Realisation eines NINA–Regionaltriebzuges
Gartenbahnen gehören zu den Vereinsaktivitäten. Mit der Idee eines modernen und innovativen Konzeptes will ich dieses Projekt lancieren. In der ausgebauten Walzenhalle des Dampffreundeclub ist seit 2006 das Projekt eines neuen Triebzuges in Produktion.
Eisenbahnen faszinieren mich seit meiner Kindheit. Deren technischen Zusammenhänge lernte ich seit meiner Konstrukteurlehre besser kennen. Mein Anliegen, selbst ein entsprechendes Schienenfahrzeug für eine Spurgrösse Siebeneinviertelzoll anzufertigen, verstärkte sich zusehends, als unsere Dampfvereinswerkstatt in Schüpfen für Metallbearbeitungsarbeiten aufgerüstet wurde. Meine Visionen konkretisierten sich vor allem, als mir Zugang zu originalen Zeichnungen und Plänen dieses Triebzuges gewährt wurde.
Im Rahmen meines privaten Projektes konstruierte und fertige ich einen Modellzug der Firma Bombardier Transportation. Die Idee eines solchen Projektes ist es meine Konstruktionskenntnisse zu verbessern, dabei Neues lernen in Bezug auf Fertigung, Fertigungsmöglichkeiten und Planung. Bei der Wahl eines geeigneten Vorbildes war für mich schon bei der Vision klar, dass es etwas Modernes sein sollte. Moderne Konstruktionen stehen unter Firmengeheimnisse und Konstruktionspläne werden daher selten an Private abgegeben. Als eine vernünftige Alternative suchte ich dann ein aktuelles Fahrzeug, welches als Modell in Spur HO (1:87) existiert, um davon meine Konstruktion abzuleiten. Mein Nachbar arbeitete damals bei der BLS und er hat in seinem Keller eine Modelleisenbahn. Ich habe ihn gefragt, ob er ein Modell (war eines der RHB) für meine Konstruktion habe. Zufällig entdeckte ich von ihm selbstgebaute Messingmodelle des Triebzuges, Typ NINA (Niederflur – Nahverkehrszug), der BLS. Ich habe dann diese Konstruktion akribisch analysiert, ob es überhaupt möglich ist ein Modell in diesem Massstab zu realisieren. Seither habe ich mich durch Konstruktionszeichnungen durchgeackert, welche ich bekommen habe, und rund 400 Originalfotos ausgewertet. Um komplexere Aufgaben zu lösen habe ich jeweils technische Pflichtenhefte für Lieferanten erstellt. Was daraus entstanden ist, ist ein NINA Regionaltriebzug im Massstab 1:8. Innovative Grundlagen zur Konstruktion wie auch rationelle Fertigungsmethoden geben dem Projekt interessanten "Touch". Angetrieben durch vier parallel gesteuerte BLDC Synchronmotoren liefert das mächtige Modell mit über sechs Metern Länge maximal 400 Ampère auf die Antriebsräder. Ich denke, dass mein Modell sicher technisch Interessantes bieten kann. Auch Ideen für Werbezwecke könnten durchwegs ins Auge gefasst werden, wobei man bedenkt, dass das Vorbild den Rückgrad der stetig wachsenden Berner S-Bahn zeigt. So wurden 13 NINA Kompositionen für u. a. die Strecke S1 Thun-Bern-Fribourg mit einem zusätzlichen Mittelwagen ergänzt und die nachfolgende Fahrzeuggeneration "Lötschberger" basiert ebenfalls auf dem NINA-Konzept.
Zurzeit sind die Verschalungen, alle Dachbleche fertig gebogen sowie die Drehgestelle fertig lackiert. Die Containeraufbauten, die Fahrgastraumbelüftungen sowie die Paneels wurden von einem Schulkameraden sorgfältig gefertigt.
Drehgestelle
Eng an das Vorbild gelehnt, sind die vier Antriebsmotoren direkt in den zwei Triebgestellen integriert. Damit kann der Fahrgastraum später vollständig nachgebildet werden. Die Trieb- und Laufgestelle sind grösstenteils aus Baustahl der mech. Norm S235JRG2C+C erstellt worden. Festigkeits- und Funktionsüberlegungen und die Form des Vorbildes definieren die endgültige Konstruktion. Die Laufräder sind aus Automatenstahl CNC gedreht. Die Wellen, die in den Lagerträgern in Nadellager aufgestützt sind, sind direkt mit dem Triebgestellträger verbunden. Die Federung der Chassis geschieht über Gummiträger, auf denen Polyoxidmethylenscheiben aufgeschraubt sind, die auf verchromten Stahlplatten gleiten. Alle Drehgestelle sind über Kugelgelenklager mit den Grundrahmen verbunden. Momentan ist die Bremse über die elektrische Steuerung vorgesehen, kann aber nach Möglichkeit mit einer pneumatischen Bremse erweitert werden. Die Dämpfungseinheiten sind nur als Attrappen ausgeführt, die aber dennoch mit dem Chassis verbunden werden.
Antriebprinzip
Für das Finden eines innovativen Antriebes habe ich zuerst verschiedenste Fachbücher studiert und im Internet recherchiert, bis ich schließlich in einem Internetforum den Tipp bekommen habe, dass BLDC Servomotoren ideale Antriebssysteme dazu wären. Ebenfalls habe ich mich im Flug- und Rennmotormodellbau umgesehen, wo Brushlessmotoren seit längerem eingesetzt werden. Für die Evaluation habe ich zuvor ein technisches Pflichtenheft erarbeitet, das ich verschiedenen Herstellern geschickt habe. Für meine Anwendung muss ich aber sagen, dass so etwas nicht passend ist. Nach diversen Test mit BLDC-Motoren habe ich mich für einen Industrieservomotor von Allied Motion (USA) entschieden. Die überdurchschnittliche Leistungsdichte in dieser kompakten Baumform haben mich überzeugt. Damit die Steuerung auch die tiefen Drehzahlen sauber an die Motoren weitergibt, ist es notwendig jeweils pro Motor einen Drehzahlgeber einzubauen. Dieser ist zusammen mit der Steuerung zuständig, dass die Wicklungen sauber angesteuert werden.
Für die Steuerung kommt eine kleine SPS zu Zuge. Die von PhoenixContact als Kompaktmikrocontroller geeigneten Steureungen reichen für meine Anwendungen zu übernehmen. Durch den Einbau eines tochscreenfähigen Displays fällt die Bedienung besonders leicht an.
Berechungen
Für die Antriebsberechnung bin ich von einem Reibungskoeffizient von 0.27 (Schiene – Rad) ausgegangen. Bei den SBB ist damals für die Motorberechnung der Lok 2000 auch mit einem solchen Wert gerechnet worden. Die Zugkraft meines Modells ist für rund 10 - 15 Personen geplant. Die ganze Berechnung ist relativ schwierig, da verschiedene Umgebungseinflüsse sich sehr entscheidend auf die Zugkraft auswirken (Steigung, Öl auf Schienen, etc.).. Die nun eingesetzten Motoren können rechnerisch gesehen maximal 9600 Watt umsetzen, bei einem Drehmoment von 19 Nm pro Antriebsrad ergibt (152 Nm gesamt). Wie dann der Praxistest aussieht, wird sich zeigen.
Speisung
Die Motoren können maximal 400 A aufnehmen. Die Gel-Vlies Bleiakkumulatoren werden unterhalb des Daches eingebaut. Der Schwerpunkt des Triebzuges wird zwar eher hoch liegen, doch dafür ist der Innenraum nicht verbaut. Das Modell ist nicht zum Draufsitzen geplant, deshalb ist diese Konstruktionsfolge nicht so als gravierend zu beurteilen. Die Steuerungen werden analog dem Vorbild in Containern auf dem Dach platziert.
Steuerung
Die vier bürstenlosen Motoren mit elektronischer Blockkommutierung werden über die vier Pulswechselrichter mit einem Dreiphasenstrom blockförmig angesteuert. Diesen Dreiphasenstrom bildet der Pulswechselrichter direkt aus der Akkumulatorenspannung (24V). Die Rückmeldung der Rotorlage erfolgt durch drei im Motor eingebaute Hallsensoren und einem zusätzlich Inkrementaldrehgeber. Die um 120° versetzt angeordneten Sensoren liefern pro Umdrehung sechs verschiedene Schaltkombinationen. Die drei Teilwicklungen werden nun entsprechend den Sensorinformationen in sechs verschiedenen Leitphasen angesteuert. Die Vorteile liegen darin, dass diese Steuerungsart hohe Anlauf- und Beschleunigungsmomente erzeugen kann und dass die Lebensdauer des Motors prinzipiell nur von den Lagern abhängig ist.
Fahrzeugkörper
Die Chassis sind lasergeschnitten, abgekantet und anschliessend WIG geschweisst. Daraus resultiert ein äussert leichtes Einzelchassis, welches lediglich aus drei Teilen verschweisst ist – das ganze Triebzugchassis setzt sich wiederum aus den drei verschweissten Teilen (ET01, Mittelwagen, ET01) zusammen. Die Grundrahmen der drei Teile bestehen aus eloxierten Aluminiumprofilen, die flexibel miteinander verbunden werden können. Über sie wird die gesamte Konstruktion zusammengehalten. Die Profile haben den Vorteil, dass Einbaukomponenten einfach an die integrierten Nuten befestigt werden können. Die Dachaufbauten Fräs- und Drehteile) wurden aus fertigungstechnischen Gründen meist aus Aluminium hergestellt. Die Mehrheit der Einzelteile wurde im Walzenhaus bearbeitet. Gebogene Teile wie Container, Paneels, etc. sind aus Kostengründen aus Stahlblech DC 01 gelasert worden. Durch die Anwendung verschiedener Materialien muss besonders bei den Übergangsflächen Beachtung geschenkt werden, so dass nicht unedlere Materialien oxidiert werden. Deshalb werden die Dachteile zum Teil auf Kunststoffdistanzstücken montiert. Die Hülle wird nach den aktuellen Farben der BLS gespritzt.
Gartenbahn
Das Gartenbahnfahrzeug ist in erster Linie als maßstäbliches Modell gedacht. Für Personentransport ist es berechnet, jedoch muss man bedenken, dass die gesamte Länge etwas über sechs Meter beträgt und der fahrbare Mindestradius von 6 Metern nicht unterschritten werden darf. Ein Beiwagen ist zwar nicht eingeplant. Viele Gartenbahnanlagen sind nicht für so lange Triebzüge ausgelegt. Die Praxis wird’s zeigen, ob solche Fahrzeuge auch für Personentransporte brauchbar sind. Vielleicht hat’s aber jemandem angetan. Ich bin gerne bereit meine Konstruktionszeichnungen für weitere Ideen zu vergeben.
Ausbildung
Sehr viele Teile wurden von Lernenden hergestellt. Ich bin stolz darüber, dass ein solches Projekt nicht nur ein praktisches Beispiel für anwendungsorientiertes Lernen ist. Einige Betriebe sind daran interessiert, an solchen Ideen mitzumachen. Noch einmal sei hier den unterstützten Firmen zu danken:
Lasatec AG Moosseedorf Laserschneideservice, www.lasatec.ch
Lehrwerkstätte Bern Bereich Maschinenbau, www.lwb.ch
Bandgenossenschaft Bern Abteilung Maschinenbau, www.band.ch