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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Stromabnehmeranordnung zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen einem an einem elektrischen Schienenfahrzeug befestigten Stromabnehmer und einer Stromschiene, enthaltend
- (a) ein mit dem Fahrzeug verbundenes, bewegliches Verbindungselement; und
- (b) Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung an dem Verbindungselement, so dass der Stromabnehmer an die Schienenoberfläche gedrückt wird.
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Stromabnehmer werden an elektrisch betriebenen Gleisfahrzeugen verwendet und dienen der Stromabnahme aus einer Stromschiene. Die Stromschiene ist insbesondere eine dritte Schiene, welche parallel zu den Gleisen verläuft. In der Regel befindet sie sich - anders als Oberleitungen - neben oder unter den Gleisen. Typischerweise werden Stromschienen (auch „Dritte Schiene“ genannt) bei U- und S-Bahnen verwendet.
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Der Schleif- oder Gleitkontakt wird von einem Stromschuh gebildet, der typischerweise aus Kohlenstoff besteht. Der Stromschuh wird gegen die Kontaktfläche der Stromschiene gedrückt, so dass Strom fließen kann. Die Stromschiene besteht beispielsweise aus Aluminium.
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Stand der Technik
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Stromabnehmeranordnungen sind lange bekannt, beispielsweise aus
DE 10 2009 056 589 A1 (Deutzer),
DE 35 36 843 C2 ,
CH 1 92 961 A ,
AT 400 696 B ,
DE 551 782 ,
DE 27 30 556 C2 ,
DE 1219 511 ,
DE 1131 259 und
DE 1256 676 . Die Höhendifferenz zwischen Stromschiene und Fahrzeug kann entlang der Strecke variieren. Bekannte Stromabnehmeranordnungen sehen zum Höhenausgleich ein Verbindungselement zwischen Stromabnehmer und Fahrzeug vor, welches an dem Fahrzeug angelenkt ist. Es wird eine mechanische Vorspannung an dem Verbindungselement erzeugt, so dass der Stromabnehmer an die Schienenoberfläche gedrückt wird. Das Verbindungselement wird dabei um einen Drehpunkt nach oben gedreht. Dabei werden alle Höhendifferenzen ausgeglichen und der Kontakt dauerhaft hergestellt. Mit der Zeit tritt bei Schienen und Kontakten Verschleiß auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche weniger Verschleiß hat.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst durch ein mit dem Verbindungselement verbundenes Ausgleichselement zum Ausgleich eines Winkelversatzes zwischen Kontaktfläche und Schienenoberfläche um eine zur Stromschiene parallele Achse..
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Verschleiß an der Stromschiene durch ungleichmäßigen Kontakt zwischen Stromschuh und Kontaktfläche an der Stromschiene hervorgerufen wird. Es gibt nämlich nur einen Winkel, bei dem der am Verbindungselement befestigte Stromschuh vollflächig an der Kontaktfläche an der Stromschiene anliegt. Wenn die Höhenverhältnisse zwischen Stromschiene und Fahrzeug einen anderen Winkel am Verbindungselement für die Herstellung des Kontakts erfordern, tritt ein kleiner Winkelversatz auf. Wenn beispielsweise das Fahrzeug etwas zu tief liegt, wird das Verbindungselement durch die Vorspannung um den Drehpunkt nach oben geschwenkt. Dann wird der äußere Teil des Stromschuhs stärker gegen die Stromschiene gedrückt als der innere Teil. Dies führt dazu, dass ein höherer Abrieb im Bereich des äußeren Teils des Stromschuhs und des äußeren Teils der Stromschiene vorliegt.
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Die Erfindung sieht daher ein mit dem Verbindungselement verbundenes Ausgleichselement vor, um einen Ausgleich des Winkelversatzes zwischen Kontaktfläche und Schienenoberfläche um eine zur Stromschiene parallele Achse zu bewirken. Durch das Ausgleichselement wird sichergestellt, dass die Kontaktfläche am Stromschuh unabhängig von der Winkellage des Verbindungselements parallel zur Kontaktfläche an der Stromschiene verläuft. Mit dem Ausgleichselement wird ein besserer, flächiger Kontakt hergestellt. Der Verschleiß ist gleichmäßiger und geringer.
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Das Ausgleichselement und/oder das Verbindungselement können eine translatorische Bewegung, d.h. einen Höhenversatz vorsehen. Eine besonders einfache Anordnung wird aber erreicht, wenn das Verbindungselement um eine zur Stromschiene parallele Achse drehbar ausgebildet ist. Das ermöglicht, dass das Ausgleichselement um eine zur Stromschiene parallele Achse drehbar an das Verbindungselement anzulenken. Wenn also das Verbindungselement einen Winkel in Bezug auf eine zur Stromschiene parallele Achse einnimmt, der nicht dem Winkel entspricht, bei dem die Kontaktflächen parallel sind, kann das Ausgleichselement eine Winkelstellung einnehmen, die den Winkelversatz kompensiert. Dabei kann das Ausgleichselement den Winkelversatz am Stromabnehmer oder am Verbindungselement bewirken.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verbindungselement wenigstens zwei Querlenker, von denen jeder um eine eigene, zur Stromschiene parallele Achse drehbar ausgebildet ist. Dabei können die Querlenker übereinander an einen gemeinsamen, fahrzeugfesten Träger oder direkt am Fahrzeug angelenkt sein.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Ausgleichselement über jeweils eine gelenkige Verbindung mit jedem der Querlenker verbunden ist. Die Querlenker können so zwei gegenüberliegende Seiten eines in der Ebene senkrecht zur Längsachse der Stromschiene liegenden Parallelogramms bilden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgleichselement einen Verbinder umfasst, durch den die Verbindungsachsen zwischen Ausgleichselement und Querlenkern geführt sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verbinder ein steifes Element ist, welches den Abstand der Verbindungsachsen fixiert.
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Das Ausgleichselement kann schienenseitig an dem Verbinder eine Nase oder einen anderen Vorsprung umfasst, an dem der Stromabnehmer befestigt ist.
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Die Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung können von einer oder mehreren Federn gebildet sind. Es sind aber auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung denkbar.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verbindungselement und/oder das Ausgleichselement zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, so dass kein Strom zwischen Fahrzeug und Stromabnehmer über das Verbindungselement fließt und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Stromabnehmer und Fahrzeug vorgesehen ist, welche keine mechanischen Kräfte aufnimmt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromschuh um eine horizontale Drehachse senkrecht zur Längsachse der Stromschiene beweglich angeordnet ist. Der Stromabnehmer kann wenigstens zwei Stromschuhe umfassen, welche in Längsrichtung der Stromschiene hintereinander angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung wird die Kontaktfläche vergrößert und es besteht auch dann ein großflächiger Kontakt, wenn die Stromschiene eine Krümmung um eine horizontale Achse aufweist. Dies kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, wenn vorgesehen ist, dass die Stromschuhe auf einer Wippe befestigt sind und die horizontale Drehachse mittig zwischen zwei Stromschuhen angeordnet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Federelement aus Gummi oder einem anderen elastischen Material zwischen Stromabnehmer und Ausgleichselement vorgesehen ist. Ein solches Federelement erlaubt eine kleine Veränderung der Winkellage in beliebiger Richtung. Dadurch wird eine gleichmäßige Anlage der Kontaktflächen gefördert.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Erzeugung einer zusätzlichen pneumatischen, hydraulischen oder anderen steuerbaren Kraft auf das Verbindungselement vorgesehen, welche der Vorspannung entgegen gerichtet ist. Mit der steuerbaren Kraft kann der Stromabnehmer bei Bedarf gezielt von der Stromschiene getrennt werden.
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Wenigstens ein elastisches Element kann zwischen Stromschuh oder einer Stromschuhalterung und dem Verbindungselement vorgesehen sein, welches eine Nick- und/oder Wankbewegung des Stromschuhs ermöglicht. Dadurch wird der Kontakt zur Stromschiene weiter verbessert. Die Masse ist bei Verwendung nur eines Stromschuhs geringer.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Definitionen
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In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben alle Begriffe eine dem Fachmann geläufige Bedeutung, welche der Fachliteratur, Normen insbesondere DIN EN 806-1 und DIN EN 1717 und den einschlägigen Internetseiten und Publikationen, insbesondere lexikalischer Art, beispielsweise www.Wikipedia.de, www.wissen.de oder www.techniklexikon.net, der Wettbewerber, forschenden Institute, Universitäten und Verbände, beispielsweise Verein Deutscher Ingenieure, dargelegt sind. Insbesondere haben die verwendeten Begriffe nicht die gegenteilige Bedeutung dessen, was der Fachmann den obigen Publikationen entnimmt.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Stromabnehmer-Anordnung mit Strom schuh.
- 2 zeigt die Anordnung aus 1 ohne Stromschuh.
- 3 ist eine Seitenansicht der Anordnung aus 1 quer zur Längsrichtung der Stromschiene.
- 4 ist eine Seitenansicht der Anordnung aus 1 in Längsrichtung der Stromschiene.
- 5 ist eine Draufsicht auf die Anordnung aus 1.
- 6 ist ein Schnitt durch eine Ebene quer zur Längsrichtung einer Stromschiene und illustriert, wie ein Winkelversatz bei bekannten Anordnungen zu Verschleiß führen kann.
- 7 zeigt ein Detail aus 6.
- 8 ist eine schematische Darstellung eines Gummielements zur elastischen Lagerung des Stromschuhs.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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6 und 7 zeigen die Situation bei bekannten Anordnungen. Eine Stromschiene 10 verläuft parallel zum Gleis, von dem nur eine der Schienen 12 dargestellt ist. Auf der Schiene 12 läuft ein Fahrzeug 14, von dem nur schematisch der Teil dargestellt ist, an dem ein Verbindungselement 16 angelenkt ist. Ein Stromabnehmer in Form eines Stromschuhs 18 (Gleitschuh) ist fest mit dem Verbindungselement 16 verbunden.
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Zwischen der Lauffläche 22 der Schiene 12 und der nach unten ragenden Kontaktfläche 20 der Stromschiene 10 besteht ein Höhenunterschied, der hier als ΔH1 bezeichnet ist. Das Verbindungselement 16 ist um eine Achse 24 drehbar an dem Fahrzeug 14 angelenkt, die im optimalen Fall auf der Höhe 26 der Kontaktfläche 20 der Stromschiene 10 liegt. In diesem Fall ist die Kontaktfläche des Stromschuhs auf gleicher Höhe 26 wie die Kontaktfläche 20. Eine auf das Verbindungselement 16 wirkende Federkraft drückt den Stromschuh 18 flächig gegen die Kontaktfläche 20.
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In der Praxis schwanken die Höhen von Stromschiene, Fahrzeug und Gleis. Dies führt zu unterschiedlichen Höhenunterschieden zwischen Stromschiene 10 und Gleis ΔH1 bzw. zwischen Stromschiene und dessen Kontaktfläche 20 und dem Fahrzeug mit der Achse 24 ΔH2. Beispielsweise kann ΔH1 etwas größer sein als der Sollwert. Dann liegt die Achse 24 um einen Höhenunterschied ΔH2 unterhalb der Kontaktfläche 20. Durch die Federkraft einer Feder (nicht dargestellt) kann das Verbindungselement 16 um die Achse 24 geschwenkt werden, so dass der Kontakt zwischen Stromschuh 18 und Kontaktfläche 20 weiterhin aufrecht erhalten bleibt. Dabei bestehen aber nur Linien- oder Punktkontakte.
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Es ist eine erfindungsgemäße Erkenntnis, dass der Verschleiß zumindest teilweise auf diese Schwankungen zurückzuführen ist. Anhand von 7 ist zu erkennen, dass die kontaktierte Fläche und die mechanischen Druckverhältnisse sich verändern, wenn sich der Höhenunterschied zur Achse 24 verändert. Die gestrichelt dargestellte Oberfläche 18 des Stromabnehmers weist einen Winkelversatz α gegenüber der Kontaktfläche 20 der Stromschiene 10 auf. Dadurch ist in einem Bereich 26 ein starker Anpressdruck mit starker Reibung hergestellt. Der Winkelversatz führt zu einer geringen Kontaktfläche mit Kontaktunterbrechungen und dem Zünden von Lichtbögen. Im Bereich 28 besteht hingegen kein Kontakt. Der Winkelversatz führt zu übermäßigem Verschleiß im Bereich 26 und keinem Verschleiß im Bereich 28. Entsprechend wird die Stromschiene ungleichmäßigem, schrägen Verschleiß ausgesetzt. Der elektrische Kontakt ist nicht optimal.
