Schienenfahrzeugtechnik - think ING. kompakt 12/2022 | 01/2023

kompakt

Dein Einblick in die Welt der Ingenieurinnen und Ingenieure

SCHIENENFAHRZEUGTECHNIK

Es ist schon eine Weile her, dass die erste deutsche Eisenbahnverbindung in Betrieb ging - genau 187 Jahre. Seitdem hat sich einiges getan: Auch unsere heutigen Züge können neuen Technologien nicht davonfahren. Die Zeit ist reif, Schienennetze, Fahrwerke und Gleise im Sinne der Umwelt, Effizienz und Sicherheit zu modernisieren, vor allem aber zu digitalisieren. Ingenieur*innen im Bereich Schienenfahrzeugtechnik kümmern sich damals wie heute um Konstruktion und Fertigung von auf Schienen fahrenden technischen Verkehrsmitteln. Das Neue: der besondere Fokus auf die Modernisierung und Anpassung an das schnelllebige digitale Zeitalter. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt uns eine junge Ingenieurin, die bei der Deutschen Bahn im Konzernprogramm Digitale Schiene Deutschland die Umgestaltung von Zug und Schiene voranbringt. Nicht nur die digitale Schiene steht noch in den Anfängen. Technologien, die für mehr Sicherheit im Bahnverkehr, energieeffizientere Züge und umweltfreundliche Antriebe sorgen sollen, werden für zukünftige Einsätze entwickelt und getestet. Die FH Aachen fährt mit ihrem einzigartigen Studiengang Schienenfahrzeugtechnik mit in Richtung modernster Mobilität.

© ZF

Kann ein Konzern wie die Deutsche Bahn eine Eisenbahnschiene aus schwerem Stahl digitalisieren? Kurze Antwort: Sie kann! Wenn auch nicht im wortwörtlichen Sinne.

Kristina Asselbor arbeitet als Systemingenieurin bei der Deutschen Bahn (DB). Genauer: Sie begleitet als Mitarbeiterin der Digitalen Schiene Deutschland den wohl größten technologischen Umbau des deutschen Schienensystems seit der ersten Bahnverbindung 1835. Schienen, Züge und die Technik dazwischen haben – den modernsten ICEs zum Trotz – ein oftmals angestaubtes Image. Vielleicht auch, weil es Schienen und Stellwerke gibt, die einfach alt sind. Das ist die eine Seite. Dabei übersieht man auf der anderen nur zu oft, was die DB hier und heute auf die Schiene bringt: Rund acht Millionen Menschen fahren täglich Bahn, während sich im gleichen Zeitfenster über eine Millionen Tonnen Güter mit dem Zug von A nach B bewegen.

DIE DIGITALE

UMBAU

NEULAND

Wir sind heute jederzeit in der Lage, nahezu jede Information abzurufen und haben damit die Geschwindigkeit der gesamten Kommunikation in den zurückliegenden Jahrzehnten vervielfacht. Digital ist alles in Sekunden verfügbar. Und je digitaler wir denken, umso mehr erkennt man, wie viel Potenzial durch die analoge Welt verschenkt wird. Und genau hier kommt die junge Ingenieurin ins Spiel, die in einem Team von rund 200 Akteur*innen etwas digitalisiert, das so analog scheint. „Wir designen das Schienensystem der Zukunft, damit die vielen dafür notwendigen Technologien auch bestmöglich eingesetzt und ausgerollt werden können“, erklärt die 27-Jährige. Und was meint sie damit? Seit etwa vier Jahren macht die Bahn etwas, das für sie – wie für alle anderen Bahnbetreiber der Welt – neu ist. Sie plant mit der Infrastruktur aus Schienen, Weichen und Fahrzeugen eine Zukunft, in der die Digitaltechnik an vielen Stellen Einzug hält. Und so arbeitet sie heute im Bereich Systemdesign in einem Umfeld, das beschreibt, wie das künftige digitalisierte Bahnsystem aussieht und funktioniert.

