Zugkraftrechner für die erforderliche Zugkraft & Leistung / erreichbare Geschwindigkeit

Dieser Online-Zugkraftrechner bzw. Leistungsrechner kann unter anderem eine der folgenden Größen berechnen: maximal mögliche Geschwindigkeit, erforderliche Leistung & Zugkraft, mögliche Steigung, Anhängelast und erforderliche Haftreibungszahl. Im Anschluss findet man dazu passendes Hintergrundwissen und Formeln.

 

Mit der Voreinstellung werden die benötigte Leistung und die dafür erforderliche Zugkraft eines Railjets (Elektrolokomotive Taurus 1116 und sieben Wagen) bei einer Geschwindigkeit von 230 km/h berechnet.

Leistungs- und Zugkraft-Rechner für Straße & Schiene

Unter "Vorauswahl" findet man passende Werte für PKW, LKW, Bus, Fahrrad oder Züge. 

Standardmäßig sind Motor- und Antriebswirkungsgrad nicht berücksichtigt!!

 

Anzahl der Wagen
Haftreibungszahl (Hinweis)

Bitte in 5 der folgenden 6 Felder eine Zahl eintragen - das leere Feld wird berechnet!

Antriebs-/Bremsleistung* kW
Geschwindigkeit km/h
Steigung/Gefälle* %
Masse der Lokomotive t
Masse eines Wagens t
Beschleunigung/Verz.* m/s²

Ergebnisse und Fehlermeldungen (Felder werden vom Programm berechnet)

Nötige Reibungszahl
Erforderliche Zugkraft kN   
Anfahrzugkraft Lok
kN
Gesamtstromaufnahme A


  

Für Experten: Eingabe spezieller Werte

Die folgenden 16 Felder müssen alle ausgefüllt sein!
Achten Sie unbedingt auf die richtige Querschnittsfläche!

Wirkungsgrad Antrieb %
Wirkungsgrad Motor %
Querschnittsfläche
Versorgungsspannung V
Gegen-/Rückenwind* km/h
Dichte der Luft kg/m³  
Krümmungswiderstand
F. rotierende Massen
Anzahl angetriebene Achsen
Anzahl aller Achsen
Rollwiderstand Lokomotive
Rollwiderstand der Wagen
Luftwiderstandsbeiw. Lok
Luftwiderst.-Bw. 1. Wagen
Luftw.-Beiw. Zwischenwagen
Luftwiderst.-Bw. Endwagen

* Für diese Werte ein Minus vor die Zahl setzen!

 

Abkürzungen:

Verz. Verzögerung
Luftwiderstandsbeiw. Luftwiderstandsbeiwert
F. Faktor

 

>> Hier gibt es Zusatzinformationen für die einzugebenden Werte.

Inhaltsverzeichnis

Hinweise für die Verwendung des Zugkraftrechners

  • Dieser Rechner kann eine der folgenden Größen berechnen:

    • Theoretisch maximal mögliche Geschwindigkeit bei gegebener Leistung. Die erreichbare Geschwindigkeit wird allerdings unter Umständen durch die maximale Drehzahl des Motors beschränkt, zudem ist die Leistung nicht über den gesamten Geschwindigkeitsbereich verfügbar.
    • Erforderliche Leistung und Zugkraft bei gewünschter Geschwindigkeit. Die zur Verfügung stehende Zugkraft kann aus dem Zugkraftdiagramm abgelesen werden.
    • Bewältigbare Steigung
    • Vorhandene Beschleunigung
    • Mögliche Masse der Wagen
    • Masse der Lokomotive
  • Zusätzlich kann bestimmt werden:
    • Nötige Haftreibungszahl und erforderliche Zugkraft
    • Maximal mögliche Anfahrzugkraft aufgrund der Haftreibungszahl, das Triebfahrzeug kann auch über weniger oder mehr Zugkraft verfügen, siehe Tabelle weiter unten.
  • Die hier angeführten Haftreibungszahlen gelten nur bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten, für Schienenfahrzeuge gilt die Berechnung der Anfahrzugkraft zudem nur bei Verwendung von Stahlrädern auf einer Stahlschiene. Siehe dazu die Unterseite Haftreibungszahlen!
  • Die Berechnung für die Anfahrzugkraft gilt nur dann, wenn auf jede Achse ungefähr die gleiche Last wirkt.
  • Für die richtige Funktion wird keine Gewähr übernommen - für Berichtigungen und Verbesserungs-Vorschläge bitte um Nachricht mittels Kontaktformular!

Hintergrundwissen und Formeln

Zusatzinformationen zu den einzugebenden Werten

Vergleichswerte für Anfahrzugkraft, Stundenleistung, Masse und µH

Bitte beachten Sie, dass hier die Anfahrzugkraft in kN, die Stundenleistung in kW und die Masse in Tonnen angegeben wird! K ist die Abkürzung für kilo und bedeutet 1000, daher sind 1 kW = 1000 W, 1 kN = 1000 N.

Beispiele (ÖBB)

Anfahrzugkraft

in kN

Stundenleistung

in kW

Masse

in t

µH *
Lok 1016/1116 300 6400 86 0.356
Lok 1044/1144 327 5400 84 0.397
Lok 2016 235 2000 80 0.299
Lok 2043 196 1104 68 0.294
Triebwagen 4020 117 1200 129  
Triebwagen 5047 68 419 47  

Quelle: Wikipedia

* Notwendiger Haftreibungskoeffizient beim Anfahren, berechnet aus den gegebenen Werten.

Zugkraftdiagramm einer modernen E-Lokomotive

In der folgenden Abbildung ist ein sogenanntes Zugkraftdiagramm für eine moderne Elektrolokomotive zu sehen. Es handelt sich dabei um eine schematische Zeichnung, die dem Zugkraftdiagramm der Baureihe 1016 bzw. 1116 (Taurus) der ÖBB jedoch ähnlich ist.

Schematische Abbildung des Zugkraftdiagramms einer modernen E-Lok (ähnlich der BR 1016 bzw. 1116 "Taurus" der ÖBB)
Schematische Abbildung des Zugkraftdiagramms einer modernen E-Lok (ähnlich der BR 1016 bzw. 1116 "Taurus" der ÖBB)

In diesem Zugkraftdiagramm ist folgendes zu sehen:

  • Die Zugkraftkennlinie zeigt die maximal vorhandene Zugkraft der Lokomotive in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
  • Das Diagramm besteht aus fünf Bereichen, wobei in der Praxis nur die hellbraune Fläche (Bereiche 1 und 2) von Bedeutung ist:
    • Bereich 1: Die auf die Schienen übertragbare Zugkraft wird nur durch die Haftreibungszahl beschränkt.
    • Bereich 1a: Mit der installierten Leistung wäre eine größere Anfahrzugkraft möglich, das lässt allerdings die Haftreibungszahl unter normalen Bedingungen nicht zu, die Räder würden schleudern (= durchdrehen).
    • Bereich 2: Nur die Leistung der Lok begrenzt die auf die Schienen übertragbare Zugkraft. Hätte die Lokomotive mehr Leistung zur Verfügung, wäre eine höhere Zugkraft möglich.
    • Bereich 2a: Die Lok könnte aufgrund ihrer Leistung eine höhere Geschwindigkeit erreichen, die Höchstgeschwindigkeit wird im Planbetrieb jedoch auf 230 km/h beschränkt. Im Jahre 2006 erreichte ein Taurus III 357 km/h, das ist der Weltrekord für konventionelle Lokomotiven.
    • Bereich 3: Für eine höhere Zugkraft hat die Lokomotive einfach zu wenig Leistung.
  • Als Ergänzung sind noch zwei blaue Kennlinien eingezeichnet, die mit dem Zugkraftrechner bestimmt wurden:
    • Railjet 3 %: Diese Kurve zeigt die benötigte Zugkraft eines Railjets (Lok Taurus und sieben Wagen) auf einer Strecke mit einer Steigung von 3 % in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit. Der Zug könnte demnach maximal 155 km/h fahren, in der Praxis würde er jedoch nur mit rund 130 km/h verkehren, da gewisse Reserven nötig sind, beispielsweise bei Gegenwind und für das Beschleunigen.
    • Railjet Ebene: Diese Zugkraft braucht ein Railjet in der Ebene.

Berechnung der maximalen Zugkraft = Anfahrzugkraft

Die maximale Anfahrzugkraft, die ein Fahrzeug theoretisch erbringen kann, berechnet sich wie folgt:

 

Formel zur Berechnung der maximal möglichen Anfahrzugkraft
Maximale Anfahrzugkraft aufgrund Haftreibungszahl
FZ.max: Maximale Zugkraft in N
mLok: Masse der Lok in kg
g: Erdbeschleunigung in m/s²
α: Steigungswinkel in ° (für kleine Winkel wird cos α gleich eins gesetzt)
Achsenangetrieben Anzahl der angetriebenen Achsen
Achsenalle: Gesamtzahl der Achsen
µH: Haftreibungszahl, siehe auch vorige Tabelle

 

Für die Erdbeschleunigung setzt man 9.81 m/s² ein. Wenn alle Achsen angetrieben sind, fällt der Term Achsenangetrieben/Achsenalle weg. Wenn nicht alle Achsen der Lokomotive angetrieben sind, gilt die Formel nur dann, wenn jede Achse ungefähr die gleiche Last aufnimmt.

Zugkraftgleichung

Die benötigte Zugkraft kann mit der folgenden Formel, der sogenannten Zugkraftgleichung, berechnet werden:

Zugkraftgleichung
Zugkraftgleichung
FZ: Erforderliche Zugkraft in N
mLok: Masse der Lok in kg
mWagen: Gesamtmasse aller angehängten Wagen in kg
g:             Erdbeschleunigung in m/s²
wR: Rollwiderstand
wL: Luftwiderstand
wS: Steigungswiderstand
wK: Krümmungswiderstand
wB: Beschleunigungswiderstand

 

Wie man die einzelnen Widerstände berechnet, wird in einer eigenen Unterseite beschrieben:

 

>> Ermittlung der Widerstände für die Zugkraftgleichung

Berechnung der erforderlichen Leistung

Die erforderliche Leistung errechnet sich zu

 

P = FZ⋅v

 

P: Erforderliche Leistung in W
FZ:    Vorhandene Zugkraft in N
v: Geschwindigkeit in m/s

Erreichbare Geschwindigkeit

Um bei gegebener Leistung die erreichbare Geschwindigkeit berechnen zu können, muss man die Gleichung für die erforderliche Leistung umformen. Das Problem dabei ist, dass die Geschwindigkeit zum Quadrat in der Berechnung des Luftwiderstandes enthalten ist. Man kann jedoch die entstehende Gleichung in folgende Form bringen:

 

v³ + a⋅v² + b⋅v + c = 0

 

Nun ist es möglich, die Geschwindigkeit v mit den Cardanischen Formeln zu berechnen.