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Die Erfindung betrifft einen Direktantrieb eines Radsatzes eines Triebfahrzeugs.
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Es gibt mehrere dynamische Belastungen der mechanischen Antriebskomponenten von Triebfahrzeugen. Für die mechanische Festigkeitsauslegung relevante Belastungen der Antriebskomponenten sind neben den Schwingungsanregungen aus dem Rad-Schiene-Kontakt, z. B. aus Gleislageabweichungen und der Fahrmotorstoßkurzschluss als Störfall, insbesondere Ratterschwingungen.
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Ratterschwingungen treten bei Hochleistungslokomotiven u. a. bei schlechten Witterungsverhältnissen und Kraftschlusshochausnutzung auf, die für Hochleistungslokomotiven mit hohen Zugkräften pro Radsatz kennzeichnend sind. Sie führen zu hoher Komponentenbelastung und damit auch zur Einschränkung der Zugkraftübertragung, da dann das Fahrmotormoment bei hohen Schwingungsamplituden zu reduzieren ist. Für das Auftreten der Ratterschwingungen ist die entdämpfende Wirkung des Rad-Schiene-Kraftschlusses verantwortlich, die durch das Erreichen der instabilen Region in einer Kraftschlusscharakteristik eintritt.
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Ratterschwingungen sind die Folge der Entdämpfung bei denen meist die beiden Räder eines Radsatzes gegenphasig zu Schwingen beginnen und die Radsatzwelle mit hohem Drehmomentamplituden verspannen. Deren Amplituden sind u. a. von der vorhandenen Restdämpfung vom rotierenden Antriebsstrang abhängig. Dieser wird je nach relativer Lage seiner Anbindung bzw. mechanischen Kopplung an den Radsatz, z. B. über eine Kupplung oder ein Getriebegroßrad zum Schwingungsknoten in der Radsatzwelle an den Ratterschwingungen beteiligt. Diese Ratterschwingungen können durch Überdimensionierung der Bauteile kompensiert werden. Dies führt aber zu Nachteilen bei der insgesamt zu beschleunigenden Masse, bei den Kosten und dem Bauraum.
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Andere Möglichkeiten Ratterschwingungen zu unterbinden wäre der Einsatz von zusätzlichen Schwingungstilgern, die aber kosten- und wartungsintensiv sind und/oder ein aktiver Ratterschutz, d. h. Abregeln des Fahrmotormoments beim Aufklingen von Ratterschwingungen und damit zu einer Einschränkung der Kraftschlusshochausnutzung führt, einstellt.
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Der Ratterschutz würde bei einem symmetrisch rotierenden Antriebsstrang eines Direktantriebs einen Drehzahlgeber erfordern, der die Ratterschwingungen detektiert, da Ratterschwingungen nicht im Strom des Fahrmotors abgebildet werden.
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Aus der
GB 203 210 A ist ein Direktantrieb einer Radsatzwelle mittels eines Kommutatormotors bekannt.
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Aus der
AT 158 670 B ist eine Einrichtung zur Verhütung von Schwingungen bei Einzelachsantrieben mit in Tatzlageraufhängungen an den angetriebenen Achsen angeordneten Wechselstrommotoren bekannt.
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Aus der
DE 31 35 359 C2 ist ein Schrittmotor bekannt, bei dem ein Motorgehäuse eine erste und zweite Endkappe sowie einen zwischen den Endkappen angeordneten Stator aufweist.
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Ausgehend davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Direktantrieb zu schaffen, der Ratterschwingungen verhindert oder zumindest maßgeblich verringert.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind unter anderem den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Durch die erfindungsgemäße unsymmetrische torsionssteife Ankupplung des Rotors mit einem starren vorzugsweisen metallischen Kopplungselement an die Radsatzwelle außerhalb des Schwingungsknotens wird nunmehr bei Ratterschwingungen der Rotor mit ausgelenkt. Der Rotor nimmt somit an der Schwingung teil. Die bei der Ratterschwingung vorhanden Torsionsmomente werden durch die unsymmetrische Ankopplung der Radsatzwelle an den Rotor und das Einbringen von vorteilhafter Weise dämpfenden Gummielementen in den Antriebsstrang vermindert. Dies führt zu einer deutlichen Entlastung der Radsatzwelle, wobei gleichzeitig der Rotor bzw. dessen im Wesentlichen zylinderförmige Tragkonstruktion von Torsionsmomenten weitgehend entlastet wird, da er nunmehr nicht mehr im Momentenfluss zwischen den Rädern dieser Radsatzwelle liegt. Maßgebend hierbei ist Torsionssteifigkeit der einen starren Kopplung.