Eigentlich ist es so etwas wie Pionierarbeit, die sie mit ihrem Team in der Systementwicklung betreibt. In modernen PKW befinden sich Sensoren, die das Umfeld abtasten, es gibt Sensoren für Abstandund Spurhalter, Geschwindigkeitsmessungen per Radar und vieles mehr. Zukünftig sollen diese Technologien auch bei der Bahn dazu beitragen, die Kapazität und Qualität im über 33.000 Kilometer großen Schienennetz zu erhöhen. „Wir analysieren für unsere Arbeit also beispielsweise das Szenario eines Fahrgastwechsels: Hierfür müssen erstmal eine Reihe von Vorbedingungen erfüllt werden, wie z. B. ‚Der Zug soll an der richtigen Stelle stehen‘ und ‚die Geschwindigkeit soll gleich Null‘ sein. Wenn alle notwendigen Bedingungen erfüllt sind, können die Türen geöffnet werden und erst dann ist der sichere Fahrgastwechsel möglich.“ Das klingt vielleicht banal, das Ziel ist es jedoch, die Züge automatisiert und viel dichter nacheinander fahren zu lassen. Die Züge sollen nicht zuletzt auch optimal durch das Netz gesteuert werden. Anders als beim autonomen Fahren mit dem PKW, der sich selbst reguliert, werden Züge über das Verkehrsmanagement in den Betriebszentralen gesteuert. Auch hier ist der Wunsch nach Automatisierung hoch und noch viel Potenzial zu heben.

Kristina Asselbor auf dem Dach des Gebäudes, in dem die Deutsche Bahn die Digitale Schiene Deutschland vorantreibt

© Michael Bokelmann

Kristina benutzt für ihre Arbeit das Model Based Systems Engineering – kurz MBSE. MBSE ermöglicht die Beschreibung eines solch komplexen Systems Bahn überhaupt erst. Dafür nutzt sie eine Software, mit der sie Modelle und Diagramme entwirft, um Aktivitäten wie z. B. das beschriebene Anhalten des Zuges oder Aussteigen der Fahrgäste abzubilden und zu analysieren. Die Modellierung erfolgt digital am Computer, kreativer Austausch und Diskussionen im Team sind wichtig und finden neben den persönlichen Treffen oftmals online statt. Ihre Arbeitsweise ist so digital wie das Thema selbst. Parallel zu Kristina arbeiten Kolleg*innen mit und an den erforderlichen Technologien – von künstlicher Intelligenz über Sensorik wie Kamera, Radar, neuen Computing-Plattformen, digitaler Karte bis hin zu 5G.

Teamwork ist das eine, große Ideen kommen aber auch, wenn man in Ruhe über einer Aufgabe brütet

WEGWEISER

„Meine Informatik- und Physiklehrer haben damals in der Schule so leidenschaftlich von ihrem Fachgebiet gesprochen, das hat mich beeindruckt,“ erzählt Kristina Asselbor über die Wiege ihrer beruflichen Motivation. Mit einem Abi vom Wirtschaftsgymnasium in BadenWürttemberg startete sie schließlich das Studium zur Wirtschaftsingenieurin, das sie ehrlich gesagt herausforderte, aber auch Spaß machte. Dazwischen einen einjährigen Auslandsaufenthalt und nach ihrem Abschluss ein weiteres Jahr in Kanada. Als sie dann nach Deutschland zurückkam, entdeckte sie ein interessantes Praktikum bei der Deutschen Bahn im Bereich Systemingenieurwesen in Berlin und voilà – nun ist sie seit März 2022 fest angestellte Mitarbeiterin.

Bei der komplexen Arbeit sehen vier Augen mehr als zwei - Teamwork ist Teil des berufichen Alltags

SCHIENE

Die komplexe Logik in Kristinas Welt ist mal analog, mal digital

ZUKUNFT

Und nun? „Es macht mich stolz, an einem derart zukunftsweisenden Konzernprogramm mitzuarbeiten,“ erklärt sie. Hier kann sie Talent, Kompetenz und Leidenschaft verbinden. Denn klar ist: Nur mit dem Einzug neuer digitaler Technologien ins Bahnsystem sind die gesteckten Ziele von mehr Kapazität, Zuverlässigkeit und Effizienz erreichbar. In der Systemarchitektur, die Kristina und ihre Kolleg*innen der Digitalen Schiene Deutschland erstellen, wird detailliert, was einzelne Komponenten des Bahnsystems leisten müssen und wie sie zusammenarbeiten sollen. Konkrete Erprobungs- und Implementierungsprojekte der Digitalen Schiene Deutschland bringen dieses digitalisierte Bahnsystem immer weiter „in die Realität“. Ein ambitioniertes Vorhaben, das mit konkreten Pilotprojekten bereits begonnen hat, uns aber noch weit über die nächsten 15-20 Jahre begleiten wird. Damit wir demnächst noch pünktlicher ans Ziel kommen.

Das Video zum Interview gibt es hier: s.think-ing.de/asselbor-video

© Michael Bokelmann

© Michael Bokelmann

© Michael Bokelmann

DIGITALES MONITORING SORGT FÜR WARTUNGSFREIE

FAHRT

Das Unternehmen ZF entwickelt ein innovatives digitales Wartungsverfahren, das Streckenbetreiber und Bahnkund*innen glücklicher machen soll. Bequemer und übersichtlicher geht es kaum: Am Drehgestell, also dem Fahrwerk von Schienenfahrzeugen, werden kabellose Sensoren installiert, die Daten wie Beschleunigung, Vibrationen und Auffälligkeiten im Rad-SchieneKontakt aufzeichnen.

ENERGIEEFFIZIENZ AUF LEISEN RÄDERN

Innovative Technologien machen Schienenfahrzeuge ressourcenschonender und leiser. Ökologische Lösungen schonen aber nicht nur die Nerven der Anwohner*innen von Bahnstrecken. Nachhaltigkeit ist ein zunehmend wichtiger Wettbewerbsfaktor.

BAHN-TRENDS

Die Mess- und Streckendaten werden via Bluetooth an ein Telematik-Gateway übermittelt, dort verarbeitet und an eine Cloud gesendet. Die Betreiber können über ein digitales Dashboard jederzeit und von überall darauf zugreifen. So werden sie mit aktuellen Daten versorgt und haben den technischen Stand ihrer Flotte immer im Blick. Der kabellose Sensor zeigt Schäden an Rädern, Flachstellen oder Mikrorisse an der Rad-Oberfläche von Schienenfahrzeugen an, lange bevor sie Lärm oder Fahrzeugdefekte verursachen können. Auch potenzielle Mängel am Schienennetz bemerkt das System frühzeitig. Die täglich aktualisierten Analysen helfen dabei, Wartungen präzise zu planen und technisch bedingte Zugausfälle zu vermeiden. Das kommt letztlich auch den Fahrgästen auf den Bahnsteigen zugute.

Fahrwerksensoren erkennen Schäden frühzeitig und melden sie an einen zentralen Rechner

Das Unternehmen Knorr-Bremse stellt diese Faktoren in den Mittelpunkt seiner Produktentwicklung. Zum Beispiel mit sogenannten Flüsterbremsen, um laute Rollgeräusche bei Güterzügen zu reduzieren. Die traditionellen Bremsklötze aus Grauguss rauen die Laufflächen der Räder auf, Unebenheiten versetzen Räder und Schiene in Schwingung: Es entsteht Lärm. Knorr-Bremse hält mit organischen Bremssohlen zum Nachrüsten und Bremsklötzen mit hoher Reibung dagegen. Ein Großteil der DB Cargo-Güterwagen fährt bereits auf leiseren LL-Verbundsohlen (Low noise, Low friction). EU-weit sind leise organische Beläge bei Neufahrzeugen seit einigen Jahren Pflicht. Auch im Schienenverkehr gilt, je weniger Gewicht, desto weniger Energieverbrauch. Das macht sich bei Metrozügen besonders bemerkbar, die laufend beschleunigen und bremsen müssen. Auch hier hatten Ingenieur*innen bei Knorr-Bremse eine gute Idee: Bremsscheiben aus Aluminiumguss sind extrem leicht. Zwar ist ihre Herstellung schwieriger und die Anschaffung teurer. Dafür verschleißen Bremsbeläge mit Aluscheiben deutlich langsamer und haben weniger Abrieb. Die Metro in Hongkong setzt bei ihren neuen Zügen bereits auf diese Variante. Sie verliert so bis zu 400 Kilogramm pro Wagen an Gewicht. Da die Aluscheiben auf den Achsen sitzen, verbrauchen sie zudem bei der Drehbeschleunigung weniger Energie. Die Technik ist also leise, emissionsarm und energieeffizient zugleich.

