章节内容：更详细地研究了车辆开发的三个方面——有限元、模块化和设计或动力系统模拟。
在有限元方法（FEM）和特别为 "桥段生物圈 "假定的负载情况的帮助下，对设想的质量和它们的应用点进行了框架设计。以车轮组件为例，展示了由生物圈特征和模块化结构带来的效率和空间优势。为了能够对电动机的技术关键数据、相关的齿轮箱和（缓冲）电池的能量负荷曲线作出说明，开发了一个动力传动系统模拟。对于这个概念，确定了许多输入参数，如车辆质量、最大速度、驾驶阻力等，这使得所需的输出变量得到可靠计算。
桥梁车辆概念的可行性通过一些发展步骤得到了验证
公交车的例子被用来说明车辆最重要的部件应该如何以模块化的方式组合在一起，这样就可以用相同的 "生物 "框架条件来设计尽可能多的不同车辆，而不必单独开发每辆车。一些部件，如车辆框架或车轮组件，被详细分析，而其他部件则采用标准解决方案。因此，桥梁车队的发展符合当前汽车行业的趋势：不同的现有车型不再被逐步优化，而是对车辆进行 "重新思考"。
车辆所有部件的优化重量分布意味着所需的驱动能量更少
桥梁上的所有部件都是用轻质结构制造的。为了使所有部件尽可能地轻，每个部件上的载荷都是用有限元方法确定的。通过这种方式，制造出的结构可以吸收所发生的力量，但没有不必要的材料浪费。其结果是，专门的部件对于其各自的应用目的来说几乎是理想的，因此非常轻。
Neoplan NH 6/7是桥梁上的大型车辆之一： 对它进行了拓扑优化
对框架结构的概念进行了拓扑优化。在可用的安装空间内，这里创建了一个有机作用的结构，根据负载和轴承，建议最佳的力流。即使这样的结构不能直接完成，它也为实际施工提供了宝贵的信息。然后，这应该有一个重量与强度或刚度的最佳比例。
在早期概念阶段，重点是创新方法
Neoplan NH 6/7是桥梁上的大型车辆之一： 因此为它设计了一个框架结构，以便能够通过实例进行有限元分析。
为了能够使框架结构完全适应桥梁的条件，进行了有限元分析。在这个过程中，考虑了某些负载情况，一方面反映了周期性的，即日常负载，另一方面反映了极端情况，如碰撞。在有限元方法的帮助下，该框架被开发为稳定和减轻重量。这样一来，尽管是轻质结构，但安全和承重能力可以得到保证。
对于框架结构的设计，一个简单的梁模型被用来进行有限元分析。这样做的好处是，在开发阶段可以很容易地纳入变化，与详细的三维模型相比，计算时间要短得多。
对Neoplan NH 6/7桥架的要求被定义为
车辆的框架由矩形钢或铝型材组成。这些型材被弯曲和焊接成特定的形状，以使车架能够抵抗各种力量。
作用在车架上的力是由连接在车架上的元素引起的。例如，金属板、绝缘材料、车轴、驱动技术、座椅、乘客抓握等等。为了能够设计一个能够可靠地吸收这些力的车架，我们制作了一个所谓的Neoplan NH 6/7的点质量模型，其中所有的质量都被符号为球体。这个模型也可以用来模拟框架在负载下的变形。
所有的质量，如座椅、水箱甚至木板和玻璃都被表示为点质量（球体），并与框架结构相连。
所有的连接都已经考虑到了桥梁的框架结构neoplan
这种连接方式是以驾驶员座位和另一个座位为例来说明的。
所考虑的载荷情况包括由于制动、跨越枕木、跨越坑洞、转弯和自重而产生的准静态载荷的组合。
对于框架结构的轴承，在前轴上建造了一个摇杆；与后轴上的轴承一起，这形成了最精确的运动学。底盘的运动学也是通过关节来实现的。各个梁元素的尺寸被参数化。通过这种方式，有可能在多次迭代中实现尽可能统一的利用程度。
框架结构——最大变形量的计算结果
这里显示了在描述的负载情况下发生的最大变形。然而，结构的利用程度是主要相关的。利用程度是通过一个带有分析公式的程序代码确定的。这是以FKM准则为基础的。
专题专家
