Der erwartete Boom im elektrifizierten öffentlichen Nahverkehr erhöht die Nachfrage nach robusteren elektromechanischen Aktuatoren
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 die Aktuatoren, die ein flexibles Zu- und Abschalten der Stromquellen ermöglichen. Genau diese Anforderungen erfüllt eine neue Modellreihe elektrischer Linearaktuatoren, die kürzlich auf den Markt gekommen ist.
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 dieser Art ist das 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 wirtschaftlicheren Strom aus der Oberleitung. Mit steigenden Fahrgastzahlen wird diese Umschalttechnik daher immer wichtiger.
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: Mittels Aktuatoren können Hybridbahnen auf einigen Streckenabschnitten flexibel die Oberleitung nutzen (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 zum 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.
Verlängerung der Aktuator-Lebensdauer
Um einen Aktuator mit höherer Laufleistung zu entwickeln, müssen mindestens vier Aspekte genauer betrachtet werden: die Auswahl des Kugelgewindetriebs, die Motorausführung, das Bremssystem und die Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungseinflüsse.
Die in diesen Anwendungen genutzten Aktuatoren wandeln die Drehbewegung des Motors über einen Kugelgewindetrieb in eine Linearbewegung um. Die Auswahl eines Kugelgewindetriebs mit einer Laufleistung von bis zu einer Million Arbeitsspielen erfordert ausgeklügelte Optimierungsberechnungen: Durch eine verbesserte Kombination aus Mutter und Spindel werden die Tragzahl und Geschwindigkeit bestmöglich in Einklang gebracht. Diese Berechnungen können recht komplex werden, laufen aber im Wesentlichen darauf hinaus, die Tragzahl des Kugelgewindetriebs durch die Verwendung einer Spindel mit größerem Durchmesser zu erhöhen. Denselben Effekt erzielt eine Gewindemutter mit der doppelten Anzahl von Kugeln, die den Kontakt zwischen Mutter und Spindel herstellen. Diese Bauweise führt zu einer massiven Verlängerung der Lebensdauer von Gewindespindel und -mutter.
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. Eine bessere Alternative ist ein elektromagnetisches Feld, das die Schleiferbürsten ganz überflüssig macht und praktisch unbegrenzt hält. Natürlich tritt an den Lagern oder anderen Teilen des Motors auch Verschleiß auf, aber die Langlebigkeit ist dann nicht von der relativ kurzen Lebensdauer der Bürsten abhängig.
Der langlebige, robuste Electrak® HD Aktuator von Thomson ist für bis zu einer Million Arbeitszyklen bei maximaler Nennlast ausgelegt.
Ein bürstenloser Wechselstrommotor erfordert eine etwas andere Benutzerschnittstelle und unterstützt zudem das Abbremsen der Stromabnehmer-Bewegung.
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 ist diese Reibungsbremse starkem Verschleiß ausgesetzt und begrenzt somit die Lebensdauer des Aktuators.
Neben dem optimierten Motor verfügt diese neue Aktuator-Lösung über einen verstärkten Kugelgewindetrieb, eine elektromagnetische Lasthaltebremse und eine integrierte elektronische Motorsteuerung. Dieses verbesserte Konzept nutzt den bürstenlosen Motor zur Geschwindigkeitssteuerung, während die elektromagnetische Bremse die Last in ihrer Position hält, sobald der Aktuator stoppt. Schon heute unterliegen Aktuatoren, die in öffentlichen Nahverkehrsmitteln eingebaut sind, Gesundheits- und Sicherheitsbestimmungen. Die erweiterte Nutzung wird jedoch auch hier weitere Verbesserungen mit sich bringen. 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. Genauso bedeutet der Betrieb in Küstennähe eine größere Korrosionseinwirkung durch die salzhaltige Luft, sodass hier IP66 oder sogar IP69K spezifiziert werden muss. Angesichts dieser Faktoren – in Verbindung mit strengen Standards zur öffentlichen Sicherheit, inklusive des Verbots giftiger Substanzen – müssen die Aktuatoren-Hersteller dafür Sorge tragen, dass ihre verwendeten Werkstoffe und Dichtungsstrategien entsprechend der Nutzungsdauer der Fahrzeuge 20 oder 30 Jahre lang zuverlässig funktionieren.
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. Aktuatoren müssen sich somit stetig weiterentwickeln.
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 jetzt 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 die wesentlich besser geeigneten elektromechanischen Aktuatoren zurückgreifen.