Leichtarm
Leichtbau-Schweißkonstruktion für Bagger Armsysteme
An Baustellen, von kleineren Grabungsarbeiten bis hin zu Großbaustellen, werden Bagger in vielfältiger Weise eingesetzt. Das Armsystem eines Baggers hat die Aufgabe das eigentliche Arbeitswerkzeug des Baggers (z.B.: verschiedene Schaufeln, Greifer, Hydraulikhammer etc.) zu führen und zu bewegen, um damit die gewünschten Tätigkeiten zu verrichten. Durch diesen auskragenden Aufbau wirkt die Masse des Armsystems in jeder Stellung, sowohl auf die nutzbaren Hub- und Grabkräfte als auch die Standsicherheit, reduzierend. Die Standsicherheitsreduktion muss durch entsprechende Gegengewichte kompensiert werden. Zusätzlich sind die Komponenten des Armsystems auch bewegte Massen, die in jedem Arbeitsspiel beschleunigt bzw. wieder abgebremst werden müssen.
In dem hier vorgestellten FFG-Basisprogramm werden die Strukturbauteile des Armsystems einer detaillierten Analyse und einem Redesign unterzogen um eine Gewichtsreduktion zu erzielen. Es sollen die notwendigen Grundlagen für die Konstruktion, Auslegung und Validierung einer Leichtbau-Schweißkonstruktionen geschaffen werden. Als Anwendung daraus wird ein neues innovatives Armsystem entwickelt und validiert.
Auf der Grundlage von einem bestehenden Armsystem sollen die auftretenden Belastungen mit Hilfe von Betriebsmessungen während des Einsatzes evaluiert werden. Mit dem Umstieg auf höherfeste Stähle ist ein umfassendes Versuchsprogramm an Kleinproben als auch Bauteilen und Bauteilgruppen notwendig. Die Ergebnisse des Versuchsprogramms, die Analyse der Betriebsmessungen und die zugehörigen numerischen Analysen stellen die Grundlage für die Neuentwicklung einer Leichtbau- Schweißkonstruktion. Mit dem Umstieg auf ein Leichtbau-Armsystem werden neben der Gewichtsersparnis am Armsystem als auch am gesamten Bagger, die zum Betrieb notwendige Antriebsleistung reduziert. In weiterer Folge ermöglicht dies eine Erleichterung in der Umstellung auf elektrisch betriebene Bagger welche in lärm- und abgassensiblen Bereichen ihre Vorteile ausspielen können.
nBrake
Innovatives Bremssystem für hohe Gleitgeschwindigkeiten bei Schienenfahrzeugen
Der Schienenverkehr stellt als umweltfreundliches Verkehrsmittel einen wesentlichen Beitrag in einer nachhaltigen Verkehrslösung dar. Insbesondere die Mobilität in Ballungszentren und dessen Umland steht vor großen Herausforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Emissionen. Im vorliegenden FFG-Forschungsprojekt werden diese wesentlichen Aspekte am Beispiel eines innovativen Bremssystems für Schienenfahrzeuge adressiert. Durch die Ausnutzung einer Getriebestufe können zum einen Bremsscheiben direkt an der ungefederten Radsatzwelle vermieden werden, wodurch eine signifikante Verringerung der Schädigung von Rad, Gleis und Oberbau und somit eine Senkung der Lebenszykluskosten ermöglicht wird.
Zum anderen sind geringere Bremskräfte und somit Bremskomponenten in Leichtbauweise realisierbar, welche zusätzlich zu einer Gewichtsreduktion beitragen. Neben diesen positiven Effekten stellt die durch die Übersetzung maßgeblich erhöhten Gleitgeschwindigkeiten bei den Reibpartnern eine Herausforderung dar, welche im Zuge des Projektes wissenschaftlich untersucht wird.
