Neue Bauweisen beim Next Generation Train Herr Dr - Institut für ...
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<strong>Neue</strong> <strong>Bauweisen</strong> <strong>beim</strong> <strong>Next</strong> <strong>Generation</strong> <strong>Train</strong><br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Joachim Winter<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Fahrzeugkonzepte, Stuttgart
175 Jahre Eisenbahn<br />
1835 Nürnberg – Fürth „Der Adler“<br />
Lokomotive; Einzelachsen; Dampfantrieb 15 KW<br />
28 (65) km/h; mechanische Spindelbremse; Laufleistung – meist Einsatz von Pferden
100 Jahre Elektromobilität<br />
Strecke Dessau – Bitterfeld (Freigabe 01. April 1911)
Schnelltriebzug DRG 137<br />
1935 Bauart Köln - Linke-Hofmann, Breslau<br />
Stromlinienförmiger Steuerwagen; Einzelachsen; dieselelektrischer Antrieb 882 KW<br />
160 km/h; Magnetbremsen Bremsweg 800m; Laufleistung 35.000 km/Monat
Zug der Zukunft<br />
2035 Hamburg-Dammtor abfahrbereit<br />
Stromlinienförmiger Doppelstock-Steuerwagen; Einzelräder; elektrischer Antrieb 18 MW<br />
400 km/h; aerodyn. + Magnetbremsen Bremsweg 8 km; Laufleistung 50.000 km/Monat
Entwicklung der Höchstgeschwindigkeiten<br />
bei Schienenfahrzeugen<br />
km/h<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
1950<br />
1955<br />
DRG 877<br />
1960<br />
SNCF BB 9004<br />
1965<br />
JR 0 Shinkansen<br />
1970<br />
1975<br />
Höchstgeschwindigkeit bei Tests<br />
1980<br />
TGV 016<br />
TGV PSE<br />
TGV<br />
PSE<br />
Höchstgeschwindigkeit bei regulärem Betrieb<br />
1985<br />
1990<br />
ICE - V<br />
TGV Atlantique<br />
TGV Atlantique<br />
1995<br />
2000<br />
2005<br />
TGV V150<br />
Velaro E<br />
TGV Réseau<br />
2010<br />
KTX III<br />
Zefiro<br />
2015<br />
ICX<br />
ICX<br />
Quelle: UIC
Zug der Zukunft<br />
Neun beteiligte DLR-<strong>Institut</strong>e<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Aerodynamik und Strömungstechnik<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Bauweisen</strong>- und Konstruktionsforschung<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Fahrzeugkonzepte<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Faserverbundleichtbau und Adaptronik<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Luft- und Raumfahrtmedizin<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Verkehrssystemtechnik<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Robotik und Mechatronik<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Werkstoffforschung<br />
Flughafenwesen und Luftverkehr<br />
Schnittstellen zu den Kristallisationsthemen<br />
– „Schienenverkehrsmanagement“<br />
– „Neuartige Fahrzeugstrukturen“<br />
– „ETA³-Fahrzeug”
Zug der Zukunft<br />
Fahrzeugtypen<br />
• Ultra-Hochgeschwindigkeitstriebzug<br />
NGT HGV<br />
• Schneller InterCity-Triebzug<br />
NGT REGIO<br />
• Schneller Güterverkehr<br />
NGT Cargo
<strong>Next</strong> <strong>Generation</strong> <strong>Train</strong><br />
Ziele<br />
• Innovatives Schienenfahrzeugkonzept<br />
– VBetrieb = 400 km/h (+ 25% gegenüber ICE 3)<br />
– - 50% Energieverbrauch/Fahrgast<br />
• Werkstoffe und <strong>Bauweisen</strong> <strong>für</strong> Wagenkästen<br />
– Leichtbauweisen wegen Achsgrenzlasten (
Triebzugkonzepte<br />
Varianten<br />
Zug der Zukunft<br />
<strong>Next</strong> <strong>Generation</strong> <strong>Train</strong>
Antrieb<br />
Zug der Zukunft<br />
Innovatives Triebzugkonzept<br />
• radnahe Motoren<br />
