Ein Fahrzeugkonzept im Detail: Neuland

Die Machbarkeit des Brücken-Fahrzeugkonzeptes wurde mit einigen Entwicklungsschritten überprüft

Am Beispiel eines Busses wurde aufgezeigt, wie die wichtigsten Komponenten eines Fahrzeuges modular zusammengestellt werden sollten, damit eine möglichst breite Palette an unterschiedlichen Fahrzeugen für die gleichen „biotopisch geschützten“ Rahmenbedingungen auf den Frankfurter Brücken konzipiert werden kann, ohne dass jedes Fahrzeug einzeln entwickelt werden muss. Einige Komponenten, wie zum Beispiel der Fahrzeug-Rahmen oder die Rad-Baugruppe wurden im Detail analysiert, während bei anderen auf Standardlösungen zurückgegriffen wurde. Die Entwicklung der Brückenflotte entspricht damit dem aktuellen Trend in der Automobilindustrie: Es werden nicht mehr unterschiedliche bestehende Modelle inkremental optimiert, sondern die Fahrzeuge werden „neu gedacht“.

Inhalt: Drei Aspekte der Fahrzeugentwicklung wurden näher betrachtet – FEM, Modularität und Auslegung bzw. Antriebsstrang-Simulation

Mithilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) und eines eigens für das „Brückenstrecken-Biotop“ angenommenen Lastfalls wurde die Rahmenauslegung für die konzipierten Massen sowie ihre angesetzten Angriffspunkte vorgenommen.

Die Effizienz- bzw. Platz-Vorteile, welche sich aus dem Biotop-Charakter und dem modularen Aufbau ergeben, wurden anhand der Radbaugruppe exemplarisch aufgezeigt.

Es wurde eine Antriebsstrang-Simulation entwickelt, um eine Aussage über die technischen Eckdaten der Elektromotoren, die zugehörigen Getriebe sowie die energetischen Belastungsprofile von (Puffer-)Batterien treffen zu können. Für das vorliegende Konzept wurden hierzu zahlreiche Eingangsparameter wie beispielsweise Fahrzeugmasse, Höchstgeschwindigkeit, Fahrwiderständer etc. ermittelt, welche eine zuverlässige Berechnung der benötigten genannten Ausgangsgrößen ermöglichten.

Eine optimierte Gewichtsverteilung für alle Komponenten eines Fahrzeugs bedeutet weniger benötigte Antriebsenergie

Die Fahrzeugflotte auf den Brücken ist in Leichtbauweise gefertigt. Um alle Bauteile möglichst leicht zu gestalten, wurden die Belastungen zahlreicher Bauteile für ein Fahrzeug mittels der Finite-Elemente-Methode ermittelt.

So werden Strukturen gefertigt, die so designt sind, dass sie die auftretenden Kräfte aufnehmen können, aber kein Material unnötig verschwendet wird. Das Ergebnis sind spezialisierte Teile, die für ihren jeweiligen Anwendungszweck annähernd ideal und damit sehr leicht sind.

Der Neoplan NH 6/7 ist eines der größeren Fahrzeuge auf den Brücken: Für ihn wurde eine Topologie-Optimierung durchgeführt

Für das Konzept der Rahmenstruktur wurde eine Topologie- Optimierung durchgeführt. Innerhalb des zu Verfügung stehenden Bauraums wird hier eine organisch wirkende Struktur erzeugt, die, je nach Belastung und Lagerung optimale Kraftflüsse andeutet.

Auch wenn eine solche Struktur nicht direkt fertigbar ist, so gibt sie doch wertvolle Hinweise für die tatsächliche Konstruktion. Diese soll dann ein optimales Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweisen.

Zunächst wurde für den Neoplan NH 6/7 daher eine Rahmenstruktur konzipiert, um beispielhaft eine FEM-Analyse durchführen zu können

Um das so entstandene Konzept auf die Gegebenheiten der Brücken perfekt anpassen zu können, wurde es mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) optimiert.

Hierbei werden bestimmte Lastfälle betrachtet, die einerseits die zyklischen - also alltäglichen - Belastungen und andererseits die Extremfälle wie beispielsweise Zusammenstöße widerspiegeln.

Mithilfe der FEM wurde der Rahmen stabil und gewichtssparend entwickelt. So können trotz Leichtbauweise Sicherheit und Belastbarkeit gewährleistet werden.

