Schienenfahrzeugtechnik: Strukturentwurf

Wagenkasten/Leichtbau

Lichtraumprofil

Im Eisenbahnbetrieb wird für die Fahrzeuge eine äußere Begrenzungslinie festgelegt, die Fahrzeuge maximal einnehmen dürfen, außerdem für den Fahrweg ein Regellichtraumprofil, der den lichten Raum zwischen Fahrzeugsbegrenzungslinie und umgrenzenden Bauten festlegt. Die meisten Europäischen Bahnen mit Normalspur verwenden das UIC-Lichtraumprofil. Ausnahmen sind Großbritannien und Irland mit einem deutlich kleineren Lichtraumprofil. Aber auch Russland, Schweden, Schweiz und Frankreich haben eigene Profile. Diese wurden nun in der neuen Ausgabe der EN 15273 zusammengefasst aufgeführt.

In Kurven ergeben sich Einschränkungen an das Lichtraumprofil, weil dies ausgehend von der Gleismittellage definiert ist (siehe Bild).

- Bild: Lichtraumprofil im Bogen -

Weiterhin ist ersichtlich, dass u.a. auch die Fahrwerksanordnung eine entscheidene Rolle in der Ausnutzung des Lichtraumes spielt.

Wagenkastenbauweisen

Differentialbauweise

Die ursprüngliche Bauweise von Schienenfahrzeugen, bei der das Endprodukt aus vielen geometrisch einfach aufgebauten Einzelteilen (Halbzeugen) hergestellt wird. Diese Herstellungsmethode wird heute eigentlich nur noch bei komplizierten Geometrien und in der Kleinserie verwendet, beispielsweise bei der Kopfkonstruktion vom ICE3 aus Aluminium.

Integralbauweise

Das Endprodukt wird aus vielen (aber weniger als bei der Differentialbauweise), komplizierter aufgebauten und hergestellten Einzelteilen hergestellt (z.B. Strangpressprofile, Fräserzeugnisse). Die Arbeitszeit sinkt deutlich, somit eignet sich diese Bauweise auch gut für große Stückzahlen. Beispiel für diese Bauweise ist die Herstellung der Wagenkästen beim ICE 3, dort werden große Wandsektionen aus einem Stück gepresst und anschließend mit anderen Bauteilen verschweißt.

Werkstoffe

Als Werkstoffe für den Eisenbahnbau kommen Stahl, Aluminium sowie Kunststoffe (Faserverbundwerkstoffe) zum Einsatz, wobei Stahl durch seinen großen E-Modul, die größe Bruchdehnung und den niedrigen Werkstoffpreis besticht, Aluminium dafür durch seine im Vergleich zu Stahl deutlich geringere Dichte, die Faserverbundwerkstoffe, wie z.B. GFK und CFK bestechen durch sehr hohe Zugfestigkeiten, bei ebenfalls geringer Dichte, aber hohem Preis. Ein Vergleich von Zugfestigkeit zu Dichte bringt Aluminium und Stahl etwas gleich große Werte ein, während GFK und erst recht CFK um den Faktor 4 bis 9 fach höhere Werte aufweist. Der hohe Preis und die bis dato geringen Erfahrungswerte lassen diesen Werkstoff bis jetzt auf Spezialanwendungen, wie z.B. Triebkopffertigung beschränkt bleiben.

Rahmenkonzepte

• Zentralträger
• Innenlangträger
• Außenlangträger

Fahrwerk

Spurweite

Als Normalspur wird die Spurweite von 1435 mm bezeichnet. Es ist die in Europa am weitesten verbreitete Spurweite, bedeutende Ausnahmen in Europa sind Spanien und Portugal (1668 mm) sowie die Nachfolgestaaten der Sowjetunion und zwei Stichstrecken nach Polen (1574 mm). Auf den Neubaustrecken in Spanien wird mittlerweile auch Normalspur verlegt; Japan baute auf seinen Hochgeschwindigkeitsstrecken auch auf die Normalspur. In Deutschland gibt es vor allem bei Straßen-, U-, Feld- und Industriebahnen eine Reihe von Ausnahmen. Oft verwendet wird auch die sogenannte Meterspur (1000 mm). Die Spurweite wird 14 mm unterhalb der Schienenoberkannte gemessen, bei Schmalspur nur 10 mm.

- Bild: Messung Spurweite -

Fahrwerksaufbau

Beim Aufbau von Fahrwerken unterscheidet man zum einen nach der Anzahl der Achsen bzw. Radpaaren (Einachs-, Zweiachs-, bei schweren Güterlokomotiven sogar Dreiachsfahrwerke), zum anderen nach Radsatz- oder Einzelradfahrwerken.

Bei den heute bei Güterwagen noch weit verbreiten Einachsfahrwerken wird das Fahrwerk normalerweise über eine rückstellende Federaufhängung geführt, die den Radsatz sich im Bogen einstellen läßt. Dies wird normalerweile über Blattfedern mit einer Schakenaufhängung erreicht. Bei Fahrwerken ohne Rückstellwirkung können sich Laufinstabilitäten einstellen.

Radsatz-Drehgestelle bieten im Vergleich zu den Einachsfahrwerken einige Vorteile:

• bessere Bogenlaufeigenschaften
• höhere Entgleisungssicherheit
• geringerer Spurkranz- und Schienenverschleiß
• durch mögliche 2-Stufenfederung bessere Entkopplung von Wagenkasten und Gleisstörungen => verbesserter Komfort

Nachteile der Radsatzfahrwerke ist die vorhandene Neigung zum Sinus- oder Bogenlauf. Dieser wird durch Kraftschlusslängskräfte erzeugt, die den Radsatz in ausgelenkter Lager in Richtung Gleismitte wenden, in zentrierter Lage aber weiter Richtung gegenüberliegender Fahrschiene drücken.

Zur weiteren Verbesserung der Bogenlaufeigenschaften kann ein Einzelrad-Einzelfahrwerk beitragen. Hier sind die Räder nicht über eine Welle miteinander gekoppelt, was zum einen Niederflurtechnik ermöglicht, zum anderen aber auch dazu führt, dass die Spurführung einzig über Geometrieseitenkräfte erzeugt wird, was Verschleiß mindert und Wellenlauf verhindert. Wegen der guten Bogenlaufeigenschaften (der Krümmungswiderstand verschwindet fast vollständig, auch Bogenfahrt ist fast geräusch- und verschleißfrei möglich) sowie möglicher Niederflurbauweise eignet es sich natürlich hervoragend für Nahverkehrsanwendungen, insbesondere Strassenbahnen. Einzelrad-Einzelfahrwerke werden aber auch im Fern- und Hochgeschwindigkeitsverkehr eingesetzt, wie der w:Talgo beweist. Bei diesem Fahrzeugtyp wird das Fahrwerk unter der Wagenkastendecke aufgehängt, die radiale Bogenstellung wird über eine hydraulische Knickwinkelsteuerung der beiden beteiligten Wagenkästen erreicht.

Mögliches Potential für Hochgeschwindigekeitsanwendung könnte das Einzelrad-Doppelfahrwerk darstellen. Spurführung wird auch hier durch die Geometrieseitenkraft erzeugt, die bei je zwei Radpaaren in Abhängigkeit von der Kegelneigung, das Rad mit der größeren Kegelneigung Richtung Gleismitte drückt, und das Rad mit der geringeren nach außen (siehe Bild). Der Radsatz wird im Spurkanal zentriert, ohne einen für Radsatzfahrwerke typischen Wellen- oder Sinuslauf zu erzeugen. Beim Einsatz dieses Fahrwerkes im Hochgeschwindigkeitsverkehr kann wegen der großen Bogenhalbmesser auf eine Schräglaufwinkelstellung verzichtet werden.

Fahrwerkskonzept

Die beiden wichtigsten Drehgestellkonzept sind das Standarddrehgestell und das Jakobsdrehgestell:

Standarddrehgestellanordnung

In Deutschland in Fernverkehrstriebzügen und gewöhnlichen Lokomotive-Wagen-Zügen übliche Drehgestellanordnung sind je Wagen zwei Drehgestelle mit 2 Radsätzen. Der Drehzapfenabstand beträgt 19m, die Wagenlänge 26,4m.

w:Jakobsdrehgestell

Bei der Jakobsdrehgestellanordnung teilen sich je zwei Wagen ein Drehgestell, die Wagenlänge verkürzt sich auf 19m, wodurch ein Verlust an Lichtraumprofilausnutzung im Bereich der Wagenübergänge im Vergleich zum Standarddrehgestell entsteht. Ein weiterer Nachteil ist die größere Wagendurchbiegung in vertikaler Richtung, da ein Gegenmoment an den Wagenübergängen fehlt. Ein Vorteil dieser Anordnung ist die Verringerung der Drehgestellanzahl, was eine beträchtliche Gewichtsreduzierung mitbringen kann. Beispiel au der Praxis sind die bei der DB eingesetzten ET-Baureihen 422, 423, 424 und 425/426, die Talentzüge, sowie die französischen TGV- und der AGV-Züge.

Einzelradfahrwerke

Einzelradfahrwerke kommen sowohl in alten Güterwagen als Radsatzfahrwerk zur Anwendung, als auch als Losradfahrwerke in Niederflurstraßenbahnen und im Talgo.

Federung

Die Federung im Fahrzeugbau hat vornehmlich zwei Aufgaben:

• Einstellung einer stetig vorhandenen Radaufstandskraft (Vierpunktauflage ist statisch unbestimmt, wichtig für Entgleisungssicherheit)
• Abbau von Aufbaubewegungen, -/ beschleunigungen (Komfort, Schutz von Ladung und Oberbau)

Eine typische Federung bei Schienenfahrzeugen ist zweistufig aufgebaut, mit Primär- und Sekundärfeder, bei Güterwagen kann wegen den geringen Komfortansprüchen auf die Sekundärfeder verzichtet werden.

Blattfeder

Eine der am längsten im Fahrzeugbau verwendeten Federungsarten sind die Blattfedern. Diese wurden bereits zur Zeit der Kutschen verwendet, und werden bis heute in Nutzfahrzeugen (LKW und Güterwagen) eingesetzt. Üblicherweise als ganze Federpakete gebaut erfüllen sie drei Aufgaben:

• Federung
• Dämpfung (durch Reibung zwischen den einzelnen Federsträngen)
• Führung

Die Federsteifigkeit ergibt sich aus der aus der Festigkeitslehre bekannten Gleichung für den Biegebalken:

$f={F\cdot l^{3} \over 3\cdot E\cdot I}$ mit dem Flächenträgheitsmoment: $I={b\cdot h^{3} \over 12}$

Die Gleichung für die Federsteifigkeit ist definiert als:

$c={F \over f}$

mit den oben erwähnten Gleichungen ergibt sich:

$c={1\cdot E\cdot b\cdot h^{3} \over 4\cdot l^{3}}$

Da der Biegemomentenverlauf in der Blattfeder zur Mitte linear zunimmt, wird üblicherweise eine geschichtete Streifen einer Dreiecksblattfeder eingesetzt, um eine konstante Biegemomentenbelastung in Federmaterial zu erreichen.

Da das Eigenschwingungsverhalten einer Feder durch $\omega _{0}={\sqrt {c \over m}}$ beschrieben wird, wird ersichtlich, dass eine Gewichtsveränderung (die bei Nutzfahrzeugen wie LKW oder Güterwägen leicht beim Faktor 2 oder mehr liegen kann) eine unerwünschte Veränderung des Schwingverhaltens zur Folge hätte, setzt man mehrstufige Federn ein, die erst beim Einknicken voll wirksam werden, um das Verhältnis von Masse zu Federkonstante konstant zu halten.

- Bild: mehrstufige Blattfeder -

- Bild: geknickte Federkennlinie -

Torsionsfedern (Drehstab- und Schraubenfeder)

Heute am meisten eingesetzte Federart ist die Schraubenfeder, welche vom Prinzip einer aufgewickelten Drehstabfeder entspricht.

Der Verdrehwinkel bei einem Torsionsstab wird berechnet durch: $\varphi ={M_{t}\cdot l \over G\cdot I_{p}}$

Mit dem Torsionsträgheitsmoment: $I_{t}={{\frac {\pi }{32}}\cdot d^{4}}$

Somit ergibt sich für die Torsionsfedersteifigkeit: $c_{t}={\frac {M_{t}}{\varphi }}={\frac {G\cdot I_{t}}{l}}$

Für eine Schraubenfeder, bei der der Torsionstab nun mit einem Schraubendurchmesser von D aufgewickelt ist,

lautet die Federkonstante: $c\approx {g\cdot d^{4} \over i\cdot 8\cdot D^{3}}$ mit der Anzahl der Wicklungen i.

Um auch bei der Schraubenfeder eine progressive Kennlinie zu erreichen, also eine belastungsabhängige Federsteifigkeit analog zur mehrstufigen Blattfeder, gibt es bei der Schraubenfeder mehrere Möglichkeiten:

• veränderliche Drahtdicke d
• veränderlicher Windungsdurchmesser D
• oder ein veränderlicher Wicklungsabstand

Unter Belastung wird nun ein Teil der Feder anliegen, d.h. die effektive Federlänge oder Windungsanzahl wird niedriger, wodurch sich eine größere Federsteifigkeit ergibt.

Elastomerfeder

Elastomerfedern an einer Straßenbahn (Die Pfeile gelten nicht der Feder!)

Der Vorteil von kostengünstiger Herstellung, sowie geometrisch äußerst flexibler Konstruktion lassen Elastomerfeder bzw. Gummifedern heute zu einem wichtigen Konstruktionselement im Fahrzeugbau werden. Ein weiterer Vorteil ist auch hier die Vereinigung von Federung und Dämpfung. Nachteil der Gummifedern ist ein absolut nichtlineares Belastungsverhalten, was eine Berechung schwierig macht.

Luftfeder

In Oberklasse PKWs, Bussen und Schienenfahrzeugen kommen heute auch Luftfedern zum Einsatz. Neben der Eigenschaft als Federelement lassen sich Luftfedern aber auch sehr gut zur Niveauregelung einsetzen, was z.B. in Bussen zur Einstiegserleichterung an Haltestellen eingesetzt wird. Weitere Vorteile sind:

• Geräuschisolierendes Verhalten
• niedrige mögliche Eigenfrequenz
• Federeigenschaften über Zusatzvolumen steuerbar
• Dämpfungseigenschaft über Drosseln regelbar

Bei Schienenfahrzeugen werden Luftfedern oft als Sekundärfeder zwischen Wagenkasten und Drehgestell eingesetzt, über die Volumensteuerung können die Federeigenschaft aktiv, z.B. Geschwindigkeitsabhängig gesteuert werden.

Die Federsteifigkeit berechnet sich über:

$c\approx {A^{2}\cdot p_{1} \over V_{1}}$

- Bild: Kennlinie Luftfeder -

Eine Belastungsunabhängige Luftfeder kann mittels einer Nivearegulierung, also einer Luftmengenregulierung erreicht werden.

Kupplung

Schraubenkupplung an einer Lokomotive der Baureihe 143

Aufgaben der Kupplung

• Herstellung des Zugverbundes
• Übertragung von Energie (Strom / Druckluft / früher: Heizdampf) und Daten
• Übertragung von Zug- und Druckkräften
• Ausgleich von Vertikalversatz
• Schutz vor Überlastung der Fahrzeugkästen

Kupplungsbauarten

Scharfenbergkupplung an einem Triebzug der Baureihe 612

Schraubenkupplung

Die am weitesten verbreitet Kupplungsart ist die Schraubenkupplung. Überträgt aber nur Zugkräfte (die Druckkräfte werden von den Puffern übertragen), Energie und Daten müssen über Bypässe realisiert werden, der Kupplungsvorgang ist kaum Automatisierbar, recht mühsam und dauert relativ lange.

Mittelpufferkupplung

Mit Scharfenbergkupplung verbundene ICE 3 Triebzüge

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurden in Nordamerika und später auch in Russland Mittelpufferkupplungen entwickelt. In Nordamerika sind diese mittlerweile flächendeckend verbreitet. In Europa wurde die Entwicklung einer Mittelpufferkupplung ab etwa der 1960er Jahre forciert und mündete in den 70er Jahren in der UIC-Mittelpufferkupplung. Durchgesetzt hat sich diese jedoch nicht, zumeist wird immer noch die Schraubenkupplung verwendet, lediglich im Bereich von Triebzügen hat sich die w:Scharfenbergkupplung durchgesetzt, die z.B. in ICE-Zügen ab der zweiten Generation verbaut ist, sowie sämtlichen ET-Baureihen der DB und Talent-Zügen.

Vorteile einer Mittelpufferkupplung:

• zentrale Krafteinleitung in den Wagenkasten
• einfachere Kupplungsarbeit

Nachteile können Aufgrund der fehlenden Seitenpuffer beim Einknicken der Fahrzeuge im Bogen entstehen.

Quellen

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