Auf Basis von tribologischen Grundlagenuntersuchungen werden geeignete Reibpartner mit neuen, umweltschonenden Materialzusammensetzungen evaluiert. Weiterführende Analysen mit ausgewählten Versuchsträgern an einem neuartigen Bremsenprüfstand für Schienenfahrzeuge liefern wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der Reibwertstabilität, Temperaturbelastung sowie des Verschleißverhaltens. Begleitend zu den Versuchen werden die auftretenden Lärm- und Partikelemissionen gemessen, welche wiederum als wesentliche Parameter für eine umweltgerechte Entwicklung des innovativen Bremssystems sowie in einer finalen Umweltwirkungsanalyse Eingang finden.
Die experimentellen Arbeiten werden von Simulationen begleitet, um detaillierte Einblicke in globale und lokale Systemcharakteristika zu erlangen und das Bremskonzept zielgerichtet untersuchen zu können. Das übergeordnete Ergebnis des Forschungsprojektes stellt somit ein Bremskonzept für hohe Gleitgeschwindigkeiten dar, welches durch das Leichtbaupotential eine Reduktion des Energie- und Ressourcenverbrauchs sowie durch die Verringerung der auftretenden Lärm- und Partikelemissionen einen wertvollen Beitrag zur umweltbewussten und nachhaltigen Mobilität liefert.
DustRail
Größenspezifische und räumliche Verteilung von verkehrsbedingten Abrieben und partikulären Emissionen
Während die Emissionen des Straßenverkehrs in zahlreichen Studien untersucht wurden, sind die Emissionen aus dem Schienenverkehr bisher noch nicht im selben Detailgrad betrachtet worden. Im Allgemeinen gilt der Schienenverkehr als umweltfreundliches Verkehrsmittel. Dies ist primär durch die zunehmende Elektrifizierung des Schienennetzes bedingt. Neben den Abgasemissionen treten jedoch ebenso nicht-verbrennungsbedingte Emissionen durch Reibung respektive Abriebprozesse auf. Zu den Quellen dieser Emissionen zählen die Bremsen, der Rad-Schiene-Kontakt sowie der Stromabnehmer und die Oberleitung. Obwohl die Quellen bereits identifiziert wurden, unterliegt die bisherige Quantifizierung der Emission einer beachtlichen Unsicherheit. Dies spiegelt sich in bereits veröffentlichten Emissionsfaktoren für Schienenfahrzeuge, welche sich um Zehnerpotenzen unterscheiden, wider.
Um die Datenbasis, bezogen auf die durch Abriebprozesse entstehenden Partikel, zu vergrößern und das allgemeine Verständnis für die zu Grunde liegenden Prozesse zu verbessern, werden im gegenständlichen Projekt umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dies inkludiert Messungen an diversen Prüfständen (z. B. Bremsenprüfstand) sowie in einer Bahnhofsumgebung. Die Prüfstandmessungen dienen der quellenspezifischen Erfassung von Emissionen und bieten den bedeutenden Vorteil einer von Sekundärquellen unbeeinflussten Umgebung. So können gezielt Partikel-Emissionen hinsichtlich ihrer Größen- und Massenverteilung untersucht werden. Die betrachteten Partikelgrößen reichen von einigen wenigen Nanometern bis hin zur Größenfraktion PM10. Zudem sollen hoch flüchtige Komponenten (VOCs), die durch Abdampfungsprozesse entstehen, erfasst werden. Ein weiterer wesentlicher Faktor für die Einwirkung der Emissionen auf Personen und Umgebung ist die chemische Zusammensetzung der Staubinhaltsstoffe. Aus diesem Grund werden bei den Versuchen Filterproben gezogen, die eine Analyse von z. B. Schwermetallen zulassen.
In einem finalen Untersuchungsschritt werden mit dem Software-Tool GRAL (Graz Lagrangian Model) Ausbreitungsrechnungen durchgeführt. Auf Basis der zuvor experimentell ermittelten Emissionsfaktoren können so Aussagen über die Transmission sowie die Immissionsbelastung für Bahnmitarbeiter, Passagiere sowie Anrainer getroffen und ein möglicher Handlungsbedarf identifiziert werden. Dieser Handlungsbedarf wird durch einen Abgleich der berechneten Konzentrationen mit den gesetzlich gültigen Grenzwerten abgeleitet. Zudem sollen ausgehend von den Abriebemissionen des Schienenverkehrs auch verkehrsträgerübergreifende Vergleiche angestellt werden.
