Zug der Zukunft Next Generation Train - NGT

Dr.-Ing. Joachim Winter Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 2

175 Jahre Eisenbahn 1835 Nürnberg – Fürth „Der Adler“

Lokomotive; Einzelachsen; Dampfantrieb 15 KW 28 (65) km/h; mechanische Spindelbremse; Laufleistung – meist Einsatz von Pferden

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 3

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

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 4

Schnelltriebzug DRG 137 1935 Bauart Köln - Linke-Hofmann, Breslau

Stromlinienförmiger Steuerwagen; Einzelachsen; dieselelektrischer Antrieb 882 KW 160 km/h; Magnetbremsen Bremsweg 800m; Laufleistung 35.000 km/Monat

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 5

Zug der Zukunft 2035 Hamburg Dammtor abfahrbereit

Stromlinienförmiger Doppelstock-Steuerwagen; Einzelräder; elektrischer Antrieb 18 MW 400 km/h; aerodyn. + Magnetbremsen Bremsweg 8 km; Laufleistung 50.000 km/Monat

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 6

Zug der Zukunft Neun beteiligte DLR-Institute

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin Institut für Verkehrssystemtechnik

Institut für Robotik und Mechatronik Institut für Werkstoffforschung

Flughafenwesen und Luftverkehr Schnittstellen zu den Kristallisationsthemen

Next Generation Railway System - NGRS Neuartige Fahrzeugstrukturen - NFS

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 7

Zug der Zukunft Anforderungen Betriebsanforderungen

Betreiber Nutzlast Kosten Verschleiß LCC und LCA usw.

Infrastruktur Fahrweg Bahnsteig Energieversorgung Leittechnik usw.

Technik Einsatzgeschwindigkeit Antriebskonzept Modularisierung Wagenkastenbau usw.

Betriebsanforderungen Fahrgast bzw. Kunde

Personenverkehr (Nah-, Regional-, Fern-)

Ein-, Ausstieg Komfort

Güterverkehr Nutzlast

usw.

Normen und Gesetze

LCC – life cycle costs

LCA – life cycle assessment

Zug der Zukunft

Entwicklung der Höchstgeschwindigkeiten Triebwagenzüge

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 9

Zug der Zukunft Themen und Ziele 1. Erhöhung der zugelassenen Geschwindigkeit

auf 400 km/h (wiss. Untersuchungen zu 600 km/h)

2. Halbierung des spezifischen Energieverbrauchs gegenüber dem ICE 3 bei 300 km/h

3. Lärmreduktion 4. Komfortsteigerung 5. Verbesserung der Fahrsicherheit 6. Verbesserung des Verschleißverhaltens und

Lebenszykluskosten 7. kosteneffiziente Bauweisen

durch Modularisierung und Systemintegration 8. Effizienzsteigerung

von Entwicklungs- und Zulassungsprozessen

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 10

Zug der Zukunft Vorgehensweise

konsequenter innovativer aerodynamischer Entwurf

Erhöhung der spezifischen Sitzplatzkapazität mechatronisches Einzelrad-Einzellaufwerk aerodynamische Steuerflächen Multi-Material-Design mit neuen Materialsystemen modulare Bauweisen innovative Fügetechnik Systemintegration Zusammenarbeit mit

Standardisierungsgremien Schienenfahrzeugherstellern

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 11

Zug der Zukunft Fahrzeugtypen

Ultra-Hochgeschwindigkeits-Triebwagenzug NGT HGV

Schneller InterCity-Triebwagenzug

NGT REGIO

Schneller Güter-Triebwagenzug NGT CARGO

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 12 12

Zug der Zukunft Wettbewerb Luftfahrt – Eisenbahn

Einfluss der Zugangszeit Hochgeschwindigkeits-Schienenverkehr wettbewerbsfähig < 800 km

0

1

2

3

4

5

6

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Travel Distance [km]

Trav

el T

ime

[h]

NGT HSR - 200 Air Traffic - 700 Air Traffic - 500

Zugang Abgang Zugfahrt A B

3:15 0:15 0:15 Fahrgast

Zugang Zubringer Flug Gepäck Zubringer Check-In / Sicherheit A 1:00 0:15 0:30 0:45 0:30 0:30 0:15

Abgang B

Passagier

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 13

Zug der Zukunft Innovatives Triebzugkonzept

Fahrwerke Einzelrad-Doppellaufwerke Einzelrad-Einzellaufwerke mechatronische Räder

Wagenkasten Verschiedene Spantbauweisen mit Sandwich-Ausfachungen

Innenausstattung FKV mit Naturfasern LFI-Verfahren mit PUR Akustik und Klimatisierung

Ein- und Ausstiege Türen Fahrgastflussanalyse

Endwagen Tunneleintritt-Nase Aerodynamische Seitenwindstabilität optisch gekuppelt

Betriebskonzept dynamisches Flügeln Fahrerassistenz

… 202 m

21 m 20 m

Maschinen- und Gepäckbereich

8x diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt

Wagenübergänge neuartiges Konzept zur Verringerung der Wagenübergangslänge trennbare, autonom fahrbare Einheiten

202 m

2x 8x

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 14

Zug der Zukunft Systementwicklungs-Prozess

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 15

Zug der Zukunft Steuerkopf: Triebfahrzeugführerstand

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 16

Zug der Zukunft Mittelwagen: Modularisierung und Bauweisen Modularer Aufbau (Endmodul, Fahrwerk-Modul, Fahrgastmodul)

Kombination unterschiedlicher Bauweisen

Fachwerk-, Rahmenbauweise im Prinzip der Wabenröhre (Fahrwerk-Modul) faserintensives Segment aus verstärkten Sandwich-Elementen (Fahrgastmodul)

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 17

Zug der Zukunft Mittelwagen: Einzelrad-Einzelfahrwerk

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 18

Zug der Zukunft Energiemanagement

Antrieb Antriebsleistung 18 MW keine Stromabnehmer Hilfsantrieb für Überführungsfahrten

Bremsen generatorisch mechanisch radintegriert

Steuerkopf-Fahrwerke 8 Einzelrad-Doppellaufwerk 8 Antriebsmotor 510 KW und Getriebe induktive Stromaufnahme autonom fahrbar

Wagenkasten Leichtbau spart pro Tonne bis 1 KWh/100 km ein

Bremsen Fahrerassistenz aerodynamisch

Steuerkopf optisch gekuppelt Funk Datenübertragung

… 202 m

21 m 20 m

8x diese Wagen werden im Halbzug als 8 Mittelwagen eingesetzt

202 m

2x 8x

Mittelwagen-Fahrwerke 4 Einzelrad-Einzellaufwerke radnaher Motor 260 KW induktive Stromaufnahme autonom fahrbar

Next Generation Train

Zug der Zukunft Antriebskonzept: Motoren

1400 mm

1435 mm

1250 mm

Seitenansicht Package Triebkopfmotor

SchieneTriebradTriebrad

1250 mmICE 3 ICE 3

Draufsicht Package Triebkopfmotor

4400 mm

1400 mm

1435 mm

1250 mm

Seitenansicht Package Triebkopfmotor

SchieneTriebradTriebrad

1250 mmICE 3 ICE 3

Draufsicht Package Triebkopfmotor

4400 mm

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Next Generation Train

Zug der Zukunft Antriebskonzept: Beschleunigung (DYMOLA)

Beschleunigung auf Geschwindigkeit Weg Zeit

[km/h] [km] [s]

100 0.268 20

200 1.395 46

300 4.986 96

400 16.274 210

440 31.543 340

459 73.429 673

21

Next Generation Train

Zug der Zukunft Bremskonzept: Betriebsbremsung (DYMOLA)

Fahrwiderstand Generatorische Bremse Aerodynamische Bremse Wirbelstrombremse

=> Verschleißfrei und meist

zurückspeisend

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0.000

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

1000.000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Fahrgeschwindigkeit in km/h

Bre

msk

raft

in k

N

Fahrwiderstand (15 km/h Rückenwind) Generatorische BremseWirbelstrombremse Aerodynamische BremseSchnellbremsung (mit Gefälle) Betriebsbremsung (mit Gefälle)

Next Generation Train

Zug der Zukunft Bremskonzept: Schnellbremsung (DYMOLA)

⇒ Zusätzliches Brems- system notwendig Reibungsbremse, Scheibenbremse

V < 50 km/h Bremskraft und –weg

nicht eingehalten

23

0.000

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

1000.000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Fahrgeschwindigkeit in km/h

Bre

msk

raft

in k

N

Fahrwiderstand (15 km/h Rückenwind) WirbelstrombremseAerodynamische Bremse Rad-Schiene-KontaktSchnellbremsung (mit Gefälle) Betriebsbremsung (mit Gefälle)

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 24

Bremswege für verschieden Ausgangsgeschwindigkeiten(reiner Bremsweg, ohne Betätigungsdauer te)

0100020003000400050006000700080009000

10000

0 100 200 300 400 500

Ausgangsgeschwindigkeit [km/h]

Bre

msw

eg [m

]

Bremsweg NGT Schnell

Bremsweg TSI Schnell

Zug der Zukunft Bremsweg

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 25

Zug der Zukunft Tunnel- und Seitenwind-Windkanal

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 26

Zug der Zukunft Tunnel-Windkanal

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 27

LCC Berechnungen am NGT

Komponenten Fahrzeug

Betrieb & Umfeld

Lebenszykluskosten

Leichtbau Einzelräder Doppelstock Energie-

übertragung

Rad-Schiene Verschleiß

Energieverbrauch

Material & Fertigung

Reparatur & Wartung

Bauteilverschleiß/ -alterung

Rückspeisung Personalbedarf

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 28 28

Zug der Zukunft Potential der Fahrgastzahlen in Europa Verhältnis zwischen der Verkehrsanbindung und den sozio-ökonomischen Eigenschaften (multiple regression model) 401 Verbindungen in Europa berechnet Geschwindigkeitserhöhung um 20 %:

nationale Strecken: + 27 % internationale Strecken: + 34 %

( ) ( )3

21

1000

β

βββ

⋅⋅⋅⋅⋅=

ij

ijjijiij v

dWWPPF

Entfernung

Bevölkerung BIP Reisezeit

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 29 29

Zug der Zukunft Abschätzung von Infrastrukturkosten mittels GIS Berücksichtigung von unterschiedlichen geographischen Gegebenheiten Widerstände des Streckenbaus: Bevölkerungsdichte, Geländeverlauf, Gewässer Einfluss der Baukosten

Reibwert-Karte

Next Generation Train

Zug der Zukunft Betriebskonzept: HSL Paris - Wien

Transparency 30

16.12.2011

Heutige Situation

Szenario mit 6 Halten

Szenario mit existierenden Bahnstrecken

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 31

Zusammenfassung

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

Zug der Zukunft – technische Designstudie

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 33

Unterdeck / 2. Klasse / Durchgang

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 34

Unterdeck / 1. Klasse

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 35

Oberdeck / 1. Klasse

Dr. Joachim Winter – Neuartiges HGV Zugkonzept – Folie 36

Next Generation Train

Transparency 37

16.12.2011

Next Step

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit www.dlr.de „Verkehr“