Der Lehrstuhl wird folgende Forschungsschwerpunkte aufbauen:
- Eisenbahn als mechatronisches System
- Energiemanagement
- Sicheres Fahren
- Wartungskonzepte (Diagnose und Prognose)
Dabei steht das Schienenfahrzeug im Mittelpunkt.
Eisenbahn als mechatronisches System
Schienenfahrzeuge sind hochkomplexe Systeme, in denen die unterschiedlichsten Techniken aus dem Bereich des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Informationstechnik integriert sind. Dauernd wachsende Anforderungen hinsichtlich immer größerer installierter Leistung, geringerem Gewicht, geringerem Verschleiß, höherer Wirtschaftlichkeit, höherer Crashfestigkeit und größerer Sicherheit zwingen zu einer Ausnutzung der installierten Technik bis an die Grenzen des physikalisch machbaren. Dabei verwischen sich die Grenzen zwischen den klassischen Disziplinen immer mehr. Funktionen, die bisher von elektrotechnischen oder mechanischen Teilsystemen realisiert wurden, werden immer mehr durch integrale Lösungen ersetzt, bei denen Elektrotechnik, Maschinenbau und Informationstechnik eng ineinander verwoben sind (Mechatronik).
Das gilt besonders für die Herzstücke eines Schienenfahrzeuges, nämlich sein Antrieb und seine Laufwerke. In einem Drehgestell müssen auf engstem Raum wesentliche Komponenten der Lauftechnik, der Antriebstechnik und der Bremstechnik untergebracht werden. Die Antriebs- und Bremskräfte müssen vom Rad kraftschlüssig an die Schiene weitergeleitet werden. Das gesamte Gebilde mit seinen diversen Feder- und Dämpferelementen ist in hohem Maße schwingungsfähig und wird von den eingeleiteten Antriebs- und Bremskräften, aber auch von den Reaktionskräften der Schiene angeregt.
Heutzutage ist es z.B. denkbar, Feder- und Dämpferelemente durch elektronisch geregelte aktive Elemente zu ergänzen oder zu ersetzen, um damit das Verhalten gezielt zu beeinflussen. Die Ziele sind die Verbesserung des Fahrkomforts und die Reduzierung des Verschleißes. Ähnliche Ansätze gibt es im Automobilbau schon seit einiger Zeit.
Bild: Bombardier
Die öffentlichen Diskussionen um Umweltbelastung, Energieverbrauch und CO²-Ausstoß machen das Energiemanagement zu einem zentralen gesellschaftlich relevanten Thema. Die Verknappung der Ressourcen und die damit verbundenen steigenden Energiepreise rücken neben den ökologischen auch die ökonomischen Gesichtspunkte in den Vordergrund.
Der Energieverbrauch von Schienenfahrzeugen hat einen wesentlichen Anteil an den Betriebskosten. Deswegen sind schon frühzeitig in der Entwicklung von Schienenfahrzeugen Konzepte entwickelt worden, den Energieverbrauch möglichst gering zu halten. Mittlerweile verfügt fast jedes neue elektrische Schienenfahrzeug über eine nahezu verlustfreie Leistungssteuerung und bietet technisch die Möglichkeit, Bremsenergie zu nutzen oder in die Fahrleitung zurückzuspeisen. Wechselspannungsnetze sind heutzutage überwiegend so hart, dass die zurückgespeiste Bremsenergie auch tatsächlich vom Fahrleitungsnetz wieder aufgenommen werden kann. Gleichspannungsnetze sind hingegen in der Regel sehr viel weicher. Wenn nicht in der Nähe des bremsenden Fahrzeuges ein Abnehmer für diese Energie vorhanden ist, kann die Fahrleitung die Bremsenergie nicht aufnehmen. Sie muss stattdessen in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden. Verschiedene Untersuchungen und Messungen belegen, dass in einem typischen Nahverkehrsnetz ca. 20% - 30% der eingespeisten Energie nutzlos in Wärme umgewandelt wird.
Bei dieselelektrischen Fahrzeugen gibt es systembedingt überhaupt kein Speisenetz, an das Energie zurückgegeben werden kann.
Seit kurzem gibt es jetzt die technische Möglichkeit, einen grundsätzlich neuen Freiheitsgrad in die Systemgestaltung einzubringen. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Hochleistungskondensatoren („Supercaps“) erlaubt mittlerweile die Realisierung von Energiespeichern, die auf dem Fahrzeug mitgeführt werden. So kann beim Bremsen zurückgewonnene Energie im Speicher zwischengelagert und bei der nächsten Anfahrt wieder verbraucht werden. Mittlerweile gibt es auch die ersten Serienbestellungen für Fahrzeuge mit derartiger Technik.
Neben Hochleistungskondensatoren kommen auch Schwungräder und Druckluftspeicher als mögliche Energiespeicher in Frage. Alternativ zu den Speichern auf Fahrzeugen werden auch stationäre Energiespeicher untersucht, die in Unterwerken von Bahnnetzen eingesetzt werden.
Die Sicherheit steht bei der Eisenbahn an oberster Stelle. Schon bald nach den Anfängen des Schienenverkehrs wurden Signale eingesetzt und Konzepte angewandt, um Kollisionen zu vermeiden. Später kam dann die Überwachung der Wachsamkeit des Triebfahrzeugführers hinzu. Heute ist Linienzugbeeinflussung Standard auf modernen Eisenbahnstrecken, die Signaltechnik greift direkt auf das Fahrzeug zu, und Bedienfehler können kaum noch zu Unfällen führen. Nicht ohne Grund ist die Eisenbahn eines der sichersten Verkehrsmittel überhaupt.
Bisher war ein wesentliches Grundprinzip der Sicherheitstechnik das zuverlässige Bremsen und Anhalten eines Schienenfahrzeuges im sicherheitsrelevanten Fehlerfall. Diesem Prinzip folgend wurden alle als sicherheitsrelevant eingestuften Teilsysteme ausgerichtet. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen die sicherheitsgerichtete Aktion eben nicht das Anhalten oder Bremsen, sondern das Weiterfahren sein kann. Ein Beispiel dafür ist die Fahrt durch einen Tunnel. Man kann sich leicht vorstellen, dass ein Anhalten in einem Tunnel bei Ausbruch eines Feuers eine ungünstige Aktion ist. Es ist vielmehr besser, den Zug „sicher“ aus dem Tunnel herauszufahren und dann erst „sicher“ anzuhalten. Das heißt, die jeweils sicherheitsgerichtete Aktion kann für dasselbe Fahrzeug einmal Anhalten und ein anderes Mal Weiterfahren sein. Das Weiterfahren ist im Allgemeinen ein aktiver Vorgang, zu dem eine ganze Reihe von Teilsystemen auf dem Schienenfahrzeug funktionieren muss. Diese Funktionen müssen daher „sicher“ ausgeführt werden.
Das Bewusstsein für Sicherheit ist in den letzten Jahren bei Aufsichtsbehörden und Betreibern enorm gestiegen. Damit sind auch die Anforderungen, die die Komponenten und Systeme auf einem Schienenfahrzeug erfüllen müssen, stetig gewachsen. Insbesondere herrscht nach wie vor ein Misstrauen gegen Elektronik und alle Prozesse, die in der Software ablaufen. Da aber fast jede Innovation einen wachsenden Anteil an Elektronik und Software aufweist, ist hierauf besonderes Augenmerk zu richten.
Aufgabe dieses Forschungsschwerpunktes ist es, Strategien und Algorithmen zu entwickeln, die diese stetig steigenden Anforderungen erfüllen. Dazu müssen die Kriterien festgelegt werden, was ein sicherheitsrelevanter Fehlerfall ist und wie die sicherheitsgerichtete Aktion im jeweiligen Fall aussieht. Außerdem muss festgelegt werden, mit welcher Zuverlässigkeit die sicherheitsgerichtet Aktion realisiert wird.
Daraus ergeben sich Rückwirkungen auf die Konzepte und die Ausgestaltung der Schienenfahrzeuge und ihrer Teilsysteme selbst, aber auch auf das Gesamtsystem Eisenbahn mit der Einbindung der Fahrzeuge in die Signaltechnik.
Wartungskonzepte (Diagnose und Prognose)
Noch bis vor wenigen Jahren waren die Betreiber von Eisenbahnen und Straßenbahnen fast ausschließlich im Eigentum der Öffentlichen Hand. Ihre Hauptaufgabe war die Bereitstellung von Transportleistungen aufgrund politischer Vorgaben, wobei die wirtschaftliche Geschäftsführung des Betriebes im Hintergrund stand. Mittlerweile hat sich die Situation gründlich verändert. Nach wie vorher sind die Betreiber von Eisenbahnen zwar überwiegend im öffentlichen Besitz, sie müssen sich aber der Konkurrenz auch privater Betreiber stellen und sich um bestimmte Transportleistungen bewerben. Erhalten sie den Zuschlag, werden sie für diese Transportleistung bezahlt, müssen sie aber auch garantieren.
Das hat zu einem gewaltigen Umdenken geführt. Neben den Beschaffungskosten für feste Bahninstallationen, Signaltechnik und Schienenfahrzeuge nehmen jetzt auch die Betriebskosten und die Verfügbarkeit einen hohen Stellenwert ein. Der Lieferant von Schienenfahrzeugen muss in vielen Fällen bereits im Angebot die Betriebskosten des Fahrzeuges („Life Cycle Costs“) und vor allem seine Verfügbarkeit garantieren. Gerade der ungeplante Ausfall eines Fahrzeuges im Betrieb zieht neben den Unannehmlichkeiten für die Fahrgäste hohe Folgekosten durch die Bereitstellung von Ersatzfahrzeugen, betriebliche Umstellungen etc. nach sich.
Heute schon werden die Ausfallwahrscheinlichkeiten einzelner Komponenten und der daraus gebildeten Systeme berechnet und durch erfasste und ausgewertete Felddaten verifiziert. Diagnose onboard und remote ermöglicht die Erkennung von fehlerhaften Bauteilen und die Analyse von Fehlerursachen.
Neu Entwicklungen gehen in die Richtung, den Zustand von kritischen Bauteilen oder Teilsystemen zu beobachten („condition monitoring“) und mögliche Ausfälle schon rechtzeitig im Voraus zu erkennen (Prognose), damit die betroffenen Komponenten und Teilsysteme im Rahmen von präventiver Wartung ausgetauscht oder repariert werden können. Hierdurch können einerseits die Wartungskosten optimiert werden, da nur dann repariert oder getauscht wird, wenn es wirklich erforderlich ist. Andererseits vermeidet die rechtzeitige Wartung ungeplante Ausfälle und steigert damit die Verfügbarkeit der Betriebsmittel.
Die meisten Bahnen und Verkehrsbetriebe warten heute ihre Fahrzeuge nach festen Intervallen, die von Umlaufplänen und zurückgelegten Kilometern abhängen. Die volle Ausschöpfung der Vorteile einer bedarfsorientierten Wartung erfordert natürlich auch in diesem Bereich innovative Konzepte.