Siemens Combino

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.