© ZF

© Knorr-Bremse

Damit der Zug geräuscharm und sparsam rollt - Wartung in einem chinesischen Depot

MIT SICHERHEIT ANS ZIEL: INTELLIGENCE ON WHEELS

Im Flugverkehr gibt es schon lange ein zuverlässiges Antikollisionssystem. Intelligence on Wheels holt es vom Himmel auf die Schiene.

Die Bahn nutzt bereits zahlreiche Sicherheitssysteme, die entlang der Strecken oder in den Zügen installiert sind. Das System TrainCAS des Unternehmens Intelligence on Wheels (IoW) funktioniert unabhängig davon als zusätzliches Sicherheitstool. Es kombiniert eine direkte Zug-zuZug-Kommunikation mit einer präzisen Lokalisierung und einem weiteren Tool zur Situationsanalyseund Entscheidungsunterstützung. Das System kann in jedem Schienenfahrzeug und entlang der Bahnstrecken installiert werden und so etwa Zugführer*innen und Streckenarbeiter*innen rechtzeitig vor sich nähernden Zügen warnen.

NEUE ANTRIEBE: KURS AUF EINE KLIMANEUTRALE ZUKUNFT

Grüner Wasserstoff soll nicht nur in der Industrie Erdgas, Kohle und Öl ersetzen, sondern auch die Deutsche Bahn umweltgerecht modernisieren.

Bis 2040 will man auf Strecken ohne Oberleitungen auf die Verbrennung von Dieselöl verzichten – ein Schritt zur Klimaneutralität.

Das französische Unternehmen Alstom brachte bereits 2018 einen Wasserstoffzug auf die deutschen Gleise. Nun hat der Siemens-Konzern einen Nachfolger namens Mireo Plus H vorgestellt.

Im September 2022 war in Wegberg-Wildenrath (NRW) Premierenfahrt einschließlich Betankung

Andreas Lehner und Thomas Strang entwickelten TrainCAS – in Anlehnung an das Flugsicherungssystem TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System) – am Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der Informatiker und der Ingenieur stützten sich dabei auf das globale Navigationssatellitensystem, dessen Architektur, Algorithmen und Tücken sie sehr genau kennen. Jahrelang tüftelten sie an Erweiterungen und bahntauglichen Varianten. Seit der Gründung des Unternehmens wurde TrainCAS weiter optimiert und mehrfach ausgezeichnet. Die Technologie wird heute erfolgreich von verschiedenen Verkehrsunternehmen genutzt.

an der mobilen Wasserstofftankstelle. Der in Zusammenarbeit mit der Deutschen Bahn entwickelte Zug hat eine beachtliche Reichweite von bis zu 800 Kilometern und erreicht eine Geschwindigkeit von 160 km/h.

Für einen bundesweiten Einsatz bräuchte man allerdings viel grünen Wasserstoff. Solange der noch nicht ausreicht, bietet sich der Akku- oder BatterieTriebzug als Alternative an. Auf elektrifizierten Streckenabschnitten bekommt er seinen Strom aus der Oberleitung und lädt damit auch die Batterien an Bord auf. Zusätzlich sorgen Elektrifizierungsinseln an der Bahnstrecke für Spannung. Batterie-Triebzüge haben den Vorteil, dass sie nicht aufwändig betankt werden müssen, ihre Reichweite ist mit 100 bis 220 Kilometern aber eher gering. Schon bald sollen sie auf vier Regionallinien in SchleswigHolstein Fahrt aufnehmen. Einen Schritt Richtung Klimaneutralität leisten auch Hybrid-Züge. Die funktionieren im Prinzip wie Hybrid-PKW. An Bord haben sie neben einem Dieselmotor einen E-Motor, einen Stromgenerator und eine Batterie. Nur bei starker Belastung springt der Dieselmotor ein und lädt gleichzeitig die Batterie auf. 50 bis 75 Prozent der Einsatzzeit kann im Batteriebetrieb gefahren werden. Im besten Fall spart das System die Hälfte des Treibstoffs und 70 Prozent Schadstoffe ein.

