Gender Mainstreaming und Nachwuchsförderung 

für technische Berufe. ■ 

6. GRAZER 6. GRAZER SYMPOSIUM SYMPOSIUM 

VIRTUELLES FAHRZEUG 

VIRTUELLES FAHRZEUG 

14.-15. Mai 2013 Graz 

14.-15. Mai 2013 Graz 


35

Rail mit System: 

■ Gemeinsame Betrachtung von Fahrzeug 

und Fahrweg 

■ Optimierung des Gesamtsystems Bahn 

VIRTUAL VEHICLE ist ein internationales Forschungszentrum, 

das sich mit der Fahrzeugentwicklung und zukünftigen 

Fahrzeugkonzepten für Straße und Schiene 

befasst. 

Unsere Expertise bietet eine interessante Kombination 

von Testverfahren und innovativen Simulationsmodellen, 

eine umfassende Systemsimulation sowie Methoden 

und Prozesse für die Gesamtfahrzeugentwicklung. 

Gemeinsam mit zahlreichen internationalen Premium- 

OEMs, Tier-1 Zulieferern und SW-Herstellern entwickeln 

unsere 200 Forscherinnen und Forscher Technologie 

für effiziente, leistbare und umweltfreundliche 

Fahrzeuge von morgen. 

magazine 

Kompetenzzentrum Das virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbH ■ A-8010 Graz, Inffeldgasse 21/A 

Tel.: +43 (0)316-873-9001 ■ Fax: +43 (0)316-873-9002 ■ E-Mail: office@v2c2.at ■ Internet: www.v2c2.at 

RAILSYSTEMS 

Unsere Expertise: 

■ Fahrzeugdynamik 

■ Kontaktmechanik 

■ Verschleiß & Rollkontaktermüdung 

■ Gleiszustands-/ Interaktionsbewertung 

■ Strukturmechanik / Strukturdynamik 

Nr. 14, II-2013 

www.v2c2.at

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