Die Straßenbahn von Siemens Transportation Systems
Bertrandt unterstützt Optimierung des Nahverkehrsystems „Combino“
Vorgeschichte
Mit dem „Combino“ nahm Siemens
Transportation Systems 1998 erstmals eine modular gestaltbare
Straßenbahn mit 100 Prozent Niederflurtechnik in Betrieb. Der Combino
wurde damals nach der branchenüblichen Norm VDV 152 und den zugrunde
liegenden Lastannahmen ausgelegt. Im späteren Betrieb ergaben Messungen
jedoch, dass die aus der Gleisanlage in das Fahrzeug eingeleiteten
Kräfte deutlich größer waren als angenommen. Die Folge: Die Fahrzeuge
wurden sehr stark belastet. In einer frühen Phase der Untersuchungen im
Herbst 2003 war den Siemens-Experten bereits klar, dass nur eine
Kombination von Entlastungen (Sanierungsstufe 1) und einer Verstärkung
der Wagenkästen (Sanierungsstufe 2) zu einer nachhaltigen Reduktion der
Belastungen führen würden.
 
Bei der neuen Lösung verstärken Blech-, Strangpress-, Guss- und Schmiedeteile die Struktur.
Sanierungsstufe 1: Entlastungsmaßnahmen
Um den
Schadensmechanismus deutlich zu verlangsamen und somit die
Betriebssicherheit der eingesetzten Fahrzeuge aufrechtzuerhalten,
sollten in der Sanierungsstufe 1 kurzfristig Maßnahmen umgesetzt
werden. Im ersten Schritt wurden Schwenkwanklager und Freiwegdämpfer
zwischen den Wagenkästen eingesetzt, die die Verformung der Wagenkästen
bereits wirkungsvoll dämpften.
Sanierungsstufe 2: Verstärkung der Wagenkästen - Konzept und Simulation
Zur
wesentlichen Entlastung der Rohbaustruktur trug die im Zuge der
Sanierungsstufe 2 durchgeführte Dämpfung der Drehbewegung des Fahrwerks
bei. Wirkungsvoll wurden die Lenkerkräfte durch den Verzehr von
Stoßenergie abgesenkt. Dies führte zu einer 50-prozentigen Reduzierung
der in den Wagenkasten eingeleiteten Kraftspitzen.
Kern der
Sanierungsstufe 2 war es, die überlasteten Schraubwinkel zu ersetzen,
die die Strangpressprofile miteinander verbanden. Bei der Konstruktion
der Verstärkungsmaßnahmen war ein hoher Entwicklungsaufwand nötig.
Deshalb wurde das Bertrandt-Simulationsteam der Kölner Niederlassung
zur Unterstützung herangezogen.
Da diese Entwicklung in einem engen Zeitfenster stattfand, waren die
Bertrandt-Ingenieure direkt im Entwicklungszentrum von Siemens
eingesetzt. So konnte die Siemens-Konstruktionsabteilung die Konzepte
zur Reduktion der Bauteilbelastung in enger Zusammenarbeit schnell
umsetzen.
Die Simulationen von Bertrandt waren ein zentraler Baustein, um die
Entwicklung weiter voranzutreiben. Bei der Auslegung der
Verstärkungsmaßnahmen sollten Gewicht, Design und Funktionalität des
Fahrzeugs beibehalten werden. Die Torsionssteifigkeit der Wagenkästen
durfte ebenfalls nicht wesentlich erhöht werden, da dies die Erhöhung
der Torsionskräfte zur unmittelbaren Folge gehabt hätte.
Endportalverstärkung bringt zusätzliche Gewichtseinsparung
Die
neue Lösung zeichnet sich durch Blech-, Strangpress-, Guss- und
Schmiedeteile aus, welche mit der bestehenden Struktur verschraubt und
verschweißt werden. Die geschweißte Endportalverstärkung kommt sowohl
an den Mittel- als auch an den Fahrwerks- und Kopfmodulen zum Einsatz.
Sie stellt nicht nur eine elegante Lösung für die am höchsten
belasteten Stellen des Fahrzeugs dar, sondern spart zudem gegenüber der
Originallösung an Gewicht ein. Die obere Ecke des Portals wird nun
ebenfalls mit einer Schweißkonstruktion überbrückt.
 Doppeleckverbinder beugen Materialermüdung vor
Bei den
Verbindungsstellen der Fenster- und Türsäulen zum Obergurt bestand die
Aufgabenstellung darin, die deutlich überlasteten Schraubwinkel durch
geeignete Konstruktionen zu ersetzen. Auch die fortgeschrittene
Materialermüdung im Obergurt wurde berücksichtigt. Die Prinziplösung –
ein Doppeleckverbinder – besteht deshalb in einer Verlängerung der
Säule, die auf eine höhere, unbeschädigte Ebene des Obergurtes greift,
ohne auf Tür- oder Klappfensterecken Rücksicht nehmen zu müssen. Das
Verstärkungselement ist ein Aluminium-Schmiedeteil, bei dem der
Anschluss an den Obergurt als Schraub-, der Anschluss an die Tür- und
Fenstersäule als Schweißverbindung gestaltet ist.
Nachhaltigkeit überprüft
Abschließend wurden die
rechnerischen und experimentellen Analysen der Dauer- und
Betriebsfestigkeit miteinander kombiniert, um die Nachhaltigkeit der
entwickelten Lösung nachzuweisen.
Fazit
Mit der Durchführung von Simulationen im
Schienenfahrzeugbau hat sich Bertrandt in ein neues Aufgabenfeld
eingearbeitet. Nach zwei Jahren erfolgreicher Zusammenarbeit zwischen
Siemens Transportation Systems und Bertrandt wurden im Sommer 2005 die
ersten vollständig sanierten Fahrzeuge wieder in Betrieb genommen.
Falk Zimmermann, Köln
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