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Forschen für den Zug der Zukunft

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  • Der Next Generation Train

    Der Next Generation Train

    Im Projekt Next Generation Train untersuchen DLR-Wissenschaftler von neun Forschungsinstiututen die Rahmenbedingungen von Hochgeschwindigkeitszügen der Zukunft. Dazu zählen insbesondere wissenschaftliche Fragestellungen des Hochgeschwindigkeits-Schienenverkehrs aus den Bereichen Aerodynamik, Strukturdynamik, Fahrdynamik, Antriebe, Energiemanagement, Werkstoffwissenschaften und Leichtbau. Ziel ist die Entwicklung zulassungsfähiger Hochgeschwindigkeitszüge mit stark reduziertem spezifischem Energiebedarf sowie verbesserten Komfort- und Lärmeigenschaften.

  • Next Generation Train

    Künstlerische Darstellung des NGT

    Hinter dem Next Generation Train (NGT) verbergen sich wissenschaftliche Fragestellungen des Hochgeschwindigkeits-Schienenverkehrs aus den Bereichen Aerodynamik, Strukturdynamik, Fahrdynamik, Antriebe, Energiemanagement, Werkstoffwissenschaften und Leichtbau. Ziel ist die Entwicklung zulassungsfähiger Hochgeschwindigkeitszüge mit stark reduziertem spezifischem Energiebedarf sowie verbesserten Komfort- und Lärmeigenschaften.

  • Strömungssichtbarmachung bei Tunneldurchfahrt

    Weltweit einzigartig: Die Tunnelsimulationsanlage des DLR

    In der weltweit einzigartigen Tunnelsimulationsanlage Göttingen werden Zugmodelle bis auf 400 Stundenkilometer katapultiert. Dann werden die Druckwelle bei Tunneldurchfahren sowie die Wirkung von Seitenwind untersucht.

  • Zugmodell in der Tunnelsimulationsanlage

    Zugmodell in der Tunnelsimulationsanlage

    Weltweit einzigartig: In der neuen Tunnelsimulationsanlage im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen wird das Fahrverhalten von Hochgeschwindigkeitszügen unter bislang unerreichten realistischen Bedingungen getestet.

  • Windkanal%2d und Strukturmodell des Next Generation Train

    Windkanal- und Strukturmodell

    Leistungsfähig, sicher und sparsam sollen künftige Züge sein. Dafür bündelt das DLR Kompetenzen unter anderem in Aerodynamik, Leichtbau, Energiemanagement und Kommunikation.

    Anhand von Windkanalmodellen (auf dem Bild silberfarben) werden insbesondere Seitenwindstabilität und Möglichkeiten zur Widerstandsoptimierung untersucht. Zur Topologieoptimierung der Zugstruktur wurde ein Design-Entwurf errechnet (helle Gitterstruktur), aus dem auf die Hauptlastpfade im Wagenkasten geschlossen werden kann. Daraus ergeben sich wichtige Informationen für die Fertigungs- und Fügungstechnik des Next Generation Train.

  • Next Generation Train: In Zukunft 50 Prozent Energie einsparen

    50 Prozent Energie einsparen

    Mit 400 Stundenkilometern, leise und doppelstöckig, wird der Next Generation Train (NGT) in die Zukunft fahren und dabei noch 50 Prozent Energie einsparen. In diesem Projekt bündelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) seine Kompetenzen auf dem Gebiet der Schienenfahrzeugforschung. DLR-Wissenschaftler arbeiten daran, den Zug von morgen leichter, energiesparender, komfortabler, sicherer und zugleich schneller zu machen.

  • NGT%2dStrömungsmodell

    NGT-Strömungsmodell

    Next Generation Train (NGT)-Strömungsmodell.

Wie können wir den Bahnverkehr noch sicherer, effizienter und umweltfreundlicher gestalten? Wie müssen die Züge von Morgen beschaffen sein? Diesen Fragen gehen die Schienenverkehrsforscher des DLR nach. Im Projekt "Next Generation Train" (NGT) arbeiten Wissenschaftler aus neun DLR-Instituten interdisziplinär an den zentralen Fragestellungen, wie schnell, sicher, komfortabel und umweltverträglich die Hochgeschwindigkeits-Züge der nächsten Generation sein müssen.

Als Hauptziel soll die zugelassene Höchstgeschwindigkeit um 25 Prozent erhöht werden, ohne die bestehenden Sicherheitsstandards zu verletzen. Zugleich wird eine Halbierung des spezifischen Energieverbrauchs angestrebt. Zudem sollen Schallemissionen reduziert und der Komfort für Reisende hinsichtlich Kabinendruck, Klima, Vibration und Akustik gesteigert werden. Durch Modularisierung und intelligente Systemintegration, ähnlich dem Straßenfahrzeugbau, wird eine wesentlich kostengünstigere Bauweise von Schienenfahrzeugen realisiert werden können. Zudem sehen die DLR-Verkehrsforscher erhebliches Potenzial zur Steigerung der Effizienz von Entwicklungs- und Zulassungsprozessen. Die Arbeiten sollen dazu beitragen, dieses Potenzial zu erschließen, indem die Möglichkeiten einer integralen Modellierung des Gesamtsystems aufgezeigt und konkrete Vorschläge zur Harmonisierung der Anforderungen und Prozesse in Europa eingebracht werden. Die Entwicklungszeiten werden sich dadurch deutlich verkürzen.

Hintergrund: In den letzten zehn Jahren haben sich die Anforderungen an Schienenfahrzeuge massiv gewandelt. Angetrieben wird diese Entwicklung von steigenden Energiekosten, der zunehmenden Bedeutung der Lebenszykluskosten eines Fahrzeugs gegenüber den Anschaffungskosten, hohen Anforderungen an die Sicherheit zukünftiger Fahrzeuge, der Konkurrenz zu anderen Verkehrsträgern und steigenden Ansprüchen der Fahrgäste an den Komfort der Fahrzeuge. Das NGT-Projekt bündelt die vorhandenen Kompetenzen des DLR auf dem Gebiet des Schienenfahrzeugbaus. Der Fokus liegt dabei auf dem Fahrzeug. Angrenzende Gebiete, wie die Gestaltung des Fahrwegs oder der Zugbeeinflussungssysteme, werden in die Forschungsarbeiten einbezogen. Mehrwert entsteht vor allem durch die ganzheitliche Bearbeitung der Themen und durch das hohe Synergie-Potenzial. Die Vernetzung der Partner ermöglicht die integrierte Bearbeitung der Themen von der Konzeption und Werkstoffqualifizierung über die Auslegung, Konstruktion und Simulation bis hin zur Verifikation anhand produktnaher Bauteile. Das Projekt richtet damit die Forschungsarbeiten des DLR für Schienenfahrzeuge anhand sichtbarer Forschungsprodukte neu aus.

Leichtbau im Next Generation Train

Im Rahmen des Projekts "Next Generation Train" entwickeln die DLR-Wissenschaftler Leichtbaustrategien für den Wagenkasten, die crashbedingt besonders betroffenen Triebzugnasen sowie für die Innenausstattung von Hochgeschwindigkeitszügen. Leichtbaustrukturen und Fügetechnik spielen unter anderem bei der Einhaltung der maximalen Achslast, bei Energieeinsparungen sowie beim Beschleunigen und Bremsen eine Rolle. Dadurch wird die Reduktion von Umweltbelastungen durch Emissionen direkt beeinflusst. So verfügen beispielsweise Sandwichstrukturen mit einem Honigwabenkern und glasfaserverstärkten Deckschichten über die gleiche Biegesteifigkeit wie Massivbauteile (beispielsweise aus Aluminium), sind aber viel leichter. Bei der Innenausstattung von "Zügen der nächsten Generation" müsste also viel weniger Masse und damit Gewicht verarbeitet werden.

