Halbabgefederter Direktantrieb für ein Schienenfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Schienenfahrzeug mit einer Radsatzwelle und einem Läufer, der um die Radsatzwelle angeordnet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Lokomotive mit einem derartigen Direktantrieb.

Fortschritte bei den Selten-Erd-Magneten ermöglichen die Rea¬ lisierung von Direktantrieben ohne Getriebe auch für Hoch¬ leistungs-Lokomotiven. Eine hierfür geeignete elektrische Ma¬ schine ist die permanentmagneterregte Synchronmaschine. Die- ser Antrieb wird in der Regel unabgefedert oder vollabgefe¬ dert ausgeführt.

Ein Direktantrieb bietet die Vorteile, dass er sehr einfach und insbesondere getriebelos realisiert werden kann. Darüber hinaus lässt sich ein höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu Asynchronantrieben mit Getriebe erzielen.

Die Antriebskonzepte unterscheiden sich auch in ihren Abfede¬ rungen. Bei einem unabgefederten Direktantrieb ist der Fahr- motor fest auf die Radsatzwelle montiert und erhöht somit die ungefederte Masse. Bei einem vollabgefederten Antrieb ist der Fahrmotor mit einer Kardanhohlwelle im Drehgestell angeordnet und zählt somit zur primärgefederten Masse.

Die Federung des Antriebs hat Auswirkungen auf die Fahrwegbe¬ lastung. Bei einem unabgefederten Antrieb ist diese Belastung wegen der hohen ungefederten Masse verhältnismäßig hoch. Dar¬ über hinaus hat die Abfederung des Antriebs Einfluss auf Rat¬ terschwingungen, die bei schlechten Witterungsverhältnissen und Kraftschluss-Hochausnutzung auftreten. Sie führen zu ho¬ hen Komponentenbelastungen und damit eventuell auch zu Ein¬ schränkungen der Zugkraftübertragung, z.B. Abregein des Fahr-

motormoments. Ratterschwingungen treten beispielsweise bei symmetrisch um die Gleislängsachse aufgebauten, unabgefeder- ten Direktantrieben auf.

Nachteilig an einem unabgefederten Direktantrieb ist somit die erhöhte unabgefederte Masse durch die Fahrmotormasse, denn dies führt einerseits zu höheren Kräften zwischen Rad und Schiene und andererseits auch zu hohen Belastungen des Fahrmotors durch die Rad-Schiene-Kräfte. Sie wirken direkt ohne Zwischenschaltung von elastischen Elementen auf den Fahrmotor ein.

Nachteilig an vollabgefederten Antrieben ist, dass eine Zug- kraftanlenkung direkt an den Lokomotivkasten nicht möglich ist, da der Fahrmotor durch den Kardanhohlwellenantrieb von der Radsatzwelle entkoppelt wird, was Sinn und Zweck des Hohlwellenantriebs ist. Die vollabgefederten Antriebe sind viel mehr im jeweiligen Drehgestell aufgehängt, so dass die Drehgestelle entsprechend robust ausgestaltet werden müssen. Bei einer Zweistabanlenkung unmittelbar am Lokkasten, wie dies bei unabgefederten Direktantrieben möglich ist, kann das Drehgestell deutlich leichter ausgestaltet sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Direktantrieb vorzuschlagen, der den Einsatz eines leicht gebauten Drehgestells ermöglicht und darüber hinaus eine verminderte Fahrwegbelastung sowie eine geringe Neigung zu Ratterschwingungen garantiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine An¬ triebsvorrichtung für ein Schienenfahrzeug mit einer Radsatz¬ welle und einem Fahrmotor, der um die Radsatzwelle angeordnet ist, wobei eine Federeinrichtung an der Radsatzwelle und an dem Läufer angreift, so dass der Fahrmotor auf der Radsatz- welle federnd gelagert und ein Drehmoment von dem Läufer auf die Radsatzwelle über die Federeinrichtung übertragbar ist.

Die erfindungsgemäße Federeinrichtung gewährleistet einen so¬ genannten halbabgefederten Direktantrieb, mit dem die Rad- Schiene-Kräfte und Beanspruchungen des unabgefederten Direkt¬ antriebs auch in Folge von Ratterschwingungen verringert wer- den können und eine Zweistabanlenkung des Antriebs ermöglicht wird.

Vorzugsweise weist die Federeinrichtung einen Gummiring auf. Dieser Gummiring eignet sich wegen seiner Homogenität zur Kraftübertragung in allen Richtungen.

Der Gummiring kann auf einer Scheibe angeordnet sein, die fest mit der Radsatzwelle verbunden ist. Somit lassen sich über den Gummiring höhere Drehmomente übertragen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung stützt sich der Läufer über eine topfförmige Kupplungseinheit am Außenumfang des Gummirings ab. Somit kann der hülsenförmige Läufer zent¬ risch über der Radsatzwelle gehalten werden.

Am Außenumfang des Läufers können Permanentmagnete angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine hochpolige Permanent¬ magnet-Synchronmaschine realisieren.

In besonderer Weise eignet sich die erfindungsgemäße An¬ triebsvorrichtung für Schienenfahrzeuge. Dabei können eine oder mehrere derartige Antriebsvorrichtungen mit einer Zwei¬ stabanlenkung direkt an dem Fahrzeugkasten des Schienenfahr¬ zeugs bzw. dem Lokkasten angelenkt sein. Dadurch lassen sich die Zug- und Bremskräfte ohne Umweg über einen Drehgestell¬ rahmen direkt auf den Fahrzeugkasten einleiten und das Dreh¬ gestell kann weniger massiv ausgebildet sein.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt durch einen unabgefederten Direkt¬ antrieb auf einer Radsatzwelle gemäß dem Stand der Technik;

FIG 2 einen Querschnitt durch einen vollabgefederten Di- rektantrieb mit Kardanhohlwelle gemäß dem Stand der

Technik;

FIG 3 einen Querschnitt durch einen halbabgefederten Di¬ rektantrieb entsprechend der vorliegenden Erfindung;

FIG 4 eine Draufsicht auf ein Drehgestell mit Direktantrie- ben und einseitiger Zugkraftanlenkung sowie H-förmi- gem Drehgestellrahmen;

FIG 5 eine Draufsicht auf ein Drehgestell mit Direktantrie¬ ben und Zugkraftanlenkung sowie offenem, H-förmigem Drehgestellrahmen; und FIG 6 eine Draufsicht auf ein Drehgestell mit Direktantrie¬ ben und Zugkraftanlenkung über Lemniskatenlenker.

Die nachfolgenden näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- düng dar. Zunächst sei jedoch anhand der Figuren 1 und 2 zum besseren Verständnis der Erfindung der Stand der Technik nochmals näher erläutert.

Ein Radsatz einer Lokomotive besteht entsprechend dem Bei- spiel von FIG 1 aus zwei Rädern 1 und einer Radsatzwelle 2. Zwischen den beiden Rädern 1 ist direkt auf die Radsatzwelle 2 der hülsenförmige Läufer 3 vergleichbar einer Hohlwelle be¬ festigt, so dass ein Direktantrieb realisiert ist. Am Außen¬ umfang des Läufers 3 sind Permanentmagnete 4 angebracht. Ein Lagerschild 5 wird mit Hilfe von Lagern auf der Radsatzwelle 2 gelagert und hält ein Ständergehäuse 6. Am Innenumfang des Gehäuses 6 befindet sich ein Ständerblechpaket 7 einschlie߬ lich Wickelköpfen 8. Das Gehäuse 6 wird durch eine Drehmo¬ mentstütze 9, die im eingebauten Zustand vertikal steht, am Drehgestell (nicht dargestellt) abgestützt.

Der unabgefederte Direktantrieb gemäß FIG 1 ist sehr einfach gestaltet. Aufgrund der Rad-Schiene-Kräfte und deren Rückwir¬ kungen auf die Antriebskomponenten ist er mechanisch hoch be¬ lastet.

FIG 2 zeigt hingegen einen vollabgefederten Direktantrieb, wie er ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Federung und Drehmomentübertragung wird durch eine Kardan¬ hohlwelle einschließlich einer radseitigen Lenkerkupplung 10 und einer motorseitigen Lenkerkupplung 11 sichergestellt. Der Antrieb ist hier durch Aufhängepunkte 12 am Drehgestell be¬ festigbar. Die übrigen Komponenten des Direktantriebs sind funktionsgleich mit denen des Antriebs von FIG 1, so dass hier auf deren nähere Beschreibung verzichtet wird.

Der vollabgefederte Direktantrieb ist aufgrund der Bau¬ raumeinschränkungen durch Kupplungen (axial) und Einfederweg (radial) elektromagnetisch kritisch, und die Maschine muss hoch ausgenutzt werden.

Erfindungsgemäß wird daher ein halbabgefederter Direktantrieb bereit gestellt, der einen Kompromiss zwischen dem unabgefe- derten Direktantrieb gemäß FIG 1 und dem vollabgefederten Di¬ rektantrieb gemäß FIG 2 darstellt. Ein derartiger halbabgefe- derter Direktantrieb ist in FIG 3 wiedergegeben. An der In¬ nenseite jedes Rads 1 befindet sich drehfest mit diesem ver¬ bunden eine Scheibe 13. Kraft- bzw. reibschlüssig am Außenum¬ fang der Scheibe 13 ist ein Gummiring 14, der auch segmen¬ tiert ausgeführt werden kann, angebracht. An dem Außenumfang des Gummirings 14 stützt sich ebenfalls kraft- bzw. reib¬ schlüssig ein topfförmiges Kupplungselement 15 ab. Die beiden Kupplungselemente 15 an den zwei Seiten des Radsatzes halten die Läuferhohlwelle 3 schwebend über der Radsatzwelle 2. Auf¬ grund der Federwirkung des Gummirings 14 kann sich die Radsatzwelle 2 relativ zu der Läuferhohlwelle 3 bewegen. Die¬ se elastische Kupplung entkoppelt somit die Fahrmotormasse dynamisch teilweise von der unabgefederten Radsatzmasse und

verringert somit die Rad-Schiene-Kräfte. Diese Entkopplung wird je nach Auslegung insbesondere bei höherfrequenten Gleislageabweichungen wirksam.

Der halbabgefederte Direktantrieb ermöglicht die gleichen günstigen Drehstellkonzepte bei Lokomotiven wie der unabgefe- derte Direktantrieb. Insbesondere lässt sich der halbabgefe¬ derte Direktantrieb mit einer Zweistabanlenkung vereinbaren, da der Kraftfluss von den RadaufStandspunkten über die Gummi- ringfedern 14 in das Fahrmotorgehäuse 6 bzw. in die Zug- Druckstangen geleitet werden kann. Die Gummiringfedern 14 sind hierbei entsprechend zu dimensionieren. Der Antrieb nimmt gegenüber dem unabgefederten Antrieb an Komplexität zwar zu, lässt sich aber mit einer einfachen Drehgestellkon- struktion verbinden. Des Weiteren werden Beanspruchungen durch Ratterschwingungen bei schlechten Kraftschlussverhält¬ nissen verringert.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehge- stells mit Direktantrieben ist in FIG 4 dargestellt. Der

Drehgestellrahmen 20 ist H-förmig gestaltet und besitzt somit einen Mittenquerträger. Mit den Längsträgern stützt sich der Drehgestellrahmen 20 auf zwei Radsätze mit entsprechend zwei Fahrmotoren 21 und 22 ab. Die Fahrmotoren der Figuren 21 und 22 sind mit einer ersten Zug-Druckstange 23 verbunden. Eine zweite Zug-Druckstange 24, die in FIG 4 verkürzt dargestellt ist, verbindet das Gehäuse des Fahrmotors 22 mit einer Lok- kastenanlenkung 25. Unterhalb der ersten und zweiten Zug- Druckstange befindet sich jeweils eine untere erste und eine untere zweite Zug-Druckstange (in FIG 4 nicht sichtbar) , wo¬ durch eine Zweistabanlenkung realisiert ist.

Die Zweistabanlenkung über Zug-Druckstangen zwischen Fahrmo¬ tor-Ständer und Lokomotivkasten 25 stützt das Fahrmotor-Dreh- moment ab. Die Zug- und Bremskraftübertragung vom Radsatz di¬ rekt auf den Lokomotivkasten 25 wird unter Umgehung des Dreh¬ gestellrahmens realisiert, wobei die Fahrmotorlager die Kräf-

te in den Fahrmotorständer einleiten. Der Drehgestellrahmen 20 kann durch diese Entlastung leichter ausgeführt werden. Durch den auf die Außenkonturen des Radsatzes beschränkten Einbauraum des Direktantriebs, kann der Radsatzstand des Drehgestells verringert werden.

Alternativ zu der hintereinander geschalteten Zweistabanlen- kung entsprechend FIG 4 kann eine Zweistabanlenkung zu einem Lokkasten 25 erfolgen, der zwischen den beiden Fahrmotoren 21 und 22 angeordnet ist. Diese Alternative ist in FIG 5 darge¬ stellt. Der dort verwendete offene H-förmige Drehgestellrah¬ men 26 besitzt einen geschwungenen Mittenquerträger. Sowohl die Zug-Druckstangen 27 vom Fahrmotor 21 als auch die Zug- Druckstangen 28 vom Fahrmotor 22 sind direkt an dem Lokkasten 25 angelenkt. Alternativ zu den Ausführungsformen von FIG 4 und 5 ist aber auch eine beidseitige, unabhängige Zugkraftan- lenkung der Direktantriebe 21 und 22 möglich.

Eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Drehgestells ist in FIG 6 wiedergegeben. Hier ist das

Drehgestell 29 rahmenförmig ausgestaltet. Die Zug- und Druck¬ kräfte werden über eine Lemniskatenanlenkung an zwei Lok- kastenanlenkungen 30 und 31 übertragen. Die Lemniskatenanlen¬ kung wird durch drei Zug-Druckstangen 32 und eine Welle 33 realisiert. Durch diese Anlenkung werden Verspannungsprobleme gänzlich umgangen. In Fahrtrichtung ist diese Anlenkung sehr steif. Sie überträgt die Zug- und Bremskräfte und stützt die Luftspaltmomente der Direktantriebe ab. In Querrichtung und in vertikaler Richtung sind die Steifigkeiten gering. Bei ei- ner Relativbewegung zwischen Lokomotivkasten und Radsatz bzw. Fahrmotor in Querrichtung und vertikaler Richtung ist die Lemniskatenanlenkung weitgehend rückwirkungsfrei.