Neue Bauweisen beim Next Generation Train

Transkript

1 Neue Bauweisen beim Next Generation Train Dr.-Ing. Joachim Winter Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart

2 175 Jahre Eisenbahn 1835 Nürnberg Fürth Der Adler Lokomotive; Einzelachsen; Dampfantrieb 15 KW 28 (65) km/h; mechanische Spindelbremse; Laufleistung meist Einsatz von Pferden

3 100 Jahre Elektromobilität Strecke Dessau Bitterfeld (Freigabe 01. April 1911)

4 Schnelltriebzug DRG Bauart Köln - Linke-Hofmann, Breslau Stromlinienförmiger Steuerwagen; Einzelachsen; dieselelektrischer Antrieb 882 KW 160 km/h; Magnetbremsen Bremsweg 800m; Laufleistung km/monat

5 Zug der Zukunft 2035 Hamburg-Dammtor abfahrbereit Stromlinienförmiger Doppelstock-Steuerwagen; Einzelräder; elektrischer Antrieb 18 MW 400 km/h; aerodyn. + Magnetbremsen Bremsweg 8 km; Laufleistung km/monat

6 Entwicklung der Höchstgeschwindigkeiten bei Schienenfahrzeugen km/h 600 TGV V TGV Atlantique SNCF BB 9004 JR 0 Shinkansen TGV 016 TGV PSE TGV PSE ICE - V TGV Atlantique KTX III Zefiro Velaro E ICX TGV Réseau ICX 100 DRG Höchstgeschwindigkeit bei Tests Höchstgeschwindigkeit bei regulärem Betrieb Quelle: UIC

7 Zug der Zukunft Neun beteiligte DLR-Institute Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin Institut für Verkehrssystemtechnik Institut für Robotik und Mechatronik Institut für Werkstoffforschung Flughafenwesen und Luftverkehr Schnittstellen zu den Kristallisationsthemen Schienenverkehrsmanagement Neuartige Fahrzeugstrukturen ETA³-Fahrzeug

8 Zug der Zukunft Fahrzeugtypen Ultra-Hochgeschwindigkeitstriebzug NGT HGV Schneller InterCity-Triebzug NGT REGIO Schneller Güterverkehr NGT Cargo

9 Next Generation Train Ziele Innovatives Schienenfahrzeugkonzept V Betrieb = 400 km/h (+ 25% gegenüber ICE 3) - 50% Energieverbrauch/Fahrgast Werkstoffe und Bauweisen für Wagenkästen Leichtbauweisen wegen Achsgrenzlasten (<16 t) Flexible modulare Fahrzeugplattformen Kostengünstige Fertigungstechnologien Betrieb, Reparatur, Entsorgung (LCC) Energiemanagement Lärmreduktion und Komfortsteigerung Fahrsicherheit und Verschleiß Konsequenter kostengünstiger Leichtbau 9

10 Triebzugkonzepte Varianten Zug der Zukunft Next Generation Train

11 Antrieb Zug der Zukunft Innovatives Triebzugkonzept radnahe Motoren elektrisch/drahtlos Hilfsmotor für Überführungsfahrten Wagenkasten Verschiedene Spantbauweisen mit Sandwich-Ausfachungen 2x Ein- und Ausstiege Türen Fahrgastflussanalyse 8x Wagenübergänge neuartiges Konzept zur Verringerung der Wagenübergangslänge trennbare, autonom fahrbare Einheiten Endwagen Tunneleintritt-Nase Aerodynamische Seitenwindstabilität 202 m 202 m optisch gekuppelt 21 m 20 m Maschinen- und Gepäckbereich 8x diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt Fahrwerke Bremsen Innenausstattung Betriebskonzept Einzelrad-Doppellaufwerke Einzelrad-Einzellaufwerke mechatronische Räder generatorisch aerodynamisch mechanisch FKV mit Naturfasern LFI-Verfahren mit PUR Akustik und Klimatisierung dynamisches Flügeln Fahrerassistenz

12 Evolution der Bauweisen Wagenkasten Schienenfahrzeuge Technische Entwicklung Höhere Anforderung Mischbauweise Holz/Stahl Aluminium Diff. bauweise Hybridbauweise Aluminium Integralbauweise Geschweißte Stahlbauweise (Stahl/Edelstahl) Kaltgefügte Stahlbauweise Holzbauweise Jahr Quelle: Revolution oder Evolution?; ETR 51 (2002), Heft 1-2; S