Aerodynamik: Windkanal macht Stabilität bei Seitenwind sichtbar

Der aerodynamischen Auslegung kommt eine Schlüsselfunktion in Bezug auf die zu erreichende Leistungscharakteristik des Fahrzeugs zu. Sowohl maßgebliche, für die Zulassung unerlässliche Sicherheitsaspekte (z. B. Seitenwindstabilität) als auch die vom Fahrzeug im Betrieb ausgehende Wirkung auf die Umwelt und auf die direkte Umgebung sowie der vom Fahrgast wahrgenommene Fahrkomfort und damit die Fahrzeugakzeptanz werden maßgeblich durch aerodynamische Fragestellungen bestimmt. So wird beispielsweise die Form der Zugnase wesentlich durch die Luftverdrängung im Tunnel und durch die Seitenwindstabilität beeinflusst. In einem Windkanal zeigen DLR-Wissenschaftler, wie ein Zugmodell im Maßstab von 1:100 schräg mit Luft angeströmt wird. So lässt sich eine Seitenwindsituation simulieren. Mithilfe einer Laser-Lichtschnittanlage und Rauch werden die auftretenden Strömungsstrukturen sichtbar gemacht. Um belastbare Aussagen zu entscheidenden, sicherheitsrelevanten Fragestellungen wie der Zugbegegnung oder dem Verhalten bei Seitenwind erhalten zu können, werden im Rahmen dieses Projekts neue Versuchsanlagen zur Untersuchung von speziellen Fragen zur Aerodynamik bei Seitenwind, Tunnelaerodynamik, Hochreynoldszahlaerodynamik und Aeroakustik ausgelegt und gebaut.

Simulation von Fahrgastflüssen

Wie verhalten sich Fahrgäste beim Ein- und Aussteigen in einen doppelstöckigen Hochgeschwindigkeitszug? Welche Rolle spielt die Fahrzeugkonstruktion für die Optimierung der Abläufe im Zug und zwischen Zug und Bahnsteig? Die DLR-Wissenschaftler simulieren verschiedene Fahrzeugkonfigurationen, bewerten die Ein- und Aussteigezeiten und modellieren Bewegungen einzelner Personen im Zuginneren bei unterschiedlicher Anordnung von Sitzplätzen, Treppen oder Türen. Auf Basis der Umsteigequoten der Fahrgäste im Fernverkehr und unter Berücksichtigung technischer Rahmenbedingungen soll so das beste Konzept für einen störungsfreien Fahrgastfluss und zügigen Fahrgastwechsel identifiziert werden. Die Wissenschaftler arbeiten dazu mit der mikroskopischen Schnellzeitsimulationssoftware TOMICS (Traffic Oriented Microscopic Simulator).

Lebenszykluskosten und Hochgeschwindigkeitsrouten berechnen

Lebenszykluskosten spielen bei der Einführung neuer Schienenfahrzeuge in den Markt eine entscheidende Rolle. Das speziell vom DLR für Schienenfahrzeuge entwickelte Programm NGT-LCC (Next Generation Train - Life Cycle Costing) ist ein szenariofähiges, modulares Werkzeug, das die Analyse der Kostenstruktur für die Prozesskette "Fahrzeugherstellung - Betrieb - Infrastruktur" ermöglicht. Darüber hinaus haben die DLR-Wissenschaftler ein Trassierungstool auf Basis eines Geoinformationssystems (GIS) entworfen. Dieses ermittelt anhand geographischer Daten die kostengünstigste Strecke zwischen zwei Städten. Faktoren wie Geländesteigung, Bevölkerungsdichte oder Wasserflächen bestimmen den Verlauf einer Hochgeschwindigkeitstrasse und beeinflussen daher die Baukosten maßgeblich. Die berechneten Streckenverläufe ermöglichen eine Bewertung der Realisierbarkeit neuer Hochgeschwindigkeitsstrecken.

Simulation von Energieflüssen

Moderne Schienenfahrzeuge müssen gerade wegen der großen Fahrzeugmasse hohe Anforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz erfüllen. Eine zusätzliche Herausforderung bei dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen besteht darin, gleichzeitig Kohlendioxid- und Schadstoffemissionen zu reduzieren. Zukünftige Schadstoffgrenzwerte können nur durch Abgasnachbehandlungssysteme eingehalten werden, wobei in der Regel Einbußen bei der Motorleistung hingenommen werden müssen. Durch die Nutzung von Bremsenergie mit Hilfe von Energiespeichern können Leistungsreserven erschlossen werden. Damit lassen sich hohe Fahrleistungen auch mit leistungsschwächeren Motoren erreichen. Das DLR entwickelt für die Energieoptimierung neue Konzepte.

Um diese zu bewerten, werden multiphysikalische Modelle von Schienenfahrzeugen und deren Komponenten erstellt. Die im DLR zur Verfügung stehenden Prüfstände ermöglichen die Validierung neu entwickelter Komponentenmodelle. Die Energiefluss-Simulation vergleicht exemplarisch den Energiefluss eines konventionellen dieselelektrischen Regionalfahrzeugs mit dem eines Fahrzeugs, dessen geringere Dieselmotor-Leistung durch den Einsatz von Bremsenergiespeichern kompensiert wird. Durch die Visualisierung der Energieflüsse lassen sich Unterschiede in der Betriebsweise beider Systeme veranschaulichen. Obwohl die Dieselleistung beim hybridisierten Fahrzeug wesentlich kleiner ist als beim konventionellen Fahrzeug, können dieselben Fahrleistungen erreicht werden. Dabei benötigt das hybridisierte Fahrzeug signifikant weniger Kraftstoff. Das verringert die Schadstoffemission gegenüber dem konventionellen Fahrzeug deutlich.

Systemdynamik von Rad und Schiene

Die Ziele des Next Generation Train in Bezug auf Fahrgeschwindigkeit, Passagierkapazität, Komfort sowie Lärm- und Verschleißreduktion sind nur zu erreichen, wenn die Dynamik des Systems Rad/Schiene in die Betrachtung einbezogen und positiv beeinflusst wird. Zur Analyse der Fahrzeug-Systemdynamik von Schienenfahrzeugen hat das DLR bereits in der Vergangenheit wesentliche Beiträge geleistet und den Weg für den virtuellen Entwurf eines Schienenfahrzeugs in der so genannten Mehrkörpersimulation bereitet. Im NGT-Projekt wird diese Methodik im Rahmen eines wirklichkeitsnahen Auslegungsszenarios eingesetzt, um die zu erwartenden fahrdynamischen Lasten zu berechnen und zum Beispiel beim Entwurf der Wagenkastenstruktur zu berücksichtigen. Für die Zulassungsfähigkeit eines Zugkonzepts ist es außerdem wichtig, dass die Rad-Schiene-Kräfte bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten.

Zudem bieten Mechatronische Systeme zur aktiven Spurführung und Fahrwerksregelung ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Sicherheit und des Komforts von Schienenfahrzeugen. Neben Laufstabilität, Verschleiß- und Lärmreduktion muss das mechatronische Fahrwerk für den NGT auch in der unteren Ebene eines Doppelstockfahrzeugs einen komfortablen, ebenen Durchgang für die Fahrgäste ermöglichen. Zentrale Komponenten des Fahrwerks sind die geregelt angetriebenen Einzelräder und der zugehörige Radträger, der radial in einen Gleisbogen eingelenkt werden kann. Die Einzelradmotoren sind gleichzeitig Antriebsaggregate und Aktuatoren, die den beiden Einzelrädern eines Radträgers verschiedene Drehmomente aufprägen können. So lässt sich das Fahrwerk im Spurkanal ausrichten und in Bögen einlenken. Das macht den Radlauf leiser und mindert den Verschleiß.

Zuletzt geändert am:
09.10.2013 17:23:13 Uhr

Kontakte

 

Dorothee Bürkle
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Kommunikation, Redaktion Energie, Verkehr

Tel.: +49 2203 601-3492

Fax: +49 2203 601-3249
Dr.-Ing. Joachim Winter
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Projektleiter Next Generation Train

Tel.: +49 711 6862-274

Fax: +49 711 6862-258