Weiterführende Informationen sind unter nachfolgendem Link verfügbar:
RailCharge
Automatisiertes Laden von Elektrofahrzeugen auf der Schiene als Enabler der E-Mobility
Die bis dato noch ungelösten Nachteile der aktuellen batterieelektrischen Mobilität (begrenzte Reichweite, lange Ladezeiten, hoher Energieverbrauch bei hoher Geschwindigkeit etc.) führen zu einer nur langsamen Umsetzung eines flächendeckend emissionsneutralen, PKW und LKW-Verkehrs. Das bestehende Zug- und Schienennetz ermöglicht neben einer generellen Reduktion des spezifischen Energieverbrauchs (kWh/Kilometer-Tonne) auch emissionsneutrales, sicheres und autonomes Fahren durch elektrifizierte Strecken oder neuerdings auch Wasserstofftechnologie. RailCharge verfolgt das Ziel einer Kopplung dieser Mobilitätssektoren indem batterieelektrische Fahrzeuge auf schnell zu beladende, innovative Autozüge gebracht werden, welche gleichzeitig automatisiertes Laden der EV-Batterien ermöglichen. Durch dieses Konzept können einige der akuten Probleme der Mobilitätswende im Allgemeinen, bzw. Elektromobilität im Speziellen gelöst werden, wie unter Anderem:
- Insuffiziente Reichweiten von EVs werden durch Rail-Kilometer überbrückt
- Es gelingt eine signifikante Verringerung des Energieverbrauchs pro Kilometer-Tonne
- Kleine EVs mit geringerer Batteriekapazität sind ressourcenschonender bzw. kostengünstiger und würden somit auch bei langen Strecken das Auslangen finden
- Das Kollektiv an mit dem Zug verbundenen Fahrzeugbatterien erlaubt neue Betriebsstrategien wie Bremsenergierekuperation oder Lastpunktverschiebung der Lokomotive, z.B. bei Wasserstoffantrieb und führt somit zu einer erhöhten Gesamteffizienz
- Langstrecken sind auf der Schiene mit größerer Geschwindigkeit bzw. sicherer zurücklegbar als auf der Straße.
Der Innovationsgehalt von RailCharge wird dadurch unterstrichen, dass in der Literatur keinerlei vergleichbare Ansätze beschrieben werden. RailCharge ist das erste interdisziplinäre Sondierungsprojekt, welches multimodale Mobilität durch die Fusion von batterieelektrischen Fahrzeugen und elektrifiziertem Schienenverkehr auch auf der Ebene der Fahrzeugenergieflüsse vereint. Verkehrsplanerische Aspekte werden im Hinblick auf NutzerInnen-Verhalten und unter Erfassung von Mobilitätstrends wie z.B. autonomen Fahrzeugen berücksichtigt. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen werden innovative Teiltechnologien, wie z.B. eine vollautomatische EV-Ladeschnittstelle, Waggontopologien, Stromabnehmertechnologien oder eine mobile H2-Power-Unit auf Adaptierbarkeit, Kombinierbarkeit und Tauglichkeit für den Schienenverkehr analysiert und neue Lösungsansätze erarbeitet.
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Rail4Future
Railways for Future: Resilient Digital Railway Systems to enhance performance
Die im COMET-Projekt Rail4Future mitwirkenden Projektpartner, bestehend aus einem interdisziplinären Konsortium aus Bahnbetreiber, Industrie, wissenschaftlichen Partnern und Universitäten, haben es sich zum Ziel gesetzt, das Gesamtsystem Bahn zu optimieren. Dafür wird eine neuartige Validierungsplattform für die Large-Scale-Simulation ganzer Bahnstrecken entwickelt, um die Effizienz der bestehenden Schieneninfrastruktur zu steigern. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung eines digitalen Zwillings, der die zeitabhängige Simulation des Verhaltens der Eisenbahninfrastruktur unter Betriebseinwirkungen ermöglicht.
