Hochdrehende Antriebsstränge für Straßenbahnfahrzeuge

Die Verringerung des Energiebedarfs von Schienenfahrzeugen durch fahrzeugseitige Maßnahmen wird durch den Einsatz von effizienteren Komponenten und die Reduktion der Fahrzeug-masse realisiert. Dies ist insbesondere für Niederflurstraßenbahnen interessant, da dort die Masse und der Bauraum stark beschränkt sind. Ein Lösungsansatz dafür ist der Einsatz von hochdrehenden Maschinen. Solche Antriebseinheiten werden bereits entwickelt und Untersuchungen bestätigen, dass diese für den Bahnbereich kleiner, leichter und effizienter sind. Allerdings bedingt der Einsatz einer hochdrehenden Maschine Anpassungen der übrigen Komponenten des Antriebsstrangs, die entgegen den Auslegungszielen wirken. ... mehrNur eine holistische Betrachtung erlaubt eine Bewertung des Gesamtfahrzeugs.
Diese Dissertation untersucht, wie hochdrehende Antriebsmaschinen in Straßenbahnen inte-griert werden können und welche Effekte dies auf das Fahrzeug hat. Dazu werden die zu Be-ginn formulierten Forschungsfragen beantwortet. Ein Referenzsystem gibt die Randbedingungen für das Fahrzeug vor. Basierend darauf wird eine hochdrehende Antriebsmaschine mit einer passenden Maximaldrehzahl von 20 000 min−1 ausgewählt. Ein Stromrichter mit Silizium-karbid-Halbleitern ermöglicht den Betrieb dieser Asynchronmaschine. Mit einer dafür entwickelten Methode wird untersucht, wie sowohl Asynchronmaschine als auch Stromrichter unterflur eingebaut werden können. Zwei Fahrwerkskonfigurationen mit Radsätzen werden ausgewählt, bei einer wird der Antrieb in Querrichtung mittig eingebaut und bei der anderen in Längsrichtung außen. Aus diesen Komponenten und der Fahrwerkskonfiguration leiten sich die Anforderungen an das Getriebe ab. Die nötige Übersetzung von 29,6 wird durch ein drei-stufiges Getriebe realisiert. Für beide Fahrwerkskonfigurationen können Getriebe entwickelt werden, die die Randbedingungen an den Bauraum erfüllen. Die Auswirkungen auf die Subsys-teme Wagenkasten und Bremse werden untersucht und zwei Fahrzeugkonzepte abgeleitet. Durch die Verlagerung des Stromrichters in das Fahrwerk verändern sich die Massenverteilun-gen jedoch nicht so stark, dass Folgen für die Auslegung des Wagenkastens zu erwarten sind. Eine Anpassung der Auslegung der Bremsen ist auf Grund der auf Fahrzeugebene geringen Massenveränderung ebenfalls nicht notwendig.
Die Fahrzeugkonzepte werden zur Bewertung mit dem Referenzfahrzeug im Hinblick auf Mas-se, Volumen, Energiebedarf und Fahrkomfort verglichen. Die Masse des Stromrichters und des hochdrehenden Antriebsstrangs sowie deren Volumen wird deutlich reduziert. Die Auswirkun-gen auf die Masse des Gesamtfahrzeugs sind gering. Der Energiebedarf wird im Vergleich zum Referenzfahrzeug verringert. Diese Reduktion kommt insbesondere durch die Energieeffizienz-steigerung des Stromrichters und der Maschine zustande. Der Fahrkomfort wird durch die Veränderung des Antriebsstrangs nicht spürbar beeinflusst und bleibt in der gleichen Bewertungskategorie.

The reduction of the energy demand of rail vehicles by changes on the vehicle side is realised by using more efficient components and by reducing the vehicle mass. This is especially inter-esting for low-floor trams, where the mass and the installation space are limited.
One approach for the use of more efficient components and the reduction of vehicle mass is the use of high-speed drives. Published research confirms that high-speed machines for rail applications are smaller, lighter, and more efficient. However, the use of a high-speed machine results in adjustments to the whole powertrain that work against the initial objectives. ... mehrThere-fore, the effects on the entire vehicle must be considered.
This dissertation investigates how high-speed traction machines can be integrated into trams and what effects result for the vehicle. A reference system provides the boundary conditions for the vehicle. Based on this, a high-speed machine with a suitable maximum rotational speed of 20 000 min−1 is selected. A power converter with silicon carbide elements enables the operation of this asynchronous machine. Methodically, it is investigated how both the asynchro-nous machine and the power converter can be installed underfloor. Two running gear configu-rations with wheelsets are selected, one with the drive installed transversely in the centre and one longitudinally on the outside of the wheelset. The requirements for the transmission are derived from these components and the chassis configuration. The required gear ratio of 29,6 is realised by a three-stage gearbox. The gearboxes for both running gear configurations fulfil the constraints on installation space. The effects on the car body and brake are investigated. The relocation of the power converter to the underfloor changes the mass distributions, but not to such an extent that consequences for the design are to be expected. The design of the brakes is not impacted by this change either.
To evaluate the vehicle concepts, they are compared with the reference vehicle in terms of mass, volume, energy demand and ride comfort. The mass of the power converter and the high-speed powertrain as well as their volume are significantly reduced. The effects on the mass of the overall vehicle are small.
The energy demand is reduced compared to the reference vehicle. This reduction comes especially from the increase in efficiency of the power converter and the engine.
The driving comfort is not noticeably affected by the change in the powertrain and remains very good.