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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Bewegen eines Einschienenbahnfahrzeugs auf einer flexiblen Schiene.
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Aus der
DE 932 023 B ist eine Energiespeicheranordnung für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb unter Verwendung eines Schwungrades bekannt, bei der sowohl das Schwungrad als auch die elektrische Maschine als eine mechanische Einheit in einem gemeinsamen, geschlossenen Gehäuse untergebracht sind, das ein gasförmiges Medium enthält, welches leichter als Luft ist.
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Aus der
US 6 510 799 B2 ist ein System für die magnetisch schwebende Bewegung eines Objekts bekannt, bei der ein Gleis wenigstens ein Paar von zueinander beabstandeten Tragschienen mit an der Oberseite angeordneten Permanentmagneten und wenigstens eine Antriebsschiene aufweist und ein bewegliches Objekt an seiner Unterseite wenigstens ein Paar von mit den Tragschienen ausgerichteten Gegenschienen hat, wobei die Gegenschienen Permanentmagnete tragen, die in Gebrauchsstellung eine zu den Permanentmagneten der Tragschienen entgegengesetzte Polarität aufweisen.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2006 049 588 A1 ist ein Transportsystem bekannt, wobei die Fahrzeuge jeweils genau einen starren Rahmen mit genau einer Schwungscheibe aufweisen und die Schienen zwischen Stützen zusätzlich stabilisiert sind.
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Aus
DE 26 39 826 A1 ist eine zu Belustigungszwecken dienende Einschienenbahn bekannt.
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Aus
DE 244 182 A ist eine Vorrichtung zum selbsttätigen Balancieren von Einschienenwagen und anderen labil gestützten Systemen bekannt.
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Aus
DE 26 57 187 C3 ist eine Kreiselvorrichtung, insbesondere zum Stabilisieren von Fahrzeugen, bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einschienenbahn-Anlage weiterzubilden, wobei die Fertigungskosten reduziert sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zum Bewegen eines Einschienenbahnfahrzeugs auf einer flexiblen Schiene nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Insbesondere kann die Verwendung eines Wagens für eine Einschienenbahn-Anlage vorgesehen sein, bei dem eine Scheibe, insbesondere Schwungscheibe, und mindestens ein Stützrad vorgesehen sind, wobei die Achse der Scheibe windschief zur Achse des mindestens einen Stützrads liegt oder die Achse des mindestens einen Stützrads transversal schneidet. Unter windschief wird in dieser Schrift die Lage zweier Geraden im dreidimensionalen Raum verstanden, die nicht parallel verlaufen und sich nicht schneiden. Unter transversal schneidend wird in dieser Schrift die Lage zweier Geraden verstanden, die sich schneiden und nicht parallel verlaufen. Von Vorteil ist dabei, dass eine seitliche Auslenkung der Schiene zulässig ist, weil jeder Wagen der Anlage diese Auslenkungen durch den Drehimpuls der Schwungscheibe ausgleichen kann. Die Schiene kann daher mit einer erhöhten Flexibilität ausgebildet werden. Insbesondere sind die Aufhängungen oder Abstützungen der Schiene in großem Abstand voneinander vorsehbar, und die Schiene ist mit geringerem Materialaufwand fertigbar. Die Fertigungskosten sind daher deutlich reduziert. Gleichzeitig werden immer auftretende Schwingungen, beispielsweise angeregt durch eine seitlich angreifende Windlast, kontrolliert zugelassen, indem eine Vorzugsrichtung für die Schwingungen vorgegeben wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Achse des mindestens einen Stützrads parallel zur Rotationsebene der Schwungscheibe angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Kippbewegung des Wagens, die durch den Drehimpuls der Schwungscheibe aufgrund einer Fahrtrichtungsänderung bei ausgelenkter Schiene eingebracht wird, durch das Stützrad auf die Schiene abgeleitet wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist durch die Rotation der Schwungscheibe der Wagon antreibbar. Von Vorteil ist dabei, dass Teile eingespart werden. Beispielsweise reibt die Schwungscheibe oder ein mit der Schwungscheibe verzahntes Antriebsrad auf einer Lauffläche der Schiene. Vorzugsweise erfolgt der Antrieb, indem die Schwungscheibe durch ihre Rotation in der Schiene Wirbelströme induziert und sich von diesen abstößt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein Laufrad vorgesehen, das zwischen der Schwungscheibe und dem Stützrad angeordnet ist. Das Laufrad unterscheidet sich von einem Stützrad dadurch, dass es aufgrund seiner Dimensionierung und seiner Anordnung geeignet ist, das Eigengewicht des Wagons und das Gewicht der Nutzlast aufzunehmen und in die Schiene abzuleiten. In Gebrauchstellung des Wagens ist also das Laufrad, insbesondere seine Achse, in einer Höhe über einer Unterlage angeordnet, die zwischen der Höhe, in der die Achse des Schwungrades liegt, und der Höhe, in der sich das Stützrad befindet, liegt, wobei im Grenzfall die Achse des Laufrades auf gleicher Höhe wie die Achse des Schwungrades liegen kann. Durch diese Anordnung des Laufrades zwischen Schwungscheibe und Stützrad wird erreicht, dass das Laufrad als Drehpunkt für einen Hebel dient, der Schwungradlagerung und Stützradlagerung verbindet. Dieser Hebel vermittelt somit die Abstützung des Schwungrades durch das Stützrad.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweites Stützrad vorgesehen, wobei zwischen dem ersten Stützrad und dem zweiten Stützrad eine Schiene mit zwei seitlichen Laufflächen aufnehmbar ist und je ein Stützrad auf einer Seite der Schiene auf einer Lauffläche abrollbar ist. Die Stützräder weisen hierzu sich in der Verlängerung kreuzende Achsen auf und können daher auf Laufflächen abrollen, die voneinander weg weisen. Die Stirnseiten der Stützräder weisen also aufeinander zu. Besonders günstig ist es, wenn die Stützräder jeweils vertikal ausgerichtete Achsen aufweisen, aber auch eine Abweichung hiervon ist bereits vorteilhaft, solange die Stützräder eine horizontal gerichtete Kraftkomponente auf die Schiene einbringen können. Der Wagen stützt sich somit beidseitig seitlich über an Stützarmen befestigte Stützräder an den Seiten der Schiene ab.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Kippbewegungen des Wagens, die durch den Drehimpuls der Schwungscheibe aufgrund einer Fahrrichtungsänderung bei einer ausgelenkten Schiene eingebracht werden, durch das wenigstens eine Stützrad auf die Schiene ableitbar. Somit ist eine ruhige, gleichmäßige Fahrt des Wagens selbst auf stark schwingenden Schienen möglich. Die Schienen können somit mit geringeren Anforderungen an deren Starrheit und also mit geringerem Materialeinsatz gefertigt werden, weil der Wagen seinen eigenen Schienenstabilisator mitführt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Wagen einen Rahmen auf, an dem die Lagerung der Schwungscheibe und/oder ein die Schwungscheibe antreibender Motor befestigt ist, wobei an dem Rahmen wenigstens ein Stützarm ausgebildet ist, an dessen freiem Ende das wenigstens eine Stützrad gelagert ist. Der Rahmen kann als Gestell oder als zumindest teilweise gehäusebildendes Teil ausgebildet sein. Durch den Rahmen werden die physikalisch von der rotierenden Schwungscheibe eingebrachten Kräfte beziehungsweise Drehmomente auf die Stützarme und von diesen über die Stützräder an die Seitenflächen der Schiene geleitet. Hierzu ist eine ausreichende Höhendifferenz zwischen der Schwungscheibe und dem Angriffspunkt der Stützräder erforderlich. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Schwungscheibe im Bereich der oberen Begrenzung der Schiene angeordnet ist und der Angriffspunkt der Stützräder im Bereich der unteren Begrenzung der Schiene vorgesehen ist, so dass die abstützende Hebellänge mindestens so groß ist wie die Bauhöhe der Schiene.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung zeigt die Achse des wenigstens einen Stützrads aufwärts. Somit kann das Stützrad eine horizontale Kraftkomponente auf die Lauffläche der Schiene einbringen. Besonders günstige Verhältnisse für die Kraftübertragung ergeben sich, wenn die Achse vertikal ausgerichtet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind wenigstens zwei Laufräder vorgesehen, die mit einem Winkel zueinander angestellt sind. Die Laufräder ermöglichen somit von sich aus eine stabile Geradeausfahrt bei langsamen Geschwindigkeiten und/oder bei geringer Drehzahl der Schwungscheibe. Die Laufräder bilden außerdem einen in der Schiene liegenden Drehpunkt, um den ein Abkippen des Wagens erfolgen würde, wenn die Stützräder dieses nicht verhinderten.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist räumlich zwischen Stützrad und Schwungscheibe ein Abnehmer zur berührungslosen induktiven Energieversorgung für einen elektrischen Antrieb des Wagens angeordnet. Der Abnehmer umfasst insbesondere eine Spule. Durch die Anordnung wird erreicht, dass das mindestens eine Stützrad vom Abnehmer aus gesehen auf der der Schwungscheibe gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Abnehmer an dem Stützarm oder Stützhebel angebracht, über den sich der Wagen am Stützrad abstützt. Von Vorteil ist dabei, dass die Stabilisierung und Abstützung einen konstanten definierten Abstand zwischen Abnehmer und einem Primärleiter an der Schiene des Schienensystems herstellt.