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Da der Rotor bei dieser Ankopplungsart bei Ratterschwingungen eine Auslenkung erfährt, können diese nun über den Fahrmotorstrom detektiert und somit auch aktiv bedämpft werden.
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Des Weiteren wird durch die zweite Kopplung, die als weiteres Kopplungselement ausgeführt ist, in axialer Richtung eine abgeschwächte Form eines Festloslagers des Rotors realisiert, die das zylindrische Rohr bzw. die Tragkonstruktion des Rotors bei Erwärmung von axialen Eigenspannungen entlastet.
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Wird die andere mechanische Kopplung biegeweich ausgeführt, so erfährt der Rotor auch keine Durchbiegung infolge von Kräften aus dem Radschienekontakt und der Primärfesselung mehr die er ansonsten durch eine Aussteifung der Radsatzwelle, der Läufer ist dann ein Teil der Radsatzwelle, ertragen muss.
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Durch die erfindungsgemäße unsymmetrische Ankopplung des Rotors eines ungefederten oder halbgefederten Direktantriebs würde der gesamte rotierende Antriebsstrang Radsatzwelle und Rotor von Ratterschwingungen Wärmeeigenspannungen und bei erfindungsgemäßer metallischer Kopplungen auch von Biegemomenten deutlich entlastet. Des Weiteren werden die Torsionsmomente in der Radsatzwelle reduziert.
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Die Detektion von Ratterschwingungen wird erleichtert und es wird eine aktive Bedämpfung z. B. über die Stromsteuerung ermöglicht.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
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1, 2 Längsschnitt eines Direktantriebs,
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3 Querschnitt eines Direktantriebs,
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4, 5 Querschnitt eines Kopplungselements
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6 eine prinzipielle Darstellung eines Triebfahrzeugs,
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6 zeigt in prinzipieller Darstellung ein Triebfahrzeug 100, das über einen Stromabnehmer 101 elektrische Energie u. a. zum Antrieb aufnimmt. Das Triebfahrzeug 100 beschleunigt, bremst, fährt und steht im Normaletrieb auf einem Gleis 102. Das beispielhafte Triebfahrzeug 100 weist zwei Drehgestelle 103, mit jeweils zwei Radsätzen 104 auf.
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Im Betrieb von Triebfahrzeugen treten u. a. Ratterschwingungen auf. Ratterschwingungen sind die Folge der Entdämpfung bei denen meist die beiden Räder 105 eines Radsatzes 104 gegenphasig zu Schwingen beginnen und die Radsatzwelle 11 mit hohem Drehmomentamplituden verspannen.
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2 zeigt einen Längsschnitt eines Direktantriebs eines Radsatzes 104 mit einer Radsatzwelle 11 und an den axialen Enden dieser Radsatzwelle 11 befindlichen Rädern 105. Die Radsatzwelle 11 ist über Lager 117 an einem schematisch dargestellten Gehäuse 1 des Direktantriebs gelagert. In Längsrichtung und für Bewegungen um seine Hochachse wird der Direktantrieb des Radsatzes 104 über elastische oder starre Lenker 109 von den Fahrwerklängsträgern 30 geführt. Der Direktantrieb weist einen Stator 2 mit einem Wicklungssystem auf, dass an den Stirnseiten des Stators 2 Wickelköpfe 4 ausbildet. Durch einen Luftspalt 21 vom Stator 2 getrennt, befindet sich der Rotor 5, der mittels einer im Wesentlichen zylindrischen Tragkonstruktion 115 mit der Radsatzwelle 11 mechanisch gekoppelt ist. An den jeweiligen Stirnseiten des Rotors 5 befindet sich zum einen ein mechanisch starres Kopplungselement 10 und auf der anderen Seiten ein zu diesem starren Kopplungselement 10 unsymmetrisches Kopplungselement 20. Dieses nicht starre Kopplungselement 20 kann über Gummielemente oder andere unsymmetrische mechanische Ankopplungselemente erfolgen.
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3 zeigt in einem Querschnitt den Direktantrieb, der den Stator 2 mit seinen Nuten 120 in einem Gehäuse 1 zeigt. Der Rotor 5 ist über mechanische Kopplungen mit der Radsatzwelle 11 verbunden. Die Permanentmagnete 7 sind vorzugsweise an der Oberfläche einer Stahlhohlwelle 115 angeordnet. Auf das Gehäuse 1 des Stators 2 bzw. des Lagers stützen sich in vertikaler Richtung die nicht näher dargestellten Fahrwerklängsträger 30 über eine Primärfederung 118 ab. Des Weiteren sind im Gehäuse 1 Kühlkanäle 13 vorgesehen, die zur Kühlung des Stators 2 dienen. Das Blechpaket 3 des Stators 2 zeigt die allgemein übliche Nutzahngeometrie. Es kann insbesondere auch das Blechpaket 3 mit axialen Kühlkanälen 13 versehen sein, durch die vorzugsweise Luft hindurchströmt. Der Rotor 5 eines derartigen Direktantriebs weist Permanentmagnete 7 auf, die als Oberflächenmagnete gekrümmt oder quaderförmig ausgeführt sind und durch geeignete Bandagen an der Stahlhohlwelle 115 fixiert sind.
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Die 1 zeigt eine weitere prinzipielle Ankopplung eines Direktantriebs an eine Radsatzwelle 11 mit nicht näher dargestellten Rädern 105. Der Direktantrieb ist in einem Gehäuse 1 untergebracht, das einen Stator 2 aufweist, der aus, wie prinzipiell dargestellt, geschichteten Blechpaket 3 gebildet ist. An den Stirnseiten des Blechpakets 3 ragt jeweils ein Wickelkopf 4 axial hervor. Des Weiteren weist der Direktantrieb einen Rotor 5 auf, der durch einen Luftspalt 6 vom Stator 2 beabstandet ist. Der Rotor 5 weist nicht näher dargestellte Permanentmagnete 7 auf, die an der Oberfläche des Rotors 5 durch geeignete Vorrichtungen, wie z. B. Bandagen fixiert sind. Der Rotor 5 selbst ist durch ein Kopplungselement 10 direkt z. B. über eine Schrumpfung eines Elements 130 mit der Radsatzwelle 11 verbunden. An der anderen Seite des Rotors 5 ist ein Kopplungselement 20 an die Radsatzwelle 11 über ein Gummiteil vorgesehen.
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Das Kopplungselement 10 dient zur axialen (y) und radialen (x, z) Führung. Des Weiteren ist das Kopplungselement 10 torsionssteif bezüglich der Y-Achse und biegeweich in Richtung der X- und Z-Achse. Das Kopplungselement 20 dient der radialen (x, z) Führung. Es ist torsionsweich in Y-Richtung und biegeweich in die X- und Z-Richtung ausgebildet.
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Eine weitere Möglichkeit für eine unsymmetrische Ankopplung der Radsatzwelle 11 mit der Tragkonstruktion des Rotors 5 liegt in der Gestaltung der Anbindung des Kopplungselements 20. Das Kopplungselement 20 ist dabei zwar metallisch ausgeführt aber gegenüber dem Kopplungselement 10 z. B. aus einem anderen Material, anderen Materialdicken oder anderer geometrischer Gestaltung wie z. B. in 4 oder 5 dargestellt.
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Das Kopplungselement 20 weist über Speicher 131 eine Kopplung zwischen dem Element 130, das drehfest mit der Welle 11 verbunden sind, und dem Rotor 5 auf. Damit stellt sich wieder eine unsymmetrische Ankopplung ein.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung eines Direktantriebs ist auch auf weitere Antriebsarten von Triebfahrzeugen 100 übertragbar, wie z. B. dieselelektrische Triebfahrzeuge 100 oder Triebfahrzeuge 100 mit Brennstoffzellenantrieb.
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Des Weiteren eignet sich die Erfindung auch für Drehgestelle 103 mit jeweils z. B. drei oder vier Radsätzen 104.