• elektrisch/drahtlos<br />
• Hilfsmotor <strong>für</strong><br />
Überführungsfahrten<br />
Endwagen<br />
• Tunneleintritt-Nase<br />
• Aerodynamische<br />
Seitenwindstabilität<br />
• optisch gekuppelt<br />
Fahrwerke<br />
• Einzelrad-Doppellaufwerke<br />
• Einzelrad-Einzellaufwerke<br />
• mechatronische Räder<br />
Wagenkasten<br />
• Verschiedene<br />
Spantbauweisen mit<br />
Sandwich-Ausfachungen<br />
Bremsen<br />
• generatorisch<br />
• aerodynamisch<br />
• mechanisch<br />
Ein- und Ausstiege<br />
• Türen<br />
• Fahrgastflussanalyse<br />
2x 8x<br />
202 m<br />
21 m 20 m<br />
Maschinen- und<br />
Gepäckbereich<br />
Innenausstattung<br />
• FKV mit Naturfasern<br />
• LFI-Verfahren mit PUR<br />
• Akustik und Klimatisierung<br />
Wagenübergänge<br />
• neuartiges Konzept zur<br />
Verringerung der<br />
Wagenübergangslänge<br />
• trennbare,<br />
autonom fahrbare Einheiten<br />
202 m<br />
8x diese Wagen werden im Halbzug<br />
als 8 Mittelwagen eingesetzt<br />
Betriebskonzept<br />
…<br />
• dynamisches Flügeln<br />
• Fahrerassistenz
Technische Entwicklung<br />
Höhere Anforderung<br />
Evolution der <strong>Bauweisen</strong><br />
Wagenkasten Schienenfahrzeuge<br />
Holzbauweise<br />
Mischbauweise<br />
Holz/Stahl<br />
Aluminium<br />
Diff. bauweise<br />
Hybridbauweise<br />
Aluminium<br />
Integralbauweise<br />
Geschweißte Stahlbauweise<br />
(Stahl/Edelstahl)<br />
Kaltgefügte<br />
Stahlbauweise<br />
1800 1850 1900 1950 2000<br />
Quelle: Revolution oder Evolution?; ETR 51 (2002), Heft 1-2; S. 13-23<br />
Jahr
Edel-Stahldifferential-Bauweise<br />
mit GFK-Sandwich-Ausfachungen<br />
Fahrzeug in Hybridbauweise: Korean Tilting <strong>Train</strong><br />
• Unterrahmen aus rostfreiem Stahl<br />
• Wagenkastengerippe<br />
– aus Baustahl<br />
– integriert in Seitenwand-Beplankung aus Sandwichelementen mit<br />
Aluminium Honigwabenkern und CFK-Deckschichten<br />
Quelle: Kim, J.-S.; Jeong, J.-C.: Natural frequency evaluation of a composite<br />
train carbody with length of 23 m, Composite Structures, 2006, Elsevier
Faserverbundintensive <strong>Bauweisen</strong><br />
• Gesamtstruktur aus GFK-Sandwich mit CFK-Gerippe innerhalb des<br />
Kerns<br />
• Gerippeaufbau mit vorgefertigten Elementen<br />
• Gerippe übernimmt Großteil von Struktur-Performance → CFK-Einsatz<br />
• Einsatz von pultrudierten Profilen<br />
• Wagenkasten unterteilt in U-förmiger Teil (Boden und Seitenwände) und<br />
Dach<br />
• Hoher Integrationsgrad (z.B. Kabel-/Luftkanäle)<br />
Quelle: Prockat, J.: Developing Large Structural Parts for Railway Application<br />
using a Fibre Reinforced Polymer Design. Diss. 2005
Skalierbare und modularisierbare <strong>Bauweisen</strong><br />
• In Höhe und Breite skalierbare Struktur aus ringförmigen Elementen<br />
• Voll modularisierbare Struktur mit durchgehenden Profilen<br />
• Profile mit Funktionsintegration<br />
• Durchgehende Längsträger, die variabel in der Länge gestaltet werden<br />
können<br />
• Endsegmente mit Anschlüssen <strong>für</strong> die Stirnwände<br />
• Mittragenden Sandwichausfachungen einschl. Funktionsintegration<br />
• Montage der Seiten- und Dachsegmente bzw. ganzer Seitenwand- und<br />
Dachmodule einfach von außen durchführbar<br />
• Fügetechniken Kleben und Schrauben
Aluminiumprofilintensive Bauweise<br />
mit Sandwich-Ausfachungen<br />
• Langträger aus Aluminium-Strangpressprofilen in Eckbereichen<br />
• Verbindung der Langträger mittels Sandwichelementen<br />
• Strukturtragende Bodenwanne → Erhöhung Flächenträgheitsmoment<br />
• Schubsteife Gestaltung des Fensterbandes<br />
Aluminium<br />
Strangpressprofile<br />
Sandwich-<br />
Elemente
Wabenröhre<br />
• Selbsttragende biege-/torsionssteife Wabenröhre<br />
• 3-dimensional gekrümmte Spanten aus einzelnen Diagonalträgern<br />
• Vertikal- und longitudinal angeordnete Träger <strong>für</strong> günstige<br />
Lastaufnahme/ Lastleitung<br />
• Einzel-Träger verbunden über Knotenelemente zu Wabenröhre<br />
• Lokal adaptierbar an Lastverläufe<br />
• Hohe Anzahl an Gleichteilen
Tendenzen im Leichtbau<br />
Wagenkasten Schienenfahrzeuge<br />
Differentialbauweise (9)<br />
Crashoptimierte<br />
Strukturen (7)<br />
Gewickelter<br />
Wagenkasten (2)<br />
GFK-Frontend (3)<br />
ICE 3 (6)<br />
Fachwerkbauweise (10)<br />
Korean Tilting <strong>Train</strong> (8)<br />
Aluminium-<br />
Aluminiumsandwich<br />
(TR08) (5)<br />
Faserverbundintensive<br />
<strong>Bauweisen</strong> (11)<br />
Modularer<br />
Wagenkasten (1) , Folie 8<br />
Aluminiumintensive<br />
Bauweise (1) , Folie 9<br />
Höherfeste Stähle<br />
2000 2010 2020<br />
2030<br />
Quelle: (1) DLR FK, (2) SchindlerWaggon1995, (3) Martinu2000, (4) DLR – Projekt NGT<br />
– TP2000, (5) Wieschermann2002, (6) Martinsen1997, (7) Safetrain2001, (8) Kim2006,<br />
(9) Bönisch1995 (Teil1), (10) Dubbel2007 - 22. Aufl., (11) Prockat2005<br />
„NGT“-Wagenkasten (4) ,<br />
Folie 12<br />
Wabenröhre (1) , Folie 11<br />
Weiterentwicklung<br />
Aluminium-Legierungen<br />
und Leichtmetalle<br />
Auszug DLR Konzepte
Zug der Zukunft<br />
Systementwicklungs-Prozess
Einflussfaktoren auf den Energiebedarf<br />
Reduzierung der Fahrzeugmasse um 1 Tonne<br />
kWh/100km<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
22,0<br />
20,6<br />
5,2<br />
Suburban Regional Intercity High-Speed<br />
4,0<br />
3,8<br />
1,3<br />
1,2<br />
0,7<br />
DMU BR611 EMU BR423 HST BR403
Motivation<br />
Einsparpotenzial Masse<br />
• Massereduktion durch reduzierte statische Längskräfte (DIN EN 12663)<br />
• Potenzialabschätzung von Massereduktion mit Hilfe von<br />
Optimierungsverfahren<br />
• Massereduktion von Strukturgerippe um ca. 20% infolge Halbierung der<br />
geforderten Längskräfte von DIN EN 12663<br />
Folie 21
F [kN]<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
Statische / dynamische Lasten<br />
• Anforderungen bzgl. Belastung Wagenkasten:<br />
– Statische Lasten (z.B. DIN EN 12663)<br />
– Dynamische Crash-Lasten (DIN EN 15227)<br />
• Kurzzeitige Spitzenlasten vernachlässigbar<br />
Crash-Lasten<br />
Maximale stat. Lasten<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
d [mm]<br />
[1]<br />
Quelle: [1] SAFETRAIN<br />
Bereich <strong>für</strong> statische<br />
Dimensionierung<br />
nicht-plastische<br />
Verformung<br />
Crash-Bereich<br />
Statische Lasten (DIN EN 12663)<br />
Fcrash < Fstat Crash-Lasten (DIN EN 15227)<br />
22
Ansatz<br />
Notwendig zur Reduktion der statischen Längskräfte<br />
Herausforderung:<br />
Analyse der Normungslage und gesetzlicher Regularien<br />
Nachweis gleicher Sicherheit (gemäß §2 Abs. 2 EBO)<br />
Kompatibilität mit vorhandenen Fahrzeugen<br />
Gesamtcrashenergie im LB-Konzept<br />
F F<br />
WK,LB<br />
Crash,Konv<br />
Wagenkasten Crashzone Crashzone Wagenkasten<br />
Leichbaukonzept Potentieller Kollisionspartner<br />
nach dem Stand der Technik<br />
F WK,LB < F Crash, Konv<br />
