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Konstruktion der Schienenfahrzeuge

Dr. Günter Köhler – Bochumer Verein Vorlesung WS 06/07 UNI-Hannover

Termine für Vorlesungen 2006/2007

Datum

Thema

11.10.06 G. Köhler Konstruktion der

Schienenfahrzeuge


Schienenfahrzeuge


Schienenfahrzeuge

01.11.06 F. Minde Grundlagen der

Eisenbahnbremstechnik







29.11.06 P. Spiess Fahrdynamik des

Schienenverkehrs


Schienenverkehrs


Schienenverkehrs


Schienenverkehrs


Schienenfahrzeuge


Schienenfahrzeuge


Schienenfahrzeuge

Termin für Exkursion


Schienenfahrzeuge



Inhalt Regelwerke und BaurichtlinienRechtliche Rahmenbedingungen

- europäische Richtlinie- nationales öffentliches Recht- wichtige Rechtsbegriffe

Allg. Definitionen und Begriffsbestimmungen

Fahrwerke - Radsätze, Radsatzlager- Radsatzführungen- Fahrwerksrahmen- Schnittstelle Wagenkasten/ Fahrwerk- Anbauteile

Einbauplanung der Bremsen

Anordnung der Getriebe und Motoren

Wagenkästen - Werkstoffauswahl- Baugruppen- Ausrüstung

Kupplungen und Übergängeelektrische AusrüstungFenster,Türen und SitzeHeizung, Klimatisierung und Lüftung

Brandschutz, Crash, Aerodynamik, Lärmemission



Literatur Grundwissen Bahnberufe Gerd HolzmannUlrich Marks-FährmannKlaus RestetzkiKarl-Heinz Sudwischer

Verlag Europa-Lehrmittel ISBN 3-8085-740 1-1

Fahrzeugtechnik Teil 1 u. 2 Jürgen JanickiEisenbahn-Fachverlag ISBN 3-9801093- 9-0

S-Bahn Triebzüge Daniel RiechersTranspress Verlag ISBN 3-613-71128-1

Regionaltriebwagen Daniel RiechersTranspress Verlag ISBN 3-613- 71089-7

ICE Daniel RiechersTranspress Verlag ISBN 3-613- 71172-9

TAURUS - Lokomotiven für Karl Gerhard BaurEuropa ISBN 3-88255-182-8EK-Verlag

Schienenfahrzeugdynamik K. Knothe,S. StichelSpringer Verlag ISBN 3-54 0-43429-1

Drehgestelle – Bogies Karl Gerhard BaurEK-Verlag ISBN 3 -88255-147-X



•ISO (International Organization for Standardization)

•IEC (International Electrotechnical Commission)

•EN (Europäische Norm )

•GOST (Staatlicher Standard der russischen Föderation)

•ASTM (American Standard for Testing and Materials)

•UIC-Merkblätter (Union internationale des chemins de fer)

•AAR (Association of American Railroads)

•OSShD (Organisation for Cooperation of Railways

/Osteuropa und Asien)

•Ausführungsbestimmungen der Zulassungsbehörden

Regelwerke für internationale Anwendung



•UIC-Merkblätter

•IEC (International Electrotechnical Commission)

•TSI (Europäische Interoperabilität)

•EN (CEN/CENELEC)

•DIN

•VDV-Schriften (Verband Deutscher Verkehrsunternehmen)

•(Netz-)Betreiber-Vorschriften (z.B. Ril der DB AG)

• Technische Regeln Fahrzeugzustand (TRF)

•Ausführungsbestimmungen der Zulassungsbehörden

Regelwerke für nationale Anwendung



Konventionelle BahnKonventionelle BahnKonventionelle BahnKonventionelle Bahn

Direktive

2001/16

Europäischer rechtlicher RahmenInteroperabilität

Hoch-geschwindig-

keit

Direktive

1996/48

Interoperabilitätsdirektiven



Was bedeutet “Interoperabilität”?

Unter “Interoperabilität” versteht man die Eignung des trans-europäischen Schienensystems für das sichereund kontinuierlicheVerkehren von Zügen, die die vorgegebenen Leistungsniveaus erfüllen.

Diese Eignung beruht auf allen rechtlichen, technischen und betrieblichen Bedingungen, die zur Erfüllung wesentlicher Voraussetzungen eingehalten werden müssen.

Art. 2 der Direktiven 96/48 und 01/16



Sicherheit

Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Gesundheit

Umweltschutz

Technische Kompatibilität

Welches sind die wesentlichenVoraussetzungen ?

Anhang III der Direktiven 96/48 und 01/16







– TSI “Störgeräusche” (Juni 2006)

• anwendbar auf herkömmliche Schienenfahrzeuge, sowohl Reisezug- alsauch Güterwagen

– TSI Sicherheit in Eisenbahntunneln (2005)• alle abgestimmten Vorschriften, aufzunehmen in alle Teilsysteme für die

Sicherheit von Fahrgästen und Personal beim Befahren von Tunneln

– TSI Zugänglichkeit für mobilitätseingeschränkte Personen (2005)

• alle Vorschriften, aufzunehmen auf Fahrzeug- und Infrastrukturebene fürdie Zugänglichkeit für mobilitätseingeschränkte Personen)

• Weitere zukünftige TSIs (TSIs für die Sicherheit des Eisenbahnsystems, Stadtverkehr usw. ) werden von der European Railways Agency (ERA in Valenciennes) herausgegeben.

Übergreifende TSIs



Gesetze und Verordnungen für Deutschland / nationale Regeln

Verkehrsart / gesetzliche Vorschriften in Deutschla nd

Allgemeines Eisenbahngesetz (AEG)- Eisenbahnaufsicht- Betriebsgenehmigungsmodalitäten- Beförderungspflicht- Tarife- Planfeststellung- Enteignung für Eisenbahnvorhaben- Stilllegung von Schienenwegen

- Eisenbahn-Bau-und Betriebsordnung- Eisenbahn-Bau-und Betriebsordnung für

Schmalspurbahnen- Eisenbahn-Signalordnung- Eisenbahn-Verkehrsordnung

Personenbeförderungsgesetz (PBefG)- Öffentlicher Personennahverkehr

Gesetze der Länder- Aufsicht- Betriebspflicht- Beförderungpflicht

- Verordnung über den Bau und Betriebder Straßenbahnen

- Straßenverkehrs-Ordnung



Verkehrsart / gesetzliche Vorschriften

•Vollbahnen (Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung EBO) :- Hauptbahnen mit (inter-)nationalem Fernverkehr (Personen-und Güterbeförderung)

- Nebenbahnen mit regionalen und lokalen Verkehr (Personen-und Güterbeförderung)

- S-Bahnen

• Straßen-, Stadt- und U-Bahnen (Verordnung über den Bau und Betriebder Straßenbahnen BOStrab)

• Spezialbahnen:- Magnetschwebebahnen (zuständig Eisenbahnbundesamt)

- Standseilbahnen

- Treidelbahnen

- Automatische Kabinenbahnen („People Mover“)

- Grubenbahnen (zuständig Oberbergämter)



Rechtliche Verfahren und technische Rahmenbedingungen

Eisenbahninfrastrukturim Besitz des Bundes

Eisenbahnverkehrsunter-nehmen im Besitz des Bundes oder auslän-dische Eisenbahn-verkehrsunternhmen

EBAzuständig für:

EBA übernimmt Aufgaben für 13 Bundesländer

15 Bundesländer

zuständig für:

Lokale Eisenbahn-infrastruktur

Lokale Schienenfahrzeug-betreiber

• Offizielle Genehmigung von Infrastrukturplänen

• Zulassung von Fahrzeugen gemäß § 32 der Eisenbahnbau- und Betriebs-

ordnung

• Zulassung gemäß der Eisenbahnsignalordnung

• Eisenbahnaufsicht

Bundesminister für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen

BMVBWNiedersachsen

Berlin


Aufgaben des EBA

� Planfeststellung� Anerkennung von Benannten Stellen� Finanzierung� Zulassung und Technische Aufsicht Fahrweg� Bauaufsicht Anlagen� Zulassung und Technische Aufsicht Fahrzeuge� Betrieb� Magnetschwebebahn� (Landeseisenbahnaufsicht)� Erteilung, Widerruf von

Betriebsgenehmigungen� Netzzugang� Unfalluntersuchung



Nach § 4 Abs. 1 Satz 1 AEG sind Eisenbahnen verpflichtet, ihren Betrieb sicher zu führen und die Eisenbahninfrastruktur, Fahrzeuge und Zubehör sicher zu bauen und in betriebssicheren Zustand zu halten.

Nach § 2 Abs. 2 EBO müssen Fahrzeuge den „anerkannten Regeln der Technik“ entsprechen, es kann jedoch von den „anerkannten Regeln der Technik“ abgewichen werden, wenn mindestens die gleiche Sicherheit wie bei Beachtung dieser Regeln nachgewiesenwird.

Öffentlichrechtliche Verantwortung für Sicherheit



- Allgemein anerkannte Regeln der Technik

- Stand der Technik

- Stand von Wissenschaft und Technik

Unbestimmte Rechtsbegriffe

Vom BGH ist festgelegt worden, dass verständige, umsichtige, vorsichtige und gewissenhafte Fachleute für das Eisenbahnwesen nach dem jeweili-gen Stand der Technik festlegen, welche Sicherheitsvorkehrungen zu tref-fen sind.



zivilrechtlich setzt Produktsicherheit voraus, dass bei der Herstellung der allgemein anerkannte Stand der Technik gewahrt wird

straf- und deliktsrechtlich ist der allgemein anerkannte Stand der Technik die Untergrenze der Sicherheitspflichten

öffentlicht-rechlichen Sicherheitspflichten genügt der Verkehrspflichtige bei Wahrung der allgemein anerkannten Regeln der Technik



Begriffe und Abmessungen

SO Schienenoberkante Rsl RadsatzlastLüp Länge über Puffer Dg DrehgestellLi Lichte Weites Spurweite

Lüp=

S=1435SO

a



Zugkonfigurationen

Konventioneller Zug mit Lokomotive und Waggon

Konventioneller Zug mit Lokomotive und Reisezugwagen

Gliederzug in Jakobsanordnung mit Triebkopf

Gliederzug in Jakobsanordnung als Triebwagen

Gliederzug mit Trailern und Einzelradsätzen als Triebwagen



Starrkörper und Koppelelemente eines Schienenfahrzeuges



Starrkörper und Koppelelemente eines Gliederzuges

Gliederzug mit Einzelradsatzfahrwerk

Gliederzug mit Jakobsdrehgestellen



Fahrzeugkoordinatensystem

Primärstufe zwischen Radsatz und FahrwerksrahmenSekundärstufe zwischen Fahrwerksrahmen und Wagenkasten

Das gleisfeste Koordinatensystem x,y,zDas mit dem Fahrzeug bewegte Koordinatensystem x‘,y‘,z‘



Starrkörperbewegungen des Fahrzeuges

x-Schwingung oder Zucken Drehschwingen + Querschwingen = Schlingerny-Schwingung oder Querschwingen Rollen + Querschwingen = Wanken z-Schwingung oder Tauchen Zucken + Nicken = BockenDrehen um die y-Achse oder Nicken Tauchen + Nicken = GaloppDrehen um die x-Achse oder RollenDrehen um die z-Achse oder Drehschwingen

Zusätzlich wirken Verformungen des Wagenkasten: Biegeschwingung, Torsionsschwingung etc.



Radsatzanordnung

A, B, C (Großbuchstaben) 1, 2, oder 3 miteinander gekuppelte

Treibachsen im Hauptrahmen

1, 2, 3 (Arabische Ziffern) Zahl der aufeinander folgenden

Laufradsätze im Hauptrahmen.

O (kleine Null) Wird als Zusatz angegeben wenn die

gemeinsam gelagerten

Treibradsätze nicht miteinander

gekuppelt sind.

‚ (Apostroph) Wird als Zusatz verwendet, wenn die

Radsätze nicht im

Fahrzeughauptrahmen, sondern z. B.

im Drehgestellrahmen gelagert sind.

() (Klammer) Wird verwendet, wenn in einem

Drehgestell rahmen Lauf- und

Treibradsätze enthalten sind.



Radsatzanordnung Beispiele:

Fahrtrichtung

2‘ C 1‘

2‘ 2‘

Co‘ Co‘

(1A) (A1)

Treibradsatz

Laufradsatz

gekuppelte Antriebedurch Kuppelstangeoder Gelenkwelle

Fahrzeugaufbau

Fahrwerksrahmen



rBenennung

HPG U PGB A Fahrzeugkasten

B UntergestellC LängswändeD DachE FahrzeugkopfF Stirnw ändeG Anschweiß te ile , Anbaute ileH Zw ischendeckeJ Zw ischenwände

C A FahrzeugausbauB FensterC FußbodenD Innenverk leidungE TrennwändeF AußenanbautenG Fahrzeug lack ierungH Isolierung

D A Fahrzeug innenein rich tungB Haltestangen, G riffe

(Innenbere ich)C Sitze , L iegen, T ischeD Sanitäre inr ichtungenE G epäckablagenF Zusätzliche E inrich tungen

E A FahrwerkB tragende StrukturenC RadsystemD Federung, Dämpfung,

AusgleichE Lenkungssysteme (aktiv)F Anlenkungssysteme (passiv)G Schutzanbauteile

F A Energieanlage,Antriebsanlage

B EnergiezuführungC EnergieerzeugungD EnergieumsetzungE EnergieabführungF Energiespeicherung

G A Steuerungsanlage fürFahrbetrieb

B Steuerung fürEnergiezuführung

C Steuerung für Fahren undBremsen(fortgesetzt)

Kennbuch-staben für Benennung

HFG TFGG D Steuerung für

EnergieerzeugungE SystemerfassungF Steuerung für

EnergiespeicherungH A Hilfsbetriebsanlage

B UmformereinrichtungC BatterieeinrichtungD BordnetzE Kühlung für Energie- und

AntriebsanlageF Notstromerzeugungsein-

richtungenJ A Überwachungs- und

SicherheitseinrichtungenB Meß- und

SchutzeinrichtungenC Melden, Registrieren,

AnzeigenD SicherheitseinrichtungenE Datenübertragungsein-

richtungenF KommunikationseinrichtungenG zusätzliche Ausstattungen

Ein moderner Triebwagen von 67 m Länge besteht aus:

- 18 Hauptbaugruppen

- 108 Baugruppen

- ca. 15.600 Zeichnungspositionen

- ca. 1.052.470 Einzelteilen

- ca. 40 verschiedenen Werkstoffen



Drehgestelle40%

El. Ausrüstung14%

Inneneinrichtung 10%

Wagenkasten24%

Pneumatik2%

Anstrich1%

Fenster2%

Isolation3%

Türen 4%

Anteil der Baugruppen an der FahrzeugmasseBeispiel U-Bahn DT4 Hamburg



Sonstiges1%

Chrom Nickel20%

Aluminium9%

Kupfer4%

Elektronik2%

Holz2%

Stahl54%

Glas 2%

Kunststoff6%

Materialeinsatz Beispiel U-Bahn DT4 Hamburg



Fahrwerke



Radsatzführung eine 2-achsigen Standardgüterwagen



KERF - Kurvengesteuertes-Einzelradsatz-Fahrwerk



Güterwagendrehgestell Y25



Dreiachsiges Güterwagendrehgestell für 25 t Radsatz last



Laufdrehgestell MD 530 für ICE 1



Straßenbahndrehgestell mit Innenlagerung



Triebdrehgestell für Triebkopf ICE 1



U-Bahndrehgestell für ein Gelenkfahrzeug



Laufdrehgestell für eine Niederflurstrassenbahn



Warum Drehgestelle ?

l

a

R

a



Einstellung eines Fahrzeuges im Bogen

Abhängig vom Bogenradius, dem Abstandder Radsätze im Fahrwerksrahmen,dem Spurspiel, dem Radprofil und demAusdrehwiderstand des Fahrwerkes stellt sich

- Spießgang oder

- Freilaufein.

Fahrtrichtung



Stoßreduzierung in z-Richtung durch Drehgestell



Bogenfahrt von zwei starr gekoppelten Rädern



72

Zusammenwirken von Rad und Schiene



Radsatz im Bogen



Delta_r-Funktion, S1002 auf UIC60, 1/40, Sw=1435mm, Ra dradius r=425mm

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-10 -5 0 5 10

Linearisierungamplitude dy in mm

drRollradiendifferenz bei Querverschiebung



Rollradiendifferenz bei Querverschiebung



Lage der Berührpunkte (+/- 5 mm Querweg)



Wellenlauf des Radsatzes in der Geraden



Anlaufwinkel des ersten Radsatzes bei Bogenfahrt

Radiale Einstellung des Radsatzesim Bogen durch längselastischeRadsatzführung



Fahrwerksteuerung

• Radsatzlauf im Bogen– Selbstlenkung (erwünscht)

• Radsatzlauf in der Geraden– Instabiler Wellenlauf (unerwünscht)– Abhilfe: Fesselung der Wendebewegung im Drehgestell– Bogenlaufverhalten stark eingeschränkt

• Bogenabhängige Fesselung des Radsatzes!



Fahrzeugstellung im Bogen



Mechanische / hydraulische Steuerung



Funktionsprinzip (vereinfacht)



Fahrwerke



- Anzahl der RadsätzeEinzelradsatzfahrwerke beim klassischen „Zweiachser “ oder bei Gelenk-fahrzeugen. Standarddrehgestell mit zwei Radsätzen . Schwerlastfahrzeuge und Güterzugloks mit drei Radsätzen. Sonderfahrzeuge mi t bis zu 5 Radsätzen.

- Einstufiges oder zweistufiges FederungssystemStandardgüterwagenfahrwerke generell einstufig - Tri ebfahrzeuge undPersonenwagen überwiegend zweistufig

- Typ der RadsatzführungUnterscheidung zwischen starr und flexibel .Kennzeichnende Parameter sind Cx und Cy.

- RahmenformKastenrahmen, H-Rahmen mit und ohne Kopfträger, O-Rahmen,

- mit oder ohne Wiegenträger (Bolster)

- mit Antrieb (Triebdrehgestell) oder ohne Antrieb (Laufdrehgestell)

- Ausführung der BremseinrichtungKlotzbremse, Radscheibenbremse, Wellenbremsscheibe, Magnetschienenbremse,Wirbelstrombremse

Merkmale und Differenzierung der Fahrwerke



Aufbau eines Reisezugdrehgestell

1 2 3 4 5

6

1 Radsatz mit Radsatzlager (Nullebene)2 Primärfederung3 Radsatzführung4 Drehgestellrahmen (Einsebene)5 Sekundärfederung6 Wiegenträger (Bolster) Schnittstelle (Zweiebene)

zum Wagenkasten



2-achsiges, wiegenloses Drehgestell (ICE 3)

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