E-Busse bringen mehr Tonnage auf die Waage
Binnen acht Jahren hat die 12-Mio.-Metropole Shenzhen ihre 16000 Stadtbusse elektrifiziert. Ingenieure stehen mit der Fahrwerks-Federung vor zusätzlichen Herausforderungen: Die E-Busse sind durch die Batterien um bis zu 3 t schwerer. Schritt um Schritt gilt es nun wieder, das Gewicht zu verringern.
Eine Komponente, die für eine ruhige und sichere Fahrt in Bussen verantwortlich ist, sind die Luftfedern. Seit Jahrzehnten ersetzen Hersteller die traditionellen Stahlblattfedern durch die modernen Versionen aus Gummi und Luft, um Achsen, Kabinen und Fahrersitze zu federn. Der Grund ist einfach: Neben ihrer Robustheit bei extremen Temperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit können sich Luftfedern der jeweiligen Belastung anpassen und dabei ihre Eigenfrequenz konstant halten. Übertragen auf die Welt der Stadtbusse bedeutet dies, dass Komfort und Sicherheit gleichbleiben, egal ob ein Bus in der Rushhour voll ausgelastet ist oder spätabends nur wenige Fahrgäste befördert. Die meisten Busse, die heute auf der ganzen Welt unterwegs sind, sind mit adaptiven Luftfedern ausgestattet – sowohl jene mit Verbrennungsmotoren als auch die mit Elektroantrieb.
Fotos: Continental
Nun ist ein Elektrobus in der Regel schwerer als seine dieselbetriebenen Vorgängermodelle. Die jeweils bis zu 450 kg schweren Batterien bedeuten bis zu drei Tonnen und mehr Zusatzgewicht – je nach Grösse, Reichweite und anderen Parametern. Der zweite Faktor ist die Position der Akkus: Im Gegensatz zu Elektro-Pkw, bei denen die Elektrobatterie meist unter der Fahrgastzelle positioniert sind, werden sie bei Bussen aus praktischen Gründen auf dem Dach montiert. Denn je weniger Komponenten des Antriebsstrangs sich unter der Fahrgastkabine befinden, einschliesslich der Akku-Packs, desto tiefer kann der Boden positioniert werden, was eine höhere Barrierefreiheit ohne Zwischenräume oder Stufen ermöglicht. Zweitens bietet der vergrösserte Raum den Herstellern mehr Flexibilität bei der Innenraumgestaltung, zum Beispiel durch den Einbau grösserer Fenster. Und drittens erleichtert die Position oben im Bus das Temperaturmanagement durch die Ableitung der von den Akkus erzeugten Wärme – ein wichtiger Faktor, da Elektrobatterien zwischen 20° und 40° Celsius am effizientesten arbeiten.
Die Position auf dem Busdach bringt aber auch weitere Herausforderungen für die Stabilität und Statik des Busses mit sich. Das zusätzliche Gewicht auf dem Dach hebt den Gesamtschwerpunkt des Busses an, was dann zu einem Anstieg der Kräfte bei Roll- und Nickbewegungen führt. Achsluftfedern müssen diese grösseren Kräfte abfangen, damit ein Bus in einer Kurve oder beim Bremsen fahrstabil bleibt. Und um diese schwere Arbeit leisten zu können, müssen Luftfedern für Elektrobusse und andere Nutzfahrzeuge grösser sein: Jeder Millimeter mehr im Durchmesser der Luftfedern erhöht ihre Steifigkeit, um den Kräften standzuhalten, die durch die Gewichtspositionierung in einem E-Bus entstehen.
Auf dem Teststand.
Grösser bedeutet aber auch, dass die Luftfedern mehr Platz benötigen – das ist eine weitere Herausforderung für die Ingenieure. Vor allem, wenn sich die Hersteller bei ihren Elektrofahrzeugen für das Konzept des Radnabenmotors entschieden haben, ist der Platz um die Räder herum begrenzt. Hier müssen die Luftfedern mit Bremsen, Lenkung und anderen Komponenten konkurrieren. Die Erfahrung und das Fachwissen erfahrener Ingenieure – sowohl in der Technologie als auch in der Materialentwicklung – sind der Schlüssel, um jedem einzelnen Hersteller massgeschneiderte Lösungen für seine spezifischen Anforderungen zu bieten.
Bei der Entwicklung von Luftfedern spielt die Materialkompetenz eine grosse Rolle. Die Membran der Gummibälge besteht in der Regel aus einer Hochleistungsmischung auf Basis von natürlichem oder synthetischem Kautschuk und einem zweilagigen synthetischen Gewebe, das die Membran sowohl flexibel als auch verschleissfest macht – auch in rauer Umgebung mit hoher Ozonkonzentration und extremen Temperaturen.
Continental entwickelte eine Leichtbauluftfeder mit integriertem innovativem Abrollkolben aus glasfaserverstärktem Polyamid statt aus Stahl oder Aluminium. Technische Thermoplaste bieten eine grosse Designfreiheit und die Möglichkeit zur individuellen, komfortorientierten Gestaltung. Die Leichtbau-Luftfedern für den Einsatz in Stadt- und Reisebussen bringen je nach Achstyp des Busses eine Gewichtseinsparung von bis zu drei Kilogramm pro Luftfedermodul.
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