DE102021209292A1 - Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung und Schienenfahrzeug umfassend eine derartige Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung und Schienenfahrzeug umfassend eine derartige Vorrichtung Download PDF

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Reiner Greber
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (4) zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen einem ersten Element (2) und einem relativ dazu bewegbaren zweiten Element (3) umfassend eine Rolle (40) aus einem stromleitenden Material, wobei die Rolle (40) um eine Achse (42) drehbar gelagert ist, und wobei zwischen der Rolle (40) und der Achse (42) ein Wälzlager (44) angeordnet ist und eine Energie- und/oder Signalübertragung über Wälzkörper (444) des Wälzlagers (44) erfolgt. Die Erfindung betrifft weiter ein Schienenfahrzeug und ein System umfassend eine derartige Vorrichtung (4).

Description

  • ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung und ein Schienenfahrzeug umfassend eine derartige Vorrichtung.
  • Die Vorrichtung dient insbesondere einer Energie- und/oder Signalübertragung zwischen einem ersten Element, beispielsweise einem feststehenden Element, und einem relativ zu dem ersten Element bewegten zweiten Element. Bei dem ersten Element handelt es sich beispielsweise um eine Schiene und bei dem zweiten Element um ein Schienenfahrzeug.
  • Aus EP 0 618 123 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit Laufrollen und mit einem auf dem Schienenfahrzeug angeordneten Gleichstrommotor bekannt, wobei mittels des Gleichstrommotors die Laufrollen antreibbar sind. Der Motor ist dabei mit Stromabnehmern in Form von Bürsten verbunden, die mit Stromschienen an der Schiene in einer Gleitverbindung stehen. Alternativ ist es aus DE 195 06 670 A1 bekannt, zur Übertragung des Stromes an ein Schienenfahrzeug eine Rolle aus stromleitendem Material an dem Schienenfahrzeug vorzusehen, wobei die Rolle drehbar zwischen zwei Lagerzungen, mit welchen sie in Gleitkontakt steht, gehalten ist.
  • AUFGABE UND LÖSUNG
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine wartungs - und verschleißarme Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen einem ersten Element und einem relativ dazu bewegbaren zweiten Element zu schaffen. Es sind weitere Aufgaben der Erfindung, ein Schienenfahrzeug und ein System mit einer derartigen Vorrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen einem ersten Element und einem relativ dazu bewegbaren zweiten Element geschaffen, welche eine Rolle aus einem stromleitenden Material und eine Achse umfasst, wobei die Rolle um die Achse drehbar gelagert ist. Die Vorrichtung umfasst ein zwischen der Rolle und der Achse angeordnetes ein Wälzlager, wobei eine Energie- und/oder Signalübertragung über Wälzkörper des Wälzlagers erfolgt.
  • Im Unterschied zu herkömmlichen Vorrichtungen erfolgt eine Energie- und/oder Signalübertragung nicht über einen schleifenden Kontakt, sondern über einen rollenden Kontakt an den Wälzkörpern.
  • Die Bauform des Wälzlagers ist je nach Anwendungsfall durch den Fachmann geeignet wählbar. Das Wälzlager ist in einer Ausgestaltung als Kugellager gestaltet. In anderen Ausgestaltungen ist ein Zylinderrollenlager vorgesehen. Die Gestaltung des Wälzlagers ist in einer Ausgestaltung einreihig, in anderen Ausgestaltungen sind mehrreihige Wälzlager vorgesehen.
  • Das Wälzlager weist in vorteilhaften Ausgestaltungen Lagerringe, insbesondere einen mit der Rolle verbundenen Außenring und einen mit der Achse verbundenen Innenring auf. In anderen Ausgestaltungen dienen die Rolle und/oder die Achse als Lagerring. In vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Achse einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf. In einer Ausgestaltung umfasst das Wälzlager einen mit der Achse verbundenen Innenring, wobei ein Kern des Innenrings und die Achse zueinander komplementäre, rotationssymmetrische oder nicht-rotationssymmetrische Querschnitte aufweisen. In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Wälzlager einen Innenring, wobei ein Kern des Innenrings und die Achse zueinander nicht komplementäre Querschnitte aufweisen, beispielsweise Querschnitte unterschiedlicher Durchmesser, und wobei zwischen dem Innenring und der Achse ein als Adapter fungierendes Zwischenelement, insbesondere eine Buchse vorgesehen ist.
  • Die Begriffe erstes Element und zweites Element dienen lediglich zur Unterscheidung und geben keine Reihenfolge der Elemente an.
  • Die Rolle rollt im Gebrauch an einem Gegenelement ab. Dabei ist in einer Ausgestaltung ein feststehendes Gegenelement vorgesehen, wobei die Rolle entlang des feststehenden Gegenelements abrollt. In anderen Ausgestaltungen ist die Vorrichtung an einem feststehenden Element angeordnet, wobei ein bewegtes Gegenelement entlang der Rolle geführt wird.
  • Die Rolle ist aus einem stromleitenden Material. Das stromleitende Material ist je nach Anwendungsfall geeignet durch den Fachmann wählbar. In Ausgestaltungen der Vorrichtung ist das stromleitende Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kupfer und Kupferlegierungen, Sintermetalle mit und ohne Zusätze, Edelstahl, Silber und/oder beschichtete Kunststoffe mit und ohne Zusätze gefertigt.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Aufhängung für die Achse mit einem Achshalter. In einer Ausgestaltung umfasst die Aufhängung ein auf den Achshalter wirkendes, den Achshalter in Richtung eines freien Endes zwingendes Kraftelement, insbesondere ein Federelement. Als freies Ende des Achshalters wird dabei ein in Gebrauch in Richtung eines Gegenelements weisendes Ende bezeichnet. Mittels des Kraftelements ist die Rolle somit im Gebrauch an ein Gegenelement, an welchem die Rolle abrollt, zwingbar. Dadurch wird ein Abheben der Rolle von dem Gegenelement und/oder ein Kontaktverlust zwischen den Wälzkörpern und den Lagerringen oder - sofern die Rolle oder die Achse als Lagerring fungieren - zwischen den Wälzkörpern und der Rolle und der Achse verhindert. Durch die mittels des Kraftelements auf das Vorrichtung im Gebrauch aufgebrachte Vorspannung wird so eine Unterbrechung der Energie- und/oder Signalübertragung aufgrund eines kurzfristigen Kontaktverlusts verhindert.
  • Die Begriffe „ein“, „eine“, „eines“ etc. werden im Zusammenhang mit der Anmeldung lediglich als unbestimmte Artikel und nicht als Zählwörter verwendet. Insbesondere umfasst die Aufhängung in einer Ausgestaltung mehr als ein Kraftelement.
  • Alternativ oder zusätzlich ist in einer Ausgestaltung in dem Wälzlager ein stromleitendes Medium, insbesondere eine Kupferpaste, vorgesehen. Mittels des stromleitenden Mediums kann eine Funkenbildung aufgrund eines kurzfristigen Kontaktverlusts in dem Wälzlager verhindert werden.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung ist ein in Radialrichtung vorgespanntes Wälzlager zwischen der Achse und der Rolle vorgesehen. Die Vorspannung in Radialrichtung ist dabei derart gewählt, dass ein Kontaktverlust zwischen den Wälzkörpern und den Lagerringen im Gebrauch verhindert ist.
  • In einer Ausgestaltung ist die Achse ebenfalls aus einem stromleitenden Material, wobei an der Achse eine Leitung für eine Energie- und/oder Signalübertragung angebracht. Die Leitung ist dabei in einer Ausgestaltung mit der Achse verschweißt, verlötet, verklebt und/oder verpresst. In anderen Ausgestaltungen ist eine lösbare Verbindung vorgesehen. In anderen Ausgestaltungen ist die Achse aus einem nichtleitenden Material, wobei die Leitung mit dem Lagerring und/oder mit einem mit dem Lagerring leitend verbundenen Zwischenelement, insbesondere einer zwischen dem Lagerring und der Achse angeordneten Buchse, angebracht ist.
  • Die Leitung ist in einer Ausgestaltung in den Achshalter der Aufhängung der Achse eingebettet. Dabei ist in einer Ausgestaltung ein Achshalter aus einem nichtleitfähigen Material vorgesehen, wobei in einer Ausgestaltung eine nicht ummantelte oder eingegossene Leitung vorgesehen ist. An einer Außenseite des Achshalters ist in einer Ausgestaltung eine Abschlussstelle für einen Stromabnehmer vorgesehen.
  • Das Wälzlager weist in einer Ausgestaltung in Axialrichtung eine Abdichtung aus einem nichtleitenden Material auf.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Schienenfahrzeug geschaffen, umfassend eine Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung mit einer Rolle aus einem stromleitenden Material, einer Achse und einem zwischen der Rolle und der Achse angeordneten Wälzlager, wobei die Rolle mittels des Wälzlagers um die Achse drehbar gelagert ist, und wobei eine Energie- und/oder Signalübertragung über Wälzkörper des Wälzlagers erfolgt. Die Rolle rollt im Gebrauch beispielsweise an einer Stromschiene ab, welcher an einer Schiene für das Schienenfahrzeug vorgesehen ist.
  • Wie erwähnt, werden die Begriffe „ein“, „eine“, „eines“ etc. im Zusammenhang mit der Anmeldung lediglich als unbestimmte Artikel und nicht als Zählwörter verwendet. Insbesondere weist das Schienenfahrzeug in einer Ausgestaltung für eine Energieübertragung zwei Vorrichtungen auf, welche mit zwei Phasen einer Stromversorgung verbindbar sind. In einer anderen Ausgestaltung dient das Vorrichtung einer Signalübertragung, wobei an dem Schienenfahrzeug nur eine Vorrichtung vorgesehen ist. In wieder anderen Ausgestaltungen ist eine paarweise Anordnung der Vorrichtung für eine unterbrechungsfreie Energie- oder Signalübertragung vorgesehen.
  • Das Schienenfahrzeug ist in einer Ausgestaltung ein fahrerloses Schienenfahrzeug.
  • Die Verwendung der Vorrichtung ist jedoch nicht auf den Einsatz in einem Schienenfahrzeug beschränkt und es sind zahlreiche Einsatzbereiche denkbar.
  • Gemäß einem dritten Aspekt wird ein System umfassend ein erstes Element, ein relativ dazu bewegbares zweites Element und eine Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element geschaffen.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das nachfolgend anhand der Figuren erläutert ist. Dabei zeigen:
    • 1 schematisch eine Draufsicht auf ein System umfassend ein feststehendes Element und ein relativ dazu bewegbares Element mit vier Vorrichtungen zur Energie- oder Signalübertragung und
    • 2 schematisch einen Ausschnitt des System gemäß 1 in einer teilweise freigeschnittenen Darstellung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein System 1 umfassend ein feststehendes Element 2 und ein relativ dazu bewegbares Element 3 mit vier Vorrichtungen 4 zur Energie- oder Signalübertragung zwischen dem feststehenden Element 2 und dem relativ dazu bewegbaren Element 3, wobei von den vier Vorrichtungen 4 in 1 nur zwei Vorrichtungen teilweise oder ganz verdeckt und daher nicht sichtbar sind. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des System 1 gemäß 1 in einer teilweise freigeschnittenen Darstellung.
  • Das dargestellte feststehende Element 2 ist eine Stromschiene und das relativ dazu bewegbare Element 3 ist ein nur abschnittsweise dargestelltes Schienenfahrzeug, welches in Längsrichtung der Stromschiene - wie schematisch durch einen Doppelpfeil angedeutet - bewegbar ist. Für eine Bewegung des Schienenfahrzeugs entlang der Stromschiene sind dabei in den Fig. nicht dargestellte Laufrollen vorgesehen.
