Niederflurfahrzeuge erlauben einfachen Einstieg für die Fahrgäste. Moderne Gelenkfahrzeugkonstruktionen mit mehreren Wagenkästen ermöglichen einfachen Zugang ins Wageninnere und tragen zur Fahrgastsicherheit bei. Die Wagenkästen werden mit von SKF entwickelten Gelenklagerlösungen verbunden

Heute besteht zunehmendöffentliches und politisches Bewusstsein für die Notwendigkeit kollektiver Beweglichkeit, besonders in überfüllten Stadt- und Vorortgebieten. Dies eröffnet neue Chancen für die Weiterentwicklung von Massentransportsystemen und ermutigt die Schienenfahrzeugindustrie, neue Lösungswege zu verfolgen. Innovative Fahrzeug-Generationen sorgen für bessere Qualität, Komfort und Sicherheit beim Transport.

Die modernen Nahverkehrsfahrzeuge, wie Triebwagen, S-Bahnen, U-Bahnen und Straßenbahnfahrzeuge sind zumeist als Gelenkfahrzeuge ausgeführt. Es verkehren verschiedene Zusammenstellungen mit zwei bis sieben untereinander verbundenen Wagenkästen. Früher wurden mehrere unabhängige, angetriebene und nichtangetriebene Fahrzeuge zu einem Zug verbunden. Der Nachteil ist ein geringeres Fassungsvermögen, kein Durchgang im Zuginneren und ein geringeres Sicherheitsgefühl für die Reisenden. Heute bieten Nahverkehrsfahrzeuge mit Gelenkverbindungen neue Vorteile durch erhöhte Wirtschaftlichkeit und Fahrgastsicherheit. (Bilder 1 und 3).

Gelenkfahrzeugwagenkästen können mit Drehgestellen, bekannt als Jakobsdrehgestelle, miteinander verbunden werden. In diesem Fall muss eine große Anzahl Drehgestelle verwendet werden, wodurch Gewicht und Kosten steigen. Ein anderes Konstruktionsprinzip, das immer häuer verwendet wird, ist, die Wagenkästen direkt mit Gelenken zu verbinden und die Anzahl der Drehgestelle zu verringern. Die Gelenkverbindungen müssen dreidimensionale Bewegungen der beiden miteinander verbundenen Wagenkästen zulassen.

Die Gleitwinkel und -geschwindigkeiten sind zum Teil sehr gering und hängen von der Gleisführung, wie Kurvenradien in horizontaler und vertikaler Richtung, und der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Außerdem müssen hohe horizontale Pufferstöße für den Fall eines Zusammenstosses berücksichtigt werden. In den meisten Anwendungen befindet sich die Gelenkverbindung schwer zugänglich außerhalb der Kastenkonstruktion. Die Wartung ist deshalb nicht einfach und sollte weitestgehend vermieden werden.

Typische Anforderungen

• Aufnahme verschiedener Lasten und Bewegungszyklen nach VDV 152 , EN 12663 und Kundenvorschriften
• Dynamische und statische Betriebslastfälle, einschließlich Sicherheits-Pufferstößen, siehe Tabelle 1
• Keine Trennung der Gelenkverbindungen bei Unfällen
• Dreidimensionale Beweglichkeit bei Kurvenfahrt und Schrägstellung und durch Versatz der Wagenkästen
• Kompakte und platzsparende Konstruktion
• Einfache Integration des Gelenks in vorhandene Aufhängungen aus Leichtmetall oder Gusseisen
• Geräuschloser Betrieb und kein Ruckgleiten (stick-slip)
• Unempfindlichkeit gegenüber Reinigungsmittel, Streusalz, Korrosion und Verunreinigungen
• Niedrige Life-Cycle-Kosten

Empfehlungen für die Festigkeitsauslegung von Personenfahrzeugen nach BOStrab
Festigkeitsanforderungen an Wagenkästen von Schienenfahrzeugen

Lagerkonstruktion
Das spezielle Axialgleitlager (Bild 2) besteht aus

1. einer einsatzgehärteten Wellenscheibe mit einer hartverchromten kugelförmigen Laufbahn, einem Zentrierbund und Gewindebohrungen zur Befestigung,
2. einer Gehäusescheibe,
3. Gleitscheibeneinsätzen aus Hochleistungs-PTFE-Verbundpolymer,
4. einem zentralen, mit kugelförmigem Kopf ausgestatteten Bolzen, der als Abhebeschutz wirkt und mit Spiel zur Wellenscheibe eingestellt wird,
5. einer Sicherungsmutter (falls der zentrale Bolzen nicht direkt mit der Gehäusescheibe verbunden ist),
6. einer elastischen, zweilippigen, mit der Gehäusescheibe verbundenen Dichtung,
7. einem Polymerdeckel zum Abdichten der Lageroberseite.

Für die Konstruktion der Schienenfahrzeug-Gelenkverbindungen werden moderne Computersimulationen angewendet. Hierdurch lassen sich die Lagerreaktionskräfte errechnen, insbesondere für den extremen Kollisionsfall, der sich aus der höchsten Horizontalkraft in Verbindung mit einer minimalen vertikalen Auflagekraft ergibt. Die resultierende, vertikale Reaktionskraft muss von der Abhebesicherung und allen Lagerteilen aufgenommen werden und bestimmt die nötige Lagergröße. Zusätzlich sind die Konstruktion angrenzender Bauteile oder spezielle Montageanforderungen zu berücksichtigen. Obwohl es sich meist um ein kundenspezifisches Lagerdesign handelt, das an die Betriebsbedingungen angepasst wird, folgt es den Vorgaben der Basiskonstruktion, wodurch die Kosten niedrig gehalten werden können.

Die Gleitwerkstoffkombination ist das Kernstück dieser besonderen Lagerausführung.

Sie gewährleistet einen sanften, zuverlässigen Betrieb für eine lange Gebrauchsdauer, selbst unter trockenen oder Grenzschmierungsbedingungen. Der Polymerwerkstoff, der fest mit seinem Trägermaterial verankert ist, weist eine effektive Verschleißdicke von etwa 2 mm auf (Bild 4).

Im Vergleich zu anderen, dünneren Trockengleitwerkstoffen ist er weniger empfindlich gegenüber dem etwaigen Eindringen von abrasiven Partikeln und stellt so eine bessere Wahl dar, besonders in Hinblick auf die erforderliche Ausfallsicherheit. Der Gleitwerkstoff zeigt auch recht gute Dämpfungseigenschaften, was für Eisenbahnanwendungen vorteilhaft ist. Er weist eine sehr gute Verschleißfestigkeit mit einer beinahe linearen Verschleißrate auf, was die Vorhersage der Gebrauchsdauer erleichtert. (Bild 6).

Die Reibungswerte des Gleitwerkstoffs sind ausgezeichnet. Er arbeitet geräuschlos und ohne Neigung zu negativem Ruckgleiten. Das tribologische Verhalten des Gelenks kann durch eine geeignete Schmierung weiter verbessert werden. Obwohl die Gleitwerkstoff-Kombination auch völlig trocken verwendet werden kann, weist das SKF Lager eine Anfangsfettfüllung auf und bietet die Möglichkeit der Nachschmierung. (Bild 5)

Nachschmierung verbessert nicht nur den tribologischen Mechanismus, sondern hält auch Verunreinigungen vom Lager fern und verbessert den Korrosionsschutz.

Praxiserfahrungen
SKF verfügt seit beinahe 30 Jahren über sehr gute Erfahrung mit Stahl / PTFE Verbundpolymer-Gleitpaarungen in Schienenfahrzeugen. Diese Erfahrung wird ergänzt durch Anwendungen mit vergleichbarem dynamischen Betrieb, wie Axialgelenklager in Pfannendrehtürmen in Stahlwerken, Klappbrücken, Kränen oder Schiffsbeladeanlagen.

Überprüfungen von Straßenbahngelenken nach acht Jahren Einsatz und einer Leistung von etwa 500.000 km zeigten einen überraschend geringen Verschleiß. Die Lager waren in einem ausgezeichneten Zustand und konnten weiter verwendet werden. Mit dieser besonderen Konstruktion hat SKF einen Industriestandard für Gelenkverbindungen gesetzt. Dieser wird von Schienenfahrzeugherstellern gut angenommen und nachgefragt

Kundenvorteile

• Zuverlässiger Betrieb
• Niedrige Life-Cycle-Kosten (LCC, Lebensdauerkosten)
• Einbaufertige Lösungen, die an den vorhandenen Bauraum angepasst sind

Bei der Entwicklung dieser speziellen Gelenklagereinheiten hat SKF eng mit führenden Fahrzeugherstellern zusammengearbeitet. Die SKF Gleitlagerexperten haben die Kundenanforderungen und -wünsche sorgfältig analysiert und sie in die Lagertechnik übersetzt.

Sicherheits- und LCC-Aspekte haben bei Schienenfahrzeugherstellern einen besonders hohen Stellenwert, daher sind zuverlässige und integrierte Lösungen gefragt, die Mehrwert zu vertretbaren Kosten aufweisen.

Anwendungen
Inzwischen wurden verschiedene Ausführungen für Pufferstöße von 400 kN und 800 kN und für unterschiedliche Fahrzeugkonurationen entwickelt und hergestellt. Alle nach den gleichen Konstruktionsprinzipien unter Verwendung der bewährten Gleitwerkstoff-Kombination sowie der zentralen Abhebesicherung als eine einbaufertige „Blackbox“. Vom ersten Einsatz eines Standard-Axialgelenklagers an hat sich die Gelenkverbindung zu einer wertsteigernden Einheit weiterentwickelt, die den ständig wachsenden Anforderungen der Bahnindustrie gerecht wird. Die von SKF gelieferten Gelenklagerverbindungen tragen zu einem sicheren Transport der Fahrgäste in Städten weltweit bei.