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Wagenkasten

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Wagenkasten eines Triebzuges der Reihe Z 8100 der SNCF in Differentialbauweise

Als Wagenkasten, Fahrzeugkasten[1] oder Lokomotivkasten wird der Aufbau eines Eisenbahnwagens, eines Triebwagens oder einer Lokomotive bezeichnet. Wagen- oder Lokomotivkästen können auf einem Rahmen aufgebaut oder selbsttragend ausgeführt auf der Wagenkastenabstützung des Drehgestells gelagert sein.

Der Begriff Wagenkasten wurde ursprünglich auch für den Aufbau jedes mehrspurigen Gefährts wie Kutsche oder Pferdewagen verwendet.

Bauweisen

Geschichte

In den Anfangsjahren der Eisenbahn wurden Eisenbahnwagen vollständig aus Holz gefertigt. Diese Bauweise wird Holzbauweise genannt.[2] In den 1850er Jahren ging man in England dazu über, das Untergestell aus Eisen herzustellen, da aufgrund der höheren Geschwindigkeiten die Belastungen größer wurden.[3] Die Steifigkeit des Rahmens wurde durch ein Sprengwerk erhöht. Die zwischenzeitlichen Weiterentwicklungen der Eisenwalztechnik machten dies möglich. Zum Fügen der Einzelteile wurden hauptsächlich Kaltfügeverfahren, wie Nieten verwendet. Für den Aufbau wurde mehrheitlich jedoch weiterhin Holz als Werkstoff verwendet, da dieser einfach zu bearbeiten und verfügbar war.[3][4]

Diese Mischbauweise wurde bis Anfang des 20. Jahrhunderts verwendet, bis um 1900 in Amerika die ersten vollständig aus Stahl gefertigten Wagen, sogenannte Ganzstahlwagen, beschafft wurden.[3][4] Hintergrund dieser Entwicklung war die Gefährdung der Fahrgäste durch den Holzaufbau bei Unfällen durch Holzsplitter und Feuer. Außerdem trat in diesem Zeitraum Mangel an geeigneten Holz auf. An den verwendeten Kaltfügetechniken änderte sich nichts.[4]

Die Ganzstahl-Wagenkästen waren aufgrund der verwendeten Kaltfügetechniken relativ schwer. Ab den 1920er Jahren standen geeignete Schweißverfahren zur Verfügung, die zunächst zum Bau von Güterwagen eingesetzt wurden. Die Bauweise aus geschweißten Innengerippe und einer dünnblechigen Beplankung bildet die klassische Differentialbauweise.

Durch diese viel leichtere Stahlbauweise kam auch der Begriff Leichtstahlwagen zustande.[5] Der von der SWS entwickelte Leichtstahlwagen-Prototyp für die SBB – der 1935 fertiggestellt war – wog nur noch 25 Tonnen (Serienausführung 29–30 Tonnen), während ein ähnlicher Wagen mit Rahmen und Stahlkasten in der herkömmlichen Bauweise in der Regel um die 40 Tonnen wog. Die selbsttragende Bauweise setzt eine gute Schweißtechnik voraus und konnte sich erst nach dem Zweiten Weltkrieg flächendeckend durchsetzen. Auch Wagen mit hölzernem Aufbau erhielten in den 1950er Jahren mittels Differentialbauweise einen neuen Wagenkasten, wodurch die Umbau-Wagen der Deutschen Bundesbahn sowie die Spantenwagen der Österreichischen Bundesbahnen entstanden.

Als in den 1960er Jahren die ersten großen Strangpressprofile hergestellt werden konnte, die bis in den 1980er und 1990er Jahren immer größere Abmessungen erreichten, wurde die sogenannte Integralbauweise entwickelt. Seit den 1980er Jahren löste die Aluminium-Integralbauweise beim Bau von Schienenfahrzeugen für den Personenverkehr die Differentialbauweise und vor allem den Werkstoff Stahl weitgehend ab.[3] Beim ICE 4 wurde hingegen wieder auf eine Stahl-Differentialbauweise gesetzt, um eine einfachere und schnellere Unfallinstandsetzung zu erreichen und somit die Verfügbarkeit zu erhöhen.[6]

Rahmenbauweise

Sie ist die älteste Bauweise. Hierbei wird zuerst ein massiver Rahmen (auch Untergestell genannt) angefertigt, der alle Zug- und Stoßkräfte aufnimmt, und an dem auch das Laufwerk und auch die Zug- und Stoßvorrichtung befestigt werden. Der Rahmen muss entsprechend massiv sein und ist in der Regel aus genieteten oder geschweißten Stahlträgern gefertigt. Ganz in der Frühzeit der Eisenbahn wurden bei Wagen für den Rahmen auch Harthölzer und Gusseisen verwendet, die sich aber beide nicht bewährten. Auf diesen Rahmen wird der eigentliche Wagenkasten gesetzt. Dieser kann viel leichter ausgeführt sein als der stabile Rahmen, da der Aufbau nur sich selbst zusammenhalten muss. Diese leichte Bauweise hatte allerdings bei Unfällen regelmäßig dazu geführt, dass der hölzerne Wagenkasten vom Untergestell abgetrennt und regelrecht zertrümmert wurde. In der Folge fing man an, auch den Wagenkasten aus Stahl zu fertigen, was zwar den Wagen als Ganzes stabiler machte, aber auch viel schwerer.

Die Rahmenbauweise ist auch heute noch bei Güterwagen üblich.

Selbsttragende Bauweise

Unter selbsttragender Bauweise versteht man die Verwendung eines Wagenkastens, der keinen Rahmen/Untergestell besitzt; der Wagenkasten kann die Zug- und Stoßkräfte aufnehmen. Er ist dabei in der Regel wie eine Vierkant-Röhre aufgebaut, in die seitlich Öffnungen in Form von Türen und Fensterbändern eingebracht werden.

Heute sind selbsttragende Kästen die Regel, dabei wird zwischen drei unterschiedlichen Bauweisen unterschieden:

Differentialbauweise

Blick in das Innere des Wagenkastens eines SBB-Leichtstahlwagens aus der Rohbauphase, 1937

Bei der Differential-[7] oder Rohkastenbauweise[8] wird zunächst ein tragendes Stahl- oder Aluminiumskelett erstellt, auf das anschließend Bleche zur Beplankung angebracht werden. Die Differentialbauweise ist das einfachste und kostengünstigste Verfahren zur Erstellung eines Wagenkastens. Dies hat folgende Gründe:

  • Es können auf Elementebene standardisierte Metall-Halbzeug (z. B. Bleche) verwendet werden.
  • Die Werkzeugkosten für die Fertigung sind gering, u. a. deswegen weil einfache Fertigungstechnologien verwendet werden.
  • Instandsetzungen sind einfach möglich. So können die nach einem Unfall verbeulten Außenbleche ausgetauscht werden. Die dazu notwendigen Schrauben sind entweder durch Leisten verdeckt oder außerhalb des eigentlichen Sichtbereichs angeordnet.[8]

Nachteilig wirkt sich die hohe Anzahl von Einzelteilen auf den Fertigungsaufwand aus. Aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißen können Bauteile einen Verzug aufweisen und müssen daher im Anschluss nachgearbeitet (Richten, Spachteln, Schleifen) werden.

Heute wird die Differentialbauweise im Bereich der Vollbahnen bei der Herstellung von Wagenkästen für Lokomotiven, Kleinserien und für besondere Konstruktionen verwendet; bei Straßenbahnwagen hingegen ist sie noch immer weit verbreitet, um nach etwaigen Unfällen mit Straßenfahrzeugen eine einfachere und kostengünstige Reparatur gewährleisten zu können.[7] Die Differentialbauweise mit einem Stahlskelett erlaubt dünnwandigere Wagenkästen als die Integralbauweise mit Aluminium, was insbesondere bei Fahrzeugen mit schmaler Fahrzeugbegrenzungslinie von Bedeutung ist.[9]

Integralbauweise

Die ICE 3 weisen Wagenkästen in Integralbauweise auf; die stromlinienförmigen Köpfe sind in Differentialbauweise ausgeführt

Bei der Integralbauweise werden Strangpressprofile eingesetzt, die sich über die gesamte Länge des Wagenkastens erstrecken und Breiten von etwa einem halben Meter aufweisen. Die einzelnen Profile werden mithilfe von Längsschweißungen untereinander verbunden. Vor dem Zusammensetzen werden bei Wagenkästen Aussparungen für die Fenster, Türen, Durchbrüche, Lüftungsgitter etc. mittels Fräsmaschine erstellt. Nach dem Zusammenschweißen werden diese erneut mittels Fräsmaschine auf ihr Nennmaß aufgeweitet. Die Unterseite wird ebenfalls aus Strangpressprofilen hergestellt, sodass ein selbsttragender Wagenkasten entsteht. An der Unterseite werden Nuten erstellt, um den Wagenkasten auf die Drehgestelle aufsetzen und Bauteile wie Transformatoren oder Fahrmotoren im Unterboden anbringen zu können. Die Steifigkeit des Wagenkastens wird bei der Integralbauweise durch die Struktur der Strangpressprofile erreicht, sodass keine zusätzlichen tragenden Elemente notwendig sind und eine Leichtbauweise ermöglicht wird.[7]

Vorteile der Integralbauweise sind:

  • Gegenüber der Differentialbauweise ist der Fertigungsaufwand geringer.
  • Die Fertigung ist weitgehend automatisierbar.
  • Durch individuelle Gestaltung der Strangpressprofile ist ein komplexes Außendesign möglich.

Dem gegenüber stehen folgende Nachteile:[3]

  • Strangpressprofile können nur aus Aluminium gefertigt werden und sind daher mit hohen Material- und Werkzeugkosten verbunden.
  • Die Fertigung großer Strangpressprofile mit komplexen Geometrien ist anspruchsvoll.
  • Der Querschnitt des Strangpressprofils ist über die Länge durchgehend, wodurch keine Steifigkeitsänderungen und daher kaum weiteres Leichtbaupotenzial möglich sind.
  • Die Festigkeit von Aluminium-Schweißverbindungen ist gegenüber dem ungestörten Werkstoff in der Regel deutlich geringer.
  • Die Instandsetzung nach Unfällen ist mit einem hohen Aufwand verbunden.

Die Integralbauweise wird heute meist bei Trieb- und Reisezugwagen zur Erstellung von Wagenkästen eingesetzt. Wirtschaftlich wird die Integralbauweise vor allem bei großen Serien, wodurch sich der hohe Aufwand für die Entwicklung und Fertigung der Strangpressprofile amortisiert.[3]

Verbundbauweise

Der von Hyundai Rotem hergestellte Tilting Train Express verfügt über Wagenkästen in Hybridbauweise

Die Verbundbauweise ähnelt der Differentialbauweise: Auf ein tragendes Gerüst aus metallischen Werkstoffen werden nichttragende Verkleidungen angebracht; diese bestehen jedoch im Gegensatz zur Differentialbauweise aus nichtmetallischen Werkstoffen.[7] Ebenfalls der Verbundbauweise zugeordnet werden kann die Hybridbauweise; auf ein Stahlgerippe werden Beplankungen angebracht, die aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Im Zuge von Leichtbaubestrebungen wird diese Bauweise als vielversprechend angesehen. So konzipierte beispielsweise das DLR mit dem Next Generation Train einen Zug mit einer wabenförmigen Wagenkastenstruktur, die an jedem Wagenende durch unter Kollisionseinwirkung deformierbare Bereiche ergänzt wird.[10][11]

Crashoptimierung

In jüngerer Vergangenheit wurden die Konstruktionen von Wagenkästen kontinuierlich nach Sicherheitsaspekten bei Unfällen optimiert. Ausgangspunkt für diese Entwicklung stellte die Veröffentlichung der 41 Seiten umfassenden Norm EN 15227 mit dem Titel „Anforderungen für die Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen“ Mitte des Jahres 2008 dar.[12] Diese Norm hat eine Reihe von Vorgängern. Entscheidend war das von der Europäischen Kommission und der UIC finanzierte Forschungsprojekt SAFETRAIN, das 2011 endete. Aus einer europaweiten Analyse der Kollisionsunfälle wurden Referenz-Kollisionsunfälle abgeleitet, die den Großteil aller Kollisionsunfälle abdecken. Damit schuf man dann Computersimulationen, die die optimale Anordnung der energieabsorbierenden Bauteile ermittelten. Die Ergebnisse wurden dann mit Crash-Versuchen validiert, was schließlich 2008 in der seit 2000 bestehenden Norm DIN EN 12663-1 „Festigkeitsanforderungen an Wagenkästen von Schienenfahrzeugen“ veröffentlicht wurde.[13] SAFETRAIN richtete den Blick auf Vollbahnen, sodass andere Szenarien in weiteren Projekten wie SAFETRAM bis 2004 und SAFEINTERIORS bis 2010 betrachtet wurden.[13]

Vor der Gültigkeit dieser Norm waren lediglich die Energieaufnahmefähigkeit von Stoßeinrichtungen wie Puffern sowie die Aufnahmefähigkeit von Längskräften des Wagenkastens definiert. Bei Zusammenstößen zweier Züge werden diese Kräfte bereits bei Geschwindigkeiten von 10 bis 15 Kilometern pro Stunde erreicht. Das Verhalten des Wagenkastens jenseits der Dimensionierungskraft war nicht geregelt; lediglich die Stirnwände sollten besonders widerstandsfähig ausgelegt werden. Bei Unfällen trat häufig ein Knick des Wagenkastens vor oder nach dem ersten Drehgestell auf; in anderen Fällen kletterte der Wagenkasten auf und löste sich von den Drehgestellen.[14][7] Gerade bei Triebzügen resultierte daraus eine Gefährdung von Fahrgästen. In der Norm DIN EN 15227, die heute bei sämtlichen Neuzulassungen von Eisenbahn- und Straßenbahnfahrzeugen erfüllt sein muss, werden unterschiedliche Szenarien definiert, die ein Zug ohne Beeinträchtigung des Überlebensraums von Fahrer und Fahrgästen zu überstehen hat. Die Szenarien sind abhängig vom Fahrzeugtyp, für Vollbahnfahrzeuge gelten folgende Referenzunfälle:

  • Zusammenstoß mit einem stehenden baugleichen Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 36 km/h
  • Aufprall auf einen stehenden Güterwagen mit einer Masse von 80 t bei einer Geschwindigkeit von 36 km/h
  • Kollision mit einem Lastkraftwagen an einem Bahnübergang bei einer Geschwindigkeit von 110 km/h (mit 15 t im Trefferbereich)
  • Kollision mit einem Pkw an einem Bahnübergang[7]

Straßenbahnfahrzeuge haben gemäß EN 15227 folgende Parameter zu erfüllen:

  • Zusammenstoß mit einem stehenden baugleichen Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 15 km/h
  • Aufprall auf einen festen Hindernis mit einer Masse von 3 t bei einer Geschwindigkeit von 25 km/h und einem Winkel von 45°[8]

Fahrzeugen können dabei in verschiedene Kollisionssicherheits-Auslegungskategorien C-I bis C-IV eingeordnet werden. So ist in Kategorie C-I ein Aufprall mit 36 km/h vorgesehen, in Kategorie C-III dagegen mit maximal 25 km/h (bei den Szenarien 1 und 2 für baugleiches Fahrzeug oder stehenden Güterwagen).[15]

Vor Inkrafttreten der Norm war der Kopf eines Fahrzeugs nahtlos in die Wagenkastenstruktur integriert. Bei heutigen Schienenfahrzeugen schließt die eigentliche Wagenkastenstruktur bereits vor dem Führerstand ab. Der Führerstand befindet sich nun in einem Sicherheitskäfig, der kontrolliert verformt wird und das Überleben des Fahrzeugführers sichert. Bei Triebwagen befinden sich nun an jedem Wagenkasten, insbesondere zwischen den einzelnen Wagen, Deformationszonen und Elemente zum Aufkletterschutz, damit die Aufprallenergie über den gesamten Zug verteilt werden kann und Knicke im Wagenkasten vermieden werden.[16][7]

Einzelnachweise

  1. ↑ DIN EN 15380-2:2006 Bahnanwendungen - Kennzeichnungssystematik für Schienenfahrzeuge - Teil 2: Produktgruppen
  2. ↑ Wagenkasten. In: Lexikon Eisenbahn. 6., bearbeitete und ergänzte Auflage. transpress, Berlin 1981, S. 869.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Thomas Gerhard, Gerd Meyer, Klaus Altenburg: Revolution oder Evolution? – Betrachtungen zu Werkstoff- und Bauweisenentwicklung für Schienenfahrzeuge. In: ETR - Eisenbahntechnische Rundschau. 51, Nr. Heft 1-2, Hestra-Verlag, Hamburg 2002, S. 13-23.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Biber: Personenwagen. In: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens. 8, 1917 S. 17ff (https://www.zeno.org/Roell-1912/A/Personenwagen).
  5. ↑ Leichtstahlwagen der Schweizerischen Bundesbahnen: gebaut von der Schweiz. Wagons- und Aufzügefabrik Schlieren.
    Schweizerische Bauzeitung, Band 110 (1937), Heft 2 (Teil 1) (E-Periodica, PDF; 1.4 MB)
    Schweizerische Bauzeitung, Band 110 (1937), Heft 10 (Teil 2) (E-Periodica, PDF; 3,6 MB)
  6. ↑ Andreas Büttner, Christian Bischoff, Ulrich Höbel: Der ICx – Eine neue Ära im Fernverkehr der Deutschen Bahn. In: Eisenbahntechnische Rundschau. Eurailpress, 2011-09, S. 36-41.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 Jürgen Janicki, Horst Reinhard, Michael Rüffner: Schienenfahrzeugtechnik. Bahn-Fachverlag, Berlin 2013, ISBN 978-3-943214-07-9.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 Iwainsky Heinz: Zum Unfallverhalten von Strassenbahnen – der neue „Tango“ für die TPG nach „Crash-Norm“. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 1/2012. Minirex, ISSN 1022-7113, S. 136–137.
  9. ↑ Patrik Kobler: Stadler bringt die Züge zum Tanzen: Hier entstehen die neuen Wagen der Appenzeller Bahnen. In: Appenzeller Zeitung vom 21. April 2018
  10. ↑ Handout Wagenkasten in Leichtbauweise. (PDF; 449 kB) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, abgerufen am 23. März 2015.
  11. ↑ Joachim Winter: Neue Bauweisen beim Next Generation Train. (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive) (PDF) Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik der RWTH Aachen, abgerufen am 23. März 2015.
  12. ↑ Mehr Sicherheit auf europäischen Schienen – Neue Europäische Norm zur Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen erschienen. Deutsches Institut für Normung, 27. August 2008, archiviert vom Original am 14. Juli 2015; abgerufen am 1. Mai 2015.
  13. ↑ 13,0 13,1 Kollisionssicherheit bei Schienenfahrzeugen. Forschungsinformationssystem Mobilität und Verkehr der TU Berlin. 23. März 2017.
  14. ↑ DIN EN 15227 „Anforderungen für die Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen“ – Empfehlungen für Hersteller und Betreiber. (PDF; 2,4 MB) TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, 16. Juli 2008; Vortrag bei der Deutschen Maschinentechnischen Gesellschaft; abgerufen am 1. Mai 2015.
  15. ↑ Günter Löffler (Professur für Technik spurgeführter Fahrzeuge): DIN EN 15227 „Anforderungen für die Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen“ - Empfehlungen für Hersteller und Betreiber. TU Dresden. 16. Juli 2008.
  16. ↑ Galea-Crashkonzept. Voith, abgerufen am 1. Mai 2015.
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