Grundlagen aus der Fahrdynamik mit Beispiel: Bahnstrom und Fahrdynamik
Die Fahrdynamik beschreibt alle Kräfte, die das Fahren eines Fahrzeugs auf einer definierten Unterlage ermöglichen oder behindern.
Sie liefert die mathematisch-physikalische Grundlage, um Bewegungsabläufe von Fahrzeugen – insbesondere Zügen – zu berechnen und zu bewerten.
Ziel ist die Bestimmung von Zeiten, Wegen und Kräften, die beim Fahren auftreten, sowie die Optimierung von Fahrzeug- und Streckenauslegung.
Kapitel 2: Zentrale Fragestellungen
Die Fahrdynamik beantwortet praxisorientierte Fragen wie:
Strecke und Fahrzeug bekannt → Zeitbedarf: Grundlage für Fahrplanerstellung
Strecke und Fahrzeug bekannt → mögliche Transportlast: Ermittlung der Transportkapazität
Zeitvorgabe gegeben → Streckentrassierung und Fahrzeugkonzept: Auswirkungen auf Umwelt und Bau
Zeit, Fahrzeug und physikalische Grenzen bekannt → Streckenplanung: Optimierung unter technischen Rahmenbedingungen.
Diese Fragen bestimmen wesentliche Elemente des Fahrplans und dienen auch zur Berechnung von Brems- und Anfahrwegen.
Kapitel 3: Physikalische Grundlagen
Fahren ist eine rollende Ortsveränderung, Dynamik die Wirkung von Kräften über Zeit und Richtung.
Die Fahrdynamik beschreibt also die Längsbewegung von Landfahrzeugen und berechnet dabei:
Kräfte, die eine Bewegung ermöglichen (Antrieb, Zugkraft)
Kräfte, die eine Bewegung behindern (Widerstände, Steigung, Luftwiderstand)
Durch mathematische Modelle lassen sich daraus Vorgaben für Leistung, Energiebedarf, Arbeit und Geschwindigkeit ableiten.
So können Anfahr- und Bremswege berechnet werden, die wiederum die Grundlage für Fahrzeiten und Fahrpläne bilden.
Kapitel 4: Systemzusammenhänge
Infrastruktur- und Fahrzeugparameter sind eng miteinander verknüpft.
Eine Änderung eines Parameters – z. B. Steigung, Fahrzeuggewicht oder Traktionsleistung – wirkt sich unmittelbar auf das gesamte Bahnsystem aus.
Dieses Verbundsystem Bahn zeigt, wie stark Streckenausbau, Energieversorgung und Fahrzeugtechnik voneinander abhängen.
Kapitel 5: Technische und rechtliche Rahmenbedingungen
Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten müssen im Bahnbetrieb betrieblich umsetzbar sein.
Dazu existieren technische Regelwerke – Gesetze, Verordnungen, Vorschriften und Richtlinien.
Mit der organisatorischen Trennung von Infrastruktur (EIU) und Verkehrsbetrieb (EVU) wurden diese Regelwerke angepasst.
Das EIU ist verpflichtet, eigene Regeln zu erlassen, die für alle EVU gelten und den sicheren Betrieb gewährleisten.
Der Europäische Gerichtshof erlaubt, dass EIU und EVU unter einer Holding geführt werden dürfen, wodurch die technische Einheit des Gesamtsystems Bahn weiterhin gesichert bleibt.
Bewegungsrichtungen und Freiheitsgrade:
Zur Beschreibung von Bewegungen werden Richtungen definiert.
Die Fahrdynamik der Eisenbahn bezieht sich im Wesentlichen auf die Bewegung in der Längsachse (X-Achse), also auf Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen.
Bei Straßenbahnen oder Sonderfällen mit engen Bögen werden zusätzlich Drehbewegungen um die Z-Achse relevant.
Andere Freiheitsgrade (Y- und Z-Richtung sowie Drehungen um diese Achsen) werden in der Fahrzeugdynamik betrachtet, nicht in der klassischen Fahrdynamik nach EBO.
Kapitel 6: Beispiel: Bahnstrom und Fahrdynamik
Das Zusammenspiel zwischen Fahrdynamik und Energieversorgung zeigt sich beim 16,7-Hz-Bahnstromsystem.
Die fahrdynamische Forderung „hohe Kraft bei niedriger Geschwindigkeit, geringe Kraft bei hoher Geschwindigkeit“ erfordert den Gleichstrom-Reihenschlussmotor.
Durch elektrophysikalische Anpassung kann dieser mit speziellem Wechselstrom betrieben werden – Grundlage der modernen, robusten Bahnmotoren und einer unbegrenzten Wechselstrom-Elektrifizierung.