Zug der Zukunft Innovativer Leichtbau für den Next Generation Train (NGT)

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1 DLR.de Folie 1 Zug der Zukunft Innovativer Leichtbau für den Next Generation Train (NGT) 10. Innovation Day Leichtbau im Schienenverkehr CFK Valley e.v., Stade, Dipl.-Ing. Jörg Nickel Dipl.-Ing. Jens König Prof. Dr.-Ing. Christian Hühne Dr.-Ing. Joachim Winter

2 DLR.de Folie 2 Vision NGT Schneller Leiser Komfortabler Effizienter Sicherer Umweltfreundlicher

3 DLR.de Folie 3 DLR Nationales Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt Raumfahrtagentur Deutschlands Forschungsgebiete: Luftfahrt, Raumfahrt, Verkehr, Energie, Querschnittsthema Sicherheit Unsere umfassenden Forschungsaktivitäten sind eingebettet in nationale und internationale Kooperationen

4 DLR.de Folie 4 DLR Entwicklung von Spitzentechnologien Betrieb von Großforschungsanlagen Größte zivile Forschungsflugzeugflotte in Europa Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses

5 DLR.de Folie 5 DLR Ca Mitarbeiter 33 Forschungsinstitute und wissenschaftlich-technische Einrichtungen an 13 Standorten Büros in Brüssel, Paris und Washington

6 DLR.de Folie 6 NGT: Interdisziplinärer Ansatz Mit Beiträgen der Institute für Aerodynamik und Strömungstechnik Bauweisen- und Strukturtechnologie Fahrzeugkonzepte Faserverbundleichtbau und Adaptronik Luft- und Raumfahrtmedizin Verkehrssystemtechnik Systemdynamik und Regelungstechnik Kommunikation und Navigation Optische Sensorsysteme Verkehrsforschung Simulations- und Softwaretechnik In den Bereichen Innovative Fahrzeugkonzepte Werkstoffe, Verfahren und Strukturen Energiemanagement Lärm und Komfort Fahrsicherheit und Verschleiß Schnittstellen zu den Kristallisationsthemen NGRS Next Generation Railway System NGC - Next Generation Car

7 DLR.de Folie 7 NGT: Fahrplan Aerodynamik Fahrwerk Crash Vertiefende Aspekte Grundlagen, Fahrzeugkonzept NGT I 2010 Strukturen Leichtbau NGT II NGT III

8 DLR.de Folie 8 Fahrzeugtypen NGT HST Ultra-Hochgeschwindigkeits-Triebwagen-Personenzug NGT LINK Hochgeschwindigkeits-Triebwagen-Personenzug NGT CARGO Ultra-Hochgeschwindigkeits-Triebwagen-Güterzug

9 DLR.de Folie 9 NGT HST Zielsetzung und Eckdaten? Zusammenfassung und Ausblick NGT HST Wagenkastenbauweise Wagenkastenbauweisen

10 DLR.de Folie 10 NGT HST: Globale Zielsetzung (HGF-Ziele)? 1. Erhöhung der zugelassenen Geschwindigkeit auf 400 km/h (Wissenschaftliche Untersuchungen bis zu 600 km/h) 2. Halbierung des spezifischen Energieverbrauchs gegenüber dem ICE 3 bei 300 km/h 3. Lärmreduktion 4. Komfortsteigerung 5. Verbesserung der Fahrsicherheit 6. Verringerung des Verschleißes und der Lebenszykluskosten 7. kosteneffiziente Bauweisen durch Modularisierung und Systemintegration 8. Effizienzsteigerung von Entwicklungsund Zulassungsprozessen

11 DLR.de Folie 11 NGT HST: Eckdaten Fahrzeugkonzept? Weltweiter Einsatz G2 Lichtraumprofil Referenzstrecke: Paris Wien (1.150 km) Normalspur: mm 2 Züge mit jeweils 202 m Länge, 2 Triebköpfe, 8 Mittelwagen, verteilte Antriebe Mittelwagen: 4 Räder, Einzelrad- Einzelantriebe Triebkopf: 2 Einzelrad-Doppellaufwerke Maximal 16 t Achslast, 32 t Gesamtmasse des Wagens Betriebsgeschwindigkeit: 400 km/h Doppelstockanordnung (durchgängig über beide Ebenen)

12 DLR.de Folie 12 NGT HST: Eckdaten Fahrzeugkonzept? 800 Sitzplätze pro Zug 100 Sitzplätze pro Wagen davon 40 % 1. Klasse davon 60 % 2. Klasse Ein- und Ausstieg auf zwei Ebenen, Bahnsteighöhe: 600 mm und mm in den Endbereichen des Wagens, versetzt auf beiden Seiten Multimodale Fahrgastinformationsdienste und Anzeigekonzepte

13 DLR.de Folie 13 NGT HST: F&E-Themen im Triebwagenzug? Antrieb radnahe Motoren elektrisch/drahtlos Hilfsmotor für Überführungsfahrten Wagenkasten Verschiedene Spantbauweisen mit Sandwich-Ausfachungen Wagenübergänge neuartiges Konzept zur Verringerung der Wagenübergangslänge trennbare, autonom fahrbare Einheiten Ein- und Ausstiege Türen Fahrgastflussanalyse Gepäckkonzept Endwagen Tunneleintritt- Nase aerodynamische Seitenwindstabilität fernwirkende Kupplung 2x 202 m 21 m 20 m Maschinen- und Gepäckbereich 8x Diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt Fahrwerke Einzelrad-Doppellaufwerke Einzelrad-Einzellaufwerke mechatronische Räder Bremsen rekuperativ aerodynamisch Reibung Innenausstattung FKV mit Naturfasern LFI-Verfahren mit PUR Akustik und Klimatisierung Betriebskonzept dynamisches Flügeln Fahrerassistenz

14 DLR.de Folie 14 NGT HST Zielsetzung und Eckdaten Zusammenfassung und Ausblick? NGT HST Wagenkastenbauweise Wagenkastenbauweisen

15 DLR.de Folie 15 Wagenkastenbauweisen Historische Entwicklung Quelle: ETR 51, 1 2/2002

16 DLR.de Folie 16 Wagenkastenbauweisen Historische Entwicklung Leichtbaupotenzial verschiedener Bauweisen (aufsteigend): Stahl-Differenzial Aluminium-Integral Aluminium-Differenzial Hybrid (bis zu 40 % Einsparung gegenüber Stahl-Bauweise) Kosten: Stark abhängig von Stückzahl und konkreter Anwendung Quelle: Quelle: Quelle: Quelle: ETR 51, 1 2/2002

17 DLR.de Folie 17 Tendenzen im Leichtbau Multi-Material- Design Weiterentwicklung Aluminium-Legierungen und Leichtmetalle Höherfeste Stähle Konventionelle Bauweisen, Werkstoffe und Technologien Weit entwickelt Optimierungspotenzial begrenzt Methodische Vorgehensweise für umfassenden Leichtbau

18 DLR.de Folie 18 Chancen im Leichtbau Leichtbaubedingte Mehrkosten DLR-Projektstudie Einsatz von Multi-Material- Leichtbaupotenzial CFK-Leichtbautechnologien im Design und -vorteile Schienenfahrzeugbau

19 DLR.de Folie 19 Chancen im Leichtbau DLR-Projektstudie Einsatz von CFK-Leichtbautechnologien im Schienenfahrzeugbau Ausführliche Betrachtungen zum Stand der Technik Nachweis wirtschaftlicher Anwendbarkeit von Leichtbaumaßnahmen durch detaillierte Gewichts- und Kostenbetrachtung eines Beispielbauteils

20 DLR.de Folie 20 NGT HST Zielsetzung und Eckdaten Zusammenfassung und Ausblick? NGT HST Wagenkastenbauweise Wagenkastenbauweisen

21 DLR.de Folie 21 NGT HST: Wagentyp und Zugkonzept Parametergesteuertes CAD-Modell zur Variation von Wagenlänge Wagentyp Zugkonzept Fahrwerkskonzept Auslegung als Doppelstock-, Teildoppelstock- oder Einstockwagen Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

22 DLR.de Folie 22 NGT HST: Wagentyp und Zugkonzept Bewertung der Varianten in Bezug auf die Leermasse des Fahrzeugs Ermittlung der optimalen Wagenlängen für unterschiedliche Wagentypen und Zugkonzepte Auswahl der optimalen Wagenkastenkonfiguration 20 m Teildoppelstock- Brückenfahrzeug 20 m Doppelstock- Einzelwagen 26 m Einstock-Einzelwagen Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

23 DLR.de Folie 23 NGT HST: Wagentyp und Zugkonzept Vorteile der gewählten Konfiguration: Durchgängige Doppelstockauslegung: bessere Raumnutzung Verringerte Gesamtwagenanzahl: weniger Übergänge, bessere Aerodynamik, geringerer Energieverbrauch Weniger Fahrwerke: mehr Raum, weniger Masse, bessere Beschleunigung Kosteneinsparung 20 m Doppelstock- Einzelwagen Günstiger und leichter Herausforderung: 4 Einzelrad- Einzelfahrwerke entspricht 2 Radsätzen Max. 16 t zulässige Radsatzlast Es ergibt sich: max. 32 t Wagengesamtmasse Leichtbau

24 DLR.de Folie 24 NGT HST Wagenkasten: Strukturauslegung 20 m Doppelstock- Einzelwagen Analytisch-mechanisches Rohrmodell FE-Topologieoptimierung unter maßgeblichen Lasten Ableitung CAD-Gittermodell Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

25 DLR.de Folie 25 NGT HST Wagenkasten: Strukturauslegung Aus dem Topologiemodell abgeleitete Anordnung der Bauweisen und Materialien Einleitung hoher, vor allem punktueller Lasten in unterschiedliche Raumrichtungen Fachwerk Große zu schließende Flächen, verteilte Lasten Sandwichfelder mit Fensterbändern in Balkenbauweise

26 DLR.de Folie 26 NGT HST Wagenkasten: Modulares Leichtbaukonzept Fahrgastmodul Fokus: Konstruktion Fertigung Fahrwerksmodul Fokus: Methodischer Ansatz Konstruktion Einstiegsmodul Fokus: Methodik für Crash- Konzept Gesamtzug Crash-Konzept Wagenkasten

27 DLR.de Folie 27 NGT HST Fahrgastmodul Fahrwerksmodul Crashkonzept NGT HST Wagenkastenbauweise

28 DLR.de Folie 28 Fahrwerksmodul: Entwicklungsschritte Ausgangspunkt: Topologieoptimierung Strukturausführung Wandstärkenoptimierung/ Dimensionierung Beplankung/ Detailoptimierung Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

29 DLR.de Folie 29 Fahrwerksmodul: Konstruktion Tragstruktur aus Aluminium- Profilen und -Blechen Beplankung mittels Sandwich- Elementen Kraftflussangepasste Schweißkonstruktion Partielle Aussteifung mittels Knotenelementen Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

30 DLR.de Folie 30 Fahrwerksmodul: Dimensionierung und Optimierung Wandstärkenoptimierung entsprechend Restriktionen (maximal zulässige Spannung, Verformung) Dimensionierung entsprechend DIN EN (statische Lasten, Ermüdungslasten) sowie in Anlehnung an DVS1608 Konstruktive Anpassung/Detailoptimierung (Spannungsspitzen) Minimale Masse der Tragstruktur Quelle: König, J.: Neuartige Leichtbau-Konzepte und Bauweisen für Schienenfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsverkehr unter besonderer Berücksichtigung des Wagenkastenleichtbaus. Interner Bericht, DLR, Stuttgart 2015.

31 DLR.de Folie 31 Fahrwerksmodul: Demonstrator und Versuche 1:1 Demonstrator: Umsetzung von Teilbereich der Gerippestruktur Reale Versuche: Validierung der Gerippestruktur Simulation eines Teilbereichs der Gerippestruktur entsprechend realem Versuch

32 DLR.de Folie 32 NGT HST Fahrgastmodul Fahrwerksmodul Crashkonzept NGT HST Wagenkastenbauweise

33 DLR.de Folie 33 Fahrgastmodul: Von der Idee zur realen Struktur Berechnung Konstruktion Entwurf Fertigung Idee Modulare Multimaterial- Bauweise Endmontage

34 DLR.de Folie 34 Fahrgastmodul: Entwicklungsschritte Ausgangspunkt: NGT-Mittelwagen globales Bauweisenkonzept Konstruktion Festigkeitsnachweis u. Massebilanz Detaillierung

35 DLR.de Folie 35 Fahrgastmodul: Bauweise Selbsttragendes biege- und torsionssteifes Segment Flächenelemente aus Faserkunststoffverbund-(FKV-)Sandwichstrukturen Fensterbänder in FKV oder Metall- Hybridbauweise Spant-Interface für Modulanbindung Vorteile: Kostengünstige, einfache Geometrie Leicht Schadenstolerant (Schutzschicht) Integrierte Kabelführung Integrierte Fügetechnik Wärme- und Schallisolation durch Schaumkerne

36 DLR.de Folie 36 Fahrgastmodul: Anforderungen Dimensionierung entsprechend DIN EN (statische Lasten, Ermüdungslasten) Berücksichtigung von Fahrgastlasten Aerodynamischen Lasten Brandschutz (DIN EN 45545) Massebilanzierung: Anforderung: < 300 kg pro lfd. m Rohbau: 155 kg pro lfd. m zuzüglich Zusatzbaugruppen Gewichtsziel erreicht 20 m Doppelstock- Einzelwagen 36

37 DLR.de Folie 37 Fahrgastmodul: Sandwichbauweise Stegversteifte Sandwichbauweise Anordnung von umwickelten Schaumkernen zwischen FKV- Deckschichten Harzinfiltration im Infusionsprozess

38 DLR.de Folie 38 Fahrgastmodul: Demonstrator 1:1-Demonstrator: Teilbereich des Fahrgastmoduls Naturfaser-Innenverkleidung und -Trennwände

39 DLR.de Folie 39 Fahrgastmodul: Verbindungstechnik Aktuelle Entwicklung: Trennbare, verschraubte Fügestellen zur Erfüllung von Montage-, Wartungs- und Verwertungsanforderungen Spantelemente zur Anbindung an Nachbarmodule

40 DLR.de Folie 40 NGT HST Fahrgastmodul Fahrwerksmodul Crashkonzept NGT HST Wagenkastenbauweise

41 DLR.de Folie 41 Crash-Konzept Gesamtzug-Crashkonzept: Crash-Zonen in Triebkopf und Mittelwagen unter Berücksichtigung aktueller Auslegungsvorschriften (DIN EN etc.) Strukturelle Untersuchungen auf Basis der Topologieoptimierung Ausarbeitung des Strukturkonzepts Wagenkasten Triebkopf: Konzepte zu strukturintegrierten Frontend-Absorbern Funktionsmodelle Frontend- Absorber Wagenkasten Mittelwagen: Konzepte zu strukturintegrierten Absorbern/Crash-Zonen Modell für Crashuntersuchungen

42 DLR.de Folie 42 Crash-Konzept: Funktionsweise Funktionsweise am Triebkopf: Dreistufiger, strukturintegrierter Frontend-Absorber Absorptionszone für LKW-Crash Funktionsweise am Mittelwagen: Zunächst nur energieabsorbierende Elemente im unteren Teil aktiv Nach der Kompression der Mittelsektion: auch Absorber im Mittelteil und in der Dachebene aktiv

43 DLR.de Folie 43 Crash-Konzept: Demonstrator austauschbarer Frontend-Absorber

44 DLR.de Folie 44 NGT HST Zielsetzung und Eckdaten Zusammenfassung und Ausblick? NGT HST Wagenkastenbauweise Wagenkastenbauweisen

45 DLR.de Folie 45 Zusammenfassung Verifikation anhand statischer Tests in 2013 Ca. 30 % weniger Rohbaumasse 1 durchschnittlich < 300 kg/m, einschließlich Mittelboden 1) In Bezug zu vergleichbarem Wagenkasten

46 DLR.de Folie 46 Zusammenfassung: InnoTrans 2012 Faserverbundintensives Segment des Fahrgastmoduls Kraftflussoptimiertes Fahrwerksmodul Optische Überwachung von Bahnübergängen Mechatronisches Einzelrad-Einzelfahrwerk Trennwände aus NFK Zugnase mit integrierten Crashelementen Generisches Labor Normraum für Klimaanlagen Hochintegriertes IR-Heizungspanel

47 DLR.de Folie 47 Vision NGT Schneller Leiser Komfortabler Effizienter Sicherer Umweltfreundlicher

48 DLR.de Folie 48 Zusammenfassung Der NGT zeigt die möglichen Eckdaten des Zugs der Zukunft: Schneller Leiser Komfortabler Sicherer Umweltfreundlicher Effizienter Reduzierung der Reisezeit um 50 % 1 Lärm derzeit nicht messbar 2 25 % Vibrationsreduzierung 2 Thermische und akustische Isolierung Schwingungsreduktion Bessere Fahrdynamik 30 % mehr Fahrgäste 2 50 % spezifische Energieersparnis 2 30 % reduziertes Fahrzeuggewicht 2 1) Referenzstrecke Paris Wien 2) vergleich Referenzzug ICE3 mit 300 km/h

49 DLR.de Folie 49 Ausblick Der NGT bietet der Industrie Technologien für den Zug der Zukunft, unter anderem: Leichtbau-Wagenkastenbauweisen Optimierte Füge- und Fertigungsverfahren Modulares Multimaterialdesign Mechatronisches Fahrwerk Naturfaserbasierte Innenverkleidungen Aktive Schwingungsdämpfung Crashkonzept

50 DLR.de Folie 50 Weitere Informationen zum NGT ZEVrail März 2014 RTR Rail Technology Review Special 2011 NGT Next Generation Train

51 DLR.de Folie 51 Forschungsprojekte mit DLR-Beteiligung (Auswahl) Ziel: Rahmenbedingungen für Einsatz neuer Materialien durch Evolution der Zertifizierungsprozesse Empfehlungen und Informationen für angepasstes Regelwerk hinsichtlich Einführung neuer Werkstoffe Ziele: Entwicklung von Schlüsseltechnologien Beseitigung von Innovationsblockaden für zukünftige Schienenfahrzeuge U.a. Leichtbau-Composite- Wagenkastenbauweisen Vorbereitungsprojekt zu SHIFT2RAIL

52 DLR.de Folie 52 Industrieprojekte mit DLR-Beteiligung (Auswahl) zahlreiche Kooperationen/Entwicklungen/Drittmittelprojekte mit verschiedenen Industriepartnern. und weitere

53 DLR.de Folie 53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Jörg Nickel Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: 0531/ joerg.nickel@dlr.de