Facharbeit Fabian Preiß - Die Schwebetechnik des Transrapids (2008)

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Kategorie: Dokumentation
Veröffentlichungsdatum Geschrieben von Mats Marcus

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Fabian Preiß
Helmholtz-Gymnasium

 

Facharbeit:

Die Schwebetechnik des Transrapids

In welchen Fällen kann der zum Schweben benötigte Mehraufwand an Energie beim Transrapid durch andere Systemvorteile kompensiert werden?

http://pentavelo.de/bilder?func=detail&id=280

Gliederung:

0 Einführung

1 Geschichtliches zum Personentransport durch fahrweggebundene Fahrzeuge

1.1 Fahrweggebundener Personenverkehr
1.2 Funktionsweisen unterschiedlicher fahrweggebundener Fahrzeuge

1.2.1 Dieselelektrischer Antrieb
1.2.2 Dieseltriebwagen
1.2.3 Elektronische Fahrzeuge
1.2.4 Funktionsschema des HSST und weiterer Magnetbahnen

2 Funktionsschema des Transrapids

2.1 Der Fahrweg
2.2 Aufbau des Fahrzeugantriebs
2.3 Steuerung und Stromversorgung

3 Ermittlung des Fahrwiderstandes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit

3.1 Berechnung der Fahrwiderstände bei 5-segmentigen Transrapid-Fahrzeugen
3.2 Berechnung des Fahrwiderstandes beim Rad-Schiene System
3.3 Einschränkungen bei diesem Vergleich
3.4 Effizienz in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Streckenlänge und Fahrgastanzahl

4 Benennung weiterer wesentlicher Systemunterschiede, sowie der Vor und Nachteile
5 Fazit
6 Quellen

 

 

0 Einführung

Da meine Jugend forscht Tätigkeiten der vergangenen 3 Jahre eng mit möglichen Lösungen für die Zukunft der Transportmittel verbunden waren, wollte ich eine Fragestellung aufgreifen, die Herr Dr. Ensslin während meines Projektes „Magnetbahn – Entwicklung und Umsetzung“ angesprochen hat. Dabei zweifelte er an dem Nutzen einer schwebenden Bahn, da allein zum Schweben eine beträchtliche Leistung notwendig ist. Da Thyssen-Krupp mir nach Abschluss der Jugend forscht Arbeit einiges an Fachliteratur zum Transrapid hat zukommen lassen bot es sich an dem Energieverbrauch vom Rad-Schiene-System bzw. des Magnetschwebe-bahnsystems auf den Grund zu gehen. Es sollte jedoch vorweg genommen werden, dass diese Arbeit im Wesentlichen den Energieverbrauch und nicht die Summe aller Vor- und Nachteile vergleicht. Da in der Fachliteratur zum ICE 3 (Baureihe 406) 2 Endwagen, 6 Mittelwagen [1] sowie dem Transrapid TR 08 mit 5 Sektionen [2] die meisten Daten genannt werden, beziehe ich mich insbesondere auf diese Fahrzeugtypen., Dies bietet sich auch durch die vergleichbaren Sitzplatzzahlen an, die beim Transrapid mit 435 und beim ICE3 mit 431 angegeben werden. Da bei der Magnetschwebetechnik des Transrapids der Energieaufwand zum Schweben abhängig vom Gewicht des beladenen Fahrzeugs abhängig ist, hat dieser beim Gütertransport noch entscheidende Nachteile. Auch würde ein genaueres Eingehen auf den Hochgeschwindigkeits-Schienenverkehr in anderen Ländern, wie zum Beispiel beim TGV in Frankreich, den Rahmen sprengen.

 