  • Die Vorrichtungen 4 für eine Energieübertragung an das bewegbare Element 3 sind jeweils paarweise angeordnet, wobei jeweils zwei in Bewegungsrichtung des bewegbaren Element 3 versetzt angeordnete Vorrichtungen 4 mit einem Pol 51, 52 einer Anschlussbuchse 5 verbunden sind. Die Vorrichtungen 4 dienen jeweils der Energieübertragung zwischen dem als Stromschiene gestalteten feststehenden Element 2 und der Anschlussbuchse 5 an dem relativ zu der Stromschiene bewegbaren, als Schienenfahrzeug gestalteten zweiten Element 3, wobei durch die paarweise Anordnung eine unterbrechungsfreie Energieübertragung an die Pole 51, 52 der Anschlussbuchse 5 in Kurvenfahrten und/oder an Weichen des Schienenfahrzeugs sichergestellt ist. In anderen Ausgestaltungen sind für eine Energieübertragung nur zwei Vorrichtungen 4 vorgesehen, wobei auf eine paarweise Anordnung verzichtet wird.
  • Die Vorrichtungen 4 umfassend jeweils eine Rolle 40 aus einem stromleitenden Material, eine Achse 42 und ein zwischen der Rolle 40 und der Achse 42 angeordnetes Wälzlager 44 (s. 2), wobei die Rolle 40 mittels des Wälzlagers 44 um die Achse 42 drehbar gelagert ist und eine Energie- und/oder Signalübertragung von dem feststehenden Element 2 zu dem bewegbaren Element 3 über Wälzkörper 444 des Wälzlagers 44 erfolgt.
  • Das dargestellte Wälzlager 44 umfasst einen mit der Rolle 40 verbundenen Lagerring 440, auch als Außenring bezeichnet, und einen mit der Achse 42 verbundenen Lagerring 442, auch als Innenring bezeichnet. Zwischen der Achse 42 und dem Lagerring 442 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Buchse 43 vorgesehen. Die Achse 42 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser auf, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des Lagerrings 442, wobei die Buchse 43 als Adapter zwischen dem Lagerring 442 und der Achse 42 dient. In anderen Ausgestaltungen ist ein Innendurchmesser des Lagerrings 442 in etwa gleich einem Außendurchmesser der Achse 42, sodass eine Buchse 43 entfallen kann.
  • Zwischen den Lagerringen 440, 442 sind die Wälzkörper 444 angeordnet. Die schematisch dargestellten Wälzkörper 444 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugeln gestaltet. In anderen Ausgestaltungen sind andere Wälzkörper vorgesehen.
  • Wie in 1 erkennbar, weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Wälzlager 44 an ihren Stirnseiten jeweils eine Abdichtung 446 aus einem nichtleitenden Material auf.
  • Die Vorrichtung 4 umfasst weiter eine Aufhängung 46, mittels welcher die Achse 42 an einem Gehäuse 30 abgestützt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Aufhängung einen Achshalter 460, welcher beweglich auf einer fest mit dem Gehäuse 30 verbundenen Führungsstange 32 (vgl. 2) angeordnet ist. Die Führungsstange 32 erstreckt sich dabei quer, insbesondere senkrecht, zu einer Bewegungsrichtung des bewegbaren Elements 3, sodass der Achshalter 460 mit der Achse 42 und damit die auf der Achse 42 gelagerte Rolle 40 quer, insbesondere senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des bewegbaren Elements 3 verstellbar ist. Ein maximaler Verstellweg ist dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Anschläge 300, 302 an dem Gehäuse 30 begrenzt.
  • Die dargestellte Aufhängung 46 umfasst weiter ein auf den Achshalter 460 wirkendes Kraftelement, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Federelement 462 gestaltet ist, wobei der Achshalter 460 mittels des Federelements 462 in Richtung seines freien Endes gezwungen ist. Dadurch wird der Achshalter 460 und damit die Rolle 40 im Gebrauch in Richtung des feststehenden Elements 2 gezwungen, sodass ein Kontaktverlust zwischen der Rolle 40 und dem feststehenden Element 2 und somit eine Unterbrechung der Energie- und/oder Signalübertragung aufgrund eines kurzfristigen Kontaktverlusts verhindert wird.
  • 1 zeigt dabei schematisch die Achshalter 460 der zwei mit einem Pol 51 verbundenen Vorrichtungen 4 in zwei Maximalstellungen, wobei der in 1 links dargestellte Achshalter 460 in einer ersten Maximalstellung angeordnet ist, in welcher der Achshalter 460 entgegen einer Rückstellkraft des Federelements 462 in Richtung des Gehäuses 30 und so weg von dem feststehenden Element 2 bewegt ist. Der in 1 rechts dargestellte Achshalter 460 ist in einer zweiten Maximalstellung angeordnet, in welcher der Achshalter 460 aufgrund einer Rückstellkraft des Federelements 462 in Richtung weg von dem Gehäuse 30 und damit an das feststehenden Element 2 gezwungen ist. Ein Abstand zwischen dem feststehenden Element 2 und dem relativ dazu bewegbarem Element 3 ist dabei für eine bessere Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt. Im Gebrauch ist ein Abstand in Ausgestaltungen des Systems 1 derart gewählt, dass wenn die Rolle 40 das feststehende Element 2 kontaktiert, der Achshalter 460 zwischen der ersten und der zweiten Maximalstellung angeordnet ist.
  • Wie oben beschrieben, sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorrichtungen 4 paarweise angeordnet, wobei jeweils zwei Vorrichtungen 4 mit einem Pol 51, 52 einer Anschlussbuchse 5 verbunden sind. Die Achshalter 460 sind aus einem nichtleitenden, isolierenden Material. Die Vorrichtungen 4 umfassen zur Verbindung mit den Polen 51, 52 jeweils Leitungen 48, welche in den Achshaltern 460 eingebettet sind. Die Leitungen 48 sind mit den Achsen 42 elektrisch leitend und mechanisch verbunden. An Außenseiten der Achshalter 460 sind Anschlüsse für Leitungen 50 zu den Polen 51, 52 vorgesehen.
  • Das dargestellte System 1 umfassend ein als Schienenfahrzeug gestaltetes bewegbares Element 3 ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung der Vorrichtungen 4 in einem Schienenfahrzeug beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0618123 A1 [0003]
    • DE 19506670 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen einem ersten Element (2) und einem relativ dazu bewegbaren zweiten Element (3) umfassend eine Rolle (40) aus einem stromleitenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (40) um eine Achse (42) drehbar gelagert ist, wobei zwischen der Rolle (40) und der Achse (42) ein Wälzlager (44) angeordnet ist und eine Energie- und/oder Signalübertragung über Wälzkörper (444) des Wälzlagers (44) erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (40) aus einem stromleitenden Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kupfer und Kupferlegierungen, Sintermetalle mit und ohne Zusätze, Edelstahl, Silber und/oder beschichtete Kunststoffe mit und ohne Zusätze gefertigt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufhängung (46) für die Achse (42) vorgesehen ist, umfassend einen Achshalter (460) und ein auf den Achshalter (460) wirkendes, den Achshalter (460) in Richtung eines freien Endes zwingendes Kraftelement, insbesondere ein Federelement (462).
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wälzlager ein stromleitendes Medium, insbesondere eine Kupferpaste, vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Radialrichtung vorgespanntes Wälzlager vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Achse (42) eine Leitung (48) für eine Energie- und/oder Signalübertragung angebracht ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (48) in den Achshalter (460) eingebettet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (44) in Axialrichtung eine Abdichtung (446) aus einem nichtleitenden Material aufweist.
  9. Schienenfahrzeug umfassend eine Vorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Schienenfahrzeug und einem Gegenelement, insbesondere einer Stromschiene.
  10. System umfassend ein erstes Element (2), ein relativ dazu bewegbares zweites Element (3) und eine Vorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem ersten Element (2) und dem zweiten Element (3).
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