Für die Auslegung der Rahmenstruktur wurde für die FEM-Analyse auf ein einfaches Balkenmodell zurückgegriffen. Das bietet den Vorteil, dass in der Entwicklungsphase Änderungen leicht eingearbeitet werden können und die Berechnungszeit im Vergleich zu einem detaillierten 3D-Modell sehr viel geringer ausfällt.

Die Anforderungen an den Rahmen des Brücken-Neoplan NH 6/7 wurden definiert

Der Rahmen eines Fahrzeuges besteht aus rechteckigen Stahl- oder Aluminiumprofilen. Diese werden in bestimmten Formen gebogen und geschweißt, sodass der Rahmen widerstandsfähig gegen verschiedene Kräfte ist.

Die wirkenden Kräfte in der Rahmenstruktur ergeben sich aus den Beschleunigungen und Punktmassen.

Die Massen stellen im Innenraum relevante Bauteile dar, wie zum Beispiel verschiedene Aggregate und Tanks, aber auch Passagiere, Sitzbänke und auch Scheiben und Verkleidungsbleche.

Die Punktmassen (als Kugeln darsgestellt) werden möglichst realitätsnah am Rahmen mit 1D Elementen befestigt. So werden die entstehenden Kräfte und Momente korrekt dargestellt.

Anhand dieses Modells kann auch die Deformation des Rahmens unter Belastung simuliert werden.

Alle Massen, wie beispielsweise Sitze, Tanks oder auch die Beplankung und Verglasung wurden als Punktmassen (Kugeln) dargestellt und an die Rahmenstruktur angebunden.

Bei der Rahmenstruktur des Brücken-Neoplan sind sämtliche Anbindungen berücksichtigt worden

Diese Anbindung ist exemplarisch für den Fahrersitz und einen weiteren Sitz dargestellt.

Der betrachtete Lastfall beinhaltet eine Kombination aus quasistatischen Lasten durch Bremsen, Schwellenüberfahrt, Schlaglochdurchfahrt, Kurvenfahrt und Eigengewicht

Für die Lagerung der Rahmenkonstruktion wurde an der Vorderachse eine Wippe konstruiert. Zusammen mit den Lagern an der Hinterachse bildet diese eine möglichst genaue Kinematik ab.

Die Kinematik des Fahrwerks wurde ebenfalls mittels Gelenken realisiert.

Die Querschnitte der einzelnen Balkenelemente wurden parametrisiert. So konnte über viele Iterationen ein möglichst gleichmäßiger Auslastungsgrad erreicht werden.

Rahmenstruktur – Berechnungsergebnisse der maximalen Verformung

Die maximale Verformung, die unter dem beschriebenen Lastfall auftritt, ist hier abgebildet. Relevant ist in erster Linie jedoch der Auslastungsgrad der Struktur. Der Auslastungsgrad wird über einen Programmcode mit analytischen Formeln ermittelt. Zugrunde liegt hier die FKM-Richtlinie.

Profis zu dem Thema

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)

Berechnungsergebnisse des Maximum Combined Stress Tests zeigen . . . .

Der Auslastungsgrad ergibt sich aus XY und muss unter XY liegen.

Die Berechnungsgrundlagen ergeben sich aus der sogenannten FKM (ausschreiben) Richtlinie, die für XY verwendet wird.

(Zahlenwerte fehlen)

Beschleunigungswerte zur Auslegung des Neoplan NH 6/7

Da das Fahrzeug sich in einer dreidimensionalen Welt bewegt, erfährt es auch Beschleunigungen in alle Raumrichtungen.

Wird das Fahrzeug ruckartig gebremst oder beschleunigt, muss der Rahmen diesen Kräften standhalten.

Hierbei gibt es Beschleunigungen, die regelmäßig, also während des alltäglichen Betriebs auftauchen und jene, die selten, vor allem in Notsituationen auftreten. Beide wurden in unterschiedlicher Weise berücksichtigt.

Der modulare Aufbau der Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken ermöglicht einen schnellen und unkomplizierten Austausch von Bauteilen -und damit permanente Modernisierung

Bei einer geplanten Lebensdauer von einhundert Jahren muss auch der technische Fortschritt einkalkuliert werden.

Aufgrund ihrer modularen Bauweise lassen sich die Autos unkompliziert modernisieren – indem immer nur die veralteten Komponenten einfach durch neuere ersetzt werden, ohne dass gleich das ganze Fahrzeug ausgetauscht werden muss.

So kann zum Beispiel der Antrieb ausgetauscht werden, sollten sich andere Antriebsarten durchsetzen. Alles andere an dem Fahrzeug bleibt ressourcenschonend erhalten.

Zu guter Letzt gibt es noch einen wichtigen Faktor, der zur Langlebigkeit der Fahrzeuge beiträgt: Es wird kaum, um nicht zu sagen, keine Unfälle mehr geben, da alle Fahrzeuge vorrausschauend unterwegs sind.

Bei 400 unterschiedlichen Bahnen, Bussen und PKW kann nicht jedes Fahrzeug einzeln entwickelt werden

Bei der modularen Bauweise hat man zum einen als Bauelement den unteren Rahmen, zum anderen den „Hut“ als Bauelement, das oben drauf gesetzt wird. Das Innenleben dazwischen kann man mit den benötigten modularen Komponenten befüllen – beim Wasserstoff betriebenen Fahrzeug wären das beispielsweise Brennstoffzelle, Tank, Batterie, Fahrwerk, Elektronik, usw.

Das Konzept modularer Komponenten im Inneren eines Fahrzeuges schafft Flexibilität bei der Außenform: Die Zukunft im Fahrzeugbau?

Mit dem Modular-Konzept kann man viele Varianten und originelle Karosserien (wie z.B. unterschiedliche Oldtimer) bauen, die strukturell und von der inneren Anordnung der technischen Module gleich sind: Eine bunte vielfältige Fahrzeugflotte entsteht, ohne dass jedes Fahrzeug neu entwickelt wird.

Sollte die Zahl der Fahrzeuge in Städten zukünftig dadurch sinken, dass autonomes Fahren mit den städtischen Fahrzeugflotten zur Regel wird, dann wird es für die Automobilindustrie attraktiv, auf abwechslungsreiche Fahrzeugdesigns zu setzen, die sich äußerlich unterscheiden, im Inneren bzw. strukturell jedoch modular aufgebaut sind.

Jedes Fahrzeug besteht aus einzelnen Modulen, die immer neu angeordnet werden können

Ein gutes Beispiel für Modularität ist die Radaufhängung. Reifen, Federung und Achselemente sind für Fahrzeuge ähnlichen Gewichts immer gleich, werden jedoch etwas breiter oder schmaler ausgeführt und weiter vorn oder hinten platziert. Der Vorteil: Es kann viel Zeit auf die Optimierung der Platz- und Energieeffizienz jedes einzelnen Moduls verwendet werden.

Das modulare Fahrwerk verringert den Entwicklungsaufwand und minimiert die Anzahl benötigter unterschiedlicher Ersatzteile

Fast alle Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken nutzen das gleiche Fahrwerkskonzept. Es wird eine Portalachse mit Radnabenmotoren verbaut, welche es ermöglicht, besonders viel Platz im Innenraum zu nutzen.

Durch die Nutzung dieses Konzeptes in allen Fahrzeugkategorien muss das Gesamtsystem nur einmal grundlegend ausgelegt werden und wird dann für jedes Fahrzeug lediglich leicht adaptiert.

Daneben sorgen ein Allradantrieb, Luftfedern und eine Allradlenkung für ein angenehmes und effizientes Fahrgefühl.

In der Radbaugruppe werden die Vorteile eines Allradantriebs mit denen von Radnabenmotoren vereint

Das Konzept der Radbaugruppe beinhaltet sogenannte Radnabenmotoren, die in der Radnabe sitzen. Diese Technologie ist für die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken besonders gut geeignet, da der klassische Nachteil, nämlich die hohen ungefederten Massen, nur eine untergeordnete Rolle spielt.

So werden aufgrund der vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen auf den Brücken und wegen des geringen Gewichts der Busse wesentlich kleinere und damit leichtere Motoren eingesetzt, als im konventionellen Straßenverkehr.

Solche kleineren Motoren haben neben geringerem Gewicht noch einen weiteren Vorteil: Es bleibt viel Platz im Innenraum für die Passagiere, da sich der Antrieb direkt am Rad befindet.

Außerdem ist das Fahrzeug durch Motoren in allen Rädern sowohl beim Antreiben als auch beim Abbremsen maximal effizient.