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Bei einem schräg an der Stromschiene anliegenden Stromschuh existieren ferner nur wenige Kontaktpunkte, die durch Lichtbögen sehr heiß werden. Durch die Hitze kann das Material bei der Stromentnahme oder Rückspeisung ausgeschmolzen und verspritzt werden. Hierdurch entsteht hoher Verschleiß. Die Kontaktflächen werden rauer.
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Insbesondere beim Einsatz von Aluminium-Verbundstromschienen besteht die Gefahr, dass die darin befindliche, relativ dünne Edelstahlauflage vollständig verschleißt. Dann besteht die Gefahr von Gewaltschäden.
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1 bis 5 zeigen ein Beispiel für ein Ausführungsbeispiel, mit dem ein großflächiger Kontakt zwischen Stromabnehmer und Stromschiene 10 herstellbar ist. Die Stromabnehmeranordnung ist allgemein mit 100 bezeichnet. Der Einfachheit halber sind das Schienenfahrzeug, Befestigungsmittel zur Befestigung am Fahrzeug, Federn zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung und eine hydraulische Steuerung nicht dargestellt.
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Die Stromabnehmeranordnung 100 umfasst einen Träger 102, welcher an dem Schienenfahrzeug befestigt ist. An den Träger 102 ist ein oberer Querlenker 104 und ein unterer Querlenker 106 um eine horizontale Längsachse angelenkt. Die Querlenker 104 und 106 bilden Verbindungselemente. Die Querlenker 104 und 106 sind um eine horizontale Achse, senkrecht zur Längsrichtung der Stromschiene drehbeweglich. Die Drehachsen 108 und 110 sind horizontal und liegen in einer gemeinsamen, vertikalen Ebene.
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Die Querlenker 104 und 106 haben eine im wesentlichen dreieckige Form. Es versteht sich, dass auch jede andere Form geeignet sein kann. An dem dem Träger 102 abgewandten, freien Ende der Querlenker ist jeweils ein Lager 108 bzw. 110 vorgesehen. In dem Lager 108 ist eine kurze Welle 116 um eine Achse 112 drehbar gelagert. In dem Lager 110 ist eine kurze Welle 118 um eine Achse 114 drehbar gelagert. Die Wellen 116 und 118 sind durch einen Verbinder 120 geführt. Der Verbinder 120 kann beispielsweise von einem U-Profil gebildet sein, dessen Schenkel mit Bohrungen versehen sind, durch welche die Wellen 116 und 118 geführt sind. Es ist aber auch möglich, einen massiven Verbinder zu verwenden. Die Wellen 116 und 118 sind mit Muttern gegen axiale Verschiebung in dem Lager gesichert. Alternativ sind die Wellen 116 und 118 an den Verbinder angeformt.
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Der Verbinder 120 ist stromschienenseitig mit einem Vorsprung 122 versehen. Auf dem Vorsprung 122 ist ein Stromschuhhalter 126 befestigt. Ein Gummielement 127 erlaubt eine geringfügige Neigung des Stromschuhs 124 bis zu einem Anschlag 129. 8 zeigt schematisch ein Gummielement 127. Das Gummielement 127 wird in eine Platte mit einer Bohrung eingesetzt. Ein Gummielement 127 ist in allen Richtungen beweglich. Die Verwendung von zwei Gummielementen, bewirkt, dass die Platte in einer Richtung gut und in der anderen Richtung nur begrenzt beweglich ist. Die Anschläge 129 verhindern eine übermäßige Beweglichkeit und das Ausleiern der Gummielemente 127. Die Gummielemente 127 werden in der Bohrung befestigt.
