Der immer dringlichere Ruf nach energieeffizienten Lösungen im öffentlichen Nahverkehr führt zu einer vermehrten Nutzung sowohl von hybriden als auch rein elektrischen Antriebssystemen. Die Entwickler in diesem Segment sind hierbei auf möglichst langlebige Komponenten angewiesen, insbesondere auf solche Aktuatoren, die ein flexibles Zu- und Abschalten der Stromquellen ermöglichen. Glücklicherweise ist jetzt eine neue Modellreihe elektrischer Linearaktuatoren verfügbar, die genau diese Anforderungen erfüllt.
Die Rolle von Aktuatoren in elektrifizierten Fahrzeugen
Mit Hilfe von Aktuatoren können elektrische Straßenbahnen, Busse und Triebwagen die Verbindung zu Stromquellen schnell herstellen und wieder trennen. Bei den meisten herkömmlichen Transportmitteln ist dieses häufige Zu- und Abschalten nicht notwendig, da sie nur eine einzige Stromquelle nutzen, mit der sie sich morgens verbinden und bis zum Betriebsende verbunden bleiben. Demgegenüber fahren hybride Fahrzeuge außerhalb der Stadtgrenzen batteriebetrieben, wechseln aber auf ihrer Strecke mehrfach zurück auf den saubereren und kostengünstigeren Strom aus der Oberleitung. Mit dem wachsenden Anteil elektrisch abgetriebener Triebwagen, Busse und Züge wird dieses Konzept des Batterie-Aufladens unterwegs zukünftig eine immer wichtigere Rolle spielen.
Das Umschalten auf die Oberleitung übernehmen Aktuatoren. Sie bewegen die federgelagerten Stromabnehmer – mechanische Einheiten auf dem Fahrzeugdach, die nach oben ausfahren, um die elektrische Verbindung mit der Oberleitung herzustellen (Abbildung 1). Eine Feder hebt den Stromabnehmer (je nach Form auch Pantograph genannt) an, um den Kontakt mit der Oberleitung aufzubauen und zu halten; der Aktuator zieht ihn wieder herunter, wenn auf Batteriebetrieb umgeschaltet wird. In anderen Ausführungen wird ein Aktuator genutzt, um die Feder vorzuspannen, die den Stromabnehmer an die Oberleitung drückt. Lässt sich der Wechsel zwischen den Stromquellen effizienter gestalten, entfällt beim Ausbau des öffentlichen Verkehrsnetzes die Notwendigkeit unansehnlicher und gefahrenträchtiger Oberleitungen im Stadtgebiet.
Abbildung 1: Stromabnehmer, Türen, Hubplattformen und schwere Luken sind nur einige der Anwendungen, für die der Thomson Electrak® LL prädestiniert ist. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thomson Industries, Inc.)
Vereinzelt werden pneumatische Aktuatoren verwendet, um die Stromabnehmer auszufahren – der zugehörige Kompressor gibt jedoch Feuchtigkeit ab, die zu Verstopfen oder bei niedrigen Temperaturen zur Eisbildung führen kann. Darüber hinaus erfordern pneumatische Lösungen deutlich mehr Komponenten wie Pumpen, Leitungen und Druckluftsysteme. Erhöhte Fahrgastzahlen erschweren diese Probleme, sodass pneumatische Lösungen zukünftig noch unattraktiver werden.
Aktuatoren können zudem zum Anschließen an Ladestationen verwendet werden, von denen Hybridbusse ihren Strom für den Fahrbetrieb erhalten. Bei Zügen, die über eine separate Schiene gespeist werden, steuern Aktuatoren das Ausfahren der Kontakte vom Triebwagen zur Stromschiene.
Während derzeitige Anwendungen Aktuatoren mit einer Laufleistung von 20.000 bis 30.000 Arbeitszyklen erfordern, werden die erhöhten Zyklen aufgrund steigender Fahrgastzahlen nach Expertenmeinung zukünftig Laufleistungen im Bereich von 500.000 bis zu einer Million Zyklen notwendig machen.
Herausforderung angenommen
Um derart viele Arbeitsspiele zu überleben, sind Modifikationen bezüglich Kugelgewindetrieb, Motordesign, Bremsstrategie und Umgebungsfestigkeit unumgänglich.
Verbesserter Kugelgewindetrieb. Der Kugelgewindetrieb eines Aktuators setzt sich zusammen aus Kugelgewindespindel, Mutter und Lagern. Eine Laufleistung von bis zu einer Million Arbeitsspielen erfordert eine speziell angepasste Einheit. Dem Hersteller Thomson Industries, Inc. ist es beispielsweise gelungen, durch drei Modifikationen die Anzahl der Arbeitsspiele mehr als zu verzehnfachen. Die erste Modifikation ist die Verwendung einer Kugelgewindespindel mit größerem Durchmesser, um das System in seinem Kern zu verstärken. Die zweite Änderung bezieht sich auf die Verwendung einer mehrgängigen Kugelrückführung in der Mutter. Sie erlaubt eine Verdoppelung der tragenden Kugeln zwischen Mutter und Spindel, sodass die Last unter mehr Kugeln aufgeteilt wird. Und nicht zuletzt sorgen Schrägkugellager an der Spindel für eine höhere Stabilität und reduzieren die Belastung der einzelnen Komponenten.
Bürstenlose Motoren. Die Motorausführung wirkt sich ebenfalls auf die Laufleistung des Aktuators aus. Die meisten derzeit in elektrischen Fahrzeugen verbauten Aktuatoren verwenden herkömmliche, bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Für die verlängerte Nutzungsdauer, die den Konstrukteuren der Transportmittel vorschwebt, verschleißen die Bürsten jedoch viel zu früh. Der Verzicht auf die Schleifbürsten zugunsten eines elektromagnetischen Feldes ist hier eine deutlich bessere Alternative. Ohne die durch die Bürsten bedingte Reibung verfügt der Motor über eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Natürlich tritt an den Lagern oder anderen Teilen des Motors auch Verschleiß auf, aber die Langlebigkeit des Systems ist nicht mehr von der relativ kurzen Lebensdauer der Bürsten abhängig.
Abbildung 2: Der langlebige, hochrobuste Electrak LL Aktuator von Thomson ist für bis zu einer Million Arbeitszyklen ausgelegt.
Elektromagnetisches Bremsen. Die Nutzung eines bürstenlosen Motors trägt darüber hinaus zur längeren Lebensdauer bei, da er eine elektromagnetische Steuerung möglich macht. In einem Stromabnehmer arbeitet der Aktuator gegen eine Feder. In der einen Richtung wirkt sie als Gegenkraft, in der anderen als unterstützende Kraft. Eine Gegenfeder erlaubt eine stabilere, besser kontrollierte Stellgeschwindigkeit in eine Richtung. Demgegenüber bewirkt eine unterstützende Feder einen stärkeren Freilauf, der kontrolliert werden muss. In der Regel geschieht das bei unterstützender Feder mittels einer Reibungsbremse. Bei vermehrter Nutzung sind Reibungsbremsen jedoch starkem Verschleiß ausgesetzt und begrenzen somit die Lebensdauer des Aktuators. Eine bessere Bremsstrategie nutzt dagegen den bürstenlosen Motor zur Geschwindigkeitssteuerung, während eine elektromagnetische Bremse die Last in ihrer Position hält, sobald der Aktuator stoppt.
Erhöhte Umgebungsfestigkeit. Bereits heute unterliegen Aktuatoren, die in öffentlichen Nahverkehrsmitteln eingebaut sind, behördlichen Gesundheits- und Sicherheitsbestimmungen; eine vermehrte Nutzung wird die Anforderungen in diesem Bereich noch weiter erhöhen. Weniger genutzte Fahrzeuge kommen mit einem geringeren Eindringungsschutz von heute üblichen IP65 aus. Ein Zug, der mit 100 km/h fährt, ist demgegenüber deutlich härteren Umgebungsbedingungen ausgesetzt und erfordert daher auch eine höhere Schutzart. Angesichts dieser Faktoren müssen die Hersteller dafür Sorge tragen, dass ihre verwendeten Werkstoffe und Dichtungsstrategien entsprechend der Nutzungsdauer der Fahrzeuge 20 oder 30 Jahre lang zuverlässig funktionieren. Im Folgenden einige der Eigenschaften, die für eine maximale Umgebungsfestigkeit in anspruchsvollen Transportsystemen erforderlich sind:
- Schutzarten IP69K (statisch) und IP66 (dynamisch):
- IP-X6 (dynamisch) gegen Strahlwasser bei +10°C und einer angeglichenen Aktuator-Temperatur von +85°C.
- Mindestens 500 Stunden Salzsprühnebel-Festigkeit.
- Betriebstemperaturen von –40 °C bis +85 °C
- 300 Stunden Beständigkeit gegen Sonnenbestrahlung (UV) gemäß IEC 60068-2-5
Darüber hinaus hat die Bahnindustrie eigene internationale Sicherheitsstandards und vorschriften für Komponenten und Einrichtungen erlassen, die in kritischen Funktionen zum Einsatz kommen (EN 50155, EN 60077 und EN 45545).
35 Prozent Einschaltdauer
Im Zusammenspiel können ein verstärkter Kugelgewindetrieb, bürstenloser Motor, eine elektromagnetische Bremsstrategie und die hohe Umgebungsfestigkeit die zulässige Einschaltdauer beträchtlich erhöhen. Der in Abbildung 2 gezeigte Thomson Electrak LL Aktuator verfügt beispielsweise über eine Einschaltdauer von 35 Prozent – im Vergleich zu den 20 Prozent anderer Elektro-Linearaktuatoren bei identischer Betriebstemperatur und Last. Eine hohe Einschaltdauer erlaubt mehr Arbeitsspiele innerhalb eines bestimmten Zeitraums, ohne auf eine Zwangskühlung oder einen bezogen auf die Last überdimensionierten Aktuator zurückgreifen zu müssen, nur um eine Überhitzung zu vermeiden.
Wie geht es weiter?
Heute übernehmen Aktuatoren in Fahrzeugen des öffentlichen Nahverkehrs das Umschalten, was sie auch in Zukunft tun werden. Aber dieses Umschalten erfordert ein gewisses Maß an „Bordelektronik“, damit die Aktuatoren sowohl untereinander als auch mit anderen Geräten kommunizieren und den Bedienern Informationen wie zur Position des Stromabnehmers liefern können.
Wenngleich die für Ladestationen verwendeten Aktuatoren zu den ersten Komponenten gehören, die angesichts der steigenden Fahrgastzahlen und vermehrten Elektrifizierung aufgerüstet werden möchten, werden weitere Einsatzbereiche für diese Technologie bald folgen – von der Türbetätigung, Stufennivellierung und Steuerung der Bahnsteig-Ausgleichslamellen für einen barrierefreien Ein- und Ausstieg bis zum Ankoppeln der Wagen. Bis dato wurden diese Funktionen durch hydraulische der pneumatische Aktuatoren betätigt, aber bei steigenden Zyklen und dem Ruf an effizienteren und robusteren Komponenten dürften Konstrukteure für ihre Systeme vermehrt auf wesentlich besser geeignete elektrische Aktuatoren zurückgreifen.