Druckluftfreie Bremssysteme für Schienenfahrzeuge

Bild: Magnific

Seit mehr als einem Jahrhundert setzen Züge beim Bremsen auf Druckluft. Herkömmliche pneumatische Bremssysteme arbeiten mit komplexen Netzwerken aus Kompressoren, schweren Druckluftbehältern und Metallleitungen, die unter den einzelnen Wagen verlaufen. Moderne druckluftfreie Bremssysteme, häufig als Brake-by-Wire bezeichnet, ersetzen diese aufwendige pneumatische Ausrüstung durch digitale Elektronik. Anstatt Druckluft durch Leitungen zu fördern, um die Bremsbeläge gegen die Bremsscheiben oder Räder zu pressen, übertragen elektronische Steuergeräte die Bremssignale unmittelbar an kompakte, elektrisch angesteuerte Aktuatoren an den Rädern. Dieser Technologiewechsel kann das Fahrzeuggewicht um mehrere Hundert Kilogramm reduzieren, verhindert Druckluftleckagen und Probleme durch gefrierende Feuchtigkeit bei niedrigen Temperaturen und ermöglicht deutlich schnellere, gleichmäßigere und energieeffizientere Bremsvorgänge.

Aktuelle Technologielandschaft und Marktsituation
Herkömmliche pneumatische Bremssysteme benötigen erhebliche Energiemengen, um Druckluft zu erzeugen und aufzubereiten. Hinzu kommen mögliche Beeinträchtigungen durch Kondenswasserbildung, alternde Dichtungen und thermische Verluste. Druckluftfreie Bremssysteme ersetzen diese Infrastruktur durch digitale Aktuatoren, die direkt über das elektrische Bordnetz des Zuges versorgt werden. Laut Dokumentation von Siemens Mobility lässt sich das Gewicht der Bremsausrüstung um 25 bis 40 % reduzieren. Gleichzeitig sinkt der Platzbedarf im Unterflurbereich, während sich der CO₂-Fußabdruck über den gesamten Lebenszyklus um mehr als 50 % verringert. Die Ansteuerung der Aktuatoren erfolgt über hochzuverlässige CAN-Bus-Architekturen. Dadurch kann sich die Aufrüstzeit eines vollständig abgeschalteten Zuges von mehr als 20 Minuten auf weniger als vier Minuten verkürzen.

Zentrale technische Herausforderungen
Die größte technische Herausforderung besteht darin, auch ohne die Redundanz pneumatischer Druckluftbehälter eine ausfallsichere Bremsfunktion zu gewährleisten. Herkömmliche ausfallsichere Bremssysteme nutzen unter anderem Federspeicherbremsen, die durch Druckluft gelöst werden. Fällt der Druck in der Bremsleitung ab, wird die Bremse automatisch angelegt. Rein elektrische und elektrohydraulische Systeme müssen vergleichbare Sicherheitsanforderungen bis zum Safety Integrity Level 4 (SIL 4) erfüllen. Dazu kommen redundante Stromversorgungen, dezentrale Energiespeicher zur Notversorgung und mechanische Verriegelungen zum Einsatz, die eine sichere Bremswirkung auch bei einem Energieausfall gewährleisten. Darüber hinaus erfordert die Umstellung von Werkstätten und Instandhaltungsbetrieben, die bislang auf pneumatische Ventiltechnik ausgerichtet sind, eine umfassende Weiterbildung des technischen Personals.

Technologievergleich: Bestehende Lösungen
Knorr-Bremse setzt auf ein vollständig trocken arbeitendes, digital-elektromechanisches Bremssystem (EMB). Die Konstruktion basiert auf bürstenlosen Elektromotoren und mechanischen Planetenrollengewindetrieben. Da das System vollständig ohne hydraulische oder pneumatische Medien auskommt, kann es die erforderliche Zuspannkraft innerhalb weniger Millisekunden aufbauen.

Siemens Mobility hat gemeinsam mit Liebherr Transportation ein druckluftfreies Bremssystem (Air-Free Brake) entwickelt, das mit dezentralen, geschlossenen elektrohydraulischen Bremsaktuatoren arbeitet. Bei dieser hybriden Architektur befindet sich die unter hohem Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in einem hermetisch abgeschlossenen Kreislauf innerhalb des jeweiligen Aktuators. Eine integrierte elektrische Pumpe erzeugt den erforderlichen Hydraulikdruck, sodass externe Hydraulikleitungen entfallen.

Liebherr Transportation übernimmt dabei die Rolle des Spezialisten für hochpräzise Aktuatorik. Das Unternehmen liefert kompakte, hermetisch geschlossene elektrohydraulische Bremseinheiten, die sich innerhalb der üblichen Bauräume von Drehgestellen unterbringen lassen. Die Aktuatoren sind für betriebsübliche Schwingungsbelastungen von bis zu 50 m/s² ausgelegt und hinsichtlich ihrer mechanischen Schnittstellen vollständig mit den Einbauräumen herkömmlicher Bremszangen kompatibel.



KI-generiertes Bild

Praktischer Einsatz im Schienenverkehr
Die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen, wie die Technologien bereits im Fahrgastbetrieb eingesetzt beziehungsweise unter realen Betriebsbedingungen erprobt werden:

Siemens Mobility und Liebherr haben ihre gemeinsam entwickelten druckluftfreien Bremsaktuatoren in den X-Wagen der Wiener Linien für die Wiener U-Bahn eingeführt. Die Fahrzeuge werden erfolgreich im fahrerlosen Fahrgastbetrieb eingesetzt und benötigen für ihre Bremssysteme keine Druckluftversorgung.

Knorr-Bremse hat sein digital-elektromechanisches Bremssystem in Personenzügen von Trenitalia sowie im Rahmen des europäischen Forschungs- und Innovationsprogramms Europe’s Rail Joint Undertaking erprobt. Dabei wurden unter anderem die Leistungsfähigkeit der trocken arbeitenden Reibungsbremsen und die Gleitschutzregelung bei unterschiedlichen Kraftschlussverhältnissen zwischen Rad und Schiene untersucht.

Fazit und strategischer Ausblick
Brake-by-Wire-Systeme verändern die Architektur moderner Schienenfahrzeuge grundlegend. Durch den Wegfall pneumatischer Infrastruktur lassen sich Gewicht und insbesondere ungefederte Massen reduzieren sowie die Gleitschutzregelung verbessern. Während Siemens Mobility und Liebherr den praktischen Einsatz hermetisch geschlossener elektrohydraulischer Bremssysteme im Fahrgastbetrieb bereits demonstriert haben, treibt Knorr-Bremse die Weiterentwicklung rein elektromechanischer Bremsaktuatoren voran. Ziel ist es, diese Technologie langfristig als Standardlösung für große Schienenfahrzeugflotten im weltweiten Personenverkehr zu etablieren.