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Der Verbinder 120 bildet ein Ausgleichselement, welches eine Änderung des Winkels zwischen Verbindungselement 104 bzw. 106 und Stromschuh 124 ermöglicht. Der Verbinder 122 bleibt immer horizontal.
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4 illustriert die Funktionsweise des Verbinders 120 als Ausgleichselement. Wenn die Stromschiene im Vergleich zum Fahrzeug etwas höher liegt als der Sollwert, wird der obere Querlenker 104 in Richtung des Pfeils 130 durch die Kraft einer Feder nach oben bewegt. Der untere Querlenker 106 ist über den Verbinder 120 mit dem oberen Querlenker 104 verbunden. Der untere Querlenker 106 folgt also der Bewegung des oberen Querlenkers 104. Der Abstand der äußeren Enden 132 und 134 bleibt dabei gleich, wie an den gestrichelten Linien in 4 zu erkennen ist. Der Abstand entspricht der Höhe des Verbinders 120, an den sie angelenkt sind. Die Winkel zwischen Querlenkern und Verbinder 120 ändern sich, aber die Orientierung des Verbinders 120 bleibt vertikal. Entsprechend bleibt die räumliche Orientierung des Vorsprungs 122 und der Kontaktfläche 138 am Strom schuh erhalten.
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Mit der Anordnung wird erreicht, dass der Stromschuh 124 zwar geringfügig nach links in der Darstellung in Richtung des Fahrzeugs bewegt wird, aber weiterhin eine horizontale Kontaktfläche 138 aufweist. Dadurch wird ein flächiger, gleichmäßiger Kontakt mit nur geringem Verschleiß und guter elektrischer Kontaktierung erreicht.
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Die Querlenker 104 und 106 sind aus elektrisch isolierendem Material gefertigt. Es wird also kein Strom über die Querlenker abgeleitet. Hierfür sind zusätzliche Anschlüsse am Stromschuh vorgesehen, an welche die Zuleitungen zum elektrischen Netz des Fahrzeug angeschlossen sind.
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An dem erfindungsgemäßen Stromabnehmer können auch automatisch arbeitende Messysteme angebracht werden.
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Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Illustration der in den Ansprüchen beanspruchten Erfindung. Merkmale, welche gemeinsam mit anderen Merkmalen offenbart sind, können in der Regel auch alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen, die im Text oder in den Zeichnungen explizit oder implizit in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, verwendet werden. Maße und Größen sind nur beispielhaft angegeben. Dem Fachmann ergeben sich geeignete Bereiche aus seinem Fachwissen und brauchen hier daher nicht näher erläutert werden. Die Offenbarung einer konkreten Ausgestaltung eines Merkmals bedeutet nicht, dass die Erfindung auf diese konkrete Ausgestaltung beschränkt werden soll. Vielmehr kann ein solches Merkmal durch eine Vielzahl anderer, dem Fachmann geläufigen Ausgestaltungen verwirklicht werden. Die Erfindung kann daher nicht nur in Form der erläuterten Ausgestaltungen verwirklicht werden, sondern durch alle Ausgestaltungen, welche vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.
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Die Begriffe „oben“, „unten“, „rechts“ und „links“ beziehen sich ausschließlich auf die beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, dass beanspruchte Vorrichtungen auch eine andere Orientierung annehmen können. Der Begriff „enthaltend“ und der Begriff „umfassend“ bedeuten, dass weitere, nicht-genannte Komponenten vorgesehen sein können. Unter dem Begriff „im Wesentlichen“, „vorwiegend“ und „überwiegend“ fallen alle Merkmale, die eine Eigenschaft oder einen Gehalt mehrheitlich, d.h. mehr als alle anderen genannten Komponenten oder Eigenschaften des Merkmals aufweisen, also bei zwei Komponenten beispielsweise mehr als 50%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009056589 A1 [0004]
- DE 3536843 C2 [0004]
- CH 192961 A [0004]
- AT 400696 B [0004]
- DE 551782 [0004]
- DE 2730556 C2 [0004]
- DE 1219511 [0004]
- DE 1131259 [0004]
- DE 1256676 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 806-1 [0021]
- DIN EN 1717 [0021]