TU Braunschweig Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen - IFS Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart - FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart - Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF - Forschungszentrums für kooperative, hochautomatisierte Fahrerassistenzsysteme und Fahrfunktionen (F3)
Neoplan NH 6/7设计的加速度值
由于车辆在三维世界中移动，它也经历了所有空间方向上的加速度。
如果车辆突然制动或加速，车架必须承受这些力。有经常发生的加速，即在日常运行中，也有很少发生的加速，特别是在紧急情况下。这两种情况都以不同的方式被考虑到了。
法兰克福大桥上的车辆采用模块化设计，可以快速、方便地更换部件
由于计划寿命为一百年，技术进步也必须被考虑在内。由于其模块化设计，汽车可以很容易地进行现代化改造--只需用较新的部件替换过时的部件。例如，如果其他类型的驱动装置已经建立，动力系统可以被替换。最后但并非最不重要的是，还有一个重要因素有助于车辆的寿命：由于所有车辆都是集中控制的（->.....），几乎不会有任何，甚至可以说没有更多的事故。
由于有270种不同的火车、公共汽车和汽车，不可能单独开发每种车辆
通过模块化设计，一方面，你有较低的框架作为一个模块，另一方面，"帽子 "作为一个模块被放在上面。中间的内部可以填充所需的模块组件--在氢动力汽车的情况下，这将是燃料电池、水箱、电池、底盘、电子装置等。
车辆内部的模块化组件的概念创造了外部形状的灵活性：车辆结构的未来？
有了模块化的概念，就有可能建造许多变体和原始车身（如不同的老爷车），这些车身在结构上是相同的，而且来自技术模块的内部安排： 一个丰富多彩的车队被创造出来，而不是每辆车都是新开发的。如果在未来，由于自动驾驶成为城市车队的常态，城市中的车辆数量减少，那么对于汽车行业来说，依靠外部不同但内部或结构上的模块化的各种车辆设计将变得有吸引力。
每辆车都由单独的模块组成，可以随时重新安排
模块化的一个好例子是车轮悬挂。对于相似重量的车辆，轮胎、悬架和车轴元件总是相同的，但被做得稍宽或稍窄，并被放置在更前面或后面。其优点是：可以花很多时间来优化每个单独模块的空间和能源效率。
该轮毂组件结合了平坦轨道和轮毂电机的优点
车轮组件的概念包括所谓的轮毂电机，它位于轮毂中。这种技术特别适用于法兰克福大桥上的车辆，因为经典的缺点，即由于轨道的生物圈特性而产生的高非簧载质量，不再起作用。这意味着一个主要的优势得以保留： 由于驱动装置直接位于车轮上，乘客在车内有足够的空间。 车辆的悬挂是由空气弹簧实现的，类似于当地客运的传统系统。这使得车辆在停车时可以侧向降低，以方便乘客上车。此外，乘坐的舒适度也进一步提高。路面始终是平整的，不受环境影响，如树根、霜冻等。
该轮毂组件结合了全轮驱动和轮毂电机的优点。
轮毂组件的概念包括所谓的轮毂电机，它位于轮毂中。这种技术特别适用于法兰克福大桥上的车辆，因为经典的缺点，即高非簧载质量，只起到一个小作用。因此，由于桥上的速度和加速度相对较低，而且巴士的重量较轻，所以使用的发动机比传统的公路运输要小得多，因此也更轻。除了重量较轻外，这种较小的发动机还有另一个优点：由于驱动装置直接位于车轮上，所以内部有很多空间留给乘客。此外，所有车轮上的发动机使车辆在推进和制动方面都有最大的效率。
空气悬架确保最大的乘坐舒适性，并能动态地适应驾驶情况
车辆的悬挂是由空气弹簧实现的，类似于当地客运的传统系统。与钢制弹簧相比，这大大增加了乘坐的舒适性并减轻了重量。此外，为了方便上车，车辆可以在站台上侧向降低。此外，在旅途中可以灵活地调整弹簧率。由于轨道的地形是已知的，而且每辆车的相关信息是永久更新的，因此悬挂系统可以从基本设置开始，针对每个路段和驾驶情况进行微调。
为了设计底盘中的部件并评估重心位置，必须确定车轮的动态负载位移
在加速和减速以及转弯时，会发生动态的车轮载荷转移。
有了这些数值，就可以根据预期的负载来设计底盘的部件。
此外，它还检查了从部件排列而来的重心位置是否在一个安全范围内。这意味着车辆在所有驾驶情况下都有足够的抓地力，并且在弯道中没有翻倒的风险。
刹车时获得能量，在路上仍然安全
由于所有车轮都是电力驱动，车辆在正常运行时不需要机械刹车。这最大限度地提高了能源效率，最大限度地减少了磨损，从而减少了维护。
由于该系统在停电的情况下不工作，所以安装了一个气动机械备份系统，在这种情况下，它可以自动对车辆进行制动。
再加上凹陷的轨道形状，这确保了车辆在任何时候都处于安全状态。
速度总是被调整，以便乘客不会发现即使是狭窄的弯道也会感到恶心。
当驾车在弯曲的道路上行驶时，有些人很快就会感到恶心。这种情况的发生是因为车辆的驾驶员以高速进入弯道或在离开弯道时加速。
乘员会经历一个高的、所谓的横向加速度。经验表明，在传统的本地客运中，乘客受到的最大横向加速度约为2.0-至2.5米/秒^2。
在法兰克福大桥上，自主系统优化了车辆在弯道中的速度，使横向加速度始终低于1.5米/秒^2。
这是在没有任何特殊努力的情况下实现的，因为系统知道所有弯道的确切性质。
为了利用所有可能的转向概念的优势，在法兰克福大桥上实现最佳和节省空间的路线，对各种转向概念进行了比较
通常情况下，车辆是通过转向前轴来转向的。然而，也可以转向后轴，以便在更紧和更窄的弯道上行驶。为了获得最大的驾驶舒适性和转向便利性，桥梁车辆使用混合转向，其前后轴的转向比为0.7。转向角对曲线内半径和道路宽度的影响以图表形式显示在各个转向概念中。
为了规划法兰克福大桥的路线，首先计算了最大车辆的牵引曲线的尺寸
为了使大型车辆能够在曲线上行驶，曲线不能太窄或太紧。因此，在几何关系的帮助下，法兰克福大桥上最大车辆的牵引曲线被精确地确定下来。这里不仅有轴距，而且还有前后悬。
显示的数据对Neoplan NH 6/7型号有效，它的车辆尺寸最大。
法兰克福大桥的路线是根据最大的车辆的牵引曲线来规划的
在规划路线时，曲线的半径和宽度是以数字方式创建的，并与计算结果进行比较，确保路线适合所有车辆。
法兰克福大桥上的平均车速受路线的曲线半径影响很大
作为路线开发的一部分，计算了车辆通过曲线时的最大速度。为此，测量了计划路线上许多曲线的最窄半径，并计算了最大允许横向加速度。
轨道在垂直方向上的走向对部件的尺寸也有很大的影响，在模拟中也考虑到了（一）
路线规划的原始数据包括沿线的二维点和这些点的站点信息。这些原始数据必须首先被处理成可用的路线数据，为此编写了一些脚本。
下面以肯尼迪大道（Kennedyallee）为例说明这一程序。为了创建一条环形路线，首先删除了百塔广场（Türmchenplatz）上的点，特别是指向施特雷泽曼大道（Stresemannallee）的阿罗拉松路（arbe），以及进一步向东北方向的肯尼迪大道（Kennedyallee）。此外，该路线必须在西南端关闭。可以画一个半圆，从切线上连接到端点。最终得到一个半径只有4.4米的圆，这与车辆的可驾驶半径不一致。所以电路将由两条S型曲线和一个半径较大的半圆手动闭合。
轨道在垂直方向上的走向对部件的尺寸也有很大的影响，在模拟中也考虑到了（二）
由于路线是在现实世界中运行的，因此在路线规划中不仅要包括二维坐标，还要包括一个维度来描述相应高度。在法兰克福，车辆必须在各种斜坡上行驶。这些斜面的高度数据来自于地面和桥梁本身的高度分布。
