Eine runde Sache – auf die Spitze getrieben

Vielleicht liegt es an den nahen Bergen: Im Siemens Mobility Weltkompetenzzentrum für die Entwicklung und Fertigung von Fahrwerken in Graz-Eggenberg ist man gewohnt, die Dinge auf die Spitze zu treiben, um damit herausragende Leistungen auf die Schiene zu bringen. Und das darf man wörtlich nehmen, denn hier werden die MoComp Drehgestelle für alle Arten von Schienenfahrzeugen entwickelt. Für Dr. Stefan Erlach, Leiter des Weltkompetenzzentrums für Fahrwerke der Siemens Mobility Rolling Stock-Einheit, ist naturgemäß das Drehgestell der Nabel der Welt bzw. des erfolgreichen Schienenfahrzeugs. Im Gespräch mit ihm wollen wir mehr darüber erfahren.

Herr Dr. Erlach, für Sie sind Drehgestelle das A und O eines Schienenfahrzeugs. Warum ist das so?

Vielleicht sollten wir uns erst einmal vor Augen führen, welche Funktionen ein Drehgestell im Gesamtsystem eines Schienenfahrzeugs hat. Das Drehgestell ist deshalb so entscheidend, weil hier alle Kräfte ansetzen, denen das Fahrzeug ausgesetzt ist: Die Räder des Drehgestells sind die Verbindung zwischen Fahrzeug und Schiene. Jede Beschleunigung, jeder Bremsvorgang, jeder Seitenwind und jede Beladung des Fahrzeugs kommen hier zum Tragen. Deshalb sind die Eigenschaften des Drehgestells ganz entscheidend für die Sicherheit und den Fahrkomfort des Fahrzeugs, aber z. B. auch für dessen Geräuschentwicklung.

 

Das heißt, es gibt klare mechanische Vorgaben, die erfüllt sein müssen – aber es gibt darüber hinaus weitere Bereiche, mit denen Sie die Leistung des Drehgestells optimieren?

Das stimmt, und hier ist aus Sicht unserer Kunden natürlich in erster Linie das Thema Energieeffizienz zu nennen, denn das macht sich ja unmittelbar in den Betriebskosten des Fahrzeugs bemerkbar. Und für ein energieeffizientes Drehgestell gibt es klare Anforderungen: so weit wie möglich reduziertes Gewicht und minimaler Rollwiderstand bei optimalen Reibungswerten zwischen Rad und Schiene. Aber lassen Sie uns zunächst mal bei den mechanischen Eigenschaften bleiben. Die MoComp-Drehgestelle wurden schon immer mit der Perspektive des gesamten Schienenfahrzeugs entwickelt und optimiert – aber stets auf der Basis klar definierter Anforderungen an Entgleisungssicherheit, Stabilität, Akustik, Fahrkomfort und Wartbarkeit. Alles, was wir darüber hinaus optimieren, darf diese erforderlichen Eigenschaften nicht beeinträchtigen, oder soll sie am besten zusätzlich positiv beeinflussen.

Das Drehgestell ist deshalb so wichtig, weil es sowohl sicherheitsrelevante Anforderungen zu erfüllen hat, aber auch den Komfort für den Fahrgast entscheidend beeinflusst.
Dr. Stefan Erlach, Leiter Kompetenzzentrum Fahrwerke Siemens Mobility Austria GmbH Graz

Das klingt nach einer besonderen Herausforderung?

Selbstverständlich sind das große Herausforderungen, denen wir uns aber gerne stellen. Einer unserer Leitsätze ist: “Wer aufhört besser zu werden, hört auf gut zu sein“. Ein gutes Beispiel ist das Thema Leichtbau, wo es uns immer wieder gelingt, identische oder bessere Eigenschaften mit deutlich reduzierter Fahrwerksmasse zu gewährleisten. In den letzten Jahren haben wir es geschafft, den Drehgestellrahmen, welcher das Herzstück eines Drehgestells ist, durch Einsatz neuer Werkstoffe und Anwendung neuer Konstruktionsprinzipien um bis zu 40 % leichter zu designen. Das merken unsere Kunden natürlich nicht nur bei den Energiekosten. Reduzierte Achslasten ermöglichen ihnen auch, Kosteneinsparungen bei  Streckenbenutzungsgebühren zu realisieren oder einfach auch mehr Beförderungskapazität.

 

Aber gerade der Drehgestellrahmen ist doch einfacher Stahlbau?

Ganz im Gegenteil. Der Drehgestellrahmen ist eine komplexe Konstruktion aus Stahlblechen, verbunden mit Guss- oder Schmiedeteilen mit Toleranzen im Zehntel-Millimeterbereich. Zudem handelt es sich hier um eine hochdynamisch beanspruchte Komponente, welche für eine Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren bzw. eine Laufleistung von mehreren Mio. Kilometer sicher funktionieren muss. Nicht zuletzt deshalb haben wir hier höchste Anforderungen an die Qualität unserer Auslegungsmethoden, die Fertigungsprozesse und die Ausbildung unserer Mitarbeiter. Neben hochqualifizierten Mitarbeitern setzen wir in der Fertigung in den letzten Jahren besonders auf die Erhöhung des Automatisierungsgrades durch den Einsatz von Schweißrobotern und damit auf die Nutzung der Möglichkeiten der digitalen Transformation.

30 Jahre und mehr im Einsatz, das klingt nach sehr hohem Wartungsaufwand.

Ja, Sie haben Recht, gerade das Fahrwerk ist jenes Subsystem in einem Schienenfahrzeug, welches besonders wartungsintensiv ist und 30 – 40 % der gesamten Wartungskosten benötigt. Dies liegt auch daran, dass die Wartung nach wie vor nach einer gewissen Zeit bzw. einer gewissen Laufleistung, nicht jedoch nach dem Zustand des Fahrwerks und seiner Komponenten erfolgt. Das Fahrwerk und seine Komponenten werden aufgrund des unterschiedlichen Einsatzes der Fahrzeuge (Strecke, Beladung, etc.) auch unterschiedlich belastet. Da jedoch die Auslegung auf den „worst case“ erfolgt und mit Sicherheitsfaktoren versehen ist, gibt es großes Potenzial zur besseren Ausnutzung der Lebensdauer der Komponenten. Aus diesem Grund haben wir Diagnosesysteme entwickelt, welche über Sensoren, Algorithmen und am Fahrzeug befindliche Rechner den Zustand des Fahrwerks und der einzelnen Komponenten diagnostizieren und auf einer Skala von 1-10 klassifizieren. Über eine Anbindung zur Landseite (Fahrzeugdepot) und die Verknüpfung mit zusätzlichen Daten (Daten anderer Fahrzeuge der Flotte, Instandhaltungsdaten, etc.) kann die tatsächlich verbleibende Nutzungsdauer bzw. Laufleistung bestimmt werden und damit die Wartungskosten deutlich gesenkt werden. In Verbindung mit einer durchgängigen Instandhaltungsplanung ist mit diesen Diagnosesystemen ein deutlich kostenoptimierter Instandhaltungsprozess möglich.

Ein Thema, das immer wieder diskutiert wird, sind die Lärmemissionen von Zügen.

Das akustische Verhalten eines Schienenfahrzeugs hängt von vielen Faktoren ab, insbesondere aber von den Eigenschaften des Drehgestells, und hier im Speziellen von den Radscheiben sowie den Bremsen. Die mechanischen Bremsen verursachen sicherlich das auffälligste Geräusch eines Schienenfahrzeugs, man darf aber auch die Roll- und Kurvengeräusche nicht außer Acht lassen, denn alle zusammen ergeben die Lärmemissionen des Fahrzeugs, denen sowohl die Fahrgäste als auch die Streckenanwohner ausgesetzt sind. 

Und was unternehmen Sie konkret gegen den Schall?

Es muss uns gelingen, die Ausbreitung der Schallschwingungen in der Konstruktion zu dämpfen bzw. unsere Komponenten „leiser“ zu gestalten. Bei unseren Rädern schaffen wir es durch akustisch optimierte Formgebung der Radstege, die Rollgeräusche um 3dB zu reduzieren – das entspricht einer Halbierung der Schalleistung. Durch Radbedämpfung und Schallabsorber gelingt es uns, die Rollgeräusche um weitere 3 dB, also insgesamt auf ein Viertel der ursprünglichen Schalleistung zu verringern. Und gegen den Körperschall setzten wir Gummieinlagen zur akustischen Entkopplung ein, um die Übertragungswege im Fahrwerk maximal zu reduzieren. Gleichzeitig sorgt eine intelligente Bremssteuerung dafür, mechanisches Bremsen wo immer möglich zu vermeiden, während gummigefederte Räder und Schallabsorber Kurvengeräusche deutlich reduzieren. 

Gibt es noch weitere Bereiche, die Sie optimieren können?

Die akustische Optimierung geht ja ganz eng mit einem anderen Bereich einher, für den unsere Drehgestelle verantwortlich zeichnen, denn zum Wohlbefinden an Bord gehört ja nicht nur eine angenehme Geräuschkulisse, sondern auch die Laufruhe des Fahrzeugs. Beide zusammen prägen ganz wesentlich den Fahrkomfort, und MoComp Fahrwerke bestechen dabei durch außergewöhnliche Leistungen. Diese basieren vor allem auf optimal auf das gesamte System abgestimmten Feder- und Dämpfersteifigkeiten, welche mittels komplexer Methoden der dynamischen Mehrkörpersimulation ermittelt werden. Dies ermöglicht höchsten Fahrkomfort in vielen europäischen Hochgeschwindigkeitszügen aber auch in Hotel-, Liege- und Schlafwagen, etwa im Night Jet der ÖBB.