magazine Im Interview: Im Interview: Dr. Jochen Eickholt Schwerpunkt-Thema: Gesamtsystem Rail Fahrzeug, Fahrweg und Interaktion Nr.

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1 magazine Nr. 14, II-2013 Im Interview: Dr. Jochen Eickholt Im Interview: Prof. Klaus Rießberger Schwerpunkt-Thema: Gesamtsystem Rail Fahrzeug, Fahrweg und Interaktion Innovative Modellierungs-, Simulations- und Messverfahren Rad-Schiene Kraftschluss Virtuelle Homologation Sicherheit Schallabsorbierung und Schwingungsreduktion

2 Inhalt Nr.14, II Interview 8-13 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 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 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 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 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 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 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. 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. 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. 2 magazine Nr. 14, II-2013

3 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. 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! Impressum: Medieninhaber, Herausgeber, Verleger: Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbh (ViF) A-8010 Graz, Inffeldgasse 21A Tel.: +43 (0) Fax: ext office@v2c2.at Web: Redaktion und Gestaltung: Wolfgang Wachmann, Lisa Pichler Fotos: ViF, Industriepartner, TU Graz FB: LG f. ZRS Graz, FN: Y UID: ATU 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

4 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, wobei 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- Abbildung 1: System Eisenbahn relevante Aspekte 4 magazine Nr. 14, II-2013

5 Abbildung 2: Rauigkeiten im Rad-Schiene Kontakt Einfluss auf reale metallische Kontaktfläche 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 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, magazine Nr. 14, II

6 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 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 Informationsund Prozessmanagement und koordiniert die Querschnittsfunktion Rail am VIRTUAL VEHICLE. Dr. Martin Rosenberger ist stellvertretender Bereichsleiter des Bereichs Mechanics & Materials am VIRTUAL VEHICLE. Abbildung 4: Metallographische Untersuchungen an einem Schienenquerschnitt Dr. Klaus Six ist Key Researcher im Bereich Vehicle Dynamics Rail Applications am VIRTUAL VEHICLE. 6 magazine Nr. 14, II-2013

7 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 Europa 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 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). magazine Nr. 14, II

8 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 und EN bieten hierfür jedoch beiden Partnern keine zufriedenstellenden Lösungen. Problematik der normativen Bewertungsmethoden Die Untersuchungen des Fahrzeug-Fahrweg- Systems zeigen, dass neben den Betriebsbedingungen 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. Abbildung 1: Darstellung von Gleislageabweichungen im Wellenlängenbereich als Basis für eine Interaktionsanalyse Ergebnisse der TGA-Methode Zur Analyse der Ergebnisse der TGA-Methode 8 magazine Nr. 14, II-2013

9 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 Abbildung 2: Vergleich der TGA-Methode mit aktuellen Methoden aus den Europäischen Normen 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 - insbesondere 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 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. Abbildung 3: Betrachtung der gemeinsamen Interaktion und Ableitung von Maßnahmen zur Optimierung des Gesamtsystems Zum Autor Dr. Bernd Luber ist Lead Researcher im Bereich Vehicle Dynamics Rail Applications am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II

10 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 10 magazine Nr. 14, II-2013

11 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 vorzugebende 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 Abbildung 3: Erweitertes Reibkraftmodell, Struktur und Submodule 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 Reibkraftmodells 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. Projektpartner Technische Universität Graz University of Sheffield L.B. Foster Rail Technologies ÖBB Infrastruktur AG Siemens AG voestalpine Schienen GmbH Zum Autor Abbildung 4: Kraftschluss (Längsreibkraft/Normalkraft) Versuche mit Lokomotive vs. Simulation bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten Dr. Klaus Six ist Key Researcher im Bereich Vehicle Dynamics Rail Applications am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II

12 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. 12 magazine Nr. 14, II-2013

13 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) 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 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 bewerten. 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. Projektpartner 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 magazine Nr. 14, II

14 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. Abbildung 2: Head Checks und Spalling auf der Schiene (links). Typischer Squat auf der Lauffläche (rechts) Quelle: voestalpine Schienen GmbH 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 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 Systemverständnis Abbildung 1: Wärmebehandlungsanlage mit Warmsäge und Kühlbett für 120m Langschienen Quelle: voestalpine Schienen GmbH 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 14 magazine Nr. 14, II-2013

15 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 Zähigkeitseigenschaften 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. Quelle: voestalpine Schienen GmbH 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 Abbildung 3: Logistik: Langschienentransport mit Langschienenlager am Werksgelände der voestalpine Schienen GmbH Quelle: voestalpine Schienen GmbH DI Dr. Richard Stock ist im Bereich Technischer Kundendienst der voestalpine Schienen GmbH tätig. magazine Nr. 14, II

16 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 Geschwindigkeitsbereich 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, 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 1: Rad mit Absorber am Modalanalyseprüfstand (links) und berechnete Eigenschwingungsform (rechts) 16 magazine Nr. 14, II-2013

17 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 berücksichtigt. 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 VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II

18 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 berücksichtigt. 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 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. 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 Abbildung 1: Möglicher Aufbau eines automatisierten Optimierungssets zur Optimierung von Subsystemen, berücksichtigt jedoch durch ihren lokalen Charakter die Gesamtperformance des Systems nicht immer ausreichend. Die in Abb. 1 dargestellten elementaren Bausteine sind der Optimierungsalgorithmus, das Datenund 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 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 18 magazine Nr. 14, II-2013