1 Geschichtliches zum Personentransport durch fahrweggebundene Fahrzeuge:

Den Anfang in der Entwicklung des Rad-Schiene-Systems machten bereits vor 1530 im Bergbau eingesetzte Loren auf Holz-Schienen. [3] Die erste Dampflokomotive wurde 1804 von Richard Trevithick in Betrieb genommen [4]. In Deutschland wurde die erste Eisenbahn 1831 in Betrieb genommen. Nach 1871 begann man mit der Verstaatlichung der Eisenbahnen [5]. Militärisch genutzt wurde sie insbesondere während des 1. Weltkriegs [4]. Bis zum 2. Weltkrieg verlor sie durch die Verbreitung von Kraftfahrzeugen an Bedeutung. Den Grundstein zur Magnetschwebebahn legte der deutsche Ingenieur Hermann Kemper, der 1934 ein Reichspatent zugesprochen bekam [6]. Während der darauf folgenden Jahrzehnte wurde diese Entwicklung in Deutschland jedoch nicht weiter fortgeführt. 1962 wurden die Forschungen an Magnetschwebefahrzeugen wieder aufgegriffen [7]. Anfang der 70er Jahre wurden auch in Deutschland die Entwicklungen von Hochgeschwindigkeitsbahnen durch den Bund gefördert [8]. Bereits ein Jahr später konnte das Prinzipfahrzeug MBB mit einem Gewicht von ca.6 Tonnen auf einer 660 Meter langen Strecke schwebend eine Geschwindigkeit von 90 Km/h erreichen [9]. Noch im gleichen Jahr konnte der Transrapid 02 auf einer 930 Meter langen Teststrecke eine Geschwindigkeit von 164 km/h erreichen [9]. 1977 konnte in Japan auf einer 7 km langen Magnetbahnteststrecke ein Geschwindigkeitsrekord von 517 km/h aufgestellt werden [7]. 2 Jahre später wurde mit dem Transrapid 05 weltweit die erste Magnetbahn für den Personenverkehr zugelassen [10]. 1983 konnte der Transrapid 06 auf der teilweise fertig gestellten Versuchsstrecke im Emsland in Betrieb genommen werden [11]. 1985 wurde der InterCityExperimental der Öffentlichkeit vorgestellt und erreichte mit 317 km/h einen neuen Geschwindigkeitsrekord [12]. Anfang der 90er wurden die ersten Serienfahrzeuge des ICEs ausgeliefert und in Betrieb genommen [8]. Am 3. Juni 1998 ereignete sich in Eschede das bisher schwerste Unglück aller Hochgeschwindigkeits-Züge weltweit. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 200 km/h brach ein Radreifen durch Materialermüdung. Von den 287 Reisenden verstarben 101, 88 Reisende wurden schwer verletzt [13]. Seit Ende 2002 wird der Transrapid 08 in Shanghai betrieben, dieser erreicht auf der 30 km langen Strecke im Betrieb eine Geschwin-
digkeit von 430km/h [14]. 2006 kam es in Shanghai zu einem Brand im zweiten Waggon. Verletzt wurde dabei niemand. Noch im gleichen Jahr ereignete sich auf der Versuchsstrecke im Emsland ein Unfall, bei dem der Transrapid 08 in einen Werkstattwagen fuhr [11], es kam zu 23 Toten und 10 Verletzten. 2012 soll der Transrapid 09 in München in Betrieb genommen werden [15]. Die Fertigstellung einer 290 Kilometer langen JR-Maglev in Japan in etwa 18 Jahren ist Ende letzten Jahres angekündigt worden, dieses System nutzt supraleitende Spulen im Fahrzeug [16].

1.1 Fahrweggebundener Personenverkehr
Beim öffentlichen Personenverkehr wird unterschieden zwischen dem Nah-/Regional- und Fernverkehr. Typische Fahrzeuge des Nahverkehrs sind U-Bahnen, Stadtbahnen und situationsbedingt auch S-Bahnen. Auch die Wuppertaler Schwebe-bahn ist im Nahverkehr einzuordnen. Die Bezeichnung ist jedoch irreführend, da die Fahrzeuge an Stahlschienen hängen, der Antrieb erfolgt durch den Einsatz von fahrzeugseitigen Elektromotoren. Beim Regionalverkehr sind in Deutschland neben der S-Bahn vor allem Regionalbahnen und eingeschränkt auch der Regional-Express vertreten. Im Fernverkehr kommen in Deutschland der Regional-Express und der Inter City Express zum Einsatz. Auch wenn die Übergänge zwischen Nah-/Regional- und Fernverkehr fließend sind, ist eine Etablierung des Transrapids im Nahverkehr eher unwahrscheinlich, da durch die kurzen Haltestellenabstände das Geschwindigkeitspotential nicht effektiv genutzt werden kann. In China wird der Transrapid 08 bereits auf einer 30 km langen Strecke genutzt, auf dieser konnte 2003 ein Geschwindigkeitsrekord von 501 km/h aufgestellt werden [14].

1.2 Funktionsweisen unterschiedlicher fahrweggebundener Fahrzeuge
Es gibt mehrere gebräuchliche voneinander grundsätzlich zu unterscheidenden Antriebe in Fahrweggebundenen Fahrzeugen, die sich situationsbedingt gegenüber den anderen behaupten können:

1.2.1 Dieselelektrischer Antrieb
In Deutschland ist der dieselelektrische Antrieb im Schienenverkehr eher unüblich. Dabei wird in einer dieselelektrisch angetriebenen Lok ein Verbrennungsmotor mitgeführt. Durch Generatoren wird die mechanische Energie in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser wiederum liefert die Stromversorgung der einzelnen Zug-sektionen sowie für die einzelnen Elektromotoren, die sich unmittelbar bei den Rädern befinden [17], [18]. Nachteile dieses Konzepts sind das hohe Eigengewicht des Zuges, sowie der schlechte Wirkungsgrad, der durch die Energieumwandlungen zustande kommt. Dafür können diese Fahrzeuge auch auf Strecken ohne Oberleitungen verkehren.

1.2.2 Dieseltriebwagen
Gebräuchlicher als der dieselelektrische Antrieb sind Dieseltriebwagen in Deutschland. Diese verwenden Dieselmotoren oder Gasturbinen zur Erzeugung von kinetischer Energie. Je nach System handelt es sich dabei um einen eigenständigen Wagen, der den Zug schiebt/zieht, der Antrieb kann jedoch auch im Zug selbst integriert sein. Dieseltriebwagen sind nicht abhängig von Oberleitungen. Haben jedoch ein relativ hohes Eigengewicht [18], [19].


1.2.3 Elektronische Fahrzeuge
Mittlerweile werden auf Großteilen des deutschen Streckennetzes Elektro-Loks verwendet. Dazu sind Oberleitungen erforderlich, welche mit „Bahnstrom“ (15kV, 16 2/3 Hz) versorgt werden. Da jedoch in vielen Ländern unterschiedliche Stromsysteme verwendet werden, ist es ohne entsprechende Leistungselektronik nicht möglich die Fahrzeuge in anderen Ländern einzusetzen. Vorteilhaft sind das geringere Eigengewicht der Fahrzeuge sowie der höhere Wirkungsgrad. Durch die Stromabnehmer steigen jedoch auch der Luftwiderstand und der dadurch erzeugte Lärm. Zudem wird ein breitflächiges Oberleitungssystem notwendig, durch welches ein zusätzlicher Platzbedarf sowie ein höherer Wartungsaufwand zustande kommen. Teilweise werden auch Hybridfahrzeuge eingesetzt, die sowohl über einen Dieselantrieb als auch über die notwendigen Stromabnehmer verfügen [20]. Elektro-Loks werden auch auf Hochgeschwindigkeitsstrecken üblicherweise verwendet.

1.2.4 Funktionsschema des HSST und weiterer Magnetbahnen
Das in Japan entwickelte JR-Maglev-Hochgeschwindigkeits-System verwendet ebenso wie der Transrapid einen Fahrwegseitigen (Langstator) Wanderfeldlinear-motor mit einer synchronen Ansteuerung (die Geschwindigkeit wird durch die Frequenz geregelt). Der Langstator ist seitlich des Fahrzeuges angebracht. Nachteile des Langstators ergeben sich durch den relativ hohe Materialaufwand, da über die gesamte Strecke Elektromagnete angebracht werden müssen [21]. Beim Maglev-System werden weiterhin superleitende Magneten am Fahrzeug untergebracht, diese müssen aufwändig mit superfluidem Helium gekühlt werden [22] (dessen Siedetemperatur liegt bei 4,22 K [23]), worunter die Effizienz des Systems stark leidet. Zudem ist hier die Entfernung zwischen den Magneten um einiges größer als beim Transrapid, wodurch größere magnetische Streufelder erzeugt werden. Eine weitere Entwicklung stellte der HSST-100L dar, dieses System arbeitete mit einem asynchronen Kurzstator, konnte jedoch nur geringe Geschwindigkeiten erreichen [24]. Die von mir zu Jugend-forscht entwickelte Magnetbahn verwendet 2 Gleichstromquellen, um die Magnetfelder umkehren zu können. Die Frequenz in der dies geschieht, wird durch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges geregelt, welche wiederum durch die angelegte Spannung verändert werden kann. Daher kann hier nicht eindeutig zwischen einem synchron/Asynchronmotor unterschieden werden.

2 Funktionsschema des Transrapids

2.1 Der Fahrweg

 Facharbeit Fabian Preiß 2008 Transrapid

Abbildung 1

Unterhalb des Fahrweges des Transrapids sind beidseitig 3-Phasige Langstatorwicklungen angebracht, an denen eine veränderliche Wechselspannung anliegt. Wie auf Abbildung 1 zu erkennen ist handelt es sich bei den Wicklungen nicht um Spulen, sondern um einzelne Leiter, durch die hohe Ströme fließen können. Dies ermöglicht ein wesentlich stärkeres Magnetfeld, da sich die Wicklungen nur gering untereinander beeinflussen und der durchfließende Strom sehr hoch sein darf. Seitlich befindet sich dabei jeweils eine Führungsschiene aus einem magnetischen Material [25], [26]. Durch das verhältnismäßig geringe Gewicht des Transrapids ist die aufgeständerte Bauweise nicht so kostspielig, wie es bei Eisenbahnen der Fall wäre. Zudem bringen sie den Vorteil mit sich, dass Landschaften nicht so stark wie bei einer bodennahen Fahrbahn zerschnitten werden, Außerdem wird das Risiko von Gegenständen auf der Fahrbahn somit minimiert.

 


2.2 Aufbau des Fahrzeugantriebs

 Facharbeit Fabian Preiß 2008 Transrapid 3D Ansicht Träger

Abbildung 2

Auf beiden Seiten des Transrapids umgreift der Schweberahmen die Fahrbahn, an dem weniger als einen Zentimeter unterhalb des Langstators die Tragmagnete angebracht sind. Diese werden kontinuierlich durch die Leiter des Langstators angezogen, wobei die Leiterwicklungen ständig die Polarität durch die anliegende Wechselspannung ändern.

 3D Beschreibung Facharbeit Funktionsweise Transrapid Schema

Abbildung 3 zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch den Langstator. Die dunkelblauen Pfeile zeigen die Kraftrichtungen, die für den Antrieb sorgen, die hellblauen Pfeile symbolisieren die Kraftrichtung, die den Transrapid in der Schwebe hält. Dabei lässt sich die Tragkraft eines Magneten durch die Formel

Tragkraft Magnet

berechnen. Die seitlichen Elektromagnete auf Abbildung 2 sind für die Führung des Fahrzeuges zuständig.

 


2.3 Steuerung und Stromversorgung

Facharbeit Lineargeneratorwicklungen eines Tragmagnetes Transrapid Fabian Preiß


Sowohl die Abstände zwischen dem Schweberahmen und der Strecke, als auch die genaue Position des Fahrzeuges müssen durch eine präzise Sensortechnik ausgelesen werden. Dabei werden die Abstände durch mehrere fahrzeugseitige Messeinheiten ausgelesen und durch die Bordelektronik ausgewertet. Die Abstände zwischen den Antriebs- und Führungsmagneten betragen nicht mehr, als 1cm [27]. Der Transrapid wird im Gegensatz zu den meisten Rad-Schiene-Systemen komplett ferngesteuert. Die Ortung geschieht über eine Art GPS-System, die in einem regelmäßigem Abstand eingerichteten Unterwerke versorgen den Streckenteil, auf dem sich der Transrapid zu diesem Zeitpunkt befindet mit Strom. Die Unterwerke befinden sich je nach Streckenteil und Dichte des Zugverkehrs in Abständen von 7 km bis 27 km. Dort werden die Spannungen zwischen 0 bis 15kV bei Frequenzen zwischen 0 und 300Hz geregelt. Da die Geschwindigkeit des Zuges durch die Stromversorgung des Langstators geregelt wird, kann auf einem Streckenteil in eine Richtung nur ein Zug fahren. Beim Bremsvorgang werden die Magnete am Fahrzeug in ihrer magnetischen Ausrichtung umgekehrt. Dies ermöglicht eine Rückspeisung der Energie in das Stromnetz. Während der Fahrt wird durch den Langstator ein Strom in die Lineargeneratorwicklungen der Tragmagnete induziert, dieser wird zur Bereitstellung der Bordenergie verwendet, während die überschüssige Energie in Bordakkus gespeichert wird [25].

3 Ermittlung des Fahrwiderstandes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit

Der Strombedarf eines Fahrzeuges bei konstanter Geschwindigkeit lässt sich im Wesentlichen durch die Summe aller Widerstandskräfte ermitteln. Sowohl für das Rad-Schiene/ als auch für das Magnetschwebesystem ist der Luftwiderstand durch die allgemein gültige Formel zu berechnen.

Luftwiderstandsformel

Fürk(alpha)=1Faktor zur Einbeziehung von Anströmen

Summe der LuftwiderstandsbeiwerteSumme der Luftwiderstandsbeiwerte Luftdichte angegebene Luftdichte

A= Anströmfläche des Fahrzeuges

v= Geschwindigkeit [m/s]

v delta = Gegen- und Seitenwind  [m/s]


3.1 Berechnung der Fahrwiderstände bei 5-segmentigen Transrapid-Fahrzeugen
Beim Transrapid sind die wesentlichen Widerstandskräfte der Luftwiderstand, der Magnetisierungswiderstand, der Schwebewiderstand, sowie der Beschleunigungs- und Tunnelwiderstand auf die ich jedoch nicht ausführlicher eingehen werde. Der Luftwiderstand wird beim Transrapid angegeben mit Formel Luftwiderstand

v in km/h, F Luftwiderstandin N

Mit Luftwiderstandsbeiwert eingesetzt ergibt sich für n = 5 Segmente: Luftwiderstandsbeiwert
aus Luftdichte folgt Luftwiderstandsberechnung Transrapid

Beim Schwebemechanismus des Transrapids magnetisieren die Tragmagnete die Eisenkerne am Langstator, dabei kommt es zu einem Magnetisierungswiderstand, der sich durch

Magnetkraft

Mit F magnetisch in N und v in km/h

näherungsweise berechnen lässt. Mit n = 5 Fahrzeugsegmente ergibt sich

Magnetisierungswiderstand Transrapid

Zum Schweben muss der Transrapid selbst im Stillstand den Tragmagneten eine Leistung zuführen, die die Gewichtskraft des Fahrzeuges ausgleicht. Zum Anheben einer Gewichtstonne wird eine Leistung von 1700 Watt benötigt. Nach den Fahrzeugdaten [28] hat liegt das Leergewicht eines aus 5 Sektionen bestehenden Transrapids bei 256,7 t, während die Nutzlast maximal 60,8 t betragen darf. Die Gewichtskraft berechnet sich zunächst durch:

Gewichtskraft

Mit g = 9,81 Beschleunigung Meter durch Sekunde Quadrat und m = 317,5 t ergibt sich für Gewichtskraft

Die zum Schweben erforderliche Leistung Schwebeleistung lässt sich durch das Produkt der zum anheben benötigten Leistung je Gewichtstonne und des Fahrzeuggewichts ermitteln:

Schwebeleistung, dies sind immerhin mehr, als 6,7% des maximalen Leistungsbedarfs des ICE3.
Da die zum Schweben benötigte Leistung bei variabler Geschwindigkeit konstant bleibt lässt sich der Schwebewiderstand durch Schwebeleistung
darstellen, mit Schwebeleistung, Schwebewiderstand in [N] und v in [km/h] eingesetzt ergibt sich Schwebewiderstand Transrapid mit fs(v)
Durch die Lineargeneratoren wird ein weiterer Widerstand erzeugt, abhängig von der Geschwindigkeit des Transrapids fällt die erzeugte Bordleistung bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit leicht von 724,4 kW bei 100 km/h auf 702,2 kW bei 500 km/h ab [30]. Dabei wird eine zusammengesetzte Funktion angegeben:


Für 0 bis 20 km/h gilt Schwebewiderstand
Für 20 bis 70 km/h gilt Schwebewiderstand

Und für 70 bis 500 km/h gilt Schwebewiderstand

 

n=5 für Anzahl der Segmente

(An dieser Stelle habe ich mich für den Schwebewiderstand, anstelle des Generatorwiderstandes entschieden da sowohl der Transrapid als auch Hochgeschwindigkeitsbahnen eine Vergleichbare Bordleistung benötigen, eine Einbeziehung der Teilfunktionen der Generatorwiderstände würde weder zu einer einfacheren Rechenweise noch zu einem aussagekräftigerem Ergebnis führen, da in der Literatur [31] die Faktoren des Bordstroms nur beim Transrapid in die Berechnung des Gesamtwiderstandes eingeflossen sind.)Durch die Summe der oben genannten Fahrwiderstände lässt sich der Gesamtwiderstand in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit darstellen, durch das Berechnen der Extremstellen über die Ableitung kann die Geschwindigkeit mit der höchsten Effizienz errechnet werden, diese geht jedoch auch aus der Grafik hervor und liegt schätzungsweise bei 50 km/h, da der Luftwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten zu einem schnellem Anstieg des Gesamtwiderstandes führt. Der Gesamtwiderstand des Transrapids berechnet sich somit näherungsweise durch  GesamtwiderstandSchwebewiderstand + F magnetisch + F Luftwiderstand eingesetzt ergibt sich Formel für den Gesamtwiderstand des oben genannten Transrapids[N] (beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit).
Graph der Funktion zum Gesamtwiderstand des oben berechneten Transrapids

 

3.2 Berechnung des Fahrwiderstandes beim Rad-Schiene System
Der Fahrwiderstand beim Rad-Schiene System ergibt sich durch die Summe von Luft- und Grundwiderstand [32]. Für den Luftwiderstand eines 8segmentigen ICE3s mit einer vergleichbaren Sitzplatzanzahl wie der Transrapid 08 mit 5 Segmenten gilt:

Luftwiderstandsformel Normal 0 21 false false false MicrosoftInternetExplorer4

v in m/s

 

Lässt man dabei wie bereits bei den Berechnungen vom Transrapid die Seitenwinde außer Acht, so lässt sich der Luftwiderstand berechnen durch:
Formel Luftwiderstand

v in km/h


Luftdichte Luftdichte

Formel Luftwiderstand Anströmfläche

Luftwiderstandsbeiwert Luftwiderstandsbeiwert beim ICE 3


Ausmultipliziert ergibt sich daraus:

Luftwiderstand eines ICEs nach oben genannten Angaben

Hier fällt bereits auf, dass der Faktor 7,35 des Luftwiderstandes beim Rad-Schiene System deutlich höher ausfällt, als die 4,548425  beim Transrapid, als Ursache können dafür insbesondere die schlechte Aerodynamik der Stromabnehmer und der Räder genannt werden.
Der Grundwiderstand lässt sich mit Grundwiderstand ermitteln. FürGewichtskraft

Dabei beträgt das Leergewicht des 8 teiligen ICE3s 435000kg [33]. Bei 405 Sitzplätzen und einer Masse von 100kg je Person mit Gepäck ergibt sich bei einer 70-prozentigen Auslastung eine Nutzlast von 28350 kg. Das Gesamtgewicht beträgt damit 463350 kg.

Gewichtskraft
Die Grundwiderstandszahl Grundwiderstandszahl W0 ist die Summe aller Grundwiderstände, Walkwiderstände, Schall-/ und Anfahrwiderstände werden hier außer Acht gelassen, dazu wird in der Literatur angegeben:

Grundwiderstandszahl

Rollwiderstand Rollwiderstand

v in km/h
Basisgeschwindigkeit Basisgeschwindigkeit
Rollwiderstandszahl Rollwiderstandszahl bei v = 0km/h

Rollwiderstandskonstante Rollwiderstandskonstante
Eingesetzt ergibt sich daraus für den Rollwiderstand:

Rollwiderstand Funktion mit eingesetzten Konstanten

v in km/h
Die Konstanten Konstanten Wgleit und Wlager und Konstante Wdyn sind angegeben mit:
Gleitwiderstandskonstante Gleitwiderstandskonstante
Lagerwiderstandskonstante Lagerwiderstandskonstante
Konstante Wdyn Konstante des dynamischen Widerstands
Beim Einsetzen der Konstanten in Grundwiderstandszahl W0 erhält man:

Grundwiderstandszahl

v in km/h
Beim Einsetzen von Grundwiderstandszahl W0 und Grundwiderstand in  erhält man den Gesamtwiderstand in folgender Form:

Grundwiderstand = Gesamtwiderstand

v in km/h


Der Gesamtwiderstand beim ICE mit 8 Sektionen ergibt sich nun durch Gesamtwiderstand + Luftwiderstand [N]

v in km/h

Graph zur Fahrwiderstandsfunktion
3.3 Einschränkungen bei diesem Vergleich
Auch wenn der Transrapid bei diesem Vergleich weitaus geringere Widerstandskräfte wirken, als beim Rad-Schiene System bleibt festzuhalten, dass die Ermittlung vieler Konstanten in der Realität schwer durchführbar ist. Insbesondere beim Rad-Schiene System decken sich nicht alle Werte bei der Ermittlung des Gesamtwiderstandes. Die Ursache dafür liegt zudem in den unterschiedlichen Ansätzen der Widerstandsberechnungen, betrachtet man beim Transrapid zum Beispiel anstelle des Schwebewiderstandes den Generatorwiderstand, so wird der optimale Wirkungsgrad auf der Kurve verschoben dargestellt.

3.4 Effizienz in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Streckenlänge und Fahrgastanzahl
Die Effizienz von Transrapid und Rad-Schiene-System ist bei Geschwindigkeiten unterhalb von 250km/h am höchsten, der Punkt des geringsten Fahrwiderstandes spiegelt jedoch nicht zwangsläufig den Punkt des besten Wirkungsgrades wieder, er ist jedoch ein Indikator für den Energieaufwand, der benötigt wird, um ein Fahrzeug auf einer festgelegten Geschwindigkeit zu halten. Ein Fahrzeug beginnt ineffizient zu arbeiten, wenn sich mit einer Verdopplung der Geschwindigkeit die Widerstandskräfte, allen voran der Luftwiderstand mehr als verdoppeln. Selbstverständlich kann ein Fahrzeug effizienter genutzt werden, wenn die Entfernungen zwischen den Haltestellen lang sind, da so eine hohe Durchschnittsgeschwindigkeit gehalten werden kann. Trotz Rückführung der Energie ist ein erneutes Beschleunigen sehr energieaufwändig.

4 Benennung weiterer wesentlicher Systemunterschiede, sowie der Vor und Nachteile

Im Gegensatz zum Rad-Schiene System treten beim Magnetschwebesystem wesentlich geringere Materialbelastungen auf, dies lässt sich darauf zurückführen, dass es kaum mechanische Belastungen gibt, da das gesamte System elektronisch geregelt ist. Auch wird das gesamte Gewicht eines Rad-Schiene Zuges auf wenigen Punkten getragen, dies führt zu einer starken Geräuschbelastung und hohen Ansprüchen an den Fahrweg.  Auch kann der Transrapid durch die stärkere Neigungsfähigkeit in engeren Kurvenradien fahren, als Schnellzüge. Die geringe Haftung zwischen Stahlträgern und Stahlrädern bringt mit sich, dass Züge teilweise genügend Kraft aufbringen könnten, um während des Anfahrens höhere Beschleunigungen zu erreichen, dies würde jedoch durch ein durchdrehen der Räder verursachen. Auch weist der Transrapid eine wesentlich höhere Steigfähigkeit auf, durch die besseren Anpassungsmöglichkeiten fallen Eingriffe in die Landschaft durch Tunnelarbeiten oder Dammaufschüttungen nicht so schwerwiegend wie beim Schienenverkehr an. Die Nachteile des Transrapids liegen vor allem an den erhöhten Kosten pro Streckenkilometer, zudem sind schon seit längerem breitflächige Schienennetze in Deutschland vorhanden, Neubaustrecken bei Hochgeschwindigkeitsbahnen werden somit nicht selten in dieses integriert. Auch muss man sich die Frage stellen, ob derart hohe Investitionskosten die Einsparung von Reisezeiten im geringen Maße rechtfertigen können.

5 Fazit

Das volle Potential kann der Transrapid nur bei längren Strecken ausschöpfen, dabei fällt jedoch auf, dass sich dieser trotz des Mehraufwands an Energie für den Schwebemechanismus wesentlich energiesparsamer fortbewegt, als andere fahrweggebundene Fahrzeuge. Im September 2006 drohte Thyssen sogar mit einem Verkauf der Technik nach China [34], sofern es keine Entscheidung zum Transrapid in München gäbe, dies hätte schwerwiegende Wirtschaftliche Folgen für die Bundesrepublik nach sich gezogen, da die Entwicklung zu großen Teilen vom Bund selbst getragen wurde. Auch schätzen Kritiker den Kostenaufwand in München weitaus höher ein, als dies angegeben wurde. Letztendlich wird die Zukunft zeigen, ob der Transrapid in Deutschland im Wesentlichen ein Prestige Objekt bleibt oder der Nutzen der Magnetschwebetechnik in München unter Beweis gestellt werden kann, dies wiederum würde dem Transrapid bessere Chancen auf dem globalem Markt geben, wodurch sich die Subventionen wieder einbringen ließen.

6 Quellen

1 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.25; S.27
2 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.51
3 http://de.wikipedia.org/wiki/Eisenbahn (1.März 2008)
4 http://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Trevithick (1.März 2008)
5 http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Eisenbahn_in_Deutschland (1.März 2008)
6 http://de.wikipedia.org/wiki/Hermann_Kemper (1.März 2008)
7 http://de.wikipedia.org/wiki/JR-Maglev (1.März 2008)
8 http://de.wikipedia.org/wiki/Intercity-Express (1.März 2008)
9 Transrapid eine Vision wird Wirklichkeit S.18
10 http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetschwebebahn (1.März 2008)
11 http://de.wikipedia.org/wiki/Transrapid-Versuchsanlage_Emsland (1.März 2008)
12 http://de.wikipedia.org/wiki/InterCityExperimental (1.März 2008)
13 http://de.wikipedia.org/wiki/ICE-Ungl%C3%BCck_von_Eschede (1.März 2008)
14 http://de.wikipedia.org/wiki/Transrapid_Shanghai (1.März 2008)
15 http://de.wikipedia.org/wiki/Transrapid_M%C3%BCnchen (1. März 2008)
16 http://de.wikipedia.org/wiki/JR-Maglev (1.März 2008)
17 http://de.wikipedia.org/wiki/Dieselelektrischer_Antrieb (1.März 2008)
18 http://de.wikipedia.org/wiki/Diesellokomotive#Dieselelektrische_Lokomotiven.2C_turboelektrische_Lokomotiven (1.März 2008)
19 http://de.wikipedia.org/wiki/Dieseltriebwagen (2.März 2008)
20 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.288
21 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.41, S.43
22 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.53
23 http://de.wikipedia.org/wiki/Helium (2.März 2008)
24 http://de.wikipedia.org/wiki/High_Speed_Surface_Transport (2.März 2008)
25 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.44, 45
26 Transrapid eine Vision wird Wirklichkeit S.61
27 Broschüre: ThyssenKrupp „Transrapid Magnetschwebebahn. Das Fahrzeug Transrapid 08“ S.5
28 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.50 f.
29 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.182 f.
30 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.184
31 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.190
32 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.173ff.
33 Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.27.
34 http://www.spiegel.de/wirtschaft/0,1518,438059,00.html

Grafiken:
Abbildung 0: In Eigenarbeit erstellt
Abbildung1/2: http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/ele/25245.html

http://mitglied.lycos.de/facharbeittransrapid/ Verfasser: Marcus Rausch
Abbildung 3: Eigenarbeit mit 3ds Max 9
Abbildung 4: Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.40
Abbildung 5: Einzelbild aus dem ThyssenKrupp Video „Transrapid Shanghai Fertigungsschritte“
Abbildung 6: vgl. Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.178/S.179
Abbildung 7: vgl. Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.178/S.179/S.180
Abbildung 8: vgl. Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.176
Abbildung 9: vgl. Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.182
Abbildung 10: vgl. Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.183
Abbildung 11: erstellt mit Microsoft Excel
Abbildung 12: vgl. mit Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.178/S.179
Abbildung 13: vgl. mit Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann: Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn S.173
Abbildung 14: erstellt mit Microsoft Excel

http://www.transrapid.de/cgi-tdb/de/basics.prg?session=5498fd48476d1a62_503983&a_no=143&r_index=2.4
„Ich erkläre, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.“

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Copyright 2011 Facharbeit Fabian Preiß - Die Schwebetechnik des Transrapids (2008). Mats Marcus
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