• Crashzone Leichtbau-Fahrzeug<br />
nimmt komplette Energie auf
Zug der Zukunft<br />
Steuerkopf: Triebfahrzeugführerstand<br />
Konstruktive Anpassung der<br />
Tragstruktur an Lastpfade<br />
Berücksichtigung bei konstruktiver<br />
Umsetzung von<br />
Strukturkomponenten<br />
Fertigbarkeit<br />
Kosteneffizienz<br />
Fügetechnik
Zug der Zukunft<br />
Mittelwagen: Modularisierung und <strong>Bauweisen</strong><br />
Modularer Aufbau<br />
(Endmodul, Fahrwerk-Modul,<br />
Fahrgastmodul)<br />
Kombination unterschiedlicher<br />
<strong>Bauweisen</strong><br />
Fachwerk-, Rahmenbauweise im Prinzip der<br />
Wabenröhre (Fahrwerk-Modul)<br />
faserintensives Segment aus verstärkten<br />
Sandwich-Elementen (Fahrgastmodul)
Zug der Zukunft<br />
Mittelwagen: Topologie-Optimierung und Struktur<br />
Lastangepasste<br />
Wagenkastenstruktur<br />
<strong>Dr</strong>. Joachim Winter – <strong>Neue</strong> <strong>Bauweisen</strong> im Leichtbau HGV – Folie 26
Zug der Zukunft<br />
Mittelwagen: Ausschnitt Fahrwerksmodul<br />
<strong>Dr</strong>. Joachim Winter – <strong>Neue</strong> <strong>Bauweisen</strong> im Leichtbau HGV – Folie 27
Zug der Zukunft<br />
Fahrwerksmodul mit Einzelrad-Einzelfahrwerk<br />
Bauweise Wabenröhren<br />
<strong>Dr</strong>. Joachim Winter – <strong>Neue</strong> <strong>Bauweisen</strong> im Leichtbau HGV – Folie 28
Zug der Zukunft<br />
Einstiegsmodul<br />
Aufbau:<br />
Identische Endsegmente<br />
� Modularität<br />
Unterteilung in Deformationsbereich<br />
und statisch ausgelegten Bereich<br />
Keine plastische Verformung des<br />
statisch ausgelegten Bereiches bei<br />
Crash-Szenarien (DIN EN 15227)<br />
� ertragbare stat. Lasten größer als<br />
maximale Crashlasten<br />
[1] Basierend auf SAFETRAIN<br />
Crash-Bereich<br />
plastische Verformung<br />
bei DIN EN 15227<br />
Statisch ausgelegter<br />
Bereich nach<br />
DIN EN 12663<br />
29
Zug der Zukunft<br />
Einstiegsmodul mit Crashbereich<br />
Kraftfluss im statisch<br />
auszulegenden Bereich<br />
� Topologieoptimierung<br />
Relevante Lasten nach<br />
DIN EN 12663<br />
Definition der Lastpfade<br />
Basis <strong>für</strong> Konzeption Struktur<br />
30
Zug der Zukunft<br />
Einstiegsmodul mit Wagenübergang<br />
Ziele<br />
o Aerodynamisch störungsarm<br />
o <strong>Dr</strong>uckdicht<br />
Herausforderungen<br />
Verfügbarer Bauraum 100 mm<br />
Mindestbreite Balg 70 mm<br />
Ausführung Doppelbalg > 140 mm<br />
Lösung<br />
Innenbalg<br />
Außen Gliederband<br />
<strong>Dr</strong>. Joachim Winter – <strong>Neue</strong> <strong>Bauweisen</strong> im Leichtbau HGV – Folie 31
Zug der Zukunft<br />
LCC Berechnungen am NGT<br />
Rad-Schiene<br />
Verschleiß<br />
Bauteilverschleiß/<br />
-alterung<br />
Energieverbrauch<br />
Betrieb & Umfeld<br />
Komponenten Fahrzeug<br />
Leichtbau Einzelräder<br />
Doppelstock Energieübertragung<br />
Lebenszykluskosten<br />
Material &<br />
Fertigung<br />
Rückspeisung Personalbedarf<br />
Reparatur &<br />
Wartung
Zug der Zukunft<br />
Tunnel- und Seitenwind-Windkanal
Zug der Zukunft<br />
Tunnel-Windkanal
Zug der Zukunft – technische Designstudie
Zusammenfassung<br />
Doppelstock-Hochgeschwindigkeitszug „Zug der Zukunft“<br />
• leicht<br />
• energieeffizient<br />
• leise<br />
• fahrgastfreundlich<br />
• verschleißarm<br />
im Rad/Schiene-Kontakt
Vielen Dank<br />
<strong>für</strong> Ihre Aufmerksamkeit
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