Luftfederung sorgt für maximalen Fahrkomfort und passt sich dynamisch an die Fahrsituation an

Die Federung des Fahrzeuges wird analog zu konventionellen Systemen im Personennahverkehr durch Luftfedern realisiert. Damit ist der Fahrkomfort im Vergleich zu Stahlfedern deutlich erhöht und das Gewicht reduziert. Außerdem können die Fahrzeuge an den Haltestellen für den bequemen Einstieg seitlich abgesenkt werden.

Zudem kann die Federrate flexibel während der Fahrt eingestellt werden. Da die Topographie der Strecke bekannt ist und die Information darüber für jedes Fahrzeug permanent aktualisiert wird, kann damit die Federung, ausgehend von einer Basiseinstellung, für jeden Abschnitt und jede Fahrsituation feinjustiert werden.

Zur Auslegung der Komponenten im Fahrwerk und Beurteilung der Schwerpunktposition muss die dynamische Radlastverschiebung ermittelt werden

Eine dynamische Radlastverschiebung tritt bei Be- und Entschleunigung sowie bei Kurvenfahrten auf.

Mit diesen Werten können die Komponenten des Fahrwerks entsprechend der zu erwartenden Lasten ausgelegt werden.

Außerdem wird überprüft, ob die Position des Schwerpunktes, welche aus der Anordnung der Komponenten folgt, in einem sicheren Bereich liegt. Damit hat das Fahrzeug in allen Fahrsituationen ausreichend Bodenhaftung und ist nicht gefährdet in Kurven zu kippen.

Beim Bremsen Energie gewinnen und trotzdem sicher unterwegs sein

Durch den elektrischen Antrieb an allen Rädern benötigen die Fahrzeuge im normalen Betrieb keine mechanischen Bremsen. Dies maximiert die Energieeffizienz und minimiert Verschleiß und damit Wartungsaufwand.

Da dieses System nicht im Falle eines Stromausfalls funktioniert, ist ein pneumatisch-mechanisches Backup-System verbaut, welches das Fahrzeug in diesem Fall automatisch abbremst.

Zusammen mit der konkaven Streckenform wird so gewährleistet, dass sich das Fahrzeug jederzeit in einem sicheren Zustand befindet.

Die Geschwindigkeit wird immer so angepasst, dass Fahrgäste auch enge Kurven nicht als übelkeitserregend empfinden

Beim Befahren von kurvigen Strecken mit dem Auto wird manchen Menschen schnell übel. Dies geschieht dadurch, dass der Fahrer des Fahrzeuges mit hoher Geschwindigkeit in die Kurve fährt oder beim Verlassen der Kurve beschleunigt. Die Insassen erfahren dabei eine hohe, sogenannte Querbeschleunigung. Messungen zeigen erfahrungsgemäß, dass Fahrgäste im herkömmlichen Personen-Nahverkehr maximal Querbeschleunigungen von ca. 2,0 – bis 2,5 m/s² ausgesetzt sind.

Auf den Frankfurter Brücken optimiert das autonome System die Geschwindigkeit der Fahrzeuge in den Kurven so, dass die Querbeschleunigung immer unter 1,5 m/s² liegt. Dies ist ohne besonderen Aufwand möglich, da das System die genaue Beschaffenheit aller Kurven kennt.

Um alle Vorteile möglicher Lenkkonzepte für den bestmöglichen und platzsparenden Streckenverlauf auf den Frankfurter Brücken zu nutzen, wurden verschiedene Lenkkonzepte gegenübergestellt

Üblicherweise werden Fahrzeuge durch die Lenkung der Vorderachse gesteuert. Es ist jedoch auch möglich die Hinterachse ebenfalls zu lenken, um engere und schmalere Kurven befahren zu können. Für maximalen Fahrkomfort und einfache Realisierbarkeit der Lenkung greifen die Brücken-Fahrzeuge auf eine Hybridlenkung zurück, welche ein Lenkverhältnis von 0,7 zwischen Vorder- zu Hinterachse aufweist. Die Einflüsse des Einschlagwinkels auf den Kurveninnenradius und die Fahrbahnbreite sind für die einzelnen Lenkkonzepte graphisch dargestellt.

Zur Planung der Fahrstrecke auf den Frankfurter Brücken wurden zunächst die Maße der Schleppkurve des größten Fahrzeuges berechnet

Damit ein großes Fahrzeug um eine Kurve fahren kann, darf diese nicht zu eng und nicht zu schmal sein. Daher wurden die Schleppkurven der größten Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken mithilfe geometrischer Beziehungen genau ermittelt. Hierfür sind nicht nur der Radstand, sondern auch die Überhänge vorne und hinten relevant. Die gezeigten Daten sind für das Modell Neoplan NH 6/7 gültig, welches die größten Fahrzeugabmessungen aufweist.

Die Fahrstrecke auf den Frankfurter Brücken wurde entsprechend der Schleppkurven der größten Fahrzeuge geplant

Bei der Planung der Fahrstrecke wurden die Radien und Breiten der Kurven digital erstellt und mit den Berechnungsergebnissen abgeglichen, sodass sichergestellt wird, dass die Strecke für alle Fahrzeuge geeignet ist.

Die durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken wird durch die Kurvenradien der Strecke maßgeblich beeinflusst

Im Rahmen der Streckenentwicklung wurde die maximale Geschwindigkeit, mit welcher die Fahrzeuge durch die Kurve fahren können, errechnet. Hierzu wurden die engsten Radien zahlreicher Kurven auf der geplanten Strecke gemessen und mit der maximal erlaubten Querbeschleunigung verrechnet.

Auch der Verlauf der Strecke in vertikaler Richtung hat einen großen Einfluss auf die Dimensionierung der Komponenten und wurde in der Simulation berücksichtigt (I)

Die Rohdaten der Streckenplanung bestehen aus zweidimensionalen Punkten entlang der Strecke und den Informationen, an welchen dieser Punkte Stationen liegen. Diese Rohdaten müssen zunächst in verwendbare Streckendaten weiterverarbeitet werden, wozu einige Skripte programmiert wurden.

Das Vorgehen wird im Folgenden exemplarisch anhand der Kennedyallee aufgezeigt: Um einen Rundkurs zu erzeugen, wurden zunächst gezielt Punkte am Türmchenplatz entfernt, insbesondere die angedeuteten Arme zur Stresemannallee, sowie die Kennedyallee weiter in Richtung Nord-Osten entfernt. Zusätzlich muss die Strecke am südwestlichen Ende geschlossen werden. Hierzu kann ein Halbkreis verwendet werden, welcher tangential an die Endpunkte anschließt. Jedoch würde dies einen Kreis mit einem Radius von lediglich 4,4 Meter hervorrufen, was nicht im Einklang mit den fahrbaren Radien der Fahrzeuge liegt. Aus diesem Grund wird der Rundkurs händisch durch zwei S-Kurven, sowie einen Halbkreis mit größerem Radius geschlossen.

Auch der Verlauf der Strecke in vertikaler Richtung hat einen großen Einfluss auf die Dimensionierung der Komponenten und wurde in der Simulation berücksichtigt (II)

Da die Strecke in der realen Welt verläuft, müssen nicht nur zweidimensionale Koordinaten in die Streckenplanung einbezogen werden, sondern auch die jeweilige Höhe eines Punktes über dem Meeresspiegel. Auf ihrem Weg durch Frankfurt müssen die Fahrzeuge verschiedene Steigungen hinauf und wieder hinunter fahren. Die Höhendaten dieser Steigungen ergeben sich aus dem Höhenprofil des Untergrundes und der Brücke selbst.

Durch die modulare Bauweise können bei unterschiedlichen Modellen stets niedrige Schwerpunkte umgesetzt werden

Die Positionierung aller Bauteile im Fahrzeug entscheidet über den Schwerpunkt und damit auch über die Fahrdynamik. Damit die Fahrzeuge möglichst gut „auf der Strecke liegen“, wurden alle Komponenten möglichst weit unten platziert. So schwankt das Fahrzeug in Kurven möglichst wenig und kann nicht kippen.

Viele Bauteile können zur Optimierung der Fahrdynamik modular angeordnet werden. Wasserstofftanks (blau) beispielsweise sind schwer und werden nach Möglichkeit im doppelten Boden des Fahrzeugs untergebracht. Dort befinden sich auch große Teile der Rahmenstruktur.

Jede Auslegung und jede Simulationsberechnung benötigt Randbedingungen und Parameter

Um alle Auslegungsprozesse und Berechnungen, die im Rahmen des Konzepts durchgeführt wurden, möglichst transparent zu gestalten, wurden alle Berechnungsannahmen und –werte in Parameterlisten festgehalten.

