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Kleines Leichtgewicht, das hohen Temperaturen, Vibrationen und korrosiven Flüssigkeiten standhält: der VBN-Steckverbinder
Mike Gardiner, Produktmanager bei ITT Interconnect Solutions: "Weiterentwicklungen bei Werk­stoffen und Design verbessern  Robustheit und Datenübertragung von heutigen Steckverbindern in der Bahntechnik"

Viele Kunden aus der Bahntechnik sind heutzutage auf der Suche nach kleineren, leichteren und dynamischeren Steckverbindern, die den strengen Leistungs- und Haltbarkeitsansprüchen der Bahntechnik-Spezifikationen gerecht werden“, beschreibt Mike Gardiner, Produktmanager bei ITT Interconnect Solutions die gegenwärtige Situation. Und die Anforderungen für den Einsatz in Bahnapplikation sind hoch. So müssen Steckverbinder, die in sicherheitskritischen Bahnanwendungen unter rauen Bedingungen zum Einsatz kommen, nicht nur Stöße, Vibrationen, hohe Drücke, extreme Temperaturen und andere Umgebungseinflüsse aushalten, sondern dabei auch konstant und zuverlässig funktionieren. Was ist zu beachten? „Die konstruktive Auslegung des Steckverbinders und die Auswahl der eingesetzten Werkstoffe und Materialien haben direkten Einfluss auf Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit“, erklärt Mike Gardiner. „Die neuesten Entwicklungen in diesen Bereichen haben Fortschritte in der Steckverbindertechnik möglich gemacht, die in Bezug auf Leistung und Robustheit selbst den anspruchsvollen Anforderungen der Bahntechnik des 21. Jahrhunderts genügen.“

Anforderung der Bahntechnik: Robustheit

In der Bahntechnik müssen bei der Beschaffung von Steckverbindern strenge sicherheitskritische Design-Parameter eingehalten werden, etwa Abmessungen, Spannungswerte und Festigkeit gegen Umwelteinflüsse. Darüber hinaus spielt die Temperaturwechselbeständigkeit eine große Rolle – insbesondere für Unterflur-Anwendungen, wie Traktions-, Motor- und Bremsensteuerungen, bei denen Kabel und Steckverbindungen extremen Temperaturen ausgesetzt sein können. Außerdem müssen Verbindungskomponenten für bahntechnische Anwendungen flammwidrig ausgeführt sein.

Überträgt zuverlässig Daten zwischen den Zugteilen: der robuste Steckverbinder CIR-M12. Er unterstützt Datentypen wie Ethernet- oder MVB- und WTB-Signale.

Überträgt zuverlässig Daten zwischen den Zugteilen: der robuste Steckverbinder CIR-M12. Er unterstützt Datentypen wie Ethernet- oder MVB- und WTB-Signale.ITT

Hochtemperatur-Komponenten weisen häufig maschinenbearbeitete und mit Kupferlegierung beschichtete Kontakte sowie ein Edelstahlgehäuse mit Keramikeinsatz auf. Herkömmliche Steckverbindereinsätze sind in der Regel aus Kunststoff oder Gummi gefertigt. Diese würden aufgrund der hohen Temperaturen während eines möglichen Brandes schmelzen. Keramik dagegen ist feuerbeständig und resistent gegen auftretende Sprödigkeit durch Feuchtigkeitsverlust. Die Steifigkeit des keramischen Werkstoffs macht den Steckverbinder­einsatz weniger anfällig gegen Vibrationen und Bruchbelastungen. Er wird mithilfe eines metallischen Halterings im Gehäuse fixiert. So lässt sich der Steckverbinder leicht auseinanderbauen und ermöglicht damit eine schnelle und unkomplizierte Wartung und Instandsetzung vor Ort.

Das optimale Material einsetzen

Während Materialien, wie Neopren, sich für Temperaturen von -55 bis +25 °C eignen, können Steckverbinder mit Silikon in einem Betriebstemperaturbereich von -55 bis +200 °C eingesetzt werden. Darüber hinaus sind einige Verbindungskomponenten so konzipiert, dass sie der europäischen Norm CEN/TS 45545 entsprechen, die die Brandsicherheit bei Schienenfahrzeugen regelt. „Das wiederum bedeutet, dass sie für wenigstens 15 Minuten extrem hohen Temperaturen standhalten können müssen, die gemäß Erhitzungskurve nach ISO 834-1 mit einer Höchsttemperatur von 800 °C aufgebracht werden“, weiß Mike Gardiner. Steckverbinder mit Bajonettkupplung können die europäische Norm CEN/TS 45545 erfüllen und Temperaturen von bis zu 800 °C für den angegebenen Zeitraum standhalten. Das prädestiniert sie für den Einsatz in sicherheitskritischen Bahnanwendungen, wie elektro-pneumatischen Bremssystemen.

Verbindungskomponenten, die in Bahnapplikationen zum Einsatz kommen, müssen auch gegen hohe Drücke sowie korrosive Flüssigkeiten und Gase beständig sein. Durch die Entwicklung von warmformbaren Elastomeren und dem technischen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) lassen sich die Grenzwerte der Umweltprüfungen erfüllen sowie Größe und Gewicht der Rundsteckverbinder minimieren. „So sind die ITT-Steckverbinder der VBN-Baureihe gemäß Standard NFF16-101/16-102 aus thermoplastischen Werkstoffen hergestellt und weisen einen Mindestdurchmesser von 7,5 cm auf, was wiederum in beträchtlichen Gewichtseinsparungen resultiert“, unterstreicht Mike Gardiner. Die Kupplungsdichtung und weitere Teile der Komponente bestehen aus Silikonkautschuk und flammwidrigen Gummi, während die Metallteile aus einer RoHS-kompatiblen Aluminiumlegierung mit schwarzer Epoxid-PU-Beschichtung gefertigt sind. Steckverbinder für raue Umgebungen nach Schutzart IP 67 sind für Anwendungen, wie Anschlüsse für Strom und Armaturensignallampen, HLK oder Verteilerkästen, konfektionierbar.

Herausforderung in Bahnapplikationen: hohe Datenraten

„Neben Robustheit und Zuverlässigkeit achten die Kunden aus der Bahntechnik gleichermaßen auf Kosten, Funktionalität und Leistungsvermögen“, resümiert Gardiner aus seinem Erfahrungsschatz. Um bei Massentransportmitteln die Kosten zu senken und die Funktionalität zu verbessern, haben viele Hersteller Lösungen entwickelt, die mehrere Ethernet- und MVB-Leitungen in einem Steckverbinder bündeln. Diese hochgeschwindigkeitsfähigen Bajonett-Rundstecker für die Datenbusanbindung bringen gleich mehrere Vorteile mit: Sie minimieren die Anzahl der Teile und Leitungen, reduzieren Kosten und Gewicht und erhöhen Funktionalität und Leistung. Die Komponenten erfüllen die Spezifikationen in Bezug auf Haltbarkeit und Zuverlässigkeit und damit die Forderung nach hoher Steckzyklenzahl.

Ein solcher Steckverbinder ist beispielsweise der CIR-M12 von ITT. Er überzeugt mit einer zuver­lässigen Datenübertragung zwischen den Zugteilen und unterstützt diverse Datentypen, etwa Ethernet-, MVB-, WTB- und Videosignale, die zwischen den einzelnen Sektionen der öffentlichen Schienenverkehrsmittel übermittelt werden müssen. Das Steckverbindersystem besteht unter anderem aus den QXM12-Kontakten, die in die Bauteile ihrer Bajonett-Rundsteckverbinder der Serie FRCIR montiert sind. Vier Leiter und das entsprechende Geflecht der geschirmten Kabel sind bereits in den Kontakt QXM12 integriert. Vorteil: Ein besonderer Kunststoffeinsatz führt mehrere QXM12-Kontakte und die Kabel in einem Steckverbinder zusammen. „Mit dieser Technik können Entwickler die Datenübertragung per Ethernet-, MVB-, WTB- und Videokabel nach VG95234 in einem einzigen Steckverbinder realisieren“, erklärt der Experte von ITT. Auf diese Weise lassen sich eingehende Daten diverser Quellen, wie Motordiagnostik, Bremsensteuerung, HLK, Anzeigegeräte im Passagierbereich und Netzwerk- und Beleuchtungsregelung verarbeiten. Die Kontakte des Datenbus-Steckverbinders sind bei einer Betriebsspannung von 100 V DC bis 3 A strombelastbar, wobei der maximale Strom für 1 ms bei 10 A liegt. Der Isolationswiderstand liegt bei 10 GΩ auf.

Normen in der Bahntechnik

Die Standards für bahntechnische Anwendungen unterscheiden sich von Land zu Land. Dies trifft besonders für die DIN-Bahn­spezifikationen zu. Der International-Railway-Industry-Standard, kurz IRIS, ist ein weltweit anerkanntes Zertifikat, das den qualifizierten Teilehersteller für Produzenten von Bahnausrüstung, Systemintegratoren, Schienenfahrzeugbauer und deren Zulieferer kennzeichnet. IRIS wurde mit dem Ziel der Entwicklung und Einführung eines globalen Systems gegründet. Nur mit einer Sprache, einheitlichen Bewertungsrichtlinien und gegenseitiger Akzeptanz der durchgeführten Audits für die Bewertung von Unternehmen, die die Bahntechnik-Branche beliefern, lässt sich ein hoher Transparenzgrad für die gesamte Supply-Chain erreichen.

Kein Stress in rauen Umgebungen

Hohe Umgebungstemperaturen, Vibrationen oder hohe Druckbelastungen – Steckverbinder für Bahnapplikationen haben es nicht einfach. Zudem sollen sie kostengünstig sein, ein hohes Leistungsvermögen und eine hohe Funktionalität aufweisen. Mission impossible? Nein. Beispielsweise hat Steckverbinderhersteller ITT hochgeschwindigkeitsfähige Stecker entwickelt, die mit weniger Bauteilen und Leitungen sowie reduzierten Kosten und Gewicht überzeugen.

„Das Hinzuziehen eines Herstellers, der sich in all diesen Belangen bestens auskennt, macht den Entwicklungsprozess für hochdruckfeste Hochtemperatursteckverbinder und für all die anderen Design-Herausforderungen einfacher und effizienter“, unterstreicht Gardiner. „Da diese Teile in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, möchten die Kunden lieber nicht zum Teil der Lernkurve des Zulieferers gehören – um durchgängig hohe Qualität und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten und um gefährliche Auswirkungen zu vermeiden, bevorzugen die Kunden Teile von bewährten und zuverlässigen Herstellern.“ Die Zusammenarbeit mit einer Firma, der für das Einhalten von Prüfparametern der Regulierungs- und Normeneinrichtungen verantwortlich zeichnet, kann den Design- und Entwicklungsprozess für Steckverbinder bei Einhaltung sämtlicher relevanter Vorschriften erheblich straffen. Zudem stärken eigene Prüfkapazitäten und fortwährende Qualitätsverbesserungsprogramme die Position des Herstellers als verlässliche Quelle für Bahnsteckverbinder.

Fazit

„Steckverbinder in der Bahntechnik sind neben stark wechselnden Umwelteinflüssen auch ständig hohen Stoß-, Vibrations-, Druck- und Temperaturbelastungen ausgesetzt. Sie müssen robust genug sein, um diesen rauen Bedingungen standhalten zu können und jederzeit fehlerfrei zu funktionieren“, fasst Mike Gardiner zusammen. „Einen zuverlässigen Steckverbinder mit Hochleistungs­eigenschaften, der die Anforderungen an Kosten und Funktionalität erfüllt, kann man nur entwickeln, wenn man mit einem Hersteller arbeitet, der genügend Erfahrung in der Entwicklung für raue Umgebungen besitzt“, schließt Gardiner.