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Elektromotorischer Antrieb für Bahnfahrzeuge Bei schienengebundenen
Eisenbahnfahrzeugen ist es erforderlich, zwischen die Antriebskraftmaschine ünd
das Rad ein Übersetzungsgetriebe zu schalten, um die Antriebskraftmaschine mit möglichst
hoher Drehzahl laufen lassen zu können. Insbesondere bei Fahrzeugen, die durch Verbrennungskraftmaschinen
angetrieben werden, ist ein Stufenschaltgetriebe erforderlich, da die Verbrennungskraftmaschine
sonst nicht in der Lage ist, die im Eisenbahnbetrieb verlangten großen Zugkraft-und
Geschwindigkeitsunterschiede aufzubringen. Da die Verbrennungskraftmaschine erst
bei einer bestimmten Höhe der Drehzahl Leistung abgeben kann, muß zum Anfahren zwischen
diese und das Treibrad ein veränderliches Übersetzungsgetriebe geschaltet werden.
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Bei elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen, die entweder aus dem
Oberleitungsnetz oder einer dritten Schiene oder aus einem mittels Verbrennungskraftmaschine
angetriebenen Generator gespeist werden, kann man im allgemeinen auf ein umschaltbares
Übersetzungsgetriebe verzichten, weil der Elektromotor bzw. die Kombination von
Generator und Elektromotor von sich aus in der Lage ist, Drehzahl und Drehmoment
weitgehend den
erforderlichen Verhältnissen-anzupassen. So ist es
beispielsweise möglich, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bei konstanter Antriebsdrehzahl
der Verbrennungskraftmaschine zwischen Null und der Höchstgeschwindigkeit mit einer
konstanten übersetzung zu überbrücken und auch hierbei die Zugkraft im Verhältnis
von etwa i : 4 zu regeln. Mit diesen Möglichkeiten können im allgemeinen die Anforderungen
des Eisenbahnbetriebes befriedigt werden. Bei Schnelltriebwagen sind jedoch die
Anforderungen, die an die Elastizität der Kraftübertragung gestellt werden, bedeutend
gesteigert worden. So wird einerseits vom Fahrzeug eine Höchstgeschwindigkeit von
16o km/h und andererseits die Fähigkeit verlangt, alle Steigungen, die auf einem
Eisenbahnnetz auftreten, noch bewältigen zu können. Mit Rücksicht auf die hohe Fahrgeschwindigkeit
von 16o km/h müssen die Übersetzungsgetriebe zwischen den Fahrzeugmotoren und der
Achse so bemessen werden, daß die höchst zulässige Drehzahl der Antriebsmotoren
nicht überschritten wird. Man regelt dadurch kleine Übersetzungsv-erhältnisseezwischen
Motor und Achse. Sie bewegen sich, je nach der zulässigen Drehzahl,' zwischen 2,5
: i und 3 : i. Die größten Steigungen betragen jedoch etwa 25 bis 33°/0o auf Längen
zwischen io bis 30 km und sollen ebenfalls von Fahrzeugen bewältigt werden
können. Hierdurch wird es erforderlich, sowohl die Antriebsmotoren als auch bei
mit Verbrennungsmaschinen und Elektromotoren ausgerüsteten Fahrzeugen den hierfür
erforderlichen Generator sehr stark zu überlasten bzw. so groß zu bemessen, daß
die durch die starke Belastung bedingte Erwärmung noch in einigermaßen zulässigen
Grenzen bleibt. Wenn dann noch der im Eisenbahnbetrieb unvermeidliche Fall eintritt,
daß die Züge auf diesen-großen Steigungen wegen geschlossener Signale anhalten müssen
und wieder anfahren sollen, werden dieAnforgerungen an die Fahrmotoren und auch
an die Generatoren noch bedeutend erhöht. ganz abgesehen davon, daß die erreichbare
Anfahrbeschleunigung sehr klein wird, so daß dadurch erhebliche Fahrzeitüberschreitungen
eintreten. Die auftretenden Schwierigkeiten werden im Winter noch weiter erhöht,
da starker Schneefall den Fahrwiderstand der Fahrzeuge vergrößert.
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Alle dieseAnforderungen zwingen dazu. die eingebaute Maschinenleistung
so weit wie nur irgend möglich zu erhöhen. Man kann diese Leistung jedoch nur stellenweise
voll ausnutzen. da bei Fahrt in der Ebene die Anforderungen bei weitem nicht so
groß sind wie in den genannten Steigungsstrecken. Die thermische Überlastung der
Motoren und Generatoren ist jedoch in solchen Fällen derart, daß sie unter ungünstigen
Verhältnissen zu Betriebsstörungen führen kann. Außerdem lassen -sich die ungünstigen
Anfahreigenschaften auch durch noch so groß bemessene Motoren und Generatoren nur
unwesentlich verbessern.
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Nun sind zwar schon elektrische Antriebe für Bahnfahrzeuge bekannt,
bei denen zur Kraftübertragung Zahnräderwechselgetriebe vorgesehen sind. Bei diesen
bekannten Ausführungen nehmen jedoch die Schaltgetriebe einen derart großen Raum
ein, daß sie bei der heute notwendigen Verwendung starker Bahnmotoren unmöglich
zum Einbau kommen können. ES nimmt bei einer der bekannten Anordnungen das Schaltgetriebe
einschließlich Kupplung bereits die Hälfte der Spurweite ein, während bei einer
anderen Ausführung das Schaltgetriebe in seiner Ausdehnung sogar die ganze Spurweite
benötigt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen
Antrieb für Bahnfahrzeuge mittels eines zweistufigen Schaltgetriebes die Einrichtung
so zu treffen, daß bei geringstem Platzverbrauch zwischen dem Radsatz die heute
geforderte Bahnmotorenleistung noch untergebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Anwendung von zwei wechselseitig im Eingriff
stehenden Kupplungen die Leistung in der einen Stufe von der einen und in der anderen
Stufe von der anderen Motorseite abgenommen wird.
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Hierbei ist im einzelnen die Einrichtung so getroffen, daß in der
einen Stufe der Antrieb von einem auf dem einen Wellenstumpf fest angeordneten Ritzel
auf eine Blindwelle und von dieser über ein lose auf dem anderen Wellenstumpf sitzendes,
aber mit diesem kuppelbares Zwischenrad auf die Treibachse erfolgt, während in der
anderen Stufe, nach Lösen einer Kupplung in dem Antrieb über die Blindwelle, der
Antrieb von dem dann mit dem anderen Wellenstumpf gekuppelten Zwischenrad auf die
Treibachse bewirkt wird.
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Nach der Erfindung ist das mit dem kuppelbaren Ritzel bzw. Zwischenrad
kämmende, auf der Blindwelle sitzende Zahnrad mit dieser über eine Kupplung lösbar
verbunden.
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Vorzugsweise ist die Einrichtung ferner so getroffen, daß das kuppelbare
Ritzel bzw. Zwischenrad auf Wälzlagern läuft, die am Umfang verteilt auf einer mit
dem llotorgehäusedeckel verbundenen Nabe angeordnet sind.
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Die Blindwelle ist hierbei erfindungsgemäß in dem :Motorrahmen gelagert
und zusammen mit dem Motor in Tatzlageranordnung aufgehängt.
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Die wechselseitige Kupplung der beiden Antriebsstufen erfolgt über
einen 1Tockenschalter. Dabei wird heim Umschalten von der
einen
anker in mittels. die=äüdere einer Bremse Antriebsstufe' bzw. durch der-Motor- Wiedereinschalten
der elektrischen - Leistung auf solche Drehzahl -gebracht, daß die beiden zu kuppelnden
Teile synchron laufen.
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An Hand der Zeichnung seien der Aufbau der erfundenen Anordnung in
den Fig. i bis 3 und die . Wirkungsweise dieser Anordnung durch das Schaltungsschema
der Fig. q. näher erläutert.