Hierbei gibt es eine fahrzeugspezifische Parameterliste, welche alle Werte enthält, die einem Fahrzeug konkret zugeordnet werden können oder die sich zwischen verschiedenen Fahrzeugen unterscheiden.

Zusätzlich sind in der fahrzeugübergreifenden Parameterliste alle Werte und Randbedingungen festgehalten, welche über verschiedene Fahrzeuge hinweg gültig sind.

Auf der linken Seite sind exemplarisch einige fahrzeugübergreifende Anforderungswerte an das Interieur sowie die fahrzeugspezifischen Maße des Neoplan NH 6/7 abgebildet.

Profis zu dem Thema

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

Die Auslegung von Elektromotoren, Batterien und Wasserstofftanks wird durch eine komplexe Antriebsstrangsimulation ermöglicht

Möchte man eine Aussage zu den benötigten Elektromotoren, Batterien und Wasserstofftanks treffen, reicht eine einfache Betrachtung der Einflussgrößen nicht mehr, da sich die Effekte, welche sich aus diesen Größen ergeben, nicht sofort bestimmen lassen und sich diese auch immer wieder ändern können.

Deshalb wurde eine komplexe Simulation entwickelt, in welche die Fahrzeugparameter wie Außenmaße und Gewicht eingespeist werden. Zusätzlich kennt die Simulation alle notwendigen Kenngrößen der Strecke auf den Brücken samt Steigungsbereichen, Haltestellenwartezeiten, Kurven usw….

Hieraus lassen sich dann bei korrekter Anwendung physikalischer Gesetzte Kräfte ermitteln, die wiederum in Drehmomente und Leistungsspezifikationen von Motoren umgerechnet werden können. Zusätzlich kann auch das Belastungsprofil der Batterien und Brennstoffzellen ermittelt werden und Wasserstofftanks können dimensioniert werden.

Nicht nur die eingebauten Antriebskomponenten beeinflussen den Energieverbrauch beim Fahren, sondern auch das Gewicht. Dieses resultiert aus der Größe von Motoren, Tanks und Batterien

Neben den Wirkungsgraden der eingebauten Komponenten ist auch das Gewicht des Gesamtfahrzeuges entscheidend für den Energieverbrauch und die weitere Auslegung des Fahrzeugs.

Um den Einfluss des Fahrzeuggesamtgewichts auf Parameter wie Energieverbrauch, Drehmoment des Motors und die Tankkapazität quantitativ abschätzen zu können, wurde eine entsprechende Analyse durchgeführt.

Aus dieser geht hervor, dass bei einer Änderung der Referenzmasse von 10 t auf 5 t eine Verringerung des Wasserstoffverbrauches in kg pro 100 km von 7,82 auf 6,55 erreicht werden kann. Daher sollen alle Fahrzeuge in Leichtbauweise konzeptioniert werden. Dies wurde bei der Konzeptentwicklung für den Oldtimerbus „Neoplan NH 6/7“ einmal exemplarisch durchgeführt.

Durch die Antriebsstrang-Simulation können sowohl die Radnaben-Motoren als auch das Getriebe ausgelegt werden

Anhand der Antriebsstrangsimulation können Motordrehzahl, -drehmoment und weitere Parameter bestimmt werden. In Abhängigkeit der verfügbaren Komponenten können dann geeignete Motoren und Getriebe aus dem Stand der Technik ausgewählt werden.

Ferner kann durch die Antriebsstrang-Simulation der Wasserstoff-Verbrauch ermittelt und die Wasserstoff-Tankgröße festgelegt werden

Mit den Ergebnissen aus der Antriebsstrangsimulation kann der Wasserstoff-Verbrauch pro Fahrzeug während des Entlangfahrens der Strecke ermittelt werden. Anhand einer festgelegten Betriebszeit bis zum erneuten Auftanken oder einer bestimmten Kilometerzahl kann so die benötigte Wasserstofftankgröße fahrzeugspezifisch ermittelt werden. Selbst die größten Fahrzeuge auf den Brücken können gemäß Antriebsstrangsimulation mit ihren jeweiligen Wasserstoff-Tanks ca. 10 h fahren, ohne aufgetankt werden zu müssen.

Die Fahrzeuge auf den Frankfurter Brücken greifen auf Wasserstofftanks mit einem Druckniveau von 700 bar zurück. So kann bei gleichem Volumen deutlich mehr Wasserstoff gespeichert werden, als bei 350 bar Systemen.

