Leichtbau bei Schienenfahrzeugeneine Bestandsaufnahme

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1 Leichtbau bei Schienenfahrzeugeneine Bestandsaufnahme Vollbahnen Straßen- und Stadtbahnen Lehrstuhl und Institut für Fördertechnik und Schienenfahrzeuge Univ. Prof. Dr.- Ing. T. Dellmann Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau Univ. Prof. Dr.-Ing. C. Schindler im Auftrag der Deutsche Maschinentechnische Gesellschaft Bearbeiter: Dipl.-Ing. Martin Schwickert Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau, Prof. Dr.-Ing. C. Schindler,

2 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 2

3 Vorgehensweise Basis: Vorgängerstudie ( Voß-Studie ) von 1994 Datenauswertung aus der Literatur von insgesamt ca. 200 Fahrzeugen Einteilung der Fahrzeuge in Niederflur-, Hochflur-, 2-System- und Hybridfahrzeuge; weitere Unterteilung der Niederflurfahrzeuge nach Konzepten Genauere Recherche zu den Fahrzeugen U4 und U5, sowie R- und S-Wagen bei Stadtwerke Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbh Datenerhebung der Wagen S-DT 8.9, 8.10 und 8.11 bei Stuttgarter Straßenbahn AG Auswertung von Gewichtsdaten zu den Stadler-Variobahnen Leider wenig Unterstützung von Fahrzeug-Herstellern 3

4 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 4

5 NF-Fahrzeugkonzepte I Symmetrische Niederflur-Fahrzeugkonzepte mit frei ausdrehbaren Doppelfahrwerken in geometrisch bestimmter Anordnung NF-1Ab: Gelenktriebwagen mit Jakobsdrehgestell Bsp.: ForCity Prag NF-1Ac: Zwei Drehgestelle unter Mittelwagen Bsp.: DUEWAG GT8DMNZ Freiburg NF-1Ad: Zwei Drehgestelle unter Endwagen Bsp.: Flexity Classic Dresden/Leipzig 5

6 NF-Fahrzeugkonzepte II Symmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit frei ausdrehbaren Doppelfahrwerken in geometrisch unterbestimmter Anordnung NF-1Be: Zwei Zentral-Doppelfahrwerke Bsp.: Combino Plus Budapest Symmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit nicht ausdrehbaren Doppelfahrwerken in geometrisch bestimmter Anordnung NF-1Cg: Multigelenkfahrzeuge Bsp.: Citadis 402 Bordeaux Symmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit ausdrehbaren und nicht ausdrehbaren Doppelfahrwerken in geometrisch bestimmter Anordnung NF-1Dh: Mittelwagen als Gelenkwägelchen Bsp.: S70 / Avanto 6

7 NF-Fahrzeugkonzepte III Symmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit Einzelfahrwerken NF-2l: Klassischer GTW, aber mit Einzelfahrwerken Bsp.: ULF Wien NF-2m: Zwei Einzelfahrwerke unter Mittelwagen Bsp.: VÖV Düsseldorf (Prototyp) NF-2n: Zwei Einzelfahrwerke unter Endwagen Bsp.: Cobra Zürich Symmetrische NF-Fahrzeugkonzepte mit Einzel- und Doppelfahrwerken NF-3s: Zwei Einzelfahrwerke unter Mittelwagen Bsp.: 6NGTW Rostock 7

8 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 8

9 Beurteilungsgrößen Flächengewicht über Jahreszahl der Erstauslieferung Wichtigste Beurteilungsgröße bei Straßen- und Stadtbahnen Flächengewicht über Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge als Maß für die Wagenkastenschwächung durch Türausschnitte Je größer das Verhältnis Türanzahl : Fahrzeuglänge, desto kürzer sind die Fahrgastwechselzeiten Flächengewicht über Radpaaranzahl : Fahrzeuglänge Versuch der Fahrzeughersteller Leergewicht einzusparen; bei Niederflurfahrzeugen Versuch Podeste im Innenraum zu vermeiden Flächengewicht über statischer Längsdruckprüfkraft Maß für die Wagenkasten-Längssteifigkeit 9

10 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 10

11 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 von Wagenkästen und Radsatzwellen, Brandschutz) 11

12 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 12

13 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 13

14 Überblick der Flächengewichte 14

15 NF-Fahrzeuge: Multigelenker" 15

16 NF-Fahrzeuge: Gelenkwägelchen, Zentralfahrwerke 16

17 NF-Fahrzeuge: Doppel-FW, Einzel-FW, Jakobs-DG 17

18 Hochflurfahrzeuge, 2-System, Hybrid 18

19 Flächengewicht in Abhängigkeit der Türanzahl/Fahrzeuglänge 19

20 Flächengewicht in Abhängigkeit der Radpaare/Fahrzeuglänge 20

21 Flächengewicht in Abhängigkeit der Längsdruckprüfkraft 21

22 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 22

23 HF-Stadtbahn FFM Technische Details U4 U5 Auslieferung: Länge: 24,5 m 25 m Breite: 2,65 m 2,65 m Leergew.: 37,4 t 38,9 t Flächengew.: 576 kg/m 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 23

24 Gewichtsanteile der HF-Stadtbahn Stuttgart Wagenkasten + Anbauteile Innenausbau Fahrwerke El. Antriebsausrüstung (ohne Motor) Neben-/Hilfsaggregate Nicht zugeordnet Quelle Bilder: 24

25 Gewichtsanteile der HF-Stadtbahn Stuttgart 9 5 Wagenkasten + Anbauteile Innenausbau Fahrwerke El. Antriebsausrüstung (ohne Motor) Neben-/Hilfsaggregate Nicht zugeordnet Quelle Bilder: 25

26 Gewichtsanteile der Stadler-Variobahnen Wagenkasten + Anbauteile Innenausbau Fahrwerke El. Antriebsausrüstung (ohne Motor) Neben-/Hilfsaggregate Nicht zugeordnet 1Cg 26

27 Gewichtsanteile der Stadler-Variobahnen 4 Wagenkasten + Anbauteile Innenausbau Fahrwerke El. Antriebsausrüstung (ohne Motor) 7 Neben-/Hilfsaggregate 9 Nicht zugeordnet 1Cg 27

28 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 mindernde Entwicklungen/Faktoren Veranschaulichung der Gewichtsentwicklung der Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge Detaillierte gewichtsbezogene Analyse von ähnlichen Fahrzeugtypen unterschiedlicher Fahrzeuggenerationen Abgleich der Thesen mit den gewonnenen Erkenntnissen über Straßen- und Stadtbahnen 28

29 Ausrüstung mit Klimaanlage o o Zusammenfassung gewichtssteigernd Gerätegewicht: 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 erreichen im Durchschnitt 2012 das Niveau der HF-Fahrzeuge Standardisierung Verschärfte Gesetzesvorgaben Radsatznorm EN ja: Bsp. S-DT Crashnorm EN scheint gewichtsneutral belegt o nicht belegbar widerlegt Zukünftige Brandschutznorm EN noch nicht belegbar 29

30 o Zusammenfassung gewichtsmindernd 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/Elektronik o 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 30

31 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 kostenneutral bleibt und/oder der Einhaltung der maximalen Achslast dient (bei den meisten Verkehrsbetrieben 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 fahrdrahtloses Fahren, wirken gewichtssteigernd 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 32