Die Funktionsweise der Straßenbahn und ihrer ... - Lehrer.at

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Die Funktionsweise der
Straßenbahn und ihrer
Bremssysteme
Lernziele
Die SchülerInnen lernen die Funktionsweise
- im Besonderen die unterschiedlichen
Bremssysteme - der Straßenbahn
kennen.
Es wird an verschiedene Teilgebiete der
Elektrizitätslehre angeknüpft.
(Elektromotor, Stromkreis, Gleichstrom/
Wechselstrom, ...)
Arbeitsblatt 1 - 7:
Materialien
Informationsblätter
Arbeitsblatt 8 und 9: Aufgabenblätter
Overheadfolie 1:
Gleichstrommotor/
Gleichstrom und
Wechselstrom
Overheadfolie 2 und 3: Der Kreislauf
Methode:
Overheadfolie 4:
Die elektrische Feststellbremse
Overheadfolie 1: Gleichstrommotor/Gleichstrom und Wechselstrom
Zu Beginn sollten idealerweise Grundlagen der Elektrizitätslehre wiederholt werden.
Arbeitsblätter 1 - 7: Informationsblätter
Anschließend sollen die SchülerInnen anhand der Informationsblätter das Stromversorgungsprinzip
der Straßenbahn sowie ihre wichtigsten Bremssysteme eigenständig
erarbeiten. Dies kann z.B. in Form eines Stationenbetriebs („Offenes Lernen“) oder als
Gruppenarbeit mit anschließender Präsentation geschehen.
Selbstverständlich können Sie die Informationen auch vortragen und mit Hilfe der
Overheadfolien 2 und 3 veranschaulichen.
Arbeitsblätter 8 und 9: Aufgabenblätter
Die SchülerInnen bekommen die Aufgabe, das Stromversorgungssystem der
Straßenbahn zusammenzufassen. Arbeitsblatt 2 kann auch als „Hausaufgabe“ bearbeitet
werden, da die SchülerInnen beobachten und Skizzen anfertigen sollten.
Oberstufe
Stromnetze
Lehrerinformation
1

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Stromversorgung der Straßenbahn
Im Gegensatz zur öffentlichen Stromversorgung durch
Elektrizitätsversorgungsunternehmen oder auch der Eigenversorgung einzelner Industriebetriebe
mit eigenen kleinen Kraftwerken wird der Bahnstrom entweder über
eigene Bahnkraftwerke oder aus dem öffentlichen Netz über Bahnunterwerke (vgl.
Gleichrichter) bezogen.
Vom Stromabnehmer wird der Strom zunächst über den sogenannten
Überstromschalter zum Fahrschalter geleitet.
Der Überstromschalter, der am Wagendach über dem Fahrerplatz angebracht ist,
dient hauptsächlich zum Schutz vor zu hoher Motorstromaufnahme. Er wirkt aber auch
als Sicherheitseinrichtung, z.B. beim Ziehen der Notbremse während der Beschleunigung
des Wagens, damit kein weiterer Fahrstrom aus der Leitung entnommen wird.
Die Widerstände:
Sie werden sowohl beim Anfahren als auch beim
Bremsen den Motoren vorgeschaltet. Sie befinden
sich am Dach, aber auch im Wageninneren; unter
den Sitzen gibt es Widerstände, die wahlweise
im Winter verwendet werden, um die abgegebene
Wärme als Heizung nutzen zu können.
Der Bahnstrom für die Straßenbahn hat eine Nennspannung
von 600V, Gleichstrom, und wird dem Fahrdraht
mittels eines Stromabnehmers aus der Oberleitung entnommen,
im Unterschied zur U-Bahn, die den Strom
über eine seitlich geführte Leitung bezieht.
Der Strom fließt über den Überstromschalter, die
Widerstände, den Fahrschalter, die Motoren und
schließlich die Schienen, wieder zurück zum Kraftwerk.
Oberstufe
Stromnetze
Arbeitsblatt 1

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Der Fahrschalter:
Der Fahrschalter reguliert die verschiedenen Fahr- und Bremsstufen und somit die
Beschleunigung automatisch.
Beim Anfahren werden folgende Stufen durchlaufen:
1. Die Serienfahrstufen:
Die Fahrmotoren sind in Serie geschaltet, je nach Stufe sind die Widerstände
(am Dach) vorgeschaltet, bei der ersten Serienfahrstufe alle, bei der letzten
keiner, d.h. die gesamte Fahrleitungsspannung wird genutzt.
2. Die Parallelfahrstufen:
Die Motoren sind parallel geschaltet, wiederum werden die Widerstände
stufenweise weggeschaltet; also je höher die Fahrstufe, desto weniger
Widerstände, desto höher die Geschwindigkeit.
Außer dem Fahrschalter werden auch die Magnetschienenbremsen und die Beleuchtung
im Inneren direkt von der Fahrleitung gespeist. Diese ist übrigens in Lichtserien
unterteilt, deshalb bleiben bei Ausfall einer Leuchte gleich mehrere finster.
Weiters ist jede Straßenbahn mit einer Wagenbatterie (24V) zur Speisung der Hilfseinrichtungen
ausgestattet. (Türautomatik, elektronische Fahrschaltersteuerung etc.)
Die Motoren:
Die Straßenbahn verfügt über mehrere Gleichstrommotoren, die je ein Räderpaar
antreiben bzw bremsen (als generatorische Bremse).
Oberstufe
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Arbeitsblatt 2

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Bremssysteme der Straßenbahn
In der Straßenbahn gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Bremssystemen, die
verschiedenen Einsatzzwecken dienen. Zur Erhöhung der Sicherheit kann bei Ausfall
einer Bremse problemlos auf eine andere umgeschaltet werden.
Die generatorische Bremse
Die elektrische Feststellbremse (Solenoidbremse)
Die Frischstrom-Schienenbremse
Die Batterie-Schienenbremse
Die Druckluftbremse
Die mechanische Feststellbremse
Die Luftdruck-Federspeicherbremse
Die generatorische Bremse:
Die generatorische Bremse gilt als die sicherste und wichtigste Bremse der
Straßenbahn. Allerdings kann man mit ihr allein den Wagen nicht vollständig zum
Stillstand bringen.
Beim Bremsen wirken die Motoren des Triebwagens als Generatoren. Sie erzeugen
also dadurch, dass sich der Zug bei betätigter Bremse bewegt, Strom, weil sich
die Räder weiterdrehen, der Motor aber keinen Strom bezieht. Der Motor kann sich
sozusagen zu einem Generator umkehren und Strom erzeugen.
Dieser „Bremsstrom“ wird einerseits wiederum durch die Widerstände geleitet, und
dort in Restwärme umgesetzt (am Dach flimmert und raucht es).
Andererseits wird er über Kupplungskabel auch auf den Beiwagen übertragen, um
diesen ebenfalls zu bremsen.
Elektromotor: Elektrische Energie wird zu mechanischer - Räder
drehen sich infolge von Stromzufuhr
Generator: Mechanische Energie wird zu elektrischer - da sich die Räder
drehen, kann elektrische Energie erzeugt werden. (Bsp: Turbine)
Das Prinzip eines Elektromotors stark vereinfacht:
Hauptbestandteile: Vier Elektromagnete, der auf der Achse befindliche drehbare
(elektromagnetische) Anker in der Mitte.
Der Anker beginnt sich, wie in Abbildung 1 gezeigt, zu drehen, weil sich die gleichen
Pole jeweils abstoßen und von den Gegenpolen angezogen werden. Dabei wird auch
die Achse gedreht und somit die Räder der Bahn.
Nun stehen die Südpole des Ankers den Nordpolen des Gehäuses gegenüber. Der
Trick besteht nun darin, dass die Pole des Gehäuses umgepolt werden. (Abbildung
2) Wiederum bewegt sich der Anker durch die Magnetwirkung. Die vier Abbildungen
stellen eine halbe Drehung des Motors dar, die zweite Halbdrehung erfolgt nach dem
selben Prinzip.
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Arbeitsblatt 3

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Das Prinzip der Generatorbremse:
Der Motor bekommt bei betätigter Bremse keinen Strom, die Räder und somit die
Achse des Motors drehen sich aber weiter. Durch das Weiterdrehen des Motors
werden die Magnete des Ankers umgepolt, was in diesem Fall ein Abbremsen zur
Folge hat, da sich die Pole (sozusagen gegen die Drehrichtung) abstoßen und somit
die Drehung verlangsamen.
Vorteile:
- sehr sicher
- keine direkten Verschleißteile
(Bremsscheiben, etc.)
- funktioniert ohne Stromzufuhr
(wenn Batterie oder Oberleitung
beschädigt ist)
Nachteile:
- kann nur die angetriebenen Achsen
abbremsen
- Bremsstrom muss an elektrische
Feststellbremse weitergeleitet werden
- funktioniert nur, solange sich der
Zug mit einer gewissen Geschwindigkeit
bewegt, da im Stand kein Bremsstrom
erzeugt werden kann
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Arbeitsblatt 4

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Die elektrische Feststellbremse:
Um den Zug vollständig zum Stillstand zu bringen, reicht die generatorische Bremse
nicht aus. Nach dem generatorischen folgt der Bremsvorgang mit der elektrischen
Feststellbremse (Solenoidbremse). Indem der Fahrer einen Bremshebel betätigt,
werden die Solenoiden, kleine Elektromagnete mit beweglichem Eisenkern, an den
Strom angeschlossen und der Eisenkern somit angezogen. An diesem Kern ist ein
Bremsgestänge befestigt, über das infolge der Stromeinwirkung Bremsbeläge auf die
Bremsscheiben drücken.
Nachteile:
• Der Zug wird nur gebremst, solange Strom auf die Solenoiden einwirkt
• Bei längerer Betätigung werden die Solenoiden sehr heiß (Gefahr: Durchbrennen).
Um die Straßenbahn dauerhaft abzustellen, ist die elektrische Feststellbremse also
nicht geeignet. Dafür gibt es ein weiteres Bremssystem, das nachfolgend erklärt wird.
Die mechanische Feststellbremse:
Das Prinzip dieser Bremse ist ähnlich wie das einer Handbremse im Auto. Über einen
Hebel wird sie durch mehrmaliges Hin- und Her-Bewegen angezogen und durch das
Drücken eines Knopfes bei gleichzeitigem Ziehen am Hebel wieder gelöst.
Vor der Entwicklung der elektrischen Feststellbremse wurde die Straßenbahn bei
jedem Halt durch diesen mechanischen Vorläufer von Muskelkraft gebremst. (früher:
Kurbel)
Die Schienenbremse:
Eine Bremse, die unabhängig von den Rädern wirkt, ist die Schienenbremse. Sie
ist sehr von Vorteil, wenn Rutschgefahr (durch Regen, nasses Laub) herrscht, auch
wenn eine Sandstreuung erfolgt. Bei Betätigung dieser Zusatzbremse „saugen“ sich
Elektromagnete, die zwischen den Rädern angebracht sind, direkt an den Schienen
fest.
Man unterscheidet hier zwischen der Frischstrom- und der Batterieschienenbremse.
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Arbeitsblatt 5

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Die Straßenbahn:
Die erste schienengebundene Pferdestraßenbahn
tauchte um 1830 in New York auf, in Österreich
wurde sie1865 eingeführt. Für einige Zeit wurden die
Pferde durch Dampfmaschinen ersetzt, bis die elektrische
Straßenbahn im Stadtbild auftauchte (1883 in
Österreich).
In den Zwanziger- und Dreißigerjahren des 19.Jh. erreichte die Straßenbahn ihre
größte Verbreitung. (Fortschritte in Technik, Stahlbau, Fahrzeugbau, Elektrotechnik
etc.)
Aber schon bald kam es vermehrt zu einem Konflikt zwischen Straßenbahn- und
Autobefürwortern, die Städte mussten sich entscheiden, ob die Straßenbahn dem
Individualverkehr weichen sollte oder umgekehrt.
Erst seit einigen Jahren wird das System Schienenverkehr in vielen Städten wieder
aufgegriffen oder neu adaptiert und optimiert.
Merkmale der Straßenbahn:
Umweltverträglichkeit
Hohe Kapazität
Weniger Platzbedarf als Individualverkehr
Hohes Fahrgastpotential
Wirtschaftlichkeit
Verkehrsberuhigend
Umweltverträglichkeit:
Jede Ortsveränderung ist mit einem Energieaufwand verbunden, ein Perpetuum
mobile ist unmöglich (Energiekreislauf - Energieerhaltungssatz).
Als elektrisch betriebenes Fahrzeug ist die Straßenbahn als ein umweltfreundliches
Fortbewegungsmittel einzuordnen. Natürlich ist auch der Betrieb elektrischer Fahrzeuge
mit Energieumwandlung und somit auch mit Emissionen verbunden, aber im
direkten Betrieb entstehen keine Abgase. Also eignen sie sich gut für stark belastete
Gebiete wie Städte. Neben dem O-Bus hat die Straßenbahn den niedrigsten spezifischen
Energieverbrauch pro Person pro Kilometer.
Kapazität:
Im Vergleich zum Autobus hat die Straßenbahn eine nahezu doppelt so hohe
Leistungsfähigkeit; diese ist abhängig vom Fassungsvermögen und der Zugfolge.
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Arbeitsblatt 6

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Platzbedarf:
Verglichen mit dem Individualverkehr und anderen öffentlichen Verkehrsmitteln hat
die Straßenbahn einen viel geringeren Platzbedarf bei gleicher Anzahl der zu
befördernden Personen.
Eine zweigleisige Straßenbahnlinie mit 6 m Breite, kann gleich viele Personen
transportieren wie eine vierspurige Straßenbahn mit 13 m Breite.
Auch der Platzbedarf in der Kurve ist bei der Straßenbahn um einiges geringer:
Im Gegensatz zum Bus, dessen Fahrbewegung einer Schleppkurve entspricht, stellt
ihre Bewegung eine Hüllkurve dar.
Unter einer Schleppkurve versteht man die Bahnkurve des Hinterrades bei gegebener
Führungskurve des Vorderrades der gleichen Fahrzeugseite (O-Bus - schwenkt
aus).
Die Hüllkurve ist jene Linie, die das Schienenfahrzeug im Bewegungszustand nicht
überschreiten darf (schienengebunden - schwenkt nicht aus).
Verhalten im täglichen Verkehrsablauf:
Straßenbahnen bremsen und beschleunigen langsamer als Autos und Busse.
Fahrbeschleunigung:
Auto:
Straßenbahn:
3,5m/s²
0,8 - 1m/s²
Der Grund für diese Einschränkung ist, dass die Beschleunigung auf die stehenden
Fahrgäste ausgelegt ist.
Da aber die Verkehrsregelung im Allgemeinen auf den Individualverkehr ausgerichtet
ist, kommt es für die schienengebundenen Fahrzeuge zu erheblichen Verzögerungen
und Wartezeiten. Nach jeder Haltestelle folgt eine rote Ampel, die grüne Welle für
den Autoverkehr kann nicht genützt werden. Ein Überdenken der Begünstigung des
Individualverkehrs wäre sinnvoll.
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Arbeitsblatt 7

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Aufgabenblatt
1. Wie wird die Straßenbahn mit Strom versorgt? Beschreiben Sie den Weg des
Stromes zur und durch die Straßenbahn.
2. Welche ist die Betriebsbremse der Straßenbahn? Wie funktioniert sie? Was sind
Vor- und Nachteile dieser Bremse?
3. Über welche zusätzlichen Bremssysteme verfügt die Straßenbahn? Wann ist es
jeweils sinnvoll, diese einzusetzen?
4. Was ist der Unterschied zwischen einem Motor und einem Generator?
5. Beschreiben Sie die Bestandteile und die Funktionsweise der Solenoidbremse
(elektrische Feststellbremse). Welche Vor- und Nachteile hat sie? Wann wird sie
angewandt?
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Arbeitsblatt 8

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Beobachtungsaufgaben
1. Schauen Sie sich, wenn Sie das nächste Mal an einer Straßenbahn vorbeikommen,
die Leitungen und die Einspeisstellen genauer an (sie sind leicht zu erkennen). Wie
häufig sind sie zu sehen? Woran sind die Leitungen befestigt?
2. Schauen Sie sich auch die Schienen an. Welche Form haben sie? Wie liegen sie
im Straßenpflaster? Was ist der Unterschied zwischen Schienen im Stadtgebiet und
denen außerhalb? (Kurze Beschreibung, Skizzen)
3. Wie liegen die Räder der Straßenbahn auf den Schienen auf, eher flächig, linear
oder punktuell? Was wären jeweils Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Lagerung
in Bezug auf Reibung, Rutschsicherheit...?
4. Wodurch kann man die Reibung erhöhen? (Schauen Sie sich in der Straßenbahn
um, sicher haben Sie sich schon einmal über die Behälter unter einigen Sitzen
gewundert).
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Arbeitsblatt 9

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Das Prinzip des Gleichstrommotors
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Gleichstrom und Wechselstrom
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Der Kreislauf
Schema der Stromversorgung bei der Straßenbahn
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Overheadfolie 2

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Der Halbscherenstromabnehmer
Die Widerstände
Oberstufe
Stromnetze
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Overheadfolie 3

Holt euch die Goldene Tramway 2002!
Die elektrische Feststellbremse/ Solenoidbremse
Oberstufe
Stromnetze
Lehrerinformation
Overheadfolie 4