每个设计和每个模拟计算都需要边界条件和参数
专题专家
Fraunhofer ISI Institut für System- und Innovationsforschung - Fraunhofer IIS Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen - Max-Planck-Gesellschaft FKF Institut für Festkörperforschung - Fraunhofer LBF Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit - Fraunhofer IML Institut für Materialfluss und Logistik
电动机、电池和氢气罐的设计通过复杂的动力系统模拟得以实现
如果想对所需的电动机、电池和氢气罐作出说明，简单地考虑影响变量已经不够了，因为这些变量产生的影响不能立即确定，而且还可能反复变化。
出于这个原因，我们开发了一个复杂的模拟，将车辆参数，如外部尺寸和重量输入其中。此外，该模拟还知道桥梁上所有必要的路线参数，包括坡度区域、站点的等待时间、曲线等。
由此，如果物理定律应用正确，就可以确定力，而这又可以转化为扭矩和电机的功率规格。此外，可以确定电池和燃料电池的负载情况，并确定氢气罐的尺寸。
不仅所安装的驱动部件会影响驾驶时的能量消耗，而且重量也会影响，这是由发动机、油箱和电池的尺寸造成的。
除了安装部件的效率外，整个车辆的重量对能源消耗和车辆的进一步设计也具有决定性作用。为了能够定量估计车辆总重量对能源消耗、发动机扭矩和油箱容量等参数的影响，进行了相应的分析。该分析表明，通过将参考质量从10吨改为5吨，可以实现每百公里氢气消耗量（公斤）从7.82降至6.55。因此，所有车辆都应该设计成轻质结构。这在老式巴士 "Neoplan NH 6/7 "的概念开发中曾经作为一个例子进行过。
传动系统模拟可以设计轮毂电机和变速器。
基于动力系统的模拟，可以确定发动机速度、扭矩和其他参数。根据可用的组件，然后可以从技术状态中选择合适的发动机和变速器。
传动系统模拟允许提前确定氢气消耗量，并指定氢气罐的尺寸
通过动力系统模拟的结果，可以确定每辆车在沿线行驶时的氢气消耗量。根据规定的加油前的运行时间或一定的公里数，所需的氢气罐尺寸可以根据具体车辆确定。大桥上的车辆使用各自的氢气罐可以行驶约XXXX小时而无需加油。 法兰克福大桥上的车辆使用压力水平为700巴的氢气罐。这意味着，与350巴的系统相比，相同体积的氢气可以储存得更多。
例如，动力系统模拟被用来实际确定氢气车辆缓冲电池的大致负载情况
在电池电动汽车的旅程中，驱动能量来自于电池，而氢气电动汽车则由燃料电池提供。在行驶过程中，它将油箱和空气中的氢气转化为能量和水。 在动力系统模拟中，以Neoplan NH 6/7为例，确定了一条曲线，表明哪一段路线需要多少能量。例如，如果车辆是在上坡行驶，有强烈的逆风，而且乘客舱里有许多带着沉重行李的乘客，那么它需要特别多的能量。由于车辆有时会短暂地消耗比乘客舱内的燃料电池所能提供的更多的能量，所以使用一个小型的缓冲电池来提供这个额外的能量。通过这种方式，燃料电池可以选择得越小越好，越大越好。 如果车辆消耗的能量很少，例如因为它在下坡行驶，燃料电池的多余能量被用来给电池充电。
缓冲电池由两部分组成
如果使用所谓的雨流算法更详细地分析旅程中的充电和放电过程，就会发现大量的能量通常只在短时间内释放。为了能够决定哪种电池技术是合理的，必须考虑到某些边界条件。以锂离子电池为例，一定量的能量可以被提取，直到电池单元因老化或循环而死亡。如果循环相对较小，总体上可以提取更多的能量，例如，如果电池总是完全放电。然而，如果循环次数非常少，电池就会不断地 "几乎没有 "负荷，这就减少了使用寿命，尽管电池的容量没有得到合理的使用。由于开发概念的重点也是在组件的寿命上，所以为 "缓冲电池 "提出了一个组合的能量存储概念：非常小的循环通过超级电容器处理，这样电池就没有负荷。较大的循环则通过电池来实现。 通过这种方式，缓冲电池的寿命被最大化，主要受限于电池单元随时间的老化。
