Gehäuse für die Bahntechnik Robust selbst in der Wüste

Bei der Verkehrstechnik kommt allen Elementen im Einsatz eine wichtige Rolle zu. Das bezieht natürlich auch die Gehäusetechnik mit ein, die die Steuerungselektronik beherbergt. Genau für diesen Einsatzbereich benötigte ein Anbieter von Antriebs- und Steuerungsausrüstung für Schienenfahrzeuge eine Systemplattform für sein Wayside Train Monitoring System (WTMS). Bei der Umsetzung wandte er sich an den Entwicklungsdienstleister Heitec.

Das WTMS enthält die Signalsteuerungselektronik für eine zentrale Recheneinheit, die entweder in Hütten in Schienennähe oder im Signalraum einer Station montiert wird. Die Aufgabe der Geräteelektronik ist es, die Signale und Lampen entlang der Strecke abzutasten und deren Status zu analysieren. Basierend auf dieser Auswertung schickt die Elektronik ein Protokoll, auch Telegramm genannt, an bestimmte Balisen im Schienenbett. Das können etwa der Zustand der Lampensignale, der Abstand zur nächsten Balise oder Informationen sein, die den Bremsweg des Zuges beeinflussen können – zum Beispiel das Gefälle der Strecke. Die Balise im Gleis fungiert als Informationspunkt, der diese Daten speichert und sie wie ein Transponder an den Computer des sich nähernden Zuges überträgt. Dieser Rechner wird vom Zugführer überwacht. Er kann anhand dieser Informationen die Fahrt des Zuges anpassen.

Australische Wüste fordert das Gehäuse

Aus dem Streckenumfeld ergeben sich die Anforderungen an das Gehäuse. Zum Beispiel muss ein sehr guter Schutz vor Umgebungsbedingungen garantiert sein. Das Gehäuse muss Feuchtigkeit und Staub abhalten und vor hohen Temperaturen und Vibrationen schützen. Darüber hinaus kommt dieses System in der australischen Wüste zum Einsatz. Dort schwanken die Umgebungsbedingungen sehr stark und es kommt zu erheblichen Temperaturunterschieden.

Bei den heftigen Bewegungen um die drei Raumachsen im Bahneinsatz kommt es zu starken Vibrations-, Rüttel- und Stoßbelastungen, bei denen die Gehäusetechnik die eingebaute Elek-
tronik und Elektrik optimal schützen muss. Sicherheit hat höchste Priorität und die in den Normen geforderten Vorgaben für Elektronik und ihre Verpackung sind ebenfalls hoch. Während bei stationären Anwendungen oft eine moderate Stabilität genügt, müssen bei Baugruppenträgern für mobile Anwendungen verschiedene Verstärkungsaspekte berücksichtigt werden, um eine hohe Festigkeit und damit hohe Stabilität zu gewährleisten. Deshalb gibt es zusätzlich zu den internationalen Normen in Bezug auf Stoß und Vibration, mechanische Stabilität und elektromagnetische Verträglichkeit auch spezifische Bahn-Normen, um diesen besonderen Anforderungen Genüge zu tun.

20 Jahre lang, 24 Stunden am Tag

Die EN 50155 ist die im europäischen Raum am häufigsten angewendete Bahnnorm. Sie bestimmt die Bedingungen zwischen Betriebsmittel und ihren Umgebungen, Parameter für die Berechnung von Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit und Sicherheit (RAMS) sowie die Lebensdauer unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen. Zum Beispiel muss eine Funktionsfähigkeit von 24 Stunden am Tag über 20 Jahre oder entsprechend rund 175.000 Stunden sichergestellt werden.

Für Stoß und Vibration werden in der Norm die Testmethoden und Grenzwerte beschrieben, die in der EN 61373 näher definiert sind. Diese Grenzwerte können je nach Einbauort und Belastungsrichtung bis zur 100-fachen Erdbeschleunigung reichen. Die EN 50155 definiert zudem einen Bereich der Umgebungstemperatur, der in der härtesten Klasse von -40 bis 85 °C reicht und somit auch Extremtemperaturen abbildet.

Weiterhin gibt sie geforderte Feuchtewerte vor, die mit bis zu 95 Prozent relativer Feuchte so anspruchsvoll sind, dass in den meisten Fällen wasserdichte Gehäuse oder schutzlackierte Baugruppen zum Einsatz kommen müssen. In der Umweltnorm IEC 61587 werden ebenfalls Belastungswerte und Sicherheitsaspekte für starke statische und dynamische Beanspruchungen definiert. Die Anforderungen der in den Vorgaben beschriebenen Normwerte sind bei europäischen Normen am Höchsten, weshalb andere Länder wie China oder Brasilien auf diese zurückgreifen und ähnliche Anforderungen stellen.

Entwicklungszeit fast auf Null reduzieren

Abgesehen von diesen Voraussetzungen, waren für die Realisierung des Projektes bestimmte Kriterien Voraussetzung. Unter anderem war ein rasches Handling von Nöten. Vom Erstellen der ersten Skizze, über den Ausbau des Prototyps bis hin zur Testphase vergingen in Heitecs Elektronik-Kompetenzzentrum nur wenige Wochen. Ein weiteres Ziel war ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Erreicht werden konnte das durch Design des Geräts und die Verwendung von Standardkomponenten. Die benötigte Entwicklungszeit bei Standardprodukten geht gegen Null.

Als Hülle diente ein kostengünstiges, aber zugleich widerstandsfähiges Aluminiumgehäuse. Für den Innenausbau des Gehäuses verwendete Heitec Elemente des Heipac-Vario-Heavy-
Baugruppenträgersystems. Die Vario-Reihe ist die vielseitigste 19-Zoll-Baugruppenträger-Familie im Produktangebot, durch die sich mit Hilfe ihrer vielen Größenvarianten und Zubehörteile auch komplexe Anwendungsmöglichkeiten umsetzen lassen. Die Aluminium-Baugruppenträger sind in verschiedenen 19-Zoll-Höhen wie 3 HE oder 6 HE erhältlich, für Kartenformate bis 220 mm Tiefe konzipiert und auf die jeweils erforderliche Architektur anpassbar. Grundsätzlich ist es bei Baugruppenträgern ratsam, immer auf genormte Standardprodukte gemäß der 19-Zoll-Norm zurückzugreifen. Hier gibt es ein großes Angebot und es lassen sich erhebliche Preisvorteile erreichen.

Bessere Wärmeabfuhr und mehr Kabelfreiraum

Den normativen Rahmen für den Gehäuseaufbau bildet die Norm IEC 48D (DIN EN60297-3x) der International Electrotechnical Commission. Sie gibt die mechanische Struktur und Dimensionierung der Elektronik sowie ihre Kompatibilität und Interoperabilität mit der weiteren Ausrüstung vor. Die Abmessungen des Baugruppenträgers ergeben sich aus Art und Größe der eingesetzten Elektronikbaugruppen sowie den Spezifikationen am Einsatzort. Da insgesamt maximal sieben Baugruppen im Europaformat 100 mm x 160 mm eingesetzt werden, wurde
eine Gehäusebreite von einhalbmal 19 Zoll, das heißt genau
215,26 mm gewählt. Dadurch erhält man genügend Platz für alle Einschubkarten. Auch wenn bei der Gehäusehöhe 3 HE ausreichend gewesen wären, wurde ein 4-HE-Gehäuse verwendet, um durch das zusätzliche Volumen ein besseres Wärmemanagement, mehr Kabelfreiraum und besseren Zugang zur Elektronik zu erreichen. Dafür erwies sich das Vario von Heipac als optimale Grundlage. Die Systemplattform wurde komplett vorgefertigt mit 160 mm x 2,0 mm Kartenführungen geliefert, sodass die Elektronikboards einfach eingesteckt werden können.

Auch hinsichtlich Struktur und Beschaffenheit stellte sich Heipac Vario Heavy als ideale Basismechanik heraus. Das Gehäuse ist nicht nur für den halben 19-Zoll-Einbau geeignet, sondern auch für die Wandmontage. Besondere Anforderungen in punc-
to Frontplatte, Kabelführungen und Stromversorgung stellen aufgrund der Modularität kein Problem dar. Als Grundgerüst verwendete Heitec die typischen Vario-Heavy-Profilschienen für eine hohe Festigkeit des Systems – denn dauerhafte Stoß- und Schwingbelastungen können zu Materialermüdung und dem Ausfall von Komponenten führen. Auf Grund konstruktiver Besonderheiten und der Verwendung von hochwertigen Materialien ist die Vario-Heavy-Linie jedoch sowohl für hohe Biege-Beanspruchungen, als auch für starke Stoß- und Vibrationsbelastungen sehr gut geeignet. Durch die breite Querschnittsfläche und die doppelte Verschraubung weisen die Heavy-Profilschienen sehr hohe Festigkeitswerte auf und halten auch starken Biegekräften stand.

Auch der Befestigungsflansch des Baugruppenträgers weist besondere Designmerkmale auf. Zum einen ist er besonders tief, wodurch er doppelt verschraubt werden kann, und zum anderen wird für ihn eine größere Materialstärke verwendet. Im Bereich zwischen Seitenwand und Befestigungsflansch ist die Belastung im Hinblick auf Stoß und Vibration am größten und es kommt nicht selten zu Rissbildungen. Dem kann man durch verstärktes Material entgegenwirken. Die Verwendung einer sehr festen Aluminiumlegierung verleiht den Baugruppenträgern von Heitec zusätzliche Festigkeit, die gerade bei Anwendungen mit hohen Belastungen nicht unterschätzt werden darf. Diese Attribute in Kombination mit dem Einsatz von selbstsichernden Schrauben, die das Lösen durch Vibration verhindern, und den gewölbten Heitec-Kunststoff-Kartenführungen, die den eingeschobenen Baugruppen eine leichte Vorspannung verleihen, sorgen dafür, dass das Baugruppenträgersystem auch starken Belastungen trotzt.

Die Linie ist gemäß IEC 600-68-2-6 Prüfung Fc und IEC 600-68-2-27 Prüfung Ea schwing- und stoßgetestet. Die Direktive für elektromagnetische Kompatibilität 89/336/EEC/EN55011:1998/A1:1999 Gruppe 1, Klasse A (seit April 2016 Directive 2014/30/EU) wurde von einem vorherigen System abgeleitet.

Gehäuse und Leiterplatten lackieren

Ein wichtiger Punkt war darüber hinaus der Korrosionsschutz. Das Aluminiumgehäuse wurde lackiert, um Korrosion zu verhindern. Es erfüllt die Schutzklasse IP54 gegen Staub und Spritzwasser. Alle Leiterplatten verfügen über eine Schutzlackierung. Darüber hinaus wurde sorgfältig darauf geachtet, dass sich kein freiliegendes Kupfer im Gehäuse befindet. Somit verhindert das Finish der Leiterplatten die Oxidation und erhöht die Zuverlässigkeit. Bei der Gestaltung der Frontplatte war die einzige Vorgabe des Kunde eine robuste Klarsicht-Frontplatte in Industriequalität. Heitec entschied sich beim Material schließlich für Makrolon. Dabei handelt es sich um eine Form von sehr strapazierfähigem Thermoplast-Polycarbonat. Es zeichnet sich aus durch eine große Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Wasser, Öl, Oxidation und mechanische Krafteinwirkung sowie gute Isoliereigenschaften.

Wer Gehäusetechnik für anspruchsvolle Elektronik in der Bahntechnik entwickelt und fertigt, muss sich an den hohen Anforderungen dieses Marktes ausrichten und zahlreiche Normen erfüllen. Dafür empfiehlt sich eine vorzertifizierte Systemfamilie wie Heipac Vario Heavy als Basis. Heitec konnte damit die besonderen Anforderungen des Kunden hinsichtlich des Formats und der Anzahl der notwendigen Karten, sowie der stabilen Beschaffenheit und Normierung der Mechanik des WTMS technisch effizient, kostengünstig und vor allem schnell erfüllen.