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Wie aus den. Fig. i und 2 hervorgeht, liegt der .Elektromotor in normaler
Tatzenlageraufhängung auf der Treibachse. Um eine zweite Übersetzungsstufe zu erhalten,
ist auf der Seite, an der die Federaufhängung angebracht ist, eine Zwischenwelle
i vorgesehen. Sie trägt auf ihren Enden Zahnräder, deren eines, 2, fest aufgekeilt
und deren .anderes, 3, in Gleitlagern q. auf der Welle lose angeordnet ist. Die
Zwischenwelle i selbsf ist gleitend an angegossenen Teilen 5 des Motorgehäuses gelagert,
das in Tatzenlagern auf der Treibachse 6 abgestützt ist. Die Kraftübertragung vom
Motor 7 erfolgt einerseits auf das Rad :2 mittels eines normalen Ritzels 8 und andererseits
auf das Achszahnrad 9 mittels eines auf Wälzlagern io laufenden Zwischenrades i
i, das in gekuppeltem Zustand ala treibendes Ritzel arbeitet. Die Wälzlager io sind
am Umfang verteilt auf einer mit dem Gehäusedeckel verbundenen Nabe 1ä angeordnet.
Dieses Zwischenrad i i, das lose auf der Zwischenwelle i gelagerte Rad 3 und das
Achszahnrad 9. sind im dauernden Eingriff; das gleiche gilt für das Zahnrad 2 und
das fest . aufgekeilte . Ritzel 8 des Motors 7. Der aridere Wellenstumpf 13 des
.Motors @ ist mit Längsnuten versehen, auf denen eine verzahnte Kupplungsmuffe 14.
axial verschiebbar«ist; Sie besitzt eine weitere Verzahnung 15, die in eine entsprechende
Verzahnung-16 des .auf Wälzlagern laufenden Zwischenrades i i eingreifen kann, sobald
die Kupplungsmuffe 14 in den Nuten des Achsstumpfes 13 zum Motor 7 hin verschoben
wird. Die Verzahnungen 15 und 16 weisen am Umfang die bekannten. Abschrägungen auf,
so daß sie nur bei Drehzahlgleichheit in Eingriff kommen können. Eine ähnliche Anordnung
ist für die Zwischenwelle i am Zahnrad 3 vorhanden. Der Stumpf 17 dieser Zwischenwelle
i, der .das Zahnrad 3. durchgreift und es überragt, ist ebenfalls mit Nuten 18 ausgestattet,
auf denen eine weitere Kupplungsmuffe 19 axial verschiebbar angeordnet ist. Auch
diese Muffe besitzt eine Verzahnung 2o, die in entsprechende Zähne des Rades 3 eingreifen
kann und ähnlich den Verzahnungen 15, 16 ausgebildet ist. Die gesamte. Anordnung
einschließlich der Zwischenwelle i ist an den Bock .5 und mittels Federn am Drehgestell
in der üblichen Ausführung befestigt und. stützt sich auf die Treibachse 6 ab.'
Der Antrieb weicht mithin mechanisch in bezug auf die Aufhängung in keiner--Weise
von dem bisher üblichen Tatzlagermotorantrieb ab.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wenn die Kupplungsmuffe i9 mit dem
Zahnrad 3 im Eingriff steht, ist die Kupplungsmuffe 14 ausgeschaltet, d. h. die
Verzahnungen 15 und 16 sind außer Eingriff. Dieser Betriebszustand ist in der Fig.
i dargestellt. Der Motoranker treibt daher über das fest gekeilte Ritzel 8, das
Zahnrad 2, die Zwischenwelle i, die Kupplungsmuffe i9, deren Verzahnung und das
Zahnrad 3, das Zwischenrad i i und das Achszahnrad 9 die Treibachse an. Durch passende
Wahl der Raddurchmesser bzw. der Zähnezahl ist im-vorliegenden Fall ein Übersetzungsverhältnis
von 4,5 : i erreicht worden, das für schwere Belastung des Fahrmotors auf Steigungen
vorgesehen ist.
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Sobald die Kupplungsmuffe i9 außer Eingriff gebracht ist, wird die
Kupplungsmuffe 14 eingeschaltet, d. h. die Verzahnungen 15 und 16 dienen nunmehr
zur Kraftübertragung. Durch diese Maßnahme treibt der Motoranker über seinen genuteten
Wellenstumpf 13, die Kupplungsmuffe 1.1, deren Verzahnung und das nun als treibendes
Rad arbeitende Zwischenrad i i das Achszahnrad 9 an. Das Zahnrad 3 läuft frei mit.