19 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 verschiedener 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 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. Abbildung 3: Graphische Darstellung eines Optimierungslaufes unter Benutzung der ARSM Zum Autor DDI (FH) Michael Alb, M.A. ist Senior Researcher im Bereich Multidisziplinäre Optimierung am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II

20 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? Innen gelagertes Hochleistungsfahrwerk SF7000 für den englischen Markt Quelle: Siemens AG 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 entsprechend 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. 20 magazine Nr. 14, II-2013

21 Interview 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 Moderner Druckprüfstand zur Messung der Radlasten im Kompetenzzentrum Graz Quelle: Siemens AG 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- magazine Nr. 14, II

22 Interview Hochgeschwindigkeitszüge für den Weltmarkt Fertigung im Siemens-Werk in Krefeld Quelle: Siemens AG 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 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 ( Mitarbeiter, Stand ) umfasst das gesamte Schienenfahrzeuggeschäft von Siemens von Eisenbahnen über Metros und Lokomotiven bis hin zu Straßen- und Stadtbahnen sowie dazugehörige Service-Leistungen. 22 magazine Nr. 14, II-2013

23 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 Teilchengeschwindigkeit 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 Realbetrieb 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 magazine Nr. 14, II

24 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 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 4: Simulation der Straßenbahnumströmung; Das Verhalten der Strömung ist durch Stromlinien visualisiert. Die Farben der Stromlinien spiegeln die Geschwindigkeit wider. 24 magazine Nr. 14, II-2013

25 Abbildung 3: Sandstrahl im Realbetrieb Quelle: Knorr-Bremse GmbH Abbildung 5: Virtuelle Abbildung des Sandstrahls (l / seitliche Ansicht). Die Farben kennzeichnen unterschiedlich schwere Teilchen. 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. Zu den Autoren DI Sebastian Möller forscht im Bereich Aerodynamics und 3D- Simulation bei VIRTUAL VEHICLE. Dr. Daniel Langmayr ist Key Researcher 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 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. magazine Nr. 14, II

26 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 Komponentenmodelle 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- Abbildung 1: V-Modell der Fahrzeugentwicklung und Anwendung auf die Komfortauslegung von Schienenfahrzeugen 26 magazine Nr. 14, II-2013

27 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 Projektpartner Institut für Mechanik; Montanuniversität Leoben Siemens AG magazine Nr. 14, II

28 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. 28 magazine Nr. 14, II-2013

29 3. Austausch von Daten über Nachrichtenversand 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 und EN 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 Sicherheitsund 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. Zu den Autoren DI Joachim Hillebrand leitet die Gruppe für Embedded Systems am VIRTUAL VEHICLE. DI Peter Reichenpfader ist Senior Researcher im Bereich Embedded Systems am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 14, II

30 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- 30 magazine Nr. 14, II-2013

31 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 universitäres 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 Quelle: TU Graz, Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft 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. Abbildung 3: Tagung moderne Schienenfahrzeuge Quelle: TU Graz, Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft Zum Autor Forschungs-Partner Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Veit; Institutsvorstand am Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft der TU Graz magazine Nr. 14, II

32 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 Systemdynamik 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. 32 magazine Nr. 14, II-2013

33 Abbildung 2: Seilkräfte bei einem Bremsvorgang eines Cable Liner Shuttle 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 Simulationsmodell, 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 Betriebsfestigkeit 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. Projektpartner TU Graz - Institut für Eisenbahnwesen Doppelmayr Cable Car GmbH & Co KG (DCC) Kontrollstelle IKSS Abbildung 3: Fahrzeugbeschleunigung bei einer Cable Liner Shuttle-Notbremsung magazine Nr. 14, II

34 short cuts More news: Kompetenzzentren in Österreich: Die Innovations-Zugpferde 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. 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 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. 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 zu bewältigen sein wird. Smarte Städte - smarte Mobilität unter diesem Motto stand die e- mobility Konferenz vom in Graz. Das VIRTUAL VEHICLE war durch mehrere Beiträge prominent vertreten. 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: magazine Nr. 14, II-2013

35 More news: short cuts Rad-Schiene-Kontakt Projekt: Erfolgreiche Zwischenbilanz 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. 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 Ausnutzung des Rad-Schiene Kontakts. Die positiven Ergebnisse des Projektes stießen bei den Projektpartnern auf vollste Zufriedenheit. 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 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 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 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. Neben den Aktivitäten auf europäischer Ebene engagiert sich VIRTUAL VEHICLE zudem auch verstärkt in nationalen Projekten 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. Interdisziplinäre Entwicklung von Straßen- und Schienenfahrzeugen Prozesse, Methoden, Tools, Best Practices 6. GRAZER SYMPOSIUM VIRTUELLES FAH VIRTUELLES FAHRZEUG Mai 2013 Graz Mai 2013 Graz magazine Nr. 14, II

36 RAIL SYSTEMS Rail mit System: Gemeinsame Betrachtung von Fahrzeug und Fahrweg Optimierung des Gesamtsystems Bahn Unsere Expertise: Fahrzeugdynamik Kontaktmechanik Verschleiß & Rollkontaktermüdung Gleiszustands-/ Interaktionsbewertung Strukturmechanik / Strukturdynamik 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 Nr. 14, II-2013 Kompetenzzentrum Das virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbh A-8010 Graz, Inffeldgasse 21/A Tel.: +43 (0) Fax: +43 (0) office@v2c2.at Internet: