Zug der Zukunft: Fahrwerk ohne durchgehende Radachsen

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Ein neuartiges Fahrwerk für Züge soll für effizienteres Fahren, weniger Verschleiß sowie neue Freiheiten beim Design des Wageninnenraums sorgen.

• Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR hat ein neues Fahrwerk für Züge entwickelt.

• Jedes Rad wird dabei separat angetrieben und intelligent gesteuert.

• Das soll für effizienteres und leiseres Fahren, weniger Verschleiß von Rad und Schiene sowie neue Freiheiten bei Konstruktion und Gestaltung des Wageninnenraums sorgen.

• Das DLR stellt ein Funktionsmodell dieses Fahrwerks im Originalmaßstab erstmals auf der InnoTrans 2022 in Berlin vor.

Das Fahrwerk eines Zuges spielt eine wichtige Rolle für einen schnellen, zuverlässigen, sicheren und komfortablen Bahnverkehr. Deshalb arbeitet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen des Leitkonzepts Next Generation Train (NGT) an einem neuartigen Fahrwerksdesign. Es verzichtet auf durchgehende Radachsen, jedes Rad wird separat angetrieben und intelligent gesteuert.

Die Vorteile dieses Ansatzes sind groß und vielfältig, ist sich Projektleiter Dr. Andreas Heckmann vom DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik sicher: „Züge könnten so effizienter und leiser unterwegs sein, Rad und Schiene dabei weniger verschleißen. Die Struktur und die eingesetzten Materialien sind bei diesem Hightech-Fahrwerk auch in den Antriebsmotoren so optimiert, dass sie möglichst leicht sind. Hier brachte das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte sein Know-how ein. Weniger Gewicht senkt den Energieverbrauch und ermöglicht mehr Zuladung. Auch bei der Konstruktion und Gestaltung des Wageninnenraums entstehen neue Freiheitsgrade, weil die räumlichen Einschränkungen durch Radachsen entfallen.“

Drehgestell – das Fahrwerk eines Zugs: Neue technologische Wege

Im Bahnbereich werden traditionell unter dem Wagenkasten Drehgestelle mit meist zwei Radsätzen als Fahrwerke eingesetzt. Das Drehgestell kann sich gegenüber dem Wagenkasten bewegen und sich so entlang von Kurven und Gleisbögen ausrichten. Die Radsätze mit ihren profilierten Radscheiben und der Radachse halten die Spur, weil sie sich automatisch zur Gleismitte hin orientieren. Auch wenn Fahrwerke stetig weiterentwickelt und verbessert wurden, so blieb dieses Prinzip doch seit langem unverändert.

Aber: Drehgestelle sind groß und schwer. Damit sind sie ein entscheidender Effizienz- und Sicherheitsfaktor, geht es um die Konstruktion eines Zuges. Vor allem bei doppelstöckigen Zugwagen stellt das klassische Drehgestell eine Herausforderung dar. Denn auf der unteren Ebene muss man per Treppen über das Fahrwerk beziehungsweise über dessen Radachsen steigen – hat also keine durchgehend ebene Fläche. Mit einem ebenen Wagenkastenboden vollständig oberhalb der Radsätze wären die doppelstöckigen Züge zu hoch. Sie könnten nicht auf der bestehenden Schienen-Infrastruktur fahren und würden beispielsweise nicht durch heutige Tunnel passen. Doch der Vorteil von doppelstöckigen Wagen liegt auf der Hand. Denn die bestehende Infrastruktur und die vorhandenen Gleiskapazitäten ließen sich effizienter und kostengünstiger nutzen. Gleichzeitig ließen sich so mehr Menschen und Güter transportieren.

Auf dem Weg zum intelligenten Fahrwerk

Doch bevor sich die Vorteile des NGT-Fahrwerkskonzepts in der Praxis nutzen lassen, muss die Technologie noch einige Hürden meistern. Zu den größten gehört die Regelungstechnik.

„Wenn wir den NGT-Hochgeschwindigkeitszug des DLR als Beispiel nehmen, bedeutet das: Wir haben einen 200 Meter langen Zug mit zehn Wagen. Die beiden Endwagen haben jeweils acht Räder, die acht Mittelwagen jeweils vier Räder. Insgesamt sind wir dann bei 48 Rädern, die alle einzeln gesteuert und geregelt werden müssen“, beschreibt DLR-Wissenschaftler Heckmann. Dazu verfügt jedes Radpaar bestehend aus linkem und rechtem Rad über einen eigenen Steuerungscomputer im Wagenkasten und eine eigene Sensorik – ist also „intelligent“. So gilt es beispielsweise, konstant die Position des Radpaares im Spurkanal zu messen und zu steuern – also wie weit links oder rechts die beiden zusammengehörenden Räder auf den Schienen fahren.

„Das ist einerseits eine technologische Herausforderung, andererseits auch eine neue Möglichkeit. Denn wir können so erstmals genau festlegen, wo das Rad auf der Schiene laufen soll und damit, wo es verschleißen soll oder darf“, beschreibt Andreas Heckmann und nennt eine Genauigkeit zwischen einem zehntel und einem halben Millimeter. „So könnten Radpaare in Zukunft länger fahren, verschleißen gezielter und Wartungen lassen sich besser planen.“ Zudem besteht durch die ständig mitfahrende Sensorik auch die Möglichkeit, Daten über den Zustand der Strecken zu gewinnen. Diese Infos ließen sich zum Überwachen und zur Instandhaltung des Streckennetzes nutzen.

Funktionsmodell und Prüfstand im Originalmaßstab

In der Simulation und bei Experimenten mit einem Modell des NGT-Fahrwerks im Maßstab eins zu fünf hat sich das Konzept bereits als vielversprechend erwiesen. Deshalb haben die DLR-Forschenden nun in einem nächsten großen Schritt ein Funktionsmodell sowie einen Prüfstand im Originalmaßstab aufgebaut. So wollen sie das Fahrwerk zum ersten Mal zum Laufen bringen, die Position und Funktion von Sensoren sowie die Steuerungsgeräte testen. Mit Hilfe dieser Forschungsinfrastruktur namens NGT FuN soll die Technologie in den nächsten Jahren weiterentwickelt und demonstriert werden. Danach soll das DLR-Hightech-Fahrwerk auf speziellen Prüfständen bei externen Schienendienstleistern getestet werden, mit dem Ziel dann möglichst bald einen Test in der Praxis auf der richtigen Schiene zu absolvieren.

DLR-Technologie auf der InnoTrans 2022

Das neuartige Fahrwerk und die Forschungsinfrastruktur NGT FuN stellt das DLR erstmals auf der InnoTrans vom 20. bis 23. September 2022 in Berlin der Öffentlichkeit vor. Der DLR-Stand befindet sich in Halle 2.2 und hat die Nummer 460.

Bild oben: Im Rah­men den Leit­kon­zepts NGT ar­bei­tet das DLR auch an ei­nem neu­ar­ti­gen, zu­kunfts­wei­sen­den Fahr­werks­kon­zept. Je­des Rad wird da­bei se­pa­rat angetrieben und in­tel­li­gent ge­steu­ert. Bildquelle: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Video: https://www.youtube.com/watch?v=nBGQA9TogPs

Weitere Informationen: https://www.dlr.de/content/de/dossiers/2022/schienenverkehr.html

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