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Innerhalb des 7. U-Rahmenprogramms wurde das Forschungsvorhaben SPIDER PLUS („Sustainable Plan for Integrated Development through the European Rail Network – Projecting Logistics and Mobility for Urban Spatial Design Evolution“) von 2012 bis 2015 durchgeführt. Ziel war die Erarbeitung einer Mobilitäts-Vision für das Jahr 2050 unter besonderer Berücksichtigung des elektrisch betriebenen Schienenverkehrs und eines Umsetzungsfahrplans. Dieser zeigt Wege auf, wie die im „Weißbuch“ der Europäischen Kommission im März 2011 definierten Ziele erreicht werden können.

Dieser Beitrag stellt ausgehend von der Vorgehensweise die angestrebten Entwicklungen im Bahnbereich vor. Dazu gehören die Integration der nationalen Bahnsysteme in ein europäisches Netz für einen nahtlosen Eisenbahnverkehr auf hohem Qualitätsniveau, die Schließungen von Infrastrukturlücken, verbesserte Interoperabilität und verstärkter Einsatz neuer Technologien in Verbindung mit vereinfachten Zulassungsverfahren für Fahrzeuge und Bauteile. Diese Entwicklungen benötigen zudem entsprechende Rahmenbedingungen seitens der Politik sowie breite Marktakzeptanz.

Im Rahmen des Projekts Next Generation Train (NGT) ist am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) der NGT LINK, ein 230 km/h schneller doppelstöckiger Triebwagenzug für den regionalen Verkehr auf der Referenzstrecke Stuttgart-Oberstdorf, als Zugkonzept entwickelt worden. Der NGT LINK benötigt für die Fahrt entlang der Referenzstrecke 50 % weniger Energie pro Fahrgast als ein ICE TD (Baureihe 605). Energiesparmaßnahmen sind z. B. ein Leichtbauwagenkasten in einer kraftflussoptimierten Aluminiumbauweise, der Einsatz von Einzelrad-Einzelfahrwerken und ein komplett verteilter Antrieb, der generatives Bremsen an allen Rädern ermöglicht. Die Energie wird während der Fahrt entweder konventionell über den Fahrdraht oder induktiv aus dem Gleisbett oder von Batterien, die an Bord mitgeführt werden, bereitgestellt.

Die Einhaltung von Radsatzlastgrenzen sowie die Kompensation von Zusatzmassen weisen dem Leichtbau von Wagenkästen eine wesentliche Rolle zu. Daher befasst sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) instituts- und standortübergreifend mit Möglichkeiten zur Masseeinsparung. Im Rahmen des Projekts „Next Generation Train“ ist mittels entwickelter methodischer Vorgehensweisen für kraftflussoptimierte Strukturen und Bauweisen ein konsequenter Leichtbau-Wagenkasten entstanden, dessen Masse um ca. 30 % geringer ist als die eines vergleichbaren Wagenkastens. Der Wagenkasten ist dazu in Segmente bzw. Module unterteilt, die in Aufbau und Bauweise an die auftretenden Belastungen angepasst sind. Die Wagenkastensegmente über den Fahrwerken bestehen aus einer kraftflussgünstigen Aluminium-Gerippestruktur mit tragender Beplankung aus Sandwich-Elementen. Eine Kombination aus kohlenstofffaserintensiver Sandwichbauweise mit integraler Fachwerkstruktur bildet die Basis für den Wagenkasten-Bereich zwischen den Fahrwerken, der über Spanten mit den Fahrwerk-Segmenten verbunden ist.

Signifikante Massereduzierungen lassen sich durch systematische Anwendung von Leichtbaustrategien realisieren. Aus diesem Grund wurde am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V., Stuttgart, eine methodische Vorgehensweise entwickelt, die es erlaubt, das Leichtbaupotenzial von Wagenkästen in Abhängigkeit von verschiedenen Zugkonzepten zu untersuchen. Hierbei werden Hüllen generischer Wagenkästen einer Topologieoptimierung unterzogen. Anhand der daraus resultierenden optimierten Strukturen werden konstruktionsunabhängig Abschätzungen der Wagenkastenmasse abgeleitet. Diese werden um die Massen von Ausrüstungskomponenten ergänzt, sodass die Masse eines vollausgerüsteten virtuellen Wagenkastens entsteht. In Abhängigkeit von den zulässigen Radsatzlasten werden geeignete Fahrwerke gewählt und die Teilfahrzeuge zu einem kompletten Zugkonzept kombiniert. Abschließend können in Abhängigkeit von der Wagenkastenlänge unterschiedliche Zugkonzepte hinsichtlich ihrer Leichtbaupotenziale gegenübergestellt und verglichen werden.