© Siemens

Premierenfahrt des Wasserstofzugs Mireo Plus H im September 2022

Messfahrt der IoWGründer mit dem advanced TrainLab, einem Spezialzug der Deutschen Bahn für Forschung und Entwicklung

© IoW

Das gesamte Interview gibt es online unter: s.think-ing.de/duerfeld

DIE ZUKUNFTSSCHIENE

Studierende der Schienenfahrzeugtechnik bringen klimafreundliche Mobilität auf den Weg

Robert Dürfeld tüftelte schon immer gern an Lösungen, wenn etwas nicht funktionierte. Als begeisterter Zugfahrer entschied er sich nach dem Abi für den Bachelorstudiengang Schienenfahrzeugtechnik an der Fachhochschule Aachen, wo er im fünften Semester studiert. Im Interview erzählt er, warum sich das Studium lohnt.

WAS IST DAS BESONDERE AN SCHIENENFAHRZEUGTECHNIK?

Der Studiengang bereitet uns auf eine absolute Zukunftsbranche vor, denn Züge garantieren eine klimafreundliche Mobilität. Soweit ich weiß, ist der Bachelor hier an der Fachhochschule Aachen einzigartig und genießt auch international einen sehr guten Ruf. Deshalb kommen unsere Studierenden sogar aus Frankreich, Indien oder Thailand. Wenn ich meinen Bachelor habe, bin ich optimal qualifiziert und kann fast überall anfangen.

WIE SIEHT DEIN STUNDENPLAN AUS?

In den ersten vier Semestern erlernen wir die Grundlagen wie Mathematik, Mechanik, Fertigungsverfahren, Werkstoffkunde, Physik, technisches Zeichnen und CAD oder Thermodynamik. Erst danach geht es speziell um Schienenfahrzeuge, beispielsweise ihren Antrieb oder die Leit- und Sicherungstechnik. Außerdem können wir Vertiefungsfächer wählen, etwa aus den Bereichen Wirtschaft oder Recht. Ich habe Qualitätsmanagement und Vertragswesen belegt.

WOHER HAST DU DEIN PRAXISWISSEN?

Ich war regelmäßig bei der Railway Challenge dabei. Das ist ein internationaler Wettbewerb für Auszubildende, Studierende und Young Professionals, bei dem wir eine Lok im Maßstab 1:5 nachbauen. Sie muss bestimmte statische und dynamische Voraussetzungen erfüllen. Die Teams organisieren dann den ganzen Prozess: Sie konstruieren, beschaffen, bauen und präsentieren am Ende das Ergebnis. Ich habe aus der Challenge fast mehr mitgenommen als aus dem Studium. Ein tolles Übungsfeld!

WIE GEHT’S FÜR DICH NACH DEM BACHELOR WEITER?

Ich bin bereits jetzt als Werkstudent in einem großen Unternehmen tätig und könnte mir vorstellen, hierzubleiben. Infrage kämen aber auch ein Master in Schienenfahrzeugtechnik oder ein Job bei einem anderen Unternehmen. Mir ist wichtig, dass die Arbeit nicht monoton ist und ich meine Kompetenzen erweitern kann.

WAS STUDIEREN?

Bei der Eisenbahn sind die Kompetenzen von Ingenieur*innen gefragt. Denn wer Gleise, Stellwerke oder die Leittechnik instandhält und verbessert, braucht fundiertes Wissen rund um die Planung und Konstruktion von Schienenwegen. Wenn du dich für ein Studium in dem Bereich entscheidest, arbeitest du also an wichtigen Aufgaben.

Eine Zusammenstellung einiger Studiengänge zum Thema fndet ihr unter s.think-ing.de/studium-schiene

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Herausgeber GESAMTMETALL

Gesamtverband der Arbeitgeberverbände der Metall- und Elektro-Industrie e.V. Voßstraße 16 - 10117 Berlin

Verantwortliche Leitung Indra Hadeler

Redaktion und Gestaltung concedra GmbH, Bochum

Druck color-offset-wälter GmbH & Co. KG, Dortmund

Alle in dieser kompakt enthaltenen Inhalte und Informationen wurden sorgfältig auf Richtigkeit überprüft. Dennoch kann keine Garantie für die Angaben übernommen werden.

Glückliche Gewinner der Railway Challenge: Robert Dürfeld hat mit dem Team der FH Aachen erfolgreich Theorie in Praxis umgesetzt