Am Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik werden im Rahmen dieses Projektes Mehrkörpersimulationen durchgeführt, um ein verbessertes Verständnis für die Fahrzeug-Fahrweg-Interaktion zu erhalten. Diese Methodik ermöglicht die Identifizierung signifikanter Einflussparameter auf das dynamische Fahrzeugverhalten und liefert somit ein wesentliches Potential zur zielgerechten Optimierung des Gesamtsystems.
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RCRS
Research Cluster Railway Systems
Mit dem Research Cluster Railway Systems bringt die TU Graz einen interdisziplinären Forschungscluster in den Bereichen Schienenfahrzeugtechnik, Bahninfrastruktur und Bahnbetrieb auf Schiene. Dabei wird die im Umfeld der TU Graz vorhandene Fachexpertise zu Railway Systems gebündelt, um die gemeinsamen Synergiepotentiale zu nützen.
Mit an Bord sind neben den Kooperationspartnern ÖBB-Infrastruktur AG, Siemens Mobility GmbH, voestalpine Railway Systems und der Virtual Vehicle Research GmbH auch die Fakultäten für Maschinenbau und Betriebswissenschaften sowie für Bauingenieurwissenschaften in Kombination mit den Fachbereichen der Informatik, Informationstechnik und Messtechnik.
Durch die Realisierung zukunftsweisender Forschungsprojekte in den Bereichen der Fahrzeugtechnik, Bahninfrastruktur und Betriebsführung sowie unter Nutzung der technologischen Möglichkeiten der digitalen Transformation soll die Wettbewerbsfähigkeit des Systems Bahn durch eine nachhaltige Gesamtsystemoptimierung gesteigert werden. Darüber hinaus sorgt diese interdisziplinäre Ausbildungsplattform für den ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchs für die Bahntechnik von morgen.
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EMotion
Electric Mobility in L-Category Vehicles for all generations
Um die kommenden Beschränkungen bezüglich der Treibhausgasemissionen zu erfüllen, müssen Städte Strategien entwickeln, um den Verkehr und damit die Verschmutzung zu reduzieren. Saubere und energieeffiziente Elektrofahrzeuge der L-Kategorie (ELVs), die auf den Straßen neben Autos, Fahrrädern und öffentlichen Verkehrsmitteln existieren, können eine technische Lösung darstellen.
EMotion entwickelt ein Portfolio von ELVs, das speziell für die junge und die Generation 50+ konzipiert ist und in die Kategorien L1e-B (4 kW) und L3e-A1 (8 kW) passt. Die Leichtbauweise sorgt für großartige Fahrleistungen und eine erhöhte Reichweite und bietet zusammen mit einem innovativ und benutzerzentriert gestalteten HMI und On-Board-Informationssystem ein neues Fahrerlebnis.
Das Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik ist in diesem Projekt für die Lastdatenermittlung an einem Versuchsfahrzeug verantwortlich. Die Lastdatenermittlung beinhaltet die Festlegung der Messstellen, die Applikation der Messtechnik und die anschließende Datenauswertung. Desweiteren werden in der zum Institut gehörenden Schwingprüfhalle die Betriebsfestigkeitsversuche am neu entwickelten Prototyp durchgeführt.
Weiterführende Informationen sind unter nachfolgenden Links verfügbar:
EBFW-3
EisenBahnFahrwerke-3
Ein wesentliches Ziel des Projektes EisenBahnFahrwerke-3 ist die Optimierung von Berechnungsverfahren sowie deren zugrunde liegenden Modelle zur Definition von Inspektionsintervallen für Radsatzwellen. Das Projekt ist im K2 Comet Förderprogramm eingebettet und involviert ein umfassendes Konsortium aus Wissenschaft und Industrie. Die Forschungsmethodik erstreckt sich über mehrere Skalen, beginnend von der bruchmechanischen Werkstoffcharakterisierung an Kleinproben über repräsentative 1:3 Rundproben bis hin zu ganzen Radsatzprüfwellen, womit ein fundierter Aufbau der Modelle sowie eine umfassende Validierung der Methoden und Ergebnisse gewährleistet ist.
Das Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik fokussiert hierbei auf die Untersuchungen an den Radsatzwellen anhand experimenteller und theoretischer Methoden. Wesentliche Ergebnisse sind im Fachjournal „International Journal of Fatigue“ veröffentlicht worden und unter nachfolgenden Links ersichtlich:
Fatigue crack growth in railway axle specimens – Transferability and model validation
Weitere Informationen zum Projekt sind unter nachfolgendem Link verfügbar:
CKI/RIE
Center of Knowledge Interchange
Research and Innovation Ecosystem
Auf Basis der bereits seit 2006 bestehenden Partnerschaft im Bereich der Bahntechnik startete die TU Graz im Jahr 2015 ein gemeinsames Center of Knowledge Interchange (CKI) mit Siemens. Fokus liegt hierbei auf einer intensiven Zusammenarbeit in den Themenfeldern Innovation, Forschung und Entwicklung sowie Talentmanagement. Mit 01.10.2021 wurde diese Kooperation in das Siemens Research and Innovation Ecosystem (RIE) überführt, wobei die TU Graz als eine Lead University fungiert.
Das Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik bearbeitet im Rahmen dieser strategischen Kooperation Themen im Umfeld der Konstruktion und Auslegung moderner Schienenfahrzeugstrukturen anhand von theoretischen und experimentellen Methoden. Die Forschungsergebnisse finden Einzug in wissenschaftliche Abschlussarbeiten, Publikationen in Fachjournalen sowie in Vorträgen bei nationalen und internationalen Konferenzen, womit eine nachhaltige Dissemination der anwendungsorientierten Grundlagenforschung gegeben ist.
Weiterführende Informationen sind unter nachfolgendem Link verfügbar:
Leichtbau
Im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen Siemens Mobility Graz und dem Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik wurde ein Leichtbau-Fahrwerksrahmen entwickelt, wodurch eine Gewichtsreduktion um rund 40% erzielt werden konnte. Bedingt durch die Anwendung des höherfesten Stahls S700 und der dadurch einhergehenden fertigungstechnischen Randbedingungen wurde auch das Konstruktionsprinzip geändert. Anstelle der herkömmlichen Trägerstruktur in Form von geschlossenen Kastenprofilen wurde ein offenes I-Profil konzipiert. Die Vorteile der Gewichtsersparnis sind ein vergleichsweise geringerer Energieaufwand, eine höhere Transportkapazität bei gegebenen Infrastrukturbedingungen, weniger Schädigung von Rad, Gleis und Oberbau sowie niedrigere Kosten für die Nutzung der Infrastruktur. Das Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik hat hierbei im Wesentlichen mit experimentellen Versuchen und Analysen an Kleinproben und Komponenten zur Entwicklung des Leichtbau-Fahrwerksrahmens beigetragen. Weiters wurde ein Betriebsfestigkeitsversuch mit einem Testrahmen durchgeführt, welcher für die Erlangung einer Betriebsbewilligung notwendig ist.
Als weiterführendes Referenzbeispiel kann die Leichtbau-Radsatzwelle angeführt werden, wodurch anhand einer Ausführung als Radsatzhohlwelle die Masse im Vergleich zu konventionellen Konstruktionen um mehr als 40% reduziert werden konnte. Der Hohlraum im Inneren bietet zudem eine Möglichkeit zur Inspektion der Radsatzwelle. Dieser kann mit einem gasförmigen Medium gefüllt werden, wobei ein mögliches Leck in der Radsatzwelle zu einem Druckverlust führt und somit ein Riss erkannt werden kann, ehe ein Versagen eintritt. Das Institut für Betriebsfestigkeit und Schienenfahrzeugtechnik hat hierbei im Wesentlichen mit experimentellen Versuchen sowie theoretischen Analysen und Designstudien zur Entwicklung der Leichtbau-Radsatzwelle beigetragen.
