Detailversuche Phase I
In Phase I wurden vier DAK Prototypen intensiven Einzelvergleichsversuchen unterzogen. Ziel war es, ausreichend Erkenntnisse zu sammeln und die Ergebnisse anschließend dem European DAC Delivery Porgramme (EDDP) vorzulegen, damit dieses aus 84 Partnern bestehende europäische Gremium eine Auswahlentscheidung für ein Kupplungssystem treffen konnte. Die Ergebnisse wurden ausführlich diskutiert und bewertet, so dass am 21. September 2021 das EDDP seine Auswahl des Scharfenberg-/Latch type-Designs verkünden konnte. Dieses wurde dann für die europaweite Einführung ausgesucht.
In diesem Abschnitt führen wir Sie durch Phase I und beschreiben das Testkonzept sowie die Vorgehensweise und fassen die Ergebnisse zusammen. Die detaillierten Prüfberichte finden Sie zum Download auf der Website des BMV.
Messtechnische Ausrüstung
Für die Versuche in Phase I wurde auf den Güterwagen Messtechnik implementiert, die sich in drei Gruppen einteilen lässt:
- Messtechnik, die für die mechanische und pneumatische Untersuchung notwendig ist
- Messtechnik, die die Funktionalität der Energieversorgung nachweist
- Messtechnik für den Nachweis der zuverlässigen Datenkommunikation
Im Folgenden werden diese drei Gruppen näher beschrieben.
Mechanische und pneumatische Messtechnik
Nachfolgend sind die physikalischen Messgrößen aufgeführt, die während der Versuche aufgezeichnet wurden, sowie die jeweils dafür genutzten Sensortypen.
Messgröße | Sensor | Komponente | Fahrzeug | genaue Position |
|---|---|---|---|---|
Kupplungskraft | Dehnmessstreifen(DMS) | Zug-Druck-Stange | Hbbins 306 | Beide Kupplungen |
Beschleunigung Kupplung(mechanischer Teil) | Beschleunigungsaufnehmer(3 Achsen) | Kupplungskopf | Hbbins 306 | Beide Kupplungen |
Beschleunigung Kupplung(elektrischer Teil) | Beschleunigungsaufnehmer (3 Achsen) | E-Kupplung | Hbbins 306 | Beide Kupplungen |
Wagengeschwindigkeit | Inkrementalgeber | Wagen | am rollendenWagen je Kuppelversuch | unterhalb des Fzg. |
Fahrstrecke desWagens | Radarsensor | Wagen | am rollendenWagen je Kuppelversuch | unterhalb des Fzg. |
Hauptluftleitungsdruck | Drucksensor | Wagen | exemplarisch aneiner Kuppelstelle | am Steuerventil |
Bremszylinderdruck | Drucksensor | Wagen | exemplarisch aneiner Kuppelstelle | am Steuerventil |
Stellung desFührerbremsventils | Seilzuggeber | Führerpult | Triebfahrzeug | Bedienhebel desFührerbremsventils |
Komponenten zur Untersuchungder Stromversorgung und der Daten-Kommunikation
Die Komponenten zur Untersuchung der Stromversorgung und der Datenkommunikation sind in der Tabelle unten aufgelistet. Sie sind in die zentrale Anschlussbox integriert.
Modul | Beschreibung |
|---|---|
Industrie-PC | Der Embedded PC ist das zentrale Element zur Steuerung der Kommunikationssysteme. Durch kommunikationssystemabhängige Softwaremodule wird die Einbindung aller Systeme erreicht. Der Embedded PC enthält Software zum Test und zur Analyse der Kommunikationsverbindungen. Über diese Komponente erfolgt auch die Steuerung der Tests. |
Kommunikationsmodul CAN | Das (2-Port)-CAN-FD-Kommunikationsmodul setzt die CAN-Datenpakete auf Ethernet um. |
Powerline-Modul | Zur Erprobung des Powerline-Systems |
Wifi-Accesspoint/-Client | Zum Test des Funksystems als Kommunikationsverbindung zwischen den Wagen wird ein WiFi-Accesspoint verwendet, der sich auch in den Client-Modus versetzen lässt. |
Relais | Es wird ein Industrie-Relais genutzt, um die CAN-Verbindung zu überbrücken. Dadurch kann der CAN-Bus sowohl im Modus des segmentierten Kommunikationssystems als auch im Modus mit durchgehender Leitung betrieben werden. |
Ethernet-Switch | Das Ethernet-Switch bündelt die verschiedenen Kommunikationssysteme zur Anbindung an den Ethernet-Port des Industrie-PCs. Bei Bedarf kann hier auch ein Adapter für Module aus Parallelprojekten angeschlossen werden. |
I/O-Modul | Es werden I/O-Module für folgende Funktionen verwendet:
|
Sonstiges | Installationsmaterial zum Aufbau der Wagenbox |
Powermanagement-Batterie | Kopfstation der Batterie: Das Modul übernimmt automatisch die Ladung der Batterie bei einer Versorgung durch die 110V-DC Leitung. Bei Ausfall der Versorgung wird automatisch die Batterie zur Versorgung zugeschaltet. Ggf. kann eine Abfrage des Ladungszustands (Einspeise-/Entladeleistung) der Batterie implementiert werden. |
Batterie | Batterie zum Anschluss an das Powermanagement |
Netzteil(110V DC auf 24V DC) | Umsetzung der Spannung auf der 110V-DC-Versorgung des Zug-Bus auf das wageninterne Spannungsniveau von 24V DC |
Signalleuchte | Außerhalb der Wagenbox sichtbare Anzeige, um Zustände des Wagens darzustellen (Spannung auf 110V-DC-Leitung vorhanden, ggf. Kupplungszustand, falls Information vorhanden) |
Testkonzept und Versuche
In Phase I wurden die beschafften Kupplungen jeweils anhand eines mit dem EDDP abgestimmten, detaillierten Testkonzepts geprüft. Dabei wurden die eingangs beschriebene Wagenkonfiguration und die messtechnische Ausrüstung angewendet.
Nach dem Aufbau des Demonstrators (Juni bis September 2020) wurde die Phase I im September 2020 begonnen. Aufgrund offener technischer Fragestellungen zu den Kupplungsprototypen konnte das Testprogramm jedoch nicht wie geplant bis Februar 2021 finalisiert werden. In enger Zusammenarbeit mit allen Kupplungsherstellern wurde die Phase I daher bis zum 30.06.2021 verlängert.
Kuppel- und Fahrversuche
Die mechanischen Versuche umfassten Kuppelversuche und Versuche zum Betrieb (Durchfahren verschiedener Gleis-Geometrien). Für einen belastbaren Nachweis der Kuppelbarkeit und des uneingeschränkten Betriebs war eine Vielzahl von Versuchen mit verschiedenen Geschwindigkeiten in verschiedenen Geometrien notwendig. Um die Signifikanz eines Ergebnisses und dessen Wiederholbarkeit besser beurteilen zu können, wurden die Versuche fünfmal wiederholt.
Ladezustand 1
ErgebnisseDie Ergebnisse der Kuppel- und Fahrversuche der getesteten Prototypen stellen sich recht unterschiedlich dar. Gemeinsam haben die Kupplungen aller Hersteller, dass im Verlauf der Tests Defizite und Schwächen identifiziert wurden und an allen Kupplungsdesigns Nachbesserungen erforderlich waren. Nur durch die eingangs erläuterte Testverlängerung und die Nachbesserungen durch die Hersteller konnte eine umfassende Datenbasis für alle Prototypen im Test geschaffen werden. Im Folgenden werden die drei DAK-Designs einzeln betrachtet und die Erkenntnisse je Design zusammenfassend aufgeführt.
Scharfenberg-Design des Herstellers VoithDie Fahrversuche verliefen insgesamt ohne Auffälligkeiten. Sämtliche Infrastrukturen konnten ohne Einschränkungen befahren werden. Die Kuppelvorgänge mit der ersten Version der Voith-DAK sind in zahlreichen Fällen fehlgeschlagen. Die elektrischen Kuppelvorgänge sind ebenfalls in vielen Fällen als „nicht erfolgreich“ bewertet worden (z.B. 24 von 72 Versuchen nicht erfolgreich bei 6 km/h). Äußerlich zeigten die Kontakte häufig nach wenigen Versuchen deutliche Verschleißspuren, was als Ursache für die negative Auswertung festgestellt wurde. Im Detail zeigte sich, dass lediglich einzelne Kontakte dauerhaft ausgefallen sind. Voith hat eine Version 1.2 erarbeitet und bereitgestellt, bei der der Kupplungskopf angepasst worden ist. Bei den Kuppelversuchen mit dieser zweiten Version des DAK-Designs waren die Kuppelvorgänge bei den niedrigen und mittleren Geschwindigkeiten erfolgreich. Lediglich bei Kuppelversuchen mit 12 km/h kam es zweimal zu einem Abprallen der Wagen ohne Kuppelvorgang. Die Probleme mit den Kontakten in der elektrischen Kupplung sind bei der Version 1.2 des Prototypen unverändert geblieben.
Latch Type-Design des Herstellers DellnerDie erste Generation des Latch Type-Designs von Dellner hat die geforderte mechanische Festigkeit nicht erfüllt, so dass hier Einschränkungen für die Kuppelstöße durch Dellner ausgesprochen wurden. Konkret waren Kuppelstöße mit Geschwindigkeiten über 10km/h untersagt. Dennoch sind die mechanischen und pneumatischen Verbindungen bei den Kuppelvorgängen unter Berücksichtigung der Einschränkungen zu 100% erfolgreich getestet worden. Die zweite Generation der Kupplung beinhaltete eine mechanische Aufrüstung der DAK und die Implementierung eines Stabilisierungsgelenks zur Verbesserung der Sicherheit gegen Entgleisen.
Die elektrischen Kuppelvorgänge sind in vielen Fällen als „nicht erfolgreich“ bewertet worden (z.B. 27 von 27 Versuchen nicht erfolgreich bei 2 km/h). Äußerlich zeigten die Kontakte häufig nach wenigen Versuchen ebenfalls deutliche Verschleißspuren und ein Klemmen der beweglichen Kontaktseite. In vielen Fällen ist, analog zu den Ergebnissen der Voith-Kupplung, der Ausfall einzelner Kontakte ursächlich für das negative Ergebnis der Auswertung. In mindestens einem Fall haben sich allerdings die beiden E-Kupplungen gänzlich verfehlt.
Die Fahrversuche mit dem Generation 1 Prototypen verliefen insgesamt ohne Auffälligkeiten. Sämtliche Infrastrukturen konnten ohne Einschränkungen befahren werden.
Schwab-Design des Herstellers WabtecAuch der Schwab-Prototyp konnte erst mit einer zweiten Version bewertbare Ergebnisse hervorbringen. Mit den getesteten DAK-Prototypen sind die mechanischen Verbindungen bei den Kuppelvorgängen zu 100% erfolgreich getestet worden. Die pneumatische Kupplung hat in einigen Fällen nicht funktioniert (z.B. 12 von 104 Versuchen nicht erfolgreich bei 2 km/h). Das Kuppeln von Zags und Hbbins war in dem 100-Meter Bogen in Abhängigkeit von der Beladung des Hbbins nur teilweise möglich. Das Kuppeln von Zags und Hbbins war im 75-Meter Bogen nicht möglich.Bei den Tests sind konstruktive Schwächen an den beweglichen Teilen der Elektrokontaktkupplung aufgetreten, wodurch beim Großteil der Versuche die elektrische Verbindung in den Protokollen als nicht erfolgreich geschlossen geführt werden (z.B. 48 von 104 Versuchen nicht erfolgreich bei 2 km/h).Mit den nachgerüsteten E-Kupplungen sind ausgewählte Nachtests durchgeführt worden. Dabei konnte nur ein begrenzter Geschwindigkeitsbereich nachbetrachtet werden. In diesen Nachtests waren die ergriffenen Maßnahmen erfolgreich. Es waren keine signifikanten Verschleißspuren bei den E-Kontakten erkennbar.
Die Fahrversuche waren mechanisch und elektrisch zu 100% erfolgreich. Es sind jedoch Probleme mit der pneumatischen Verbindung festgestellt worden (pneumatisch gekuppelt in 30 von 142 Versuchen nicht erfolgreich). Hier kam es zu kurzzeitigen Luftverlusten. Im Laufe der Versuche hat sich gezeigt, dass die notwendige Kraft, um zwei entkuppelte Wagen zu trennen, immer größer geworden war. Dieses Verhalten konnte gegen Ende von Phase I durch Wabtec behoben werden, in dem die Kupplungsköpfe mit Hilfe eines Adapters an der Kupplungsstange seitlich vorausgelenkt wurden. Hierdurch schien die Entkuppelkraft wieder in einen akzeptablen Rahmen gefallen zu sein, dies konnte in der verbleibenden Zeit nur eingeschränkt getestet werden.
ErgebnisseIn den Nachschieberversuchen hat keine der Kupplungen den bei einer Schraubenkupplung geforderten Mindestwert der ertragbaren Längsdruckkraft von 200 kN unterschritten. Zwei von drei getesteten DAK Prototypen konnten das Referenzniveau der Schraubenkupplung sogar deutlich (z.T. mehr als Faktor 2) übersteigen.
Die Scharfenberg- und Latch Type-Designs sind bei 500 kN bzw. bei 400 kN entgleist. Beim Schwab-Design wurden die Versuche bei 400 kN abgebrochen, da es bereits zu einer deutlichen Radreaktion gekommen war und eine Entgleisung auf Anweisung des Herstellers verhindert werden sollte. Zudem hat keine Kupplung die Grenzwerte für die Radanhebung und die größte zulässige Radsatzlagerquerkraft erreicht oder überschritten. Dennoch sind bei den Versuchen Entgleisungen erfolgt. Dieser Umstand könnte Gegenstand weiterer Forschung sein und konnte nicht abschließend geklärt werden. Die aus den Versuchen resultierende Datenbasis könnte für den Weg in Richtung europäischer Zulassung essenziell sein.
Elektrische Versuche
Jeder der vier DAK-Prototypen ist mit einer elektrischen Kupplung (E-Kupplung) ausgestattet. Bei dem Schwab- und SA3-Design waren die E-Kupplungen jeweils unterhalb der mechanischen Kupplung angebracht, beim Scharfenberg- und Latch Type-Designs oberhalb. Sowohl die SA3- als auch die Scharfenberg- und Latch Type-DAK besitzen Feder-/Festkontakte, bei der Schwab-DAK sind Stift-/Buchsenkontakte verbaut.
Insgesamt sind vier Messungen durchgeführt worden:
- Messungen des Übergangswiderstandes
- Isolationswiderstandmessung
- Leistungsübertragung über den Zug
- Lade- und Entladeverhalten der Batterien
Dabei sind die Messungen des Übergangswiderstands und die Isolationswiderstandsmessungen vor Beginn der mechanischen Kuppelversuche sowie während und nach des Versuchsprogramms durchgeführt worden. Bei (1) waren die DAK-Prototypen in gekuppeltem Zustand, während sie bei (2) in einem ungekuppelten Zustand waren. Die Leistungsübertragung (3) wurde je Kupplungsdesign in dem 3er-Wagenverbund gemessen und in gekuppeltem Zustand. Das Lade- und Entladeverhalten der Batterien (4) wurde hingegen im gesamten Zugverbund mit neun Wagen getestet.
ErgebnisseDie Akzeptanzkriterien bei den Messungen der Übergangswiderstände sind bei den Scharfenberg-, Latch Type- und Schwab-DAK-Prototypen nur teilweise erfüllt worden, da die Maximalwiderstände für die Versorgungs- und Datenleitungen (beim Latch Type-Design) oder nur für die Datenleitungen (beim Scharfenberg- und bei Schwab- Design) nur teilweise erfüllt worden sind.
Die Isolationswiderstände des Scharfenberg-Designs waren zu niedrig. Die Akzeptanzkriterien von (3) und (4) sind hingegen von allen E-Kupplungsdesigns erfüllt worden.
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Messungen zusammengefasst:
| E-Kupplung | E11 Übergangswiderstände (1) | E12 Isolationswiderstände (2) | E15 Leistungsübertragung (3) | E16 Lade-/Entladeverhalten der Batterien (4) |
|---|---|---|---|---|
CAF | nicht erfüllt | erfüllt; (ohne Abschlussmessung) | nicht erprobt | nicht erprobt |
Dellner | teilweise erfüllt | erfüllt | erfüllt | erfüllt |
Voith | teilweise erfüllt | nicht erfüllt | erfüllt | erfüllt |
Wabtec | teilweise erfüllt | erfüllt bis auf 1 Kontaktstelle; nur teilweise Abschlussmessung | erfüllt | erfüllt |
Versuche zur Strom- und Datenkommunikation
Ein wesentlicher Bestandteil einer DAK ist die Verbindung von Strom und Daten zwischen den Wagen. Im Rahmen des Projektes sind deshalb drei unterschiedliche Kommunikationssysteme getestet worden:
- ein System, das auf den Stromleitungen aufsetzt: Powerline PLUS,
- eine Funktechnologie zwischen den Wagen: Wireless LAN und
- einer 2-Draht-Lösung über separate Leitungen: CAN-FD
Ziel der Versuche zu Strom- und Datenkommunikation in Phase I ist es gewesen, eine passende Kommunikationstopologie für die Betriebserprobung in Phase II auszuwählen. Die Tests haben ergeben, dass alle drei Kommunikationssysteme für eine weitere Evaluierung in Phase II geeignet sind. Die Versuche in Phase II haben mittlerweile weitere entscheidende Ergebnisse für die Auswahl eines Kommunikationssystems für den Regelbetrieb geliefert. Untersucht wurde der Daten- und Stromfluss sowohl in den einzelnen Wagengruppen als auch im gesamten Zugverbund mit 12 Wagen. Dabei ist die Verbindung zur Wagengruppe mit dem SA3-Design überbrückt worden. Bei den Messungen in den einzelnen Wagengruppen konnte keine Abhängigkeit zum Kupplungsdesign festgestellt werden. Im Zugverbund sind die Kommunikationssysteme auf Belastbarkeit und Störfestigkeit untersucht worden, wobei eine stabile Kommunikation demonstriert werden konnte.
Eine Übersicht über die Versuche zur Datenkommunikation:
Nr. | Kommunikationssystem | Typ | Einzelwagen/Zug |
|---|---|---|---|
D11 | Powerline (vor Kupplungsversuchen) | Kanalmessung | Einzelwagen |
D12 | Powerline (vor Kupplungsversuchen) | Kanalmessung | Zug |
D13 | CAN-FD | Kanalmessung | Einzelwagen |
D14 | CAN-FD | Kanalmessung | Zug |
D15 | Powerline (nach Kupplungsversuchen) | Kanalmessung | Einzelwagen |
D16 | Funk | Kanalmessung | Einzelwagen |
D17 | CAN-FD (nach Kupplungsversuchen) | Kanalmessung | Einzelwagen |
D18 | Powerline | Datenkommunikation | Einzelwagen |
D19 | Powerline | Datenkommunikation | Zug |
D20 | CAN-FD | Datenkommunikation | Einzelwagen |
D21 | CAN-FD | Datenkommunikation | Zug |
D22 | Funk | Datenkommunikation | Einzelwagen |
D23 | Funk | Datenkommunikation | Zug |
Versuchsbedingungen
Die Bedingungen und Temperaturen, unter denen das Kuppel- und Entkuppelverhalten untersucht wird:
Temperatur | Umgebungsbedingung | Geschwindigkeit | Anzahl derWiederholungen |
|---|---|---|---|
45°C | trocken | 2-5 km/h | 5 |
45°C | 90% Luftfeuchtigkeit | 2-5 km/h | 5 |
0°C | feucht (Schneematsch) | 2-5 km/h | 5 |
-5°C | feucht (Schneematsch) | 2-5 km/h | 5 |
-10°C | trocken | 2-5 km/h | 5 |
-10°C | 3-5 mm Eis auf Kupplungsstirnfläche,Kupplung (gekuppelt) | 2-5 km/h | 5 |
-25°C | trocken | 2-5 km/h | 5 |
-25°C | 3-5 mm Eis auf Kupplungsstirnfläche,Kupplung (gekuppelt) | 2-5 km/h | 5 |
Ergebnisse
Die Ergebnisse der Klimakammerversuche zeigten auf, dass alle drei DAK-Prototypen Probleme beim Kuppeln der E-Kupplung bei Schneematsch (Latch Type-Design) und/oder Eis (alle drei Designs) hatten. Die E-Kupplungen konnten kaum bis gar nicht kuppeln, da die Abdeckklappen und Kontakte für diese Wetterbedingungen nicht geeignet waren. Beim pneumatischen Kuppeln hat das Latch Type-Design am besten abgeschnitten, denn mit jedem erfolgreichen mechanischen Kuppelvorgang, hat auch die pneumatische Verbindung funktioniert.
Bei dem Schwab-Design musste vom regulären Versuchsaufbau abgewichen werden, da die Kupplungen zwischen E- und H-Wagen in entkuppeltem Zustand nicht per Hand getrennt werden konnten. Es brauchte eine stärkere Zugkraft, so dass der H-Wagen für die Ausgangposition freistehend positioniert wurde. Der Schwab-Prototyp konnte zwar bei Schnee mechanisch kuppeln, jedoch nicht bei Eis. Pneumatische und elektrische Verbindungen sind nur bei +45°C zustande gekommen
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