Eisenbahntechnik: Zugtypen
Strukturentwurf
[Bearbeiten]Wagenkasten/Leichtbau
[Bearbeiten]Lichtraumprofil
[Bearbeiten]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. In Kurven ergeben sich Einschränkungen an das Lichtraumprofil, weil dies ausgehend von der Gleismittellage gefiniert 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
[Bearbeiten]Differentialbauweise
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]- Zentralträger
- Innenlangträger
- Außenlangträger
Fahrzeugkonzepte
[Bearbeiten]Lokomotive-Wagen-Züge
[Bearbeiten]Lokomotive-Wagen-Züge mit Steuerwagen
[Bearbeiten]Triebzüge
[Bearbeiten]Fahrwerk
[Bearbeiten]Spurweite
[Bearbeiten]Als Normalspur wird die Spurweite von 1435 mm bezeichnet. Es ist die in Europa am weitestens verbreitete Spurweite, bedeutende Ausnahmen in Europa sind Spanien und Portugal (1668 mm), sowie die ehemaligen Sowjetrepubliken (1520 mm). Auf den Neubaustrecken in Spanien wird mittlerweile allerdings auch Normalspur verlegt, Japan baute auf seinen Hochgeschwindigkeitsstrecken auch auf die Normalspur. In Deutschland gibt es vorallem im Bereich von Straßen-, U-, Feld- und Industriebahnen aber 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
[Bearbeiten]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.[1]
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[1]) 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.[1]
Bremsen
[Bearbeiten]Laut der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) müssen Eisenbahnen mit einer Höchstgeschwindigkeit von mehr als 50 km/h mit einer durchgehenden und selbsttätigen Bremse ausgestattet sein. Für Bahnen ist dies in der Regel ein Druckluftbremssystem mit einer Scheiben- oder Klotzbremse. Das einfachste System besteht aus einer Hauptluftleitung (HLL) die durch den ganzen Zug verläuft, einem Führerbremsventil, welches sich auf dem Triebwagen oder Lok befindet und zur Entlüftung der HLL dient, einem Steuerventil an jedem Bremszylinder, einem Hauptluftbehälter, und der eigentlichen Bremse, bestehend aus Bremszylinder und Bremsbelag. Eine Entlüftung der HLL (durch betätigen des Führerbremsventiles oder durch Abtrennung eines Wagens) bewirkt im Steuerventil eine rasche Belüftung der Bremszylinder, wodurch ein Kolben über eine mechanische Übersetzung den Bremsbelag auf Bremsscheibe bzw. Rad presst.
Dieses einfache System einer Schienenfahrzeugbremse wurde mit schneller werdenden Zügen kontinuierlich erweitert, da die Vorsignalabstände und Bremswege gleich geblieben sind. Erweiterungen waren:
- Einführung einer zweiten Luftleitung, der Hauptluftbehälterleitung, um die Vorratsbehälter für die Bremsen besser zu Versorgen
- Einführung der Bremsstellung R, welche zwar keine schneller Eintretende Bremswirkung zur Folge hat, aber unter anderem eine Bremskraftverstärkung einstellt
- Einführung zusätzlicher Bremsen (w:Magnetschienenbremse), später auch die w:Wirbelstrombremse
- Schnellbremsbeschleuniger (Zusatzventile, welche die Entlüftung der HLL beschleunigen)
- elektropneumatische Zusatzbremssteuerung
- Gleitschutz (verhindert Flachstellen am Radsatz, indem er den Schlupf zwischen Rad und Schiene durch Reduzierung der Bremskraft verringert)
- Scheibenbremse
Eine weitere Komponente des Eisenbahnbremssystems ist die Notbremseinrichtung, die aus dem Fahrgastraum ausgelöst werden kann und eine Schnellbremsung bewirkt.
Ausgehend von der Gesamtbetrachtung des Bremssystems, nun eine Übersicht über die im Bereich der Schienenfahrzeuge eingesetzten Bremsbauarten:
Klotzbremse
[Bearbeiten]Einfachste Bauart der Reibkraftbremsen, ein Bremsklotz wird auf Radsatz oder Schiene gepresst. Großer Nachteil dieser Bremsenart ist, dass diese direkt auf der Fahrfläche der Räder wirken, und dort zusätzlich zum Rollverschleiß auch noch Verschleiß durch Bremsen bewirken, außerdem führen die zumeist verwendeten Grauguss-(GG)Bremsklötze zu einer erhöhten Lärmbelastung durch Oberflächenaufrauhungen und Riffelbildung auf den Fahrflächen beim Rollen führern. Dies trifft heutzutage in Europa nur noch auf Güterwagen zu, die noch mit diesem Bremsentyp ausgerüstet sind. Abhilfe soll hier die sogenannte Flüsterbremse (w:Komposit-Bremssohle) schaffen, bei der die Bremssohlen aus Komposit-Materiallien (i.d.R. Mischung aus Kautschuk und Metall) hergestellt werden. Die Deutsche Bahn rüstet ihre neuen Güterwagen seit 2001 mit diesen, auch K-Sohlen genannten Bremsklötzen aus, eine flächendeckende, europaweite Verbreitung auch im älteren rollenden Material ist aus Kostengründen derzeit nicht zu erwarten. Weitere Nachteile:
- Wärmeleistung wird in das Rad eingeleitet (=> Gefahr von Verzug, Abplatzungen durch lokale thermische Überlastung)
- ...
Dennoch besitzt die Klötzbremse gegenüber der Scheibenbremse auch durchaus einige Vorteile:
- geringere Anschaffungskosten
- Reinigungswirkung auf die Lauffläche (Verbesserung des Rad-Schiene-Kraftschlusses)
- Brems- und Lösestellung einfach zu erkennen
- deutlich geringeres Gewicht, da die Anpressfläche für den Bremsbelag das ohnehin schon vorhandene Rad bildet
Scheibenbremse (Radscheibenbremse und Wellenscheibenbremse)
[Bearbeiten]Eine etwas neuere Bauart von Reibkraftbremsen ist die Scheibenbremse, wo ein Bremsbelag auf eine extra hierfür vorgesehene Reibfläche auf dem Rad oder auf eine auf der Radsatzwelle montierte Scheibe gepresst wird. Für angetriebene Achsen wird üblicherweise die Radscheibenbremse verwendet, da dann in der Radsatzmitte ausreichend Platz für die Antriebsaggregate vorhanden ist. Nicht angetriebene Radsätze verfügen üblicherweise über 2-4 Wellenscheibenbremsen, die auch meistens innenbelüftet sind (siehe Bild). Vorteile der Scheibenbremse:
- das Rad wird thermisch entlastet
- Bremsverschleis belastet Laufflächen nicht zusätzlich (zum Laufverschleiß)
- höhere Bremsleistung wegen besserer Kühlung möglich
- bessere Optimierung der Werkstoffpaarung zwischen Bremsbelag und Reibfläche möglich, da Reibfläche keine zusätzlichen Aufgaben z.B. als Lauffläche wahrnimmt
- ...
Nachteile:
- höheres Gewicht als bei Klotzbremsen
- höherer konstruktiver Aufwand, da Wellenbremsscheiben und Radbremsscheiben auf Welle bzw. Rad speziell angebracht werden müssen
- größere notwendiger Bauraum (insbesondere bei Wellenbremsscheiben)
- ...
Magnetschienenbremse
[Bearbeiten]Für höhere Geschwindigkeiten und größere erforderliche Bremsverzögerungen (z.B. Straßenbahn) wurde die Magnetschienenbremse eingeführt. Diese besteht aus einer Reibschiene, welche mittels Elektromagnetische Anziehung direkt auf die Schiene wirkt. Die Magnetschienenbremse wird i.d.R. erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit aktiv.
Unterschieden werden die Magnetschienenbremsen an der höhe der Aufhängung (Tief-, Halbhoch- und Hochaufhängung) und am Aufbau der Magnete (Glieder- oder Starrmagnet). Probleme ergeben sich durch den Verschleiß der Magnetschiene (dieser führt u.U. zu Ablagerungen "Verschieferungen", die bei der Wartung mühsam entfern werden müssen) und dem erhöhten Verschleiß auf den Fahrschienen.
Wirbelstrombremse
[Bearbeiten]Die im w:ICE 3 eingesetzte Wirbelstrombremse, besitzt im Prinzip ähnlichen aufbau wie die typische Reisezuwagen-Magnetschienenbremse, mit dem Unterschied, dass hier die Bremsung berührungsfrei über Magnetische Feldkräfte erfolgt. Vorteile ist eine Kraftschlussunabhängige Bremswirkung. Nachteilig ergeben hat sich eine hohe thermische Belastung der Schienen in Folge Induktion, weshalb auf freigegebenen Strecken eine Temperaturüberwachung stattfindet, um thermischen Verzug zu verhindern und höhere Anforderungen an den Schienenuntergrund gestellt werden (w:Feste Fahrbahn!). Ein weiterer Nachteil ist die hohe notwendige Energieeinbringung zur Erzeugung der Magnetfelder.
- Bild: Funktionsprinzip Wirbelstrombremse -
Neben der hier vorgestellten linearen Wirbelstrombremse ist auch noch ein anderer Typ Bremse möglich, bei dem die Magnetfeldwirkung auf die Räder oder Achsen wirkt und dann über den Rad-Schien-Kontakt übertragen werden muss. Diese Art Bremse wurde aber bisher im Schienenfahrzeugbereich noch nicht eingesetzt.
Elektrodynamische Bremse (auch: Motorbremse oder Generatorbremse)
[Bearbeiten]Hier werden die elektrischen Antriebsmotoren als Bremsen ausgenutzt, in dem sie bei Unterbrechung der Fahrspannung aktiv bleiben und dann als Generator wirken. Nachteilig erweist sich die notwendige Abführung des erzeugten Stromes, der entweder über Bremswiderstände "verbraucht" wird, oder seit neuerem Stand der Technik auch in das Bahnnetz zurückgespeist wird, dann aber durch Verbraucher (Züge) in der Nähe aufgezehrt werden muss. Eine weitere Möglichkeit ist die Zwischenspeicherung der Energie im Fahrzeug selbst (z.B. Schwungradspeicher, Akkumulator oder Kondensatorspeicher).
Strömungsbremsen (Retarder oder Wandler, Aerodynamische Bremse)
[Bearbeiten]Eine weitere Möglichkeit Schienenfahrzeuge zu Bremsen ist die Nutzung von Strömungswiderständen. Bei hydrodynamischen Bremsen erfolgt die über ein Hydraulikgetriebe, in dem ein Turbinenrad eine Hydraulikflüssigkeit in Drehung versetzt und durch Fliehkraft an die Außenwände presst, wo diese durch ein Gegenrad wieder abgebremst wird und durch Reibungswärme die Bremsenergie abführt. Eine weitere (im Versuchsstadium) befindliche Möglichkeit ist die Nutzung des Luftwiderstandes, wie es z.B. das Spaceshuttle bei der Landung macht (Bremsfallschirm) oder wie Flugzeuge durch eine Art Bremsklappen.
Federung
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]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 zwei Aufgaben:
- Federung
- Dämpfung (durch Reibung zwischen den einzelnen Federsträngen)
Die Federsteifigkeit ergibt sich aus der aus der Festigkeitslehre bekannten Gleichung für den Biegebalken:
mit dem Flächenträgheitsmoment:
Die Gleichung für die Federsteifigkeit ist definiert als:
mit den oben erwähnten Gleichungen ergibt sich:
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 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)
[Bearbeiten]Heute am meisten eingesetzte Federart ist die Schraubenfeder, welche vom Prinzip einer aufgewickelten Drehstabfeder entspricht.
Der Verdrehwinkel bei einem Torsionsstab wird berechnet durch:
Mit dem polaren Flächenträgheitsmoment:
Somit ergibt sich für die Torsionsfedersteifigkeit:
Für eine Schraubenfeder, bei der der Torsionstab nun mit einem Schraubendurchmesser von D aufgewickelt ist,
lautet die Federkonstante: 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
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]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:
- Bild: Kennlinie Luftfeder -
Eine Belastungsunabhängige Luftfeder kann mittels einer Nivearegulierung, also einer Luftmengenregulierung erreicht werden.
Kupplung
[Bearbeiten]Aufgaben der Kupplung
[Bearbeiten]- 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
[Bearbeiten]Schraubenkupplung
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]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.
Kurzkupplung
[Bearbeiten]Fußnoten
[Bearbeiten]- ↑ 1,0 1,1 1,2 Fritz Frederich: Unbekannte und ungenutzte Möglichkeiten der Rad/Schiene Spurführung. In: Glasers Annalen : Zeitschrift für Eisenbahnwesen und Verkehrstechnik. Nr. 109, Februar/März 1985, S. 41-47, ISSN 0373-322X