Ebenso läuft die Zwischenwelle i über das fest aüfgekeilte Ritzel 8 und das Zahnrad
2 ,mit der durch die Zähnezahlen gegebenen Drehzahl frei mit. Die kraftübertragung
jedoch erfolgt in diesem Fall vom Motoranker über -das Zwischenrad i i auf die Treibachse
6, Im vorliegenden Fall ist das Übersetzungsverhältnis auf 2,23 : i festgelegt worden
und für Schnellfahrt bemessen.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Anordnung der Zwischenwelle
i und in der Möglichkeit, eine ganz normale Tätzenlagerung zu verwenden, wobei das
vorgesehene. Geschwindigkeitswechselgetriebe sämtliche Bewegungen des Motors mitmacht
und daher dauernd ein gleich guter Zahneingriff gewährleistet ist. Die beiden Kupplungsmuffen
14 und 19 werden mittels einer besonderen Vorrichtung so gesteuert, daß nur immer
eine Kupplungsmuffe im Eingriff sein kann. Es sind also zwei Ruhestellungen der
Kupplungsmuffen vorhanden. -Die Steuerung der beiden Kupplungsmuffen und damit die
Umschaltung der Übersetzungen erfolgt mittels eines Kupplungsnockenschalters, der
mit verschiedenen Steuernocken ausgerüstet ist. Die Wirkungsweise dieser Steuerung
geht aus der Fig. 4. hervor. Das Wesentliche bei der Umschaltung ist folgendes Es
sei angenommen, daß die. große Übersetzung für kleine Geschwindigkeiten ausgeschaltet
ist und mit der kleinen Übersetzung
gefahren wird. Zu diesem Zweck
hat der Fahrer seinen U msteuerschalter im Führerstand auf der Stellung E (Ebene)
stehen. Wenn nun eine größere Steigung zu erwarten ist, muß die t-bersetzungsstufe
für Bergfahrt eingeschaltet werden. Der Fahrer legt also seinen Umsteuerschalter
zunächst auf die Stellung L (Lösen). Durch Aufleuchten einer grünen Signallampe
wird angedeutet, daß nunmehr der Umschalter auf die gewünschte Stellung B (Berg)
gelegt werden kann. Während dieser zwei Schaltvorgänge vollzieht sich im Getriebe
folgendes: Zunächst ist. solange der Umsteuerschalter auf der Stellung E (Ebene)
liegt, das elektromagnetisch betätigte Kupplungsventil KIe für die Ebene über den
N ockenschalter Sbv eingeschaltet. Bei der Umlegung des Schalters auf L (Lösen)
wird die Zugspule des Kupplungsventils KT -e abgeschaltet. Die Rückholfeder beginnt,
die Klauenkupplung »Ebene<, außer Eingriff zu bringen, nachdem die durch Ansprechen
des Hilfsschützes verursachte Leistungsabschaltung erfolgt ist. Nachbeendigtem Lösehub,
also bei vollständig ausgekuppelter Klauenkupplung »Ebene« leuchtet über den ockenschalter
die grüne Signallampe auf, und gleichzeitig schaltet der Nockenschalter Sev ein.
Durch Kurzschließen des Erregerschützes für den Generator kann erst die Kupplung
E (Ebene) gelöst werden. Da nunmehr aber die Drehzahl des Fahrmotors für den großen
Übersetzungsgang viel zu gering ist, muß gleichzeitig nach Lösen der Kupplung ein
kurzer Spannungsimpuls auf den Motor gegeben werden, der nun, da er entlastet ist,
schnell hochlaufen kann. Sobald die Drehzahlen der Klauen der Kupplung B (Berg)
einigermaßen synchron laufen, kann diese Kupplung durch das Kupplungsventil eingerückt
werden. Kurz vorher muß die Spannung vom Motor wieder weggenommen werden, was durch
Öffnen des Erregerschützes geschieht. Sobald die Kupplung eingerückt ist, muß wiederum
die volle Leistung auf den Fahrmotor kommen. Diese ganzen Vorgänge werden durch
den Nocken-Schalter selbsttätig ausgeführt.
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Wird der Umsteuerschalter auf die Stellung B (Berg) gelegt, so wird
das Hilfsschütz EK abgeschaltet und damit die Leistungsunterbrechung aufgehoben.
Gleichzeitig j erlischt die grüne Signallampe, und es werden zu Beginn des Kuppelhubes
das Kupplungsventil Kl'b über den Nockenschalter Sev sowie das Hilfsschütz
Elf' zwecks Erhaltung einer geschwächten Erregung über den Nockenschalter
SbEff' in Tätigkeit gesetzt. Die Klauenkupplung B (Berg) wird nun in Eingriff gebracht.
Sobald die Klauen gefaßt haben, wird über den Nockenschalter SbEW ;
das Hilfsschütz
EW abgeschaltet und über NockenschalterSe das Hilfsschütz EK zwecks Leistungsabschaltung
in Tätigkeit gesetzt. Dieses Hilfsschütz wird kurz vor Ende des Kupplungshubes wieder
ausgeschaltet. Nach vollständig beendigtem Kuppelhub leuchtet über den Nockenschalter
bsg eine gelbe Signallampe auf.
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Beim Umschalten von der B-Stellung auf die E-Stellung sind etwas andere
Vorgänge erforderlich. Es muh zunächst wiederum die Leistung vom Fahrmotor weggenommen
werden, «-as durch Kurzschließen des Erregerschützes geschieht. Sodann kann die
B-Kupplung auslösen, und die E-Kupplung versucht, in Eingriff zu kommen. Dies ist
jedoch nicht möglich, da die Drehzahl des Motors gegenüber dem Achszahnrad viel
zu hoch ist. Es muß deshalb zunächst eine Bremse betätigt werden, die den Anker
des Fahrmotors abbremst. Sobald die Drehzahlen an den Klauen scuchron geworden sind,
kann das Kupplungsventil KI 'e die Kupplung E einschalten. Wenn die Klauen
gefaßt haben, wird die Bremse wieder abgeschaltet und die Leistung elektrisch zugeschaltet.
Die Betätigung der Kupplungen erfolgt im vorliegenden Fall mittels Druckluft. Es
ist jedoch auch möglich, eine direkte, auf elektrischem «Fege betätigte Steuerung
zu verwenden.
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Mit der vorstehend beschriebenen Umschaltmöglichkeit können erheblich
höhere Zugkräfte im Dauerbetrieb aufgebracht werden, als sie mit einer starren Übersetzung
für eine bestimmte Höchstgeschwindigkeit erreichbar sind.
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Da ein nach der Erfindung elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug
ohne Überschreitung seiner Höchstdrehzahl mit der höheren Übersetzung bis etwa go
km/h betrieben werden kann, ist es auch möglich, einen Kurzstreckenverkehr mit einem
Schnellfahrzeug aufrechtzuerhalten, da in allen Fällen eine große Anfahrbeschleunigung
verfügbar ist und somit kurze Haltestellenabstände mit verhältnismäßig hoher mittlerer
Geschwindigkeit durchfahren werden können. Die Beanspruchung der Motoren hält sich
dagegen in den normalen Grenzen und wird praktisch nicht viel höher sein, als wenn
das Fahrzeug im Langstreckenverkehr mit mehr oder weniger gleichbleibender Höchstgeschwindigkeit
eingesetzt wird. Bereits mit zwei Übersetzungsstufen würde ein derartig angetriebenes
Fahrzeug im Eisen-Bahnbetrieb allen Anforderungen gerecht und somit bezüglich der
elektrischen Ausrüstung sowohl Schnellfahrten als auch große Steigungen bewältigen.
Dabei ist es durchaus möglich, mit den eingebauten Maschinengrößen in erträglichen
Grenzen zu bleiben, ohne eine Gewichtsvermehrung hervorzurufen. Wesentlich ist jedoch
die ganz bedeutende Leistungssteigerung in jeder Hinsicht mit praktisch
derselben
Maschinengröße, als wenn nur ein einziges Übersetzungsverhältnis eingebaut wäre.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich die Steuervorrichtung nicht nur für einen
einzigen Triebwagen eignet, sondern auch auf Zugbetrieb umgestellt werden kann.