传动系统模拟的结果也使发动机和变速器的参数得到简单的规定
根据动力系统模拟的结果，为实例车辆Neoplan NH 6/7确定了发动机以及变速器的规格。首先，每个车轮的最大扭矩、每个车轮的最大功率和最大速度等参数被考虑在内。
这些参数是用安全系数计算出来的，然后得出待选电机的最低要求。
在下一步，研究了市场上各种电机的性能数据，并与计算出的要求进行了比较。如果所有要求都得到满足，则认为该电机是合适的。
在计算的基础上，选择了一个合适的电机模型作为例子
齿轮比也必须与发动机的特性相协调来确定。
允许的最小齿轮比由所需扭矩决定，而允许的最大齿轮比由所需速度决定。
所选变速箱的传动比必须在这两个值之间。
专题专家
Institut für Nachhaltige Mobilität und Energie (INME) - Fraunhofer FFB - Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB - HIU - Helmholtzinstitute Ulm - WWU Münster - Fraunhofer IFAM - Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik - EES - Bayrisches Zentrum für Batterietechnik
车辆在法兰克福大桥上的能源消耗受到空调性能的强烈影响
由于驾驶速度较低，例如空气阻力对驾驶时的能源消耗非常不重要，但空调性能却非常重要。因此，提供了特殊的眼镜，可以大大减少能源消耗。以下是关于车辆空气阻力的变化对例如氢气消耗有什么影响的分析摘录。
该表显示了空气阻力的变化对每百公里氢气消耗量的影响，单位为公斤。这清楚地表明，空气阻力对法兰克福大桥上的车辆消耗量的影响可以忽略不计。
因此，即使是像空调这样的 "简单 "部件，也必须进行设计
在设计部件时，必须考虑许多不同的因素。边界条件越多，选择一个正确的部件就越困难。例如，为了能够对所需的空调系统作出说明，确定了法兰克福的太阳辐射、车内玻璃的预期规格、相关表面和乘客散发的热量。由此，可以确定引入车辆的热量，从而确定所需的空调容量。此外，通过使用现代材料可以减少空调输出量
空调设计中涉及到各种参数。其中的例子是车辆的金属板和玻璃表面，以及所安装的玻璃和绝缘材料的绝缘值。所需的热冷却能力可以根据乘客的数量、车内和车外的温度以及车门打开时间来确定。通过使用现代热泵技术，电能消耗可以减少到所需冷却能力的三分之一左右。详细清单可以在XY中找到。
波浪导引可以减少空调输出，同时产生能量
例如，美丽的大全景窗，不再一定代表夏天太热的室内或超负荷的空调系统。相反，表面可以配备波导玻璃，这可以减少进入车辆的热量，减少空调系统使用的能量，顺便产生能量。这只是当今众多优化方案中的一个例子。这样一来，法兰克福大桥上的老爷车在外观上配备了过去的美学，而在 "内部 "配备了我们这个时代最现代的技术。
结论：模块化的发展战略使其有可能以相对较少的努力建立起一支由不同车型组成的庞大车队。
在法兰克福大桥上，为达到所需的运输性能，需要的车辆相对较少。因此，可以在每辆车的质量、耐久性和设计上投入更多的精力。 从外部看，桥梁车队由单体组成，包括公共汽车和火车组以及客车组。另一方面，在技术上，这些类别中的模块化开发意味着每辆车不必单独开发，而是可以模块化建造，只需稍作调整。