Mithilfe der Antriebsstrangsimulation wurde zum Beispiel auch das ungefähre Belastungsprofil der Pufferbatterien von Wasserstofffahrzeugen virtuell ermittelt

Während die Antriebsenergie während der Fahrt bei batterieelektrischen Fahrzeugen aus der Batterie entnommen wird, werden wasserstoffelektrische Fahrzeuge von einer Brennstoffzelle versorgt. Diese wandelt während der Fahrt den Wasserstoff aus dem Tank und Luft in elektrische Energie und Wasser um.

In der Antriebsstrangsimulation wurde am Beispiel des Neoplan NH 6/7 ein Verlauf ermittelt, der angibt bei welchem Streckenabschnitt wieviel Energie benötigt wird. Wenn ein Fahrzeug bergauf fährt, es starken Gegenwind gibt und sich viele Passagiere mit schwerem Gepäck im Innenraum aufhalten, braucht es beispielsweise besonders viel Energie.

Da ein Fahrzeug manchmal kurzzeitig mehr Energie verbraucht, als die Brennstoffzelle im Innenraum liefern kann, verwendet man eine kleine Pufferbatterie, die diese zusätzliche Energiemenge bereitstellen kann. So kann die Brennstoffzelle so klein wie möglich und so groß wie nötig gewählt werden. Verbraucht das Fahrzeug wenig Energie, weil es beispielsweise bergab fährt, wird die überschüssige Leistung der Brennstoffzelle dazu verwendet, die Batterie wieder aufzuladen.

Die Pufferbatterie setzt sich aus zwei Komponenten zusammen

Analysiert man die Lade- und Entladevorgänge während der Fahrt mittels des sogenannten Rainflow-Algorithmus genauer, so wird deutlich, dass meistens nur kurzzeitig viel Energie abgegeben wird. Um nun eine Entscheidung treffen zu können, welche Batterietechnik sinnvoll ist, müssen bestimmte Randbedingungen beachtet werden.

Bei Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise kann bis zum altersbedingten oder zyklenbedingten Tod der Batteriezelle eine bestimmte Menge an Energie entnommen werden. Sind die Zyklen relativ klein, so kann insgesamt mehr Energie entnommen werden als bei beispielsweise immer vollständiger Entladung. Bei sehr kleinen Zyklen jedoch wird die Batterie stetig „kaum“ belastet, was die Lebensdauer verringert, obwohl die Kapazität der Batterie nicht sinnvoll genutzt wird.

Da der Fokus des Entwicklungskonzepts auch auf der Langlebigkeit der Komponenten liegt, wird ein kombiniertes Energiespeicherkonzept für die „Pufferbatterie“ vorgeschlagen: Sehr kleine Zyklen werden über Superkondensatoren abgefertigt, sodass die Batterie nicht belastet wird. Größere Zyklen werden über die Batterie realisiert. So wird die Lebensdauer der Pufferbatterie maximiert und hauptsächlich durch die zeitliche Alterung der Batteriezellen begrenzt.

Die Ergebnisse der Antriebsstrangsimulation ermöglichen auch das einfache Festlegen von Motor- und Getriebekenngrößen

Die Spezifikationen der Motoren sowie des Getriebes wurden für das Beispielfahrzeug Neoplan NH 6/7 anhand der Ergebnisse der Antriebsstrangsimulation festgelegt. In erster Linie fließen hier Parameter wie das maximale Drehmoment pro Rad sowie die maximale Leistung pro Rad und die maximale Drehzahl ein.

Diese Größen wurden mit einem Sicherheitsfaktor verrechnet und ergeben danach die Mindestanforderungen für den Motor, welcher ausgewählt werden soll.

Im nächsten Schritt wurden die Leistungsdaten verschiedener, auf dem Markt verfügbarer Motoren recherchiert und mit den errechneten Anforderungen abgeglichen. Sind alle Anforderungen erfüllt, gilt der Motor als geeignet.

Anhand der Berechnungen wurde beispielhaft ein passendes Motormodell ausgewählt

In Abstimmung mit den Kenndaten des Motors muss auch die Getriebeübersetzung festgelegt werden. Die minimal erlaubte Getriebeübersetzung ergibt sich aus dem benötigten Drehmoment, während die maximal erlaubte Getriebeübersetzung durch die benötigte Drehzahl festgelegt wird. Die Übersetzung des gewählten Getriebes muss zwischen diesen beiden Werten liegen.

Profis zu dem Thema

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

Der Energieverbrauch eines Fahrzeuges auf den Frankfurter Brücken wird durch die Klimatisierungsleistung stark beeinflusst

Wegen der geringeren Fahrgeschwindigkeit ist beispielsweise der Luftwiderstand von sehr geringer Bedeutung für den Energieverbrauch beim Fahren, die Klimatisierungsleistung jedoch von hoher Bedeutung. Daher wurden spezielle Gläser vorgesehen, die den Energieverbrauch deutlich senken können. Ein Auszug aus der Analyse, welche Auswirkungen Änderungen des Luftwiderstandes eines Fahrzeugs auf z.B. den Wasserstoffverbrauch haben, findet sich unten.

Die Tabelle zeigt die Auswirkung eines veränderten Luftwiderstandes auf den Wasserstoffverbrauch in Kg pro 100 km.

Hieraus wird deutlich, dass der Luftwiderstand bei den Fahrzeugen auf den Frankfurter Brücken vernachlässigbar geringen Einfluss auf den Verbrauch hat.

Daher muss auch ein „einfaches“ Bauteil, wie die Klimaanlage ausgelegt werden

Viele verschiedene Faktoren müssen bei der Auslegung von Komponenten berücksichtigt werden. Je mehr Randbedingungen es gibt, desto schwieriger wird die Auswahl einer korrekten Komponente. Um beispielweise eine Aussage zur benötigten Klimaanlage treffen zu können, wurden die Sonneneinstrahlung in Frankfurt, die erwarteten Spezifikationen des Glases im Fahrzeug, die zugehörigen Flächen und die von Passagieren abgegebene Wärme ermittelt.

Hieraus lässt sich die Wärme, die in das Fahrzeug eingebracht wird, und somit die benötigte Klimatisierungsleistung bestimmen. Zusätzlich kann die Klimatisierungsleistung durch den Einsatz moderner Materialien gesenkt werden.

In die Klimatisierungsauslegung gehen verschiedene Parameter ein. Beispiele hierfür sind die Blech- und Glasflächen des Fahrzeuges sowie die Isolationswerte der verbauten Gläser und Isolierstoffe. Anhand der Anzahl der Passagiere, der Außen- und Innentemperaturen im Fahrzeug sowie der Türöffnungsdauer konnte die benötigte thermische Kühlleistung ermittelt werden.

Durch den Einsatz moderner Wärmepumpentechnologie kann der elektrische Energieverbrauch allerdings auf ca. ein Drittel der benötigten Kühlleistung gesenkt werden.

Durch Wave-Guiding kann die Klimatisierungsleistung gesenkt und gleichzeitig Energie generiert werden

Schöne, große Panorama-Fenster zum Beispiel stehen nicht mehr zwangsweise für zu heiße Innenräume im Sommer oder überlastete Klimaanlagen. Vielmehr können die Flächen mit Wave-Guiding-Glas ausgestattet werden, das den Wärmeeintrag in das Fahrzeug reduziert, den Energieaufwand der Klimaanlage reduziert und nebenbei noch Energie erzeugt. Um nur eine der vielen Optimierungsmöglichkeiten der Gegenwart zu nennen.

Die Oldtimer auf den Frankfurter Brücken sind auf diese Weise von außen mit Ästhetik der Vergangenheit und „innerlich“ mit der modernsten Technologie unserer Zeit ausgestattet.

Fazit: Die modulare Entwicklungsstrategie ermöglicht es, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine große Flotte unterschiedlichster Fahrzeug-Modelle aufzubauen

Auf den Frankfurter Brücken werden für die benötigte Transportleistung von 40 Mio Passagierfahrten pro Jahr mit 400 Fahrzeugen vergleichsweise wenig Fahrzeuge benötigt. Entsprechend kann mehr Aufwand in die Qualität, Haltbarkeit und das Design pro Fahrzeug investiert werden. Dieses Konzept kann wegweisend für die Entwicklung der Automobilindustrie in Deutschland werden.

Äußerlich besteht die Brückenflotte aus Solitären, sowohl bei der Gruppe der Busse und Bahnen als auch bei der der PKWs. Technisch hingegen ermöglicht die modulare Entwicklung innerhalb dieser Kategorien, dass nicht jedes Fahrzeug einzeln entwickelt werden muss, sondern modular mit nur geringfügigen Adaptationen gebaut werden kann.