Wagenkasten

In den Anfangsjahren der Eisenbahn wurden Eisenbahnwagen vollständig aus Holz gefertigt. Diese Bauweise wird Holzbauweise genannt.[2] In den 1850er Jahren ging man in England dazu über, das Untergestell aus Eisen herzustellen, da aufgrund der höheren Geschwindigkeiten die Belastungen größer wurden.[3] Die Steifigkeit des Rahmens wurde durch ein Sprengwerk erhöht. Die zwischenzeitlichen Weiterentwicklungen der Eisenwalztechnik machten dies möglich. Zum Fügen der Einzelteile wurden hauptsächlich Kaltfügeverfahren, wie Nieten verwendet. Für den Aufbau wurde mehrheitlich jedoch weiterhin Holz als Werkstoff verwendet, da dieser einfach zu bearbeiten und verfügbar war.[3][4]

Diese Mischbauweise wurde bis Anfang des 20. Jahrhunderts verwendet, bis um 1900 in Amerika die ersten vollständig aus Stahl gefertigten Wagen, sogenannte Ganzstahlwagen, beschafft wurden.[3][4] Hintergrund dieser Entwicklung war die Gefährdung der Fahrgäste durch den Holzaufbau bei Unfällen durch Holzsplitter und Feuer. Außerdem trat in diesem Zeitraum Mangel an geeigneten Holz auf. An den verwendeten Kaltfügetechniken änderte sich nichts.[4]

Die Ganzstahl-Wagenkästen waren aufgrund der verwendeten Kaltfügetechniken relativ schwer. Ab den 1920er Jahren standen geeignete Schweißverfahren zur Verfügung, die zunächst zum Bau von Güterwagen eingesetzt wurden. Die Bauweise aus geschweißten Innengerippe und einer dünnblechigen Beplankung bildet die klassische Differentialbauweise.

Durch diese viel leichtere Stahlbauweise kam auch der Begriff Leichtstahlwagen zustande.[5] Der von der SWS entwickelte Leichtstahlwagen-Prototyp für die SBB – der 1935 fertiggestellt war – wog nur noch 25 Tonnen (Serienausführung 29–30 Tonnen), während ein ähnlicher Wagen mit Rahmen und Stahlkasten in der herkömmlichen Bauweise in der Regel um die 40 Tonnen wog. Die selbsttragende Bauweise setzt eine gute Schweißtechnik voraus und konnte sich erst nach dem Zweiten Weltkrieg flächendeckend durchsetzen. Auch Wagen mit hölzernem Aufbau erhielten in den 1950er Jahren mittels Differentialbauweise einen neuen Wagenkasten, wodurch die Umbau-Wagen der Deutschen Bundesbahn sowie die Spantenwagen der Österreichischen Bundesbahnen entstanden.

Als in den 1960er Jahren die ersten großen Strangpressprofile hergestellt werden konnte, die bis in den 1980er und 1990er Jahren immer größere Abmessungen erreichten, wurde die sogenannte Integralbauweise entwickelt. Seit den 1980er Jahren löste die Aluminium-Integralbauweise beim Bau von Schienenfahrzeugen für den Personenverkehr die Differentialbauweise und vor allem den Werkstoff Stahl weitgehend ab.[3] Beim ICE 4 wurde hingegen wieder auf eine Stahl-Differentialbauweise gesetzt, um eine einfachere und schnellere Unfallinstandsetzung zu erreichen und somit die Verfügbarkeit zu erhöhen.[6]

Sie ist die älteste Bauweise. Hierbei wird zuerst ein massiver Rahmen (auch Untergestell genannt) angefertigt, der alle Zug- und Stoßkräfte aufnimmt, und an dem auch das Laufwerk und auch die Zug- und Stoßvorrichtung befestigt werden. Der Rahmen muss entsprechend massiv sein und ist in der Regel aus genieteten oder geschweißten Stahlträgern gefertigt. Ganz in der Frühzeit der Eisenbahn wurden bei Wagen für den Rahmen auch Harthölzer und Gusseisen verwendet, die sich aber beide nicht bewährten. Auf diesen Rahmen wird der eigentliche Wagenkasten gesetzt. Dieser kann viel leichter ausgeführt sein als der stabile Rahmen, da der Aufbau nur sich selbst zusammenhalten muss. Diese leichte Bauweise hatte allerdings bei Unfällen regelmäßig dazu geführt, dass der hölzerne Wagenkasten vom Untergestell abgetrennt und regelrecht zertrümmert wurde. In der Folge fing man an, auch den Wagenkasten aus Stahl zu fertigen, was zwar den Wagen als Ganzes stabiler machte, aber auch viel schwerer.

Die Rahmenbauweise ist auch heute noch bei Güterwagen üblich.

Unter selbsttragender Bauweise versteht man die Verwendung eines Wagenkastens, der keinen Rahmen/Untergestell besitzt; der Wagenkasten kann die Zug- und Stoßkräfte aufnehmen. Er ist dabei in der Regel wie eine Vierkant-Röhre aufgebaut, in die seitlich Öffnungen in Form von Türen und Fensterbändern eingebracht werden.

Heute sind selbsttragende Kästen die Regel, dabei wird zwischen drei unterschiedlichen Bauweisen unterschieden:

Blick in das Innere des Wagenkastens eines SBB-Leichtstahlwagens aus der Rohbauphase, 1937

Bei der Differential-[7] oder Rohkastenbauweise[8] wird zunächst ein tragendes Stahl- oder Aluminiumskelett erstellt, auf das anschließend Bleche zur Beplankung angebracht werden. Die Differentialbauweise ist das einfachste und kostengünstigste Verfahren zur Erstellung eines Wagenkastens. Dies hat folgende Gründe:

• Es können auf Elementebene standardisierte Metall-Halbzeug (z. B. Bleche) verwendet werden.
• Die Werkzeugkosten für die Fertigung sind gering, u. a. deswegen weil einfache Fertigungstechnologien verwendet werden.
• Instandsetzungen sind einfach möglich. So können die nach einem Unfall verbeulten Außenbleche ausgetauscht werden. Die dazu notwendigen Schrauben sind entweder durch Leisten verdeckt oder außerhalb des eigentlichen Sichtbereichs angeordnet.[8]

Nachteilig wirkt sich die hohe Anzahl von Einzelteilen auf den Fertigungsaufwand aus. Aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißen können Bauteile einen Verzug aufweisen und müssen daher im Anschluss nachgearbeitet (Richten, Spachteln, Schleifen) werden.

Heute wird die Differentialbauweise im Bereich der Vollbahnen bei der Herstellung von Wagenkästen für Lokomotiven, Kleinserien und für besondere Konstruktionen verwendet; bei Straßenbahnwagen hingegen ist sie noch immer weit verbreitet, um nach etwaigen Unfällen mit Straßenfahrzeugen eine einfachere und kostengünstige Reparatur gewährleisten zu können.[7] Die Differentialbauweise mit einem Stahlskelett erlaubt dünnwandigere Wagenkästen als die Integralbauweise mit Aluminium, was insbesondere bei Fahrzeugen mit schmaler Fahrzeugbegrenzungslinie von Bedeutung ist.[9]

Die ICE 3 weisen Wagenkästen in Integralbauweise auf; die stromlinienförmigen Köpfe sind in Differentialbauweise ausgeführt

Bei der Integralbauweise werden Strangpressprofile eingesetzt, die sich über die gesamte Länge des Wagenkastens erstrecken und Breiten von etwa einem halben Meter aufweisen. Die einzelnen Profile werden mithilfe von Längsschweißungen untereinander verbunden. Vor dem Zusammensetzen werden bei Wagenkästen Aussparungen für die Fenster, Türen, Durchbrüche, Lüftungsgitter etc. mittels Fräsmaschine erstellt. Nach dem Zusammenschweißen werden diese erneut mittels Fräsmaschine auf ihr Nennmaß aufgeweitet. Die Unterseite wird ebenfalls aus Strangpressprofilen hergestellt, sodass ein selbsttragender Wagenkasten entsteht. An der Unterseite werden Nuten erstellt, um den Wagenkasten auf die Drehgestelle aufsetzen und Bauteile wie Transformatoren oder Fahrmotoren im Unterboden anbringen zu können. Die Steifigkeit des Wagenkastens wird bei der Integralbauweise durch die Struktur der Strangpressprofile erreicht, sodass keine zusätzlichen tragenden Elemente notwendig sind und eine Leichtbauweise ermöglicht wird.[7]

Vorteile der Integralbauweise sind:

• Gegenüber der Differentialbauweise ist der Fertigungsaufwand geringer.
• Die Fertigung ist weitgehend automatisierbar.
• Durch individuelle Gestaltung der Strangpressprofile ist ein komplexes Außendesign möglich.

Dem gegenüber stehen folgende Nachteile:[3]

• Strangpressprofile können nur aus Aluminium gefertigt werden und sind daher mit hohen Material- und Werkzeugkosten verbunden.
• Die Fertigung großer Strangpressprofile mit komplexen Geometrien ist anspruchsvoll.
• Der Querschnitt des Strangpressprofils ist über die Länge durchgehend, wodurch keine Steifigkeitsänderungen und daher kaum weiteres Leichtbaupotenzial möglich sind.
• Die Festigkeit von Aluminium-Schweißverbindungen ist gegenüber dem ungestörten Werkstoff in der Regel deutlich geringer.
• Die Instandsetzung nach Unfällen ist mit einem hohen Aufwand verbunden.

Die Integralbauweise wird heute meist bei Trieb- und Reisezugwagen zur Erstellung von Wagenkästen eingesetzt. Wirtschaftlich wird die Integralbauweise vor allem bei großen Serien, wodurch sich der hohe Aufwand für die Entwicklung und Fertigung der Strangpressprofile amortisiert.[3]

Der von Hyundai Rotem hergestellte Tilting Train Express verfügt über Wagenkästen in Hybridbauweise

Die Verbundbauweise ähnelt der Differentialbauweise: Auf ein tragendes Gerüst aus metallischen Werkstoffen werden nichttragende Verkleidungen angebracht; diese bestehen jedoch im Gegensatz zur Differentialbauweise aus nichtmetallischen Werkstoffen.[7] Ebenfalls der Verbundbauweise zugeordnet werden kann die Hybridbauweise; auf ein Stahlgerippe werden Beplankungen angebracht, die aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Im Zuge von Leichtbaubestrebungen wird diese Bauweise als vielversprechend angesehen. So konzipierte beispielsweise das DLR mit dem Next Generation Train einen Zug mit einer wabenförmigen Wagenkastenstruktur, die an jedem Wagenende durch unter Kollisionseinwirkung deformierbare Bereiche ergänzt wird.[10][11]