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Bei der Erfindung kommt eine Einschienbahnfahrzeug mit zwei Drehgestellen und einer eine Nutzlast tragende Auflage zum Einsatz, wobei die Drehgestelle durch die drehbar gelagerte Auflage miteinander verbunden sind, Es wird somit vorgeschlagen, dass jedes Drehgestell eine Schwungscheibe umfasst und dass sich jedes Drehgestell beidseitig seitlich über an Stützarmen befestigten Stützrädern an den Seiten der Schiene einer Einschienenbahnanlage abstützt. Die Verwendung von Drehgestellen bietet allgemein den Vorteil, dass die eine Nutzlast, beispielsweise eine Überwachungskamera, aufnehmende Auflage während des Verfahrens laufruhig gehalten werden kann, Durch die Verwendung von Schwungscheiben, die zur Stabilisierung mit Stützrädern zusammenwirken, sind die Vorteile von Drehgestellen auch bei Einschienenbahnen nutzbar, insbesondere wenn die Nutzlast oberhalb der Schiene und/oder bei hoher Geschwindigkeit transportiert werden soll.
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Besonders stabile Fahreigenschaften ergeben sich, wenn an jedem Drehgestell pro Seite zwei oder mehr Stützarme mit Stützrädern vorgesehen sind und/oder wenn die Achse der Schwungscheibe jeweils in einer horizontalen Ebene quer zur Fahrtrichtung des Wagens liegt.
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Die Erfindung ist vorteilhaft einsetzbar bei Einschienenbahn-Anlagen, bei denen die Nutzlast und/oder die Schwungscheibe der einzelnen Wagen oberhalb der Schiene angeordnet sind und bei Einschienenbahn-Anlagen in hängender oder teilweise hängender Bauart, bei denen die Nutzlast und/oder die Schwungscheibe der einzelnen Wagen unterhalb der Schiene angeordnet sind.
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Wichtige Merkmale der Erfindung einer Einschienenbahn-Anlage sind in Anspruch 1 angegeben. Insbesondere wird somit vorgeschlagen, bei einer Einschienenbahn-Anlage mit mindestens einem auf einer Schiene beweglichen Wagen, dass durch das Schienenprofil eine bevorzugte Schwingungsrichtung der Schiene ausgezeichnet wird und der mindestens eine Wagen eine Schwungscheibe umfasst, deren Rotationsachse parallel zu der bevorzugten Schwingungsrichtung der Schiene liegt. Von Vorteil ist dabei, dass aufwändige Versteifungsmittel wie Abspannungen oder Abstützungen oder Materialverdickungen verzichtbar sind. Durch die Ausbildung einer bevorzugten Schwingungsrichtung erfolgt eine schwingungsbedingte Auslenkung des Wagens aus seiner Fahrtrichtung definiert. Es kann daher eine Schwungscheibe mit einer Drehrichtung am Wagen vorgesehen werden, deren Drehimpuls gegen genau diese Auslenkungen einen Widerstand entgegensetzt.
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Die bevorzugte Schwingungsrichtung ist durch den Elastizitätsmodul der Schiene an einem Punkt gegeben, und zwar als Richtung der Hauptachse des Moduls mit kleinstem Eigenwert, also die Richtung, in bezüglich der Elastizitätsmodul seinen kleinsten Wert annimmt.
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Unter einer Schiene wird allgemein ein Schienensystem verstanden, das in einer Richtung eine Schwingung ausführen kann. Insbesondere werden parallel geführte Schienenstränge, die untereinander fest verbunden sind und somit gemeinsam schwingen können, als Schiene verstanden.
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Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Schienensystemen werden somit Eigenschwingungen der Schienenstränge nicht durch einen engen Abstand der Befestigungspunkte unterbunden, sondern vielmehr zugelassen, wobei durch eine geeignete Profilwahl der Schienen die Schwingungen nur in einer Schwingungsrichtung auftreten und in der anderen transversalen Richtung unterdrückt werden. Diese Bauweise spart Material, insbesondere Befestigungsmittel, und Aufbaukosten.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schiene auf Stützen befestigt, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Statt der Stützen sind auch Stützpfeiler oder Pflöcke einsetzbar. Vorzugsweise ist die Verbindung der Schiene mit den Stützen jeweils im Wesentlichen punktuell ausgebildet. Unter punktuell wird in fieser Schrift eine räumliche Ausdehnung verstanden, die viel kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Stützen. Besonders vorzugsweise beträgt die Ausdehnung weniger als ein Hunderstel des Stützenabstands. Hierdurch wird erreicht, dass die Schiene Schwingen ausführen kann, deren Schwingungsbauch in der Mitte zwischen zwei Stützen liegt. Die Schiene kann um die Befestigungspunkte eine Torsionsschwingung ausführen. Die Befestigungspunkte stellen also die Schwingungsknoten der bevorzugten Schwingung dar. Vorzugsweise ist im Bereich des Schwingungsbauchs ein Schienenstoß ausgebildet, an dem sich zwei Schieneabschnitte berühren, und der Schienenstoß ist nachgiebig gegen die Verformung bei Auslenkung. Vorzugsweise ist auf der Unterseite der Schiene eine Nut ausgebildet, in der jeweils ein Befestigungsