Leichtbau bei Schienenfahrzeugen- eine Bestandsaufnahme - IFS

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert2

NF-Fahrzeugkonzepte IISymmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit frei ausdrehbaren Doppelfahrwerken in geometrisch„unterbestimmter“ AnordnungNF-1Be:Zwei Zentral-DoppelfahrwerkeBsp.: Combino Plus BudapestSymmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit „nicht ausdrehbaren“ Doppelfahrwerken in geometrischbestimmter AnordnungNF-1Cg:MultigelenkfahrzeugeBsp.: Citadis 402 BordeauxSymmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit ausdrehbaren und nicht ausdrehbaren Doppelfahrwerkenin geometrisch bestimmter AnordnungNF-1Dh:Mittelwagen als GelenkwägelchenBsp.: S70 / Avanto© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert6

NF-Fahrzeugkonzepte IIISymmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit EinzelfahrwerkenNF-2l: Klassischer GTW, aber mit EinzelfahrwerkenBsp.: ULF WienNF-2m: Zwei Einzelfahrwerke unter MittelwagenBsp.: VÖV Düsseldorf (Prototyp)NF-2n:Zwei Einzelfahrwerke unter EndwagenBsp.: Cobra ZürichSymmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit Einzel- und DoppelfahrwerkenNF-3s:Zwei Einzelfahrwerke unter MittelwagenBsp.: 6NGTW Rostock© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert7

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert8

BeurteilungsgrößenFlächengewicht über Jahreszahl der Erstauslieferung‣ Wichtigste Beurteilungsgröße bei Straßen- und StadtbahnenFlächengewicht über Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge‣ Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge als Maß für die Wagenkastenschwächungdurch Türausschnitte‣ Je größer das Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge, desto kürzer sind dieFahrgastwechselzeitenFlächengewicht über Radpaaranzahl : Fahrzeuglänge‣ Versuch der Fahrzeughersteller Leergewicht einzusparen; beiNiederflurfahrzeugen Versuch Podeste im Innenraum zu vermeidenFlächengewicht über statischer Längsdruckprüfkraft‣ Maß für die Wagenkasten-Längssteifigkeit© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert9

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert10

Thesen I:gewichtssteigernd‣ Ausrüstung des Fahrgastraums mit einer Klimaanlage‣ Isolierung (Schall- und Wärmeisolierung)‣ Vergrößerung der Tür- / Fensterfläche‣ Zunahme des Anteils der 100 % Niederflurfahrzeuge‣ Standardisierung (Bsp.: Straßenbahn-Baukastensysteme)‣ Verschärfte Gesetzesvorgaben (Crashsicherheit, dauerfeste Auslegung vonWagenkästen und Radsatzwellen, Brandschutz)© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert11

Thesen II:gewichtsmindernd‣ Vergrößerung der Fahrwerkabstände bzw. Einsparung von Fahrwerken‣ Innovationen im Bereich Elektrik/Elektronik‣ Entwicklungsbegleitendes Gewichtsmanagement‣ Betriebsfeste statt dauerfeste Auslegung‣ Moderne Berechnungs- und Fertigungsmethoden‣ Einsatz alternativer Werkstoffe im Wagenkastenrohbau© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert12

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert13

Überblick der Flächengewichte© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert14

NF-Fahrzeuge:„Multigelenker"© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert15

NF-Fahrzeuge:Gelenkwägelchen, Zentralfahrwerke© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert16

NF-Fahrzeuge:Doppel-FW, Einzel-FW, Jakobs-DG© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert17

Hochflurfahrzeuge,2-System, Hybrid© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert18

Flächengewicht in Abhängigkeit derTüranzahl/Fahrzeuglänge© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert19

Flächengewicht in Abhängigkeit derRadpaare/Fahrzeuglänge© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert20

Flächengewicht in Abhängigkeit derLängsdruckprüfkraft© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert21

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert22

HF-Stadtbahn FFMTechnische DetailsU4U5Auslieferung: 1994 2007Länge: 24,5 m 25 mBreite: 2,65 m 2,65 mLeergew.: 37,4 t 38,9 tFlächengew.: 576 kg/m 2 587 kg/m 2•Längsdruckprüfkraft: 410 kN•Heiz-/Lüftungsanlage•Fenster geklebt•Längsdruckprüfkraft: 800 kN•Klimaanlage Fahrer-/Fahrgastraum: 1400 kg•Fenster gummigefasst: ca. 120 kg / Wagen•15 Sitzplätze weniger: -375 kg•Stromrichter+Bremswiderst.: 980 kg•Stromrichter+Bremswiderst.: 508 kg© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert23

Gewichtsanteile der HF-StadtbahnStuttgartWagenkasten+ AnbauteileInnenausbauFahrwerkeEl. Antriebsausrüstung(ohneMotor)Neben-/HilfsaggregateNicht zugeordnetQuelle Bilder: http://www.stuttgart-strassenbahn.de© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert24

Gewichtsanteile der HF-StadtbahnStuttgart95Wagenkasten+ AnbauteileInnenausbauFahrwerkeEl. Antriebsausrüstung(ohneMotor)Neben-/HilfsaggregateNicht zugeordnetQuelle Bilder: http://www.stuttgart-strassenbahn.de© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert25

Gewichtsanteile derStadler-VariobahnenWagenkasten+ AnbauteileInnenausbauFahrwerkeEl. Antriebsausrüstung(ohneMotor)Neben-/HilfsaggregateNicht zugeordnet1Cg© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert26

Gewichtsanteile derStadler-Variobahnen4Wagenkasten+ AnbauteileInnenausbauFahrwerkeEl. Antriebsausrüstung(ohneMotor)7Neben-/Hilfsaggregate9Nicht zugeordnet1Cg© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert27

Aufgabenstellung‣ Leergewichte und Ausstattungsmerkmale von Straßen- und Stadtbahnfahrzeugen:1994 – heute‣ Normierung der Gewichte in Abhängigkeit von Ausstattung und Anforderungen‣ Formulierung von Thesen über potentiell gewichtssteigernde und –minderndeEntwicklungen/Faktoren‣ Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge‣ Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von „ähnlichen“ Fahrzeugtypenunterschiedlicher Fahrzeuggenerationen‣ Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- undStadtbahnen© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert28

• Ausrüstung mit KlimaanlageooZusammenfassunggewichtssteigernd‣ Gerätegewicht: +1400 kg am Bsp.: U4-U5‣ Mehrgewicht bei der Wagenkastenstruktur: +X %• Isolierung (Schall- und Wärmeisolierung)o• Vergrößerung der Tür- und Fensterfläche‣ Ja, siehe Bsp.: S-DT 8.9 zu S-DT 8.10/11‣ Nein, siehe Diagramm• Zunahme des Anteils der 100 % Niederflurfahrzeuge‣ Nein, da NF-Fahrzeuge noch leichter als HF-Fahrzeuge sind‣ Aber, NF-Flächengewichte steigen deutlich schneller und erreichenim Durchschnitt 2012 das Niveau der HF-Fahrzeuge• Standardisierung• Verschärfte Gesetzesvorgaben‣ Radsatznorm EN 13104 ja: Bsp. S-DT 8.10 8.11‣ Crashnorm EN 15227 scheint gewichtsneutral≙ belegt o≙ nicht belegbar ≙ widerlegt‣ Zukünftige Brandschutznorm EN 45545 noch nicht belegbar© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert29

oZusammenfassunggewichtsmindernd• Entwicklungsbegleitendes Gewichtsmanagement‣ Seit etwa 2000 verstärkt durchgeführt‣ Bsp. U4-U5: nur geringfügig höheres Gesamtgewicht trotz:‣ Zusätzlichen Ausstattungselementen (Klimaanlage Fahrgastraum)‣ Höhere Längsdruckprüfkraft: 410 kN (U4) zu 800 kN (U5)• Innovationen im Bereich Elektrik/Elektroniko‣ Bsp. Stromrichter+Steuergerät R- zu S-Wagen: 700 kg zu 450 kg, d.h. -35 %‣ Bsp. Stromrichter+Steuerger.+Bremsw. U4 zu U5: 980 kg zu 508, d.h. -48 %• Vergrößerung der Fahrwerkabstände bzw. Einsparung von Fahrwerken‣ Siehe Diagramm Flächengewichte bez. auf Radpaaranzahl pro Fahrzeuglänge• Moderne Berechnungs- und Fertigungsmethoden• Alternative Werkstoffe≙ belegt o≙ nicht belegbar ≙ widerlegt‣ Aluminium/Stahl: insgesamt kein wesentlicher Gewichtsvorteil erkennbar‣ Stahl/FVW: nicht durch verlässliche Angaben belegbar© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert30

Fazit‣ Alle Fahrzeugkategorien werden auf das Flächengewicht bezogen schwerer,insbesondere Niederflurfahrzeuge‣ NF-Fahrzeuge erreichen im Schnitt heute das spezifische Gewicht von HF-Fahrzeugen‣ Leichtbau wird bei Straßen- und Stadtbahnen nur akzeptiert, solange er kostenneutralbleibt und/oder der Einhaltung der maximalen Achslast dient (bei den meistenVerkehrsbetrieben 10 t)‣ Konzeptionelle Neuentwicklungen (z.B. ForCity) dienen nicht dem Leichtbau‣ Entwicklungen von Neukonzepten, die Potential bieten Leichtbau zu fördern (z.B.Einzelfahrwerke, Verbundwerkstoffe) sind nicht erkennbar‣ aktuelle Entwicklungen, wie bspw. fahrzeugseitige Energiespeicher für fahrdrahtlosesFahren, wirken gewichtssteigernd© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert31

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!© Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler, 2011 Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert32