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11.08.2016

Crashkonzept für Hochgeschwindigkeitszüge getestet

Leichtbau für Schienenfahrzeuge

Zusammenstöße von Zügen können schon bei geringen Geschwindigkeiten verheerende Folgen haben: Oft kollidieren hunderte Tonnen bewegter Masse. Die Folge: Die Waggons schieben sich aufeinander oder entgleisen. Um Fahrgäste wie Zugpersonal besser zu schützen und Unfallfolgen zu reduzieren, haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein neuartiges Crashkonzept entwickelt. Es arbeitet mit Deformationszonen, die außerhalb des Fahrgastbereichs liegen. Bei einem Zusammenstoß verformen sie sich kontrolliert und nehmen dabei einen Großteil der Energie aus dem Aufprall auf.

Leichtbau erfordert neue Crashkonzepte

Vorbereitungen für den Crashtest | © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Das am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart entwickelte Crashkonzept ist Teil der umfangreichen Forschungsarbeiten des Projekts Next Generation Train (NGT). Ziel des Projekts ist es, Reisezeiten zu verkürzen und das Zugfahren sicherer, komfortabler und umweltverträglicher zu machen. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Thema Leichtbau: Die Masse des Schienenfahrzeugs wirkt sich über den Fahrwiderstand direkt auf den Energieverbrauch aus. Da weniger Gewicht sich aus Kosten- wie Umweltgründen lohnt, wollen die DLR-Ingenieure möglichst leichte Zugwagen konstruieren. Diese erfordern auch neuartige Crashkonzepte.

"Unsere grundlegende Idee war es, eine sehr effiziente Crashstruktur zu entwickeln, die gleichzeitig integraler Bestand des Zugwagens ist – also eben nicht ein zusätzliches Teil, das konstruktiv und gewichtstechnisch dazu kommt wie bei Konzepten, die aktuell im Einsatz sind", erklärt der Verantwortliche für das Crashkonzept, Michael Zimmermann. Damit setzen die DLR-Forscher auf das aus dem Leichtbau stammende Prinzip der Funktionsintegration: nämlich mit möglichst wenig Bauteilen möglichst viele Funktionen abzudecken.

Rohre fungieren als Knautschzonen

Das Crashkonzept im Härtetest | © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Im NGT sind mehrere solcher Crashzonen über den ganzen Zug verteilt. Sie befinden sich in den Türmodulen, sprich den Einstiegsbereichen am Anfang und Ende jedes Mittelwagens. Eine Verformung in diesem Bereich ist weniger kritisch als eine Deformation in dem Bereich, in dem die Fahrgäste sitzen. "Ziel unseres Ansatzes ist es, nicht nur das Crashkonzept hocheffizient und möglichst leicht zu machen, sondern auch die nachfolgenden Wagenstrukturen – also das Fahrwerk- und Fahrgastmodul. Durch das Crashkonzept wirken bei einer Kollision geringere Kräfte auf diese Bereiche. So können wir signifikant leichter bauen", fasst DLR-Wissenschaftler Zimmermann zusammen.

Die Crashelemente bestehen aus einem Metallrahmen und mehreren in Längsrichtung verbauten Metallrohren. Diese Rohre sind die zentralen Komponenten, welche die Energie aus dem Crash aufnehmen. Die dabei stattfindende Energieumwandlung basiert auf dem Prinzip der Verjüngung: Die zylindrischen Rohre werden durch die bei einer Kollision entstehende Kraft durch einen enger werdenden Querschnitt geschoben. Dieser kontrollierte Verformungsvorgang nimmt einen großen Teil der Bewegungsenergie auf aus dem Crash auf. Der Rahmen und die dahinter liegenden Bereiche bleiben weitgehend intakt.

Erfolgreicher Praxistest: Prototyp im Crashversuch

Test erfolgreich bestanden | © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Um die Funktionalität des Crashkonzepts in der Praxis nachzuweisen, bauten die DLR-Forscher einen Prototyp, der in entscheidenden Bereichen des Crashkonzepts aus neuartigem Hochleistungsstahl besteht. Er kombiniert hohe Festigkeit und Dehnbarkeit, zwei für diesen Einsatzzweck optimale Eigenschaften.

Ihre Bewährungsprobe hatte die Crashstruktur auf der Zugcrashanlage des TÜV Süd in Görlitz zu bestehen: Das Team um DLR-Forscher Michael Zimmermann montierte den Prototyp an einen stehenden 80 Tonnen schweren Güterkesselwagen und versah ihn mit Sensoren zur Messung der Energieströme sowie Messpunkten und Auslösekontakten für die Hochgeschwindigkeitskameras, die den Versuch aufzeichneten. Ein zweiter Güterkesselwagen, der zuvor von einer Lokomotive auf eine Geschwindigkeit von 18,5 Stundenkilometern beschleunigt worden war, prallte dann auf den Versuchswagen.

Nach wenigen Minuten war klar: Die Struktur hatte wie errechnet funktioniert und die Energie des Aufpralls soweit aufgenommen, dass keiner der Wagen eine Beschädigung erlitt und der stehende Wagen sich mit verringerter Geschwindigkeit auf den Schienen nach hinten bewegte.

Nächstes Ziel: Nachweis der Crashtauglichkeit des Gesamtzugs

Im nächsten Schritt arbeiten die Wissenschaftler daran, die Versuchsergebnisse zu Verformungen und Kraftflüssen mit den zuvor durchgeführten Simulationen zu vergleichen. Diese Resultate fließen dann in eine Crashsimulation des gesamten NGT-Zuges ein, die nicht nur die Bereiche zwischen den Mittelwagen berücksichtigt, sondern auch die Crashzonen an den beiden Endwagen. So soll die Crashtauglichkeit des ganzen Zuges vollständig virtuell nachgewiesen werden, als Grundlage für weitere Forschungsarbeiten und den Technologietransfer in die Industrie.

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