13 Edel-Stahldifferential-Bauweise mit GFK-Sandwich-Ausfachungen Fahrzeug in Hybridbauweise: Korean Tilting Train Unterrahmen aus rostfreiem Stahl Wagenkastengerippe aus Baustahl integriert in Seitenwand-Beplankung aus Sandwichelementen mit Aluminium Honigwabenkern und CFK-Deckschichten Quelle: Kim, J.-S.; Jeong, J.-C.: Natural frequency evaluation of a composite train carbody with length of 23 m, Composite Structures, 2006, Elsevier

14 Faserverbundintensive Bauweisen Gesamtstruktur aus GFK-Sandwich mit CFK-Gerippe innerhalb des Kerns Gerippeaufbau mit vorgefertigten Elementen Gerippe übernimmt Großteil von Struktur-Performance CFK-Einsatz Einsatz von pultrudierten Profilen Wagenkasten unterteilt in U-förmiger Teil (Boden und Seitenwände) und Dach Hoher Integrationsgrad (z.b. Kabel-/Luftkanäle) Quelle: Prockat, J.: Developing Large Structural Parts for Railway Application using a Fibre Reinforced Polymer Design. Diss. 2005

15 Skalierbare und modularisierbare Bauweisen In Höhe und Breite skalierbare Struktur aus ringförmigen Elementen Voll modularisierbare Struktur mit durchgehenden Profilen Profile mit Funktionsintegration Durchgehende Längsträger, die variabel in der Länge gestaltet werden können Endsegmente mit Anschlüssen für die Stirnwände Mittragenden Sandwichausfachungen einschl. Funktionsintegration Montage der Seiten- und Dachsegmente bzw. ganzer Seitenwand- und Dachmodule einfach von außen durchführbar Fügetechniken Kleben und Schrauben

16 Aluminiumprofilintensive Bauweise mit Sandwich-Ausfachungen Langträger aus Aluminium-Strangpressprofilen in Eckbereichen Verbindung der Langträger mittels Sandwichelementen Strukturtragende Bodenwanne Erhöhung Flächenträgheitsmoment Schubsteife Gestaltung des Fensterbandes Aluminium Strangpressprofile Sandwich- Elemente

17 Wabenröhre Selbsttragende biege-/torsionssteife Wabenröhre 3-dimensional gekrümmte Spanten aus einzelnen Diagonalträgern Vertikal- und longitudinal angeordnete Träger für günstige Lastaufnahme/ Lastleitung Einzel-Träger verbunden über Knotenelemente zu Wabenröhre Lokal adaptierbar an Lastverläufe Hohe Anzahl an Gleichteilen

18 Tendenzen im Leichtbau Wagenkasten Schienenfahrzeuge Fachwerkbauweise (10) Höherfeste Stähle Differentialbauweise (9) Faserverbundintensive Bauweisen (11) NGT -Wagenkasten (4), Folie 12 Crashoptimierte Strukturen (7) Korean Tilting Train (8) Modularer Wagenkasten (1), Folie 8 Gewickelter Wagenkasten (2) GFK-Frontend (3) Wabenröhre (1), Folie 11 Weiterentwicklung Aluminium-Legierungen und Leichtmetalle ICE 3 (6) Aluminium- Aluminiumsandwich (TR08) (5) Aluminiumintensive Bauweise (1), Folie Auszug DLR Konzepte Quelle: (1) DLR FK, (2) SchindlerWaggon1995, (3) Martinu2000, (4) DLR Projekt NGT TP2000, (5) Wieschermann2002, (6) Martinsen1997, (7) Safetrain2001, (8) Kim2006, (9) Bönisch1995 (Teil1), (10) Dubbel Aufl., (11) Prockat2005

19 Zug der Zukunft Systementwicklungs-Prozess

20 Einflussfaktoren auf den Energiebedarf Reduzierung der Fahrzeugmasse um 1 Tonne kwh/100km ,0 20,6 5,2 Suburban Regional Intercity High-Speed 4,0 3,8 1,3 1,2 0,7 DMU BR611 EMU BR423 HST BR403

21 Motivation Einsparpotenzial Masse Massereduktion durch reduzierte statische Längskräfte (DIN EN 12663) Potenzialabschätzung von Massereduktion mit Hilfe von Optimierungsverfahren Massereduktion von Strukturgerippe um ca. 20% infolge Halbierung der geforderten Längskräfte von DIN EN Folie 21

22 Statische / dynamische Lasten Anforderungen bzgl. Belastung Wagenkasten: Statische Lasten (z.b. DIN EN 12663) Dynamische Crash-Lasten (DIN EN 15227) Kurzzeitige Spitzenlasten vernachlässigbar F [kn] Bereich für statische Dimensionierung nicht-plastische Verformung Crash-Bereich Crash-Lasten Maximale stat. Lasten d [mm] [1] Statische Lasten (DIN EN 12663) F crash < F stat Crash-Lasten (DIN EN 15227) Quelle: [1] SAFETRAIN 22

23 Ansatz Notwendig zur Reduktion der statischen Längskräfte Herausforderung: Analyse der Normungslage und gesetzlicher Regularien Nachweis gleicher Sicherheit (gemäß 2 Abs. 2 EBO) Kompatibilität mit vorhandenen Fahrzeugen Gesamtcrashenergie im LB-Konzept F WK,LB F Crash,Konv Wagenkasten Crashzone Crashzone Wagenkasten F WK,LB < F Crash, Konv Crashzone Leichtbau-Fahrzeug nimmt komplette Energie auf Leichbaukonzept Potentieller Kollisionspartner nach dem Stand der Technik

24 Zug der Zukunft Steuerkopf: Triebfahrzeugführerstand Konstruktive Anpassung der Tragstruktur an Lastpfade Berücksichtigung bei konstruktiver Umsetzung von Strukturkomponenten Fertigbarkeit Kosteneffizienz Fügetechnik

25 Zug der Zukunft Mittelwagen: Modularisierung und Bauweisen Modularer Aufbau (Endmodul, Fahrwerk-Modul, Fahrgastmodul) Kombination unterschiedlicher Bauweisen Fachwerk-, Rahmenbauweise im Prinzip der Wabenröhre (Fahrwerk-Modul) faserintensives Segment aus verstärkten Sandwich-Elementen (Fahrgastmodul)

26 Zug der Zukunft Mittelwagen: Topologie-Optimierung und Struktur Lastangepasste Wagenkastenstruktur Dr. Joachim Winter Neue Bauweisen im Leichtbau HGV Folie 26

27 Zug der Zukunft Mittelwagen: Ausschnitt Fahrwerksmodul Dr. Joachim Winter Neue Bauweisen im Leichtbau HGV Folie 27

28 Zug der Zukunft Fahrwerksmodul mit Einzelrad-Einzelfahrwerk Bauweise Wabenröhren Dr. Joachim Winter Neue Bauweisen im Leichtbau HGV Folie 28

29 Zug der Zukunft Einstiegsmodul Aufbau: Identische Endsegmente Modularität Unterteilung in Deformationsbereich und statisch ausgelegten Bereich Keine plastische Verformung des statisch ausgelegten Bereiches bei Crash-Szenarien (DIN EN 15227) ertragbare stat. Lasten größer als maximale Crashlasten Statisch ausgelegter Bereich nach DIN EN Crash-Bereich plastische Verformung bei DIN EN [1] Basierend auf SAFETRAIN 29

30 Zug der Zukunft Einstiegsmodul mit Crashbereich Kraftfluss im statisch auszulegenden Bereich Topologieoptimierung Relevante Lasten nach DIN EN Definition der Lastpfade Basis für Konzeption Struktur 30

31 Zug der Zukunft Einstiegsmodul mit Wagenübergang Ziele o o Aerodynamisch störungsarm Druckdicht Herausforderungen Verfügbarer Bauraum 100 mm Mindestbreite Balg 70 mm Ausführung Doppelbalg > 140 mm Lösung Innenbalg Außen Gliederband Dr. Joachim Winter Neue Bauweisen im Leichtbau HGV Folie 31

32 Zug der Zukunft LCC Berechnungen am NGT Betrieb & Umfeld Komponenten Fahrzeug Rad-Schiene Verschleiß Leichtbau Doppelstock Einzelräder Energieübertragung Material & Fertigung Bauteilverschleiß/ -alterung Reparatur & Wartung Energieverbrauch Rückspeisung Personalbedarf Lebenszykluskosten

33 Zug der Zukunft Tunnel- und Seitenwind-Windkanal

34 Zug der Zukunft Tunnel-Windkanal

35 Zug der Zukunft technische Designstudie

36 Zusammenfassung Doppelstock-Hochgeschwindigkeitszug Zug der Zukunft leicht energieeffizient leise fahrgastfreundlich verschleißarm im Rad/Schiene-Kontakt

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit