DE29621247U1

DE29621247U1 - Elektromotorische Antriebseinrichtung für Schienenfahrzeuge

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Publication number: DE29621247U1
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Authority: DE
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2006-12-07
Also published as: CZ392197A3; PL323486A1

Description

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Elektromotorische Antriebseinrichtung für Schienenfahrzeuge

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf eine elektromotorische Antriebseinrichtung für die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung von Schienenfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Unter der Bezeichnung "Neigezüge" kommen seit einigen Jahren zunehmend Schienenfahrzeuge für den Personenverkehr zum Einsatz, die im Vergleich zu Zügen mit konventionellen Wagenkonstruktionen wesentlich höhere Geschwindigkeiten bei Kurvenfahrt zulassen und somit auf kurvenreichen Strecken eine erhebliche Verkürzung der Reisezeit erzielen. Die Wagen solcher Neigezüge zeichnen sich dadurch aus, daß jeder Wagenkasten mittels einer eingebauten Neigevorrichtung in seiner Längsachse um einen gewissen Winkel (im allgemeinen bis zu ± 8°) gegenüber seiner Normallage in bezug auf die Gleisebene gedreht werden kann. Dadurch ist es möglich, einen Neigungswinkel einzustellen, der abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, dem Radius des Gleisbogen und von der Gleisüberhöhung ist, wodurch die auf die Reisenden einwirkende Querbeschleunigung verringert werden kann.

Auf diese Weise läßt sich die in der Deutschen Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) festgeschriebene "Komfortbedingung", wonach den Fahrgästen bei Kurvenfahrt eine Seitenbeschleunigung von nicht mehr als 0,85 m/s zugemutet werden darf, auch dann noch erfüllen, wenn am Drehgestellrahmen des Wagens eine Querbeschleunigung von bis zu 2 m/s² entsteht.

Von den möglichen mechanischen Konstruktionen, mittels derer der Wagenkasten drehbar um seine Längsachse gegenüber seinem

Drehgestell angeordnet werden kann, hat sich das Pendellenker-Prinzip als besonders vorteilhaft erwiesen und in der Praxis die größte Verbreitung gefunden. Bei denjenigen Herstellern von Neigezügen, die sich dieses Konstruktionsprinzips bedienen, hängt es von den individuellen Besonderheiten der Wagengestaltung ab, ob der Wagenkasten an den Pendeln aufgehängt ist oder durch sie gestützt wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Realisierung mit einem an den Pendeln aufgehängten Wagenkasten, wobei der Wagenkasten in Fig. sich in seiner Normallage befindet, wogegen er in Fig. 4 eine gegenüber seiner Normallage geneigte Stellung einnimmt, beispielsweise bei einer schnellen Kurvenfahrt. Diese Realisierung ist durch eine Broschüre mit dem Titel "Schneller reisen auf Schienen. BR 611 von Adtranz", herausgegeben im Juni 1996 von ABB Daimler-Benz Transportation (Deutschland) GmbH, Am Rathenaupark, D-16761 Henningsdorf) bekannt geworden.

Gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Pendel 1 paarweise zwischen dem Drehgestellrahmen 2 und einer Tragevorrichtung 3 des Wagenkastens 4 angebracht. Zum Drehen des Wagenkastens in seine geneigte Stellung ist eine elektromotorische Antriebseinrichtung vorgesehen, genauer gesagt, eine Linearantriebseinrichtung mit einer Spindelanordnung 5 und einem Servomotor 6, der diese über ein Zwischengetriebe 7 antreibt.

Fig. 2 zeigt im Detail die elektronische Antriebseinrichtung, welche aus der Fachzeitschrift ETR Eisenbahntechnische Rundschau 5/96, Seiten 303-309 bekannt geworden ist.

Die Spindelanordnung 5 umfaßt eine drehbare Spindelmutter 8 und einen in Längsrichtung bewegbaren Spindelschaft 9. Die Spindelmutter 8 weist an einer Stirnfläche ein damit fest

verbundenes Antriebszahnrad auf und steht an ihrer anderen Stirnfläche direkt, mit dem Spindelschaft im Eingriff. Somit wird eine Drehbewegung der Spindelmutter 8 in eine lineare Ein- und Ausfahrbewegung des Spindelschafts umgewandelt. Die Spindelanordnung 5 ist in einem Gehäuse 10 angeordnet, an dem das Zwischengetriebe 7 befestigt ist. Ein Abtriebszahnrad des Zwischengetriebes 7 kämmt das Antriebszahnrad der Spindelanordnung 5. Das Zwischengetriebe ist mit dem Servomotorantrieb gekoppelt. Zusätzlich kann aus sicherheitsrechnischen Aspekten eine Feststellbremse 11 vorgesehen werden, welche in der Lage ist, bei einer eventuell auftretenden Störung die Antriebseinrichtung zu blockieren.

Die bekannte Antriebseinrichtung besitzt den Nachteil, daß sie verhältnismäßig große Abmessungen aufweist und daher zu Konstruktionsschwierigkeiten führt, da die Antriebseinrichtung in der Regel in einer sogenannten ünterfluranordnung eingebaut werden. Weiter besitzt die bekannte Antriebseinrichtung relativ hohes Gewicht und ist daher bei hohen Querbeschleunigungskräften starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, was zu Gehäuseverwerfungen und Materialbruch führen kann. Daher ist die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer gering und die Kosten für die Wartung und überprüfung der bekannten Antriebseinrichtung hoch.

Weiterhin ist bei der bekannten Antriebseinrichtung als nachteilig erkannt worden, daß die Vielzahl der Kraftübertragungselemente nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die Zuverlässigkeit der bekannten Antriebseinrichtung verringern. Wenn beispielsweise als Störung ein Wellenbruch im Zwischengetriebe auftritt, kann selbst die Feststellbremse 11 nicht verhindern, daß der Wagenkasten unkontrolliert um seine Normallage pendelt. Andererseits kann bei einer Blockade des Getriebes die Fahrt nur mit der zuletzt eingestellten Neigung des Wagenkastens

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fortgesetzt werden. In diesen Störfällen muß die Reisegeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs beachtlich herabgesetzt werden, was selbstverständlich höchst unerwünscht ist.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromotorische Antriebseinrichtung für die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung zu schaffen, welche einfach aufgebaut und im Betrieb zuverlässig ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Antriebseinrichtung dadurch gelöst, daß der Servomotor die Spindelanordnung direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes antreibt.

Eine so ausgebildete Antriebseinrichtung besitzt aufgrund der verminderten Anzahl der Teile eine höhere Zuverlässigkeit bei gleichzeitig geringerem Gewicht und vermindertem Platzbedarf. Die Antriebseinrichtung besitzt einen höheren Wirkungsgrad und ist im Betrieb leichter steuerbar, da kein Zwischengetriebe vorhanden ist, welches eine mechanische Lose zwischen Motor und Spindelanordnung verursacht. Die Antriebseinrichtung besitzt daher ein besseres dynamisches Verhalten und größere Stabilität in einem Regelkreis. Schließlich sind auch die Kosten für Lagerhaltung und Herstellung gegenüber der bekannten Antriebseinrichtung verringert.

Vorzugsweise sind der Servomotor und die Spinde!anordnung in einem Gehäuse integriert, wodurch sich die. Abmessungen und das Gewicht der Antriebseinrichtung weiter verringern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Spindelanordnung eine drehbare Spindelmutter und einen Spindelschaft, wobei dann, wenn die Drehachse des Servomotors mit der Längsachse des

Spindelschafts zusammenfällt, eine besonders einfache und kompakte Antriebseinrichtung resultiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Antriebseinrichtung ist eine elektrisch ansteuerbare Bremsvorrichtung im Gehäuse angeordnet, in dem sich auch der Servomotor und die Spindelanordnung befinden. Auch diese Maßnahme dient dazu, eine sehr kompakte Antriebseinrichtung zu erreichen.

Es ist von Vorteil, wenn die Antriebseinrichtung eine im Gehäuse integrierte elektronische Steuerschaltung aufweist, welche Steuersignale zur Steuerung des Servomotors in Abhängigkeit von erfaßten Meßdaten und vorgegebenen Sollwerten erzeugt. Eine in der Nähe des Servomotors angeordnete Steuerschaltung besitzt einen ausgesprochen geringen Verkabelungsaufwand.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Servomotor ein bürstenloser Gleichstrommotor umfassend einen Permanentmagneten aufweisenden Rotor und einen Stator mit Wicklungen. Ein solcher Motor zeichnet sich durch hervorragende thermische Eigenschaften aus, da am wicklungsfreien Rotor keine Wärme entsteht und die in den Wicklungen des Stators entstehende Wärme über das Gehäuse weitgehend nach außen abgeführt werden kann.

Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr kann das Gehäuse mit einem Fluid, beispielsweise Öl, gefüllt werden.

Die Neuerung soll nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert werden. Es zeigen:

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Fig. 1 eine elektromotorische Antriebseinrichtung nach der vorliegenden Neuerung;

Fig. 2 eine bekannte elektromotorische Antriebseinrichtung;

Fig. 3 und 4 Prinzipskizzen, welche den Einsatz der Antriebseinrichtung, welche Gegenstand der Neuerung ist,erläutern.

Die in Fig. 1 dargestellte elektromotorische Antriebseinrichtung umfaßt eine in einem Gehäuse 10 integrierte Spindelanordnung 5, welche mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Die Spindelanordnung umfaßt eine Spindelmutter 8 und einen Spindelschaft 9, die miteinander in Eingriff stehen. Genauer gesagt, die Spindelmutter 8 besitzt ein zentriertes Innengewinde, in welches das Außengewinde des Spindelschafts mit Wolzkörpern eingreift, wodurch bei einer Drehbewegung des Spindelschafts die Spindelmutter 8 in Längsrichtung vor- und zurückbewegt wird. Die Spindelmutter 8 ist über einen Zylinder mit einem Befestigungspunkt 12 fest verbunden.

Im Gehäuse 10 befindet sich auch der Servomotor 6, bestehend aus einem drehbar mittels Lager 17 gehaltenen Rotor 13 und einem Stator 14, der die elektrischen Wicklungen trägt. Der Servomotor ist bevorzugt ein bürstenloser Gleichstrommotor, auch geregelter Synchronmotor genannt. Es können auch geeignete andere Maschinen zur Anwendung kommen, z. B. Asynchronmaschinen oder Reluktanz-Motoren. Die Drehachse des Servomotors und die Längsachse des Spindelschafts 9 fallen zusammen, wie dies die Fig. 1 zeigt, wobei Rotor und Spindelschaft einstückig ausgeführt sind. Weiterhin ist eine Feststellbremse 11 im Gehäuse integriert, welche direkt mit dem Servomotor 6

gekoppelt ist und im Notfall eine Arretierung der Antriebseinrichtung erzeugt.

Zur Steuerung des Servomotors ist eine nicht gezeigte elektrische Steuerschaltung vorgesehen, welche ebenfalls im Gehäuse 10 angeordnet ist. Die Steuerschaltung umfaßt einen geschlossenen Regelkreis, wobei als Führungsgröße üblicherweise der Sollwert für den einzustellenden Neigungswinkel des Wagenkastens gegenüber seiner Normallage in bezug auf die Gleisebene vorgegeben wird. Gegebenenfalls können noch weitere unterlagerte innere Regelkreise vorgesehen werden, welche zur Verbesserung der Dynamik oder zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen beitragen.

Zur Bestimmung des Istwerts des Neigungswinkels ist ein Positionsgeber 15, beispielsweise eine optisch abtastbare Rasterlochscheibe mit dem Rotor 13 verbunden. Alternativ kann ein linearer Weggeber, der die Länge des Stellgliedes direkt erfaßt eingesetzt werden. Das Ausgangssignal des Positionsgebers wird mit einer geeigneten elektrischen Schaltung aufbereitet, um es als Maß für den Neigungswinkel zu verwenden. Darüber hinaus kann der Positionsgeber auch als Istwert-Signalgeber für die Lageregelung des Spindelschafts dienen.

Wie bereits erwähnt, ist der bürstenlose Gleichstrommotor 6 anderen Motortypen z.B. der geregelten Asynchronmaschine oder dem konventionellen bürstenbehafteten Gleichstrommotor vorzuziehen, da er hervorragende thermische Eigenschaften und eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei einfacher Ansteuerung besitzt.

Abschließend soll der Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kurz erläutert werden.

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Auf ein elektrisches Steuersignal hin wird der Rotor des Servomotors 6 zu einer Drehung um einen bestimmten Drehwinkel veranlaßt, wobei der Drehwinkel ständig vom Positionsgeber 15 überwacht wird. Durch die Drehung des Rotors 13 wird der einstückig damit verbundene Spindelschaft 9 ebenfalls um Drehwinkel gedreht. Da der Spindelschaft 9 das Innengewinde der drehbaren Spindelmutter 8 kämmt, bewegt sich die Spindelmutter zusammen mit dem Zylinder 16, an dessen Ende der Montageflansch 12 angeordnet ist in Längsrichtung. Durch die Bewegung der Spindelanordnung wird die Antriebseinrichtung verkürzt oder verlängert, was dazu führt, daß über die damit verbundenen Pendel der Wagenkasten gegenüber dem Drehgestellrahmen um einen bestimmten Neigungswinkel verschwenkt wird.

Es ist für den Fachmann klar, daß anstelle eines direkten Antriebs des Spindelschafts auch die Spindelmutter der Spindelanordnung vom Servomotor direkt angebtrieben werden kann, da die Bewegung der Spindelanordnung durch die Relativbewegung zwischen Spindelschaft und Spindelmutter hervorgerufen wird. Es ist diesbezüglich auf die bekannte Antriebseinrichtung zu verweisen, bei welcher die Spindelmutter angetrieben wird.

Claims

Schutzansprüche:

1. Elektromotorische Antriebseinrichtung für die gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung von Schienenfahrzeugen, mit mindestens einer von einem Servomotor angetriebenen ein- und ausfahrbaren Spindelanordnung, wobei beim Ein- und Ausfahren der Spindelanordnung der Wagenkasten um seine Längsachse gegenüber seiner Normallage in bezug auf die Gleisebene um einen gewünschten Neigungswinkel gedreht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Servomotor (6) die Spinde!anordnung (5) direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes antreibt.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (6) und die Spindelanordnung (5) in einem Gehäuse (10) integriert sind.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelanordnung (5) eine drehbare Spindelmutter (8) und einen Spindelschaft (9) aufweist und daß die Drehachse des Servomotors (6) mit der Längsachse des Spindelschafts (9) oder der Mutter (8) zusammenfällt.

4. Antriebseinrichtung nach wenigstens Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung weiterhin eine im Gehäuse (10) angeordnete, elektrisch ansteuerbare Bremsvorrichtung (11) aufweist.

5. Antriebseinrichtung nach wenigstens Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine im Gehäuse

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integrierte elektronische Steuerschaltung aufweist, zum Erzeugen von Steuersignal für den Servomotor (6) in Abhängigkeit von erfaßten Meßdaten und vorgegebenen Sollwerten.

6. Antriebseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (6) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, umfassend einen Permenentmagneten aufweisenden Rotor (13) und einen Wicklungen aufweisenden Stator (14).

7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (10) mit einem Fluid gefüllt ist.