Baureihe 145

3. Beschreibung der Lokomotive

1. Fahrzeugkasten

Weil seitens des Kunden keine Restriktionen hinsichtlich der Gesamtmasse bestanden, ist der Kasten als robuste Stahlkonstruktion ausgeführt und teilt sich in die drei Schweißbaugruppen Untergestell, Führerräume und Seitenwände.

Das Untergestell besteht aus außen liegenden Längsträgern mit hohem Stegblech, Unter- und Oberguten sowie örtlichen Verstärkungen. Die Hauptquerträger dienen zur Auflage auf den Flexicoil-Sekundärfedern und stützen damit den Kasten auf dem Drehgestellrahmen ab. An den mittleren Querträgern ist der Transformator unterflur befestigt. Außerdem werden dort die Zug- und Bremskräfte über die Zugdruckstangen vom Drehgestell zum Kasten geleitet. Die Kopfquerträger tragen die Hochleistungspuffer sowie die Zugvorrichtung und sind für den späteren Einbau einer automatischen Kupplung vorbereitet. Die drei abnehmbaren Dachhauben mit integrierter Luftführung bestehen aus Aluminiumstrangpressprofilen und ermöglichen den ungehinderten Einbau der Komponenten in den Maschinenraum.

1.2 Geräteanordnung

Die elektrischen Komponenten sind zu beiden Seiten des Mittelganges angeordnet.

Geräteanordnung
Typskizze, Geräteanordnung und Fahrzeugumgrenzungslinie:

  • BFP Buchfahrplanschrank
  • BT Bremsgerätetafel
  • EBAS Elektronische Bremsteuerung
  • ES Elektronikschrank
  • FRS Führerraumrückwandschrank
  • FT Führertisch
  • GT Gerätetafel zu HBG
  • HBG Hilfsbetriebegerüst
  • HBU Hilfsbetriebeumrichter
  • HSG Hochspannungsgerüst
  • KT Kühlturm
  • LZB Linienzugbeeinflussung
  • MLT Fahrmotorlüfterturm
  • SR Traktionsstromrichter
  • WS Werkzeugschrank
  • ZF Zugfunk
  • EBV Eisenbahnverordnung (Schweiz)
Unter dem Mittelgang verläuft ein Kanal mit vormontierten und vorgeprüften Druckluftleitungen und Starkstromkabeln. über flexible Verbindungen sind die beiden direkt über dem Transformator stehenden Stromrichter mit dessen Sekundärwicklungen verbunden. Rechts neben den Stromrichtern stehen die beiden Kühltürme mit jeweils getrennten Kreisläufen für Transformator und Stromrichter. Um diese Grundanordnung gruppieren sich Hochspannungsgerüst, Druckluftcontainer, Fahrmotorlüfter, Hilfsbetriebeumrichter (HBU), Elektronikschrank und Zugbeeinflussungsschrank. Die Befestigungen aller Geräte im Maschinenraum sind vom Mittelgang aus zugänglich und erlauben damit eine schnelle Demontage.

1.3 Kühlkonzept

In den beiden Kühltürmen sind jeweils zwei Kühlelemente für den Transformator und drei Kühlelemente für die Stromrichter versetzt angeordnet, wodurch die Verlustwärme besser abgeführt werden kann. Jedes dieser Kühlelemente kann einzeln ausgetauscht werden. Die Lüfter der Kühltürme drehen sich zur Geräuschminimierung nur mit maximal 1700 min. Die Fahrmotorlüfter saugen die Luft über den Dachbereich an. Sie wird zunächst über hochwirksame Fliehkraft-Sedimentationsabscheidegitter geführt und dabei gereinigt. Anschließend gelangt sie in einen in die Dächer integrierten Luftberuhigungsraum und von dort in die Lüftertürme. Die Fahrmotorlüfter setzen schließlich den gesamten Maschinenraum über einen einstellbaren Bypass unter leichten überdruck, damit er nicht verschmutzt. Die Luftführung für die Kühltürme erfolgt nach dem selben Prinzip, ohne dass jedoch die Luft vorher gefiltert wird.

1.4 Führerraum

Die Führerräume sind druckgedichtet und klimatisiert. Die kompakte Klimaanlage ist in den Führertisch eingebaut und übernimmt neben ihren üblichen Funktionen Lüften, Kühlen und Heizen auch den Druckschutz in den Belüftungskanälen. Im Ansaugbereich sind dazu Sensoren angebracht, welche die Druckwellen bei Zugbegegnungen erfassen und die Luftzu- und -abfuhr mit Hilfe von Klappen unterbrechen und diese eine zeitlang geschlossen halten.

Neben den üblichen Bedienelementen sind im Führertisch das Bediengerät für Zugbahnfunk, das modulare Führerstand-Anzeigegerät (MFA) sowie ein Terminal eingebaut. Ein weiteres Terminal kann beispielsweise für den elektronischen Buchfahrplan nachgerüstet werden. Die Führertische werden komplett außerhalb montiert und geprüft und anschließend eingebaut. Die Anordnung der Bedienelemente entspricht denen der BR 101 und 152, was den Ausbildungsbedarf für das Triebfahrzeugpersonal deutlich reduziert.

Führerstand BR 145

Die jeweils in zwei identische Hälften geteilten Frontscheiben werden in die Frontpartie eingeklebt und schließen mit dieser bündig ab. Sie haben eine eingebaute Heizung mit automatischer Temperaturregelung. Die Scheibenwisch- und -waschanlage wird anders als bei älteren Fahrzeugtypen der DB (pneumatisch) nun elektrisch betrieben.

1.5 Druckluftausrüstung

Die neuen Serienlokomotiven BR 145 und 152 sind mit Führerbremsventilanlagen Typ HSM-MEP ausgerüstet, deren Ansteuerung über eine Busverbindung zwischen Führertisch und Bremsgerätetafel erfolgt. Auf dieser befinden sich neben der redundanten Steuerungselektronik für die Bremsen die Druckluftschaltgeräte in modularer Bauweise. Die Bremsgerätetafel ist an dem Container angebaut, in dem sich die gesamte Drucklufterzeugungsanlage sowie alle Luftbehälter befinden.

1.6 Drehgestelle

Die Anforderungen an die Laufwerke der BR 145 zielen vor allem auf optimale Zugkraftübertragung und möglichst geringe dynamische Kräfte zwischen Rad und Schiene. Die Drehgestelle entsprechen im Prinzip den seit vielen Jahren bewährten Flexifloat-Fahrwerken. Deren Konstruktion wurde vereinfacht und besonders übersichtlich gestaltet. Die Kraftübertragung erfolgt über schrägliegende Zug-Druckstangen zum Fahrzeugrahmen. Der mit 2,6 m vergleichsweise kurze Radsatzabstand verringert die Kräfte und Beanspruchungen sowie den Verschleiß bei der Bogenfahrt. Die wenigen Verschleißteile des Drehgestells der BR 145 sind wiederum mit denen der BR 101 und 152 identisch, wodurch die Vorhaltung an Ersatzteilen wesentlich reduziert werden kann.

Drehgestell mit Zug- Druckstange
Drehgestell mit Zug-Druckstange

Statt der bisher üblichen Klotzbremsen erhält die BR 145 Radscheibenbremsen an allen Rädern. Damit werden die in ungünstigen Fällen beim Bremsen auftretenden Oberflächenbeanspruchungen in den Laufflächen der Radscheiben vermieden und so die Intervalle zwischen den Neubescheibungen erhöht. In jedes der Drehgestelle ist außerdem eine Federspeicher-Feststellbremse eingebaut. Zusätzlich erhielten die ersten drei Serienlokomotiven versuchsweise Putzklotzeinheiten, um den Einfluss der Konditionierung der Laufflächen auf die Zugkraftübertragung zu untersuchen.

2. Hochleistungsantrieb Gealaif und Fahrmotor

Die Betriebsbedingungen von Lokomotivantrieben zeichnen sich besonders beim Einsatz von Drehstromfahrmotoren dadurch aus, dass aus dem Stillstand heraus hohe Anfahr- und Dauerzugkräfte entfaltet werden. Zugleich müssen bei hohen Drehzahlen sowohl hohe Leistungen übertragen als auch längere Leerlaufphasen sicher beherrscht werden. Dementsprechend waren die Lager und Getrieberäder zu dimensionieren.

Bisher erhielten Bahnantriebe mit Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Drehstrommotoren fliegend gelagerte Ritzel. Diese Anordnung führt bei Antrieben mit hohen Drehmomenten zu hoch beanspruchten antriebsseitigen Lagern. Ferner ergibt die bei den hohen Verzahnungskräften eintretende Durchbiegung der Motorwelle ungünstige Eingriffsverhältnisse bei der Ritzelverzahnung.

Der Gealaif-Antrieb umgeht diese konzeptionellen Nachteile durch eine völlig neue Gestaltung des Getriebes. Dabei bilden der Asynchronfahrmotor und das Getriebe eine in sich geschlossene Einheit mit optimierter Kraftführung, wobei die Ritzelwelle in dem kraftübertragenden Getriebegehäuse zweiseitig gelagert ist. Dadurch werden nicht nur die Getrieberäder geringer belastet; vor allem die Lagerkraft beträgt dabei weniger als die Hälfte derjenigen bei der Anordnung mit fliegendem Ritzel. Aufgrund der so deutlich verkürzten Stützweite kann der Durchmesser der Ritzelwelle reduziert werden, was zu kleineren Lagerbaugrößen und damit zu geringeren Umfangsgeschwindigkeiten im Lager führt. Im Endeffekt erhöht sich die Lebensdauer der Lager deutlich.

Gealaif-Antrieb
Gealif-Antrieb, Ausrüstung mit montiertem Radsatzlager

Der Fahrmotorläufer stützt sich antriebsseitig über eine radial starre, jedoch beugeweiche Membrankupplung auf der Ritzelwelle ab, womit trotz der dreifachen Lagerung des Wellenstranges das System statisch bestimmt ist. Die Membrankupplung wird dabei außer durch das Motordrehmoment nur durch den Ausgleich der Fertigungstoleranzen zwischen Motor und Getriebe beansprucht.

Sowohl Großrad als auch Ritzelwelle drehen sich in Zylinderrollenlagern. Die Aufnahme der Axialkräfte über ein separates Axiallager erlaubt einen nennenswerten Schrägungswinkel der Verzahnung und ergibt damit gute Voraussetzungen für einen schonenden und geräuscharmen Zahneingriff.

Ein weiteres Merkmal des Gealaif-Antriebes ist die Zuführung der Motorkühlluft auf der Antriebsseite, wodurch das Getriebe besonders im Bereich der Ritzellagerung zusätzlich mit Frischluft gekühlt wird. Niedrige Getriebeöl- und Lagertemperaturen sind die erwünschte Folge.

Besonders gelungen ist die Abdichtung des Getrieberaumes gegen ölverlust. Unter Verzicht auf flüssige Dichtmaterialien an den ruhenden DichtsteIlen und durch den Einsatz hochwirksamer verschleißloser Dichtsysteme an den rotierenden DichtsteIlen werden die vom Kunden geforderten anspruchsvollen Grenzwerte deutlich unterschritten.

Das modular aufgebaute Antriebskonzept Gealaif wurde auf den Lokomotiven BR 120.1 sowie auf der 12X in einer abgefederten Ausführung mit Hohlwelle getestet. Bei der BR 145 wurde aufgrund der relativ niedrigen Höchstgeschwindigkeit 140 km/h eine kostengünstige Ausführung mit Tatzrollenlagerung gewählt. Sobald die Ergebnisse von Laufgütemessungen vorliegen, kann gegebenenfalls auch über einen Einsatz der Lokomotive mit Geschwindigkeiten bis 160 km/h, voraussichtlich unter Anpassung von Bauteilen, entschieden werden.

Der an den Antrieb ohne zusätzliches A-seitiges Lagerschild angeflanschte Drehstrom-Asynchronfahrmotor hat die in der Tabelle stehenden Kenndaten. Seine Bauform entspricht bis auf die Anpassung an die Tatzlagerung der in den Lokomotiven 120 149 und 128 001 bewährten Ausführung. Auf magnetische Ständernutkeile konnte verzichtet werden. Das Ständerblechpaket wird durch einen tragenden Dünnblechmantel geschützt.

Kenndaten des Drehstrom-Asynchronfahrmotors

Dauerleistung

1080 kW

bei Drehzahl

1833 min-1

bei Höchstdrehzahl

3796 min-1

großes Anfahrmoment

8860 Nm

Nennspannung

1870 V

Maximalspannung

2184 V

Polpaarzahl

2

Masse

2015 kg

Isolationsklasse

H

Kühlluftstrom

1,5 m³/s

3. Elektrischer Teil

3.1 Traktionsausrüstung

Die komplette Hochspannungsausrüstung nach dem Stromabnehmer ist innerhalb des Maschinenraumes im Hochspannungsgerüst (HSG) angeordnet. Darin befinden sich auch die Komponenten des sekundärseitigen Störstromfilters und der Zugheizung. Damit sind im Hochspannungsgerüst alle Komponenten mit Nennspannung ab 1 kV zusammengefasst. Das Gerüst lässt sich nur bei gesenkten Stromabnehmern und eingelegtem Erdungstrennschalter über eine rein mechanische Verriegelung öffnen.

Hochspannungsschrank
Hochspannungsschrank

Eine wesentliche Einzelkomponente im Hochspannungsgerüst ist der Vakuum-Hauptschalter mit Erdungstrennschalter Typ DAF 5E mit 25 kA Ausschaltvermögen und 100000 wartungsfreien Schaltspielen der Schaltröhre.

Neu ist ein Energiezähler, der es erlaubt, die aus dem Oberleitungsnetz aufgenommene abzüglich der beim Bremsen zurückgespeisten Energie mit dem Netzbetreiber zu verrechnen.

Der Haupttransformator hat vier Wicklungen zur Speisung der Vierquadrantensteller (4QS) sowie jeweils eine Wicklung für sekundärseitiges Störstromfilter, Hilfsbetriebeumrichter, direkt versorgte Hilfsbetriebe und Zugsammelschienenversorgung. Außerdem ist im Transformatorkessel die Saugkreisdrossel untergebracht.


Prinzipschaltbild Hauptstromkreise:

  • 4QS Vierquadrantensteller
  • PWR Pulswechselrichter
  • HBU Hilfsbetriebeumrichter
  • BLG Batterieladegerät

Die Antriebsausrüstung besteht aus zwei Stromrichtergruppen, die jeweils einem Drehgestell zugeordnet sind. Alle zwischen den Klemmen von Transformator und Fahrmotorpaar benötigten Komponenten sind in den Stromrichterschränken untergebracht. Je zwei Fahrmotoren werden über einen Pulswechselrichter (PWR) als Gruppenantrieb versorgt. Dieser wird aus einem Spannungszwischenkreis gespeist, der von zwei 4QS versorgt wird. Die insgesamt vier 4QS des Fahrzeugs werden versetzt getaktet, um die Störstromstärken zu reduzieren. Die Module von 4QS und PWR sind baugleich mit denen der BR 101. Sie werden mit biologisch abbaubarem Polyolester gekühlt. Die Leistungskondensatoren in den Saugkreisen und Zwischenkreisen sind mit Stickstoff als Dielektrikum gefüllt.

Stromrichterschrank
Stromrichterschrank

3.2 Hilfsbetriebe

Die Hilfsbetriebe sind in zwei Gruppen geschaltet, von denen jede aus einem 120-kV A-Hilfsbetriebeumrichter (HBU) mit Eingang 1 AC 360 V 16 2/3 Hz und Ausgang 3 AC 460 V 60 Hz versorgt wird. Der HBU ist mit dem der BR 101 funktionsgleich. Die an einem HBU angeschlossenen Motoren für Fahrmotor- und ölkühlerlüfter werden drehzahlgesteuert betrieben, und zwar gemäß der Temperatur der zu kühlenden Komponenten oder der momentanen Leistungsanforderung der Traktion. Dadurch lassen sich sowohl die Leistungsaufnahme als auch die Geräuschemissionen wirksam reduzieren. Im Fall einer Störung an einem HBU werden die daran angeschlossenen Systeme automatisch auf den jeweils anderen HBU umgeschaltet. Jeder der beiden HBU ist für die volle erforderliche Leistung der gesamten Hilfsbetriebe bemessen. Daher ist sogar noch bei 13 kV Netzspannung die volle Redundanz gegeben. An der Hilfsbetriebewicklung 200 V sind Scheibenheizung, Fußbodenheizplatten und Nischenheizung der Führerräume sowie das getaktete Batterieladegerät mit Potentialtrennung angeschlossen, das zur Ladung der 10S-Ah-Pufferbatterie für die Steuerspannung DC 110 V mit maximal 120 A dient.

Batterieladegerät
Batterieladegerät

4. Leittechnik

4.1 Struktur

Wie in unten dargestellt, sind alle Subsysteme der Leittechnik bei der BR 145 durch den redundant ausgeführten Multifunctional-Vehicle-Bus (MVB) nach IEC 305 verbunden, an den periphere Geräte wie Schütze, Schalter, Geber und Sensoren über IfO-Module der MITRAC- Familie und einen weiteren seriellen Bus angeschlossen sind. Ein Koppler verbindet beide Bussysteme. Die Kommunikation im Zugverband ist über die Zeitmultiplexe Mehrfachtraktionssteuerung (ZMS) und die UIC-Leitung möglich.


Leittechnikstruktur

  • ZBF Zugbahnfunk
  • MFA Modulares Führerstandsanzeigegerät
  • ZMS Zeitmultiplexe Mehrfachsteuerung
  • ISG Integriertes Steuergerät
  • LZB Linienzugbeeinflussung
  • MVB Multifunctional Vehicle Bus
  • HBU Hilfsbetriebeumrichter
  • DI Digitales Eingabemodul
  • DX Digitales Ein- und Ausgabemodul
  • AX Analoges Ein- und Ausgabemodul

4.2 Integriertes Steuergerät

In den beiden Integrierten Steuergeräten (ISG) sind die drei Funktionsebenen der Leittechnik, nämlich Zugsteuerebene, Fahrzeugsteuerebene und Subsystemebene jeweils redundant zusammengefasst. Die Zugleitebene liefert die Steuersignale für die ZMS und damit für den gemeinsamen Betrieb mehrerer Fahrzeuge im Zugverband. In der Fahrzeugleitebene werden die Signale für den Betrieb des eigenen Fahrzeugs gebildet und verknüpft. In der untersten Funktionsebene befinden sich die Subsystemsteuerungen, insbesondere die im ISG integrierte Antriebssteuerung. Das ISG ist aus hochintegrierten Baugruppen der Systemfamilie MITRAC in 32-bit- Technik aufgebaut und jeweils in einem Stromrichtergerüst angeordnet.

Steuergerät
Integriertes Steuergerät

4.2.1 Zug- und Fahrzeugleitebene

Die Funktionen der Zug- und Fahrzeugleittechnik werden im ISG im Zugsteuergeräteteil (ZSG) bearbeitet. Es leitet die aus den Führerstandsbefehlen oder aus den Befehlen der Mehrfachtraktionssteuerung aufbereiteten Steuerbefehle an die Subsysteme der Lokomotive weiter. Die Arbeitsweise der Subsysteme wird überwacht, um im Fehlerfall durch geeignete Eingriffe Folgeschäden zu verhindern oder durch Redundanzumschaltungen den weiteren Betrieb der Lokomotive aufrecht zu erhalten. Die einzelnen Funktionen sind in der Tabelle aufgezählt. Als Option kommt die Bedienung der Schnittstelle für ein digitales Funknetz (GSM-Box) beispielsweise zur übermittlung von Diagnosedaten über Funk hinzu.

Funktionen der Zug- und Fahrzeugleittechnik:

  • Führerraumkopplung über MITRAC-Module zur Aufnahme der Bedienungsanforderungen des Tf
  • Verwaltung des Multifuncional Vehicle Bus (MVB)
  • Überwachung der eingestellten Grenzwerte
  • Steuerung der Stromabnehmer und des Hauptschalters
  • Ansteuerung der Hilfsbetriebeumrichter
  • Fahr- und Bremssteuerung
  • Automatische Fahr- und Bremssteuerung (AFB) als Geschwindigkeitsführung der Lokomotive nach Vorgaben des Tf oder der LZB
  • Sicherheitsfahrschaltung (Sifa)
  • Zentrale Weg- und Geschwindigkeitserfassung
  • Mehrfachtraktionssteuerung und Wendezugbetrieb
  • Temperaturüberwachung der Leistungskomponenten
  • Ansteuerung der Führerstandsdisplays und der Sprachausgabe
  • Steuerung der Zugsammelschiene
  • Selbsttest
  • Serviceschnittstelle nach RS-232-Norm
  • Schnittstelle zum Zugbahnfunk nach RS-422-Norm
  • Schnittstelle zum Energiezähler nach RS-422-Norm

4.2.2 Antriebsleitebene

Aufgabe der Antriebsleitebene ist die Umsetzung der von der Fahrzeugleitebene aufbereiteten Sollwerte und Steuerbefehle in Ansteuersignale für den Stromrichter zur Erzeugung der gewünschten Drehmomente an den Motorwellen und zum Ansteuern der antriebsbezogenen Schütze und Schalter. Weitere Aufgaben sind Diagnose, überwachung und Schutz des Stromrichters. Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter in den 4QS und in dem PWR erfolgt über Lichtwellenleiter, ebenso die Rückmeldung der momentanen Schaltzustände. Die beiden 4QS eines Drehgestells sind versetzt getaktet; zusätzlich vermeidet eine spezielle aktive Antiregelung die unerwünschten Frequenzen 42 Hz und 100 Hz im Netzstrom.

Der Controllerbaustein der Wechselrichtersteuerung regelt das Drehmoment der beiden parallel gesteuerten Antriebsmotoren nach dem Verfahren der Direkten Selbstregeglung (DSR). Um das Drehmoment im Millisekundenbereich verstellen zu können, werden die elektrischen Größen der Motoren in einem Maschinenmodell nachgebildet, wodurch eine exakte Einstellung der gewünschten Sollwerte möglich wird. Um die installierten Motordrehmomente bestmöglich in verfügbare Zugkraft umwandeln zu können, ist die Antriebssteuerung mit einer hochwirksamen Kraftschlussregelung (KSR) ausgestattet. Hierdurch wird der momentan am Radaufstandspunkt vorhandene Kraftschluss bei Bedarf nahezu vollkommen ausgenutzt. Gleichzeitig verhindert die Kraftschlussregelung zuverlässig sowohl Schleudern als auch Reibschwingungen der Radsätze. Die KSR arbeitet ohne zusätzliche Sonden und Geber nur auf der Basis der in der Antriebssteuerung vorhandenen Daten.

4.3 Diagnose

Durch den weitgehenden Einsatz elektronischer Steuerungen und die Vernetzung dieser Subsysteme durch den MVB ist es möglich, im Falle einer Störung die notwendigen Informationen für die Unterstützung des Betriebes und der Instandhaltung zu bilden und zu speichern. Die Subsysteme melden ebenso wie das ISG ihre Fehler an das Terminal. Beim ISG werden die Fehler durch den Selbsttest sowie durch die integrierte Prozesskontrolle erkannt. Ein entsprechender Fehlercode wird an die Fahrzeugsteuerung übertragen und deren Grundinformation dort mit Umfelddaten ergänzt und spannungsausfallsicher gespeichert. Gleichzeitig erhält der Triebfahrzeugführer bei betriebsrelevanten Störungen einen Hinweis auf seinem Display und kann entsprechende Abhilfemaßnahmen aufrufen. Damit ist sichergestellt, dass der Fahrbetrieb auch bei Störungen ohne nennenswerte Beeinträchtigung fortgesetzt werden kann. Für den Instandhaltungsdienst besteht neben der direkten Nutzung des Führerraumdisplays die Möglichkeit, den Inhalt des Diagnosespeichers über die Serviceschnittstelle in einen handelsüblichen Personalcomputer zu übernehmen. Dort lassen sich Daten mit Hilfe eines speziellen MITRAC-Diagnose-Programms unabhängig vom Fahrzeug auswerten.

4.4 Führerraum-Farbdisplay mit Funkuhr

Auf jedem Führerpult ist ein grafikfähiges TFT-Farbmodul gut sichtbar angeordnet, das mit 640 x 480 Bildpunkten eine hohe Schärfe über einen weiten Blickwinkel bietet. Die integrierte Hintergrundbeleuchtung ist für den Fahrzeugeinsatz angepasst und lässt sich stark dimmen. Das Gerät verfügt über einen eigenen Rechner und Bildspeicher sowie 24 beleuchtete Funktionstasten, die um die Anzeigefläche herum angeordnet sind.

Führerraumdisplay
Führertischdisplay


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