U4-Triebwagen (oder kurz Baureihe U4) ist die Bezeichnung für die vierte Generation von Stadtbahnfahrzeugen in Frankfurt am Main. Die Triebwagen wurden für den Einsatz bei der U-Bahn Frankfurt entwickelt und verkehren dort seit 1994 auf der A-Strecke.
Allgemeines
Der U4-Wagen ist ein sechsachsiger Zweirichtungs-Gelenktriebwagen in Hochflurbauweise. Er wurde Anfang der 1990er Jahre von Duewag und Siemens entwickelt. Vom Grundkonzept ist er seinem Vorgänger, dem 15 Jahre älteren U3-Triebwagen, in vielen Punkten sehr ähnlich. Die Aufteilung im Innenraum sowie die Tür- und Fensteranordnung sind identisch, während die Fußbodenhöhe mit 87 cm etwas niedriger ist, weshalb die Fahrzeuge auf getrennten Strecken eingesetzt werden. Technisch und optisch ist der Wagen mit der zeitgleich von Duewag und Siemens entwickelten Straßenbahn der Baureihe R verwandt.
Geschichte
Ursprünglich war geplant, den U3-Wagen als Einheitswagen in größeren Stückzahlen für das gesamte U-Bahn-Netz zu beschaffen. Aus finanziellen Gründen wurde die 1986 neueröffnete C-Strecke, für die neue U3-Wagen vorgesehen waren, vorläufig mit den vorhandenen Pt-Triebwagen betrieben. Zahlreiche Diskussionen über die Zukunft der Stadtbahn über viele Jahre hinweg zögerten schließlich die Anschaffung weiterer U3-Wagen lange Zeit hinaus. Durch den Ausbau des Netzes und steigende Fahrgastzahlen Anfang der 1990er Jahre wurde aber klar, dass es ohne eine Erweiterung des Fuhrparks bald zum Fahrzeugmangel kommt. So beschloss die Stadt Frankfurt die Beschaffung von vorerst nur 39 neuen Triebwagen, wobei das Grundkonzept des U3-Triebwagens übernommen wurde. Die neue Baureihe wurde daher zunächst unter dem Arbeitstitel „U3-2000“ geführt, erhielt später jedoch trotzdem eine eigene Baureihenbezeichnung, weil es vor allem aus technischer Sicht erhebliche Unterschiede durch die Neukonstruktion gibt. Der Boom der Informationstechnologie wirkte sich in der Zwischenzeit stark auf die Verkehrstechnik aus, so dass selbstverständlich auch im U4-Wagen die meisten Abläufe von Mikroprozessoren gesteuert werden.
mini|links|1. Serie (li.) / 2. Serie (re.)
Die Baureihe U4 wurde in zwei Lieferserien gebaut. Die erste Serie umfasst 18 Fahrzeuge mit den Nummern 501–518 und wurde zwischen 1994 und Herbst 1995 geliefert. Es gab eine zweite, 21 Fahrzeuge umfassende Lieferserie. Von der ersten Serie unterscheiden sich die neuen Wagen mit den Nummern 519–539 äußerlich lediglich durch ihre silberfarbenen Umrandungen an den Frontscheinwerfern. Technisch sind beide Serien voll kompatibel miteinander einsetzbar. Mit der Auslieferung des letzten Wagens am 7. August 1998 war der Fuhrpark der Baureihe U4 komplett.Trampage Frankfurt: Archiv 1998 (Stand: 19. Februar 2008).
Eine weitere Serie des U4-Wagens gibt es nicht. Stattdessen wurde als Nachfolger der U5-Triebwagen von Bombardier entwickelt. Damit ist die Baureihe U4 nach jahrelanger Kooperation der Stadtwerke Frankfurt mit Duewag und Siemens das bislang letzte Fahrzeug der Frankfurter U-Bahn, das dort in Auftrag gegeben wurde. Der U5-Wagen wird in sehr großen Stückzahlen seit Sommer 2008 geliefert und ist mit dem U4-Wagen kompatibel, so dass Triebwagen beider Baureihen gemeinsam im Zugverband verkehren können. Die Zulassung für gemischte Zugverbände durch die Technische Aufsichtsbehörde (TAB) erfolgte im Juni 2014.Mitteilung der VGF auf ihrer Facebook-Seite.
Mittlerweile werden beide Baureihen nicht mehr im gemeinsamen Zugverband eingesetzt.
Konstruktion und Technik
Als Zweirichtungsfahrzeug verfügt die Baureihe U4 beidseitig über vollständig ausgerüstete Führerstände. Das Fahrzeug besteht aus zwei Wagenkästen, die A-Teil und B-Teil genannt werden und bis auf wenige Ausnahmen identisch sind. Die beiden Wagenkästen stützen sich auf insgesamt drei zweiachsigen Drehgestelle. Nach dem Jakobs-Prinzip lagern beide Teile gemeinsam auf dem mittleren Drehgestell und sind dort über ein Gelenk, das den Übergang zwischen ihnen ermöglicht, miteinander verbunden. Aufgrund der komplett ebenerdigen Hochflurbauweise konnten die äußeren Drehgestelle wie beim U3-Wagen beliebig angeordnet werden, weil an den Türen keine Stufen vorhanden sind. Durch die Drehgestellanordnung sind die Fahreigenschaften besser als beispielsweise beim U2-Wagen. Aber auch die Einstiege konnten unabhängig vom Unterbau positioniert werden, so sind sie gleichmäßig über den Wagen verteilt. Der Wagen verfügt über insgesamt acht doppelflügelige Schwenkschiebetüren, davon vier in jedem Wagenteil und dort je zwei pro Wagenseite. Die Einstiege sind so angeordnet, dass es an jedem Türflügel genau eine Sitzgruppe gibt, womit der Fahrgastfluss optimal ist.
Im Zugbetrieb lassen sich Mehrfachtraktionen von bis zu vier Triebwagen bilden, die dann eine Gesamtlänge von bis zu knapp über 100 m haben.
Elektrische Ausrüstung mini|links|Achse mit Fahrmotor Der Antrieb der Baureihe U4 erfolgt über insgesamt vier 130 kW starke Fahrmotoren. Angetrieben werden nur die Achsen der äußeren beiden Drehgestelle, das mittlere ist ein Laufdrehgestell. Die äußeren Triebdrehgestelle verfügen über je zwei Motoren, von denen jeder eine eigene Achse antreibt. Bei den Motoren handelt es sich um eigenbelüftete Drehstrom-Asynchronmaschinen des Typs BASu 4858/6 von AEG.
Das Bremssystem besteht aus einer kombinierten Nutzbremse und Widerstandsbremse, wobei die Funktion der Nutzbremse primär verwendet wird. Sie arbeitet als elektromotorische Bremse, welche die beim Abbremsen gewonnene Energie in die Fahrleitung zurückspeist. Zur Schonung der Motoren, Stromrichter und Triebdrehgestelle wird das Laufdrehgestell ebenfalls mitgebremst.
Beide Fahrzeugteile haben eine eigene Stromrichtereinheit, die die Fahrmotoren des Triebdrehgestells speist. GTO-Pulswechselrichter (PWR) wandeln den Gleichstrom der Fahrleitung für die Motoren in Drehstrom um. Die Stromrichtereinheit enthält neben dem PWR noch einen Zwischenkreiskondensator, ein Bremswiderstand sowie eine Netzdrossel und befindet sich in einer am Boden des Wagenkastens befestigten Wanne (jeweils unter den mittleren beiden Sitzgruppen/Fenstern).
Die Stromrichter erzeugen beim Anfahren und Bremsen das für den U4-Wagen typische Geräusch – ein sehr auffälliges Summen. Ein ähnliches, jedoch weniger intensives Geräusch der ersten Serie der Baureihe 423 (neuere Serien seit 2003 im Einsatz bei der S-Bahn) wird ebenfalls durch eine Drehstromtechnik bzw. die GTO-Thyristoren verursacht. Vorteil dieser Antriebsart ist eine stufenlose Steuerung gegenüber der klassischen Fahrstufen-Steuerung. Neuere Fahrzeuge arbeiten mit IGBTs und höheren Frequenzen, was die subjektive Lautstärke senkt.
Der U4-Wagen bezieht seine Energie über einen Einholm-Stromabnehmer auf dem Fahrzeugdach des A-Teils. Der Stromabnehmer ist am Gelenk nahe dem Drehpunkt des Laufdrehgestells positioniert. Der Hauptschalter des Triebwagens ist in einem Kasten unmittelbar neben dem Stromabnehmer (über der vom Führerstand A aus gesehen zweiten Tür). Jeweils ein Heizgerät befindet sich direkt neben dem Hauptschalterkasten und an gleicher Stelle auch auf dem Dach des B-Teils. Die Heizung ist abhängig vom Fahrspiel getaktet und hat daher einen geringen Energieverbrauch.
Systemtechnik
Die Steuerungselektronik und Leittechnik der Baureihe U4 basiert auf SIBAS 16SIBAS: SIEMENS Bahn Automatisierungs System., einem Mikroprozessorsystem für Schienenfahrzeuge. Das SIBAS-System ist modular aus verschiedenen Steuergeräten aufgebaut. Diese kommunizieren auf Basis einer strengen BUS-Architektur miteinander, welche den Verdrahtungsaufwand gegenüber älteren Baureihen erheblich verringert hat. Die Busse, über die die einzelnen Geräte verbunden sind, lassen sich grob in zwei Gruppen aufteilen:
Ein Fahrzeugbus (oder Wagenbus) übernimmt interne Kommunikations- und Steuerungsaufgaben eines Triebwagens. Ein Zugbus stellt die Verbindung aller miteinander gekuppelten Triebwagen im Zugverband her.
mitte|600px|Prinzipschaltbild der Leittechnik
Kernstück der Steuerung ist das zentrale Steuergerät (ZSG), das sich im Fahrerraum des A-Teils befindet. Neben übergeordneten Steuerungsfunktionen hat es noch weitere Aufgaben, zu denen beispielsweise das Bus-Management sowie Diagnose- und Überwachungsfunktionen gehören. Im Zugbetrieb erfolgt über den Zugbus die Kommunikation mit den ZSGs anderer Fahrzeuge. Diese sind dem ZSG des führenden Wagens, welches die Master-Funktion übernimmt, untergeordnet. In den Führerständen befinden sich Displays zur Anzeige von Betriebszuständen und Störungsmeldungen des ZSG.
Der Fahrzeugbus stellt die wageninterne Verbindung vom ZSG zu den beiden Antriebssteuergeräten (ASG) her. Pro Wagenteil gibt es ein ASG, das jeweils eine Stromrichtereinheit steuert, der wiederum jeweils zwei der insgesamt vier Fahrmotoren zugeordnet sind. Die ASG sind unter einer Sitzbank unmittelbar über den Stromrichtern eingebaut, wodurch der Leitungsweg und Anfälligkeit für elektromagnetischen Störungen minimiert werden.
Außerdem gibt es eine Reihe von sogenannten KLIP-StationenKLIP: Klemme für intelligente Peripherieanbindung., die dezentrale Schnittstellen zur Eingabe und Ausgabe von digitalen und analogen Signalen bieten. Sie sind über den Steuerbus, einem fahrzeuginternen Wagenbus, mit dem ZSG verbunden. An diesen KLIP-Stationen sind einzelne Peripheriegeräte angeschlossen, wozu unter anderem die Heizungs-, Lüftungs-, Beleuchtungs- und Türsteuerung (Ausgabe) sowie die Bedienelemente im Fahrerraum (Eingabe) zählen. Sie bieten auch die Option zum Anschluss einer Klimaanlage, deren Einbau beim U4-Wagen aus statischen Gründen nur für die Fahrerkabinen erfolgt.
Integriertes Bordinformationssystem
mini|Zugzielanzeige
Die Baureihe U4 wurde erstmals mit einem Integrierten Bordinformationssystem (IBIS) ausgeliefert. In einigen älteren Fahrzeugen wurde dieses System später nachgerüstet. Zum IBIS gehört neben Fahrgastsprechstellen zum Fahrer und dem Funkgerät, das die Verbindung zur Betriebsleitstelle herstellt, auch ein Fahrgastinformationssystem (FIS). Der U4-Wagen besitzt als erstes Stadtbahnfahrzeug in Frankfurt ein digitales Fahrgastinformationssystem, das aus je einer Zugzielanzeige an den Wagenköpfen sowie einem Haltestellenanzeige- und -ansagesystem im Fahrgastraum besteht.
Wie die SIBAS-Leittechnik ist auch das Bordinformationssystem streng BUS-orientiert aufgebaut und verfügt ebenfalls über einen eigenen Zugbus und Fahrzeugbus. Den Kern bildet hier die IBIS-Zentrale, die sich im B-Teil des Fahrzeugs befindet und an beide Busse angebunden ist. Der Zugbus sorgt ausschließlich für die Kommunikation mit den IBIS-Zentralen anderer Wagen im Zugbetrieb, während der Fahrzeugbus die einzelnen IBIS-Komponenten und Bediengeräte in den Führerständen mit der Zentrale verbindet. Über den IBIS-Fahrzeugbus besteht auch eine Verbindung zwischen der IBIS-Zentrale und dem zentralen SIBAS-Steuergerät (ZSG).
Innenausstattung
mini|Innenraum
Die Aufteilung des Innenraums ist vom U3-Wagen übernommen worden, da sie sich dort sehr gut bewährt hat. Die Sitzplätze sind in Gruppen von je vier Plätzen angeordnet – zwei Plätze je Bank und zwei gegenüberliegende Bänke je Gruppe. Um Vandalismus vorzubeugen, werden statt Polstersitzen Hartschalensitze verwendet, die mit einem blau-grün gemusterten Stoff bezogen sind. Hinter jedem Seitenfenster verbirgt sich eine Sitzgruppe. Insgesamt ergibt sich damit eine Anzahl von 16 Vierer-Sitzgruppen mit theoretisch 64 Plätzen. Der Wagen hat jedoch nur 59 gewöhnliche Sitzplätze, da es zwischen dem Gelenk und der benachbarten Tür im B-Teil einen kleinen Mehrzweckbereich gibt, in dem die Plätze einer Sitzgruppe als Klappsitze ausgeführt sind. Zusätzlich fehlt in der gegenüberliegenden Sitzgruppe ein Sitzplatz. Dieser Freiraum ist als Platz für Rollstühle oder Kinderwagen vorgesehen. Im Rahmen des Redesigns werden analog zum U5-Triebwagen die Haltestangen gelb und die Türbereiche orange lackiert.
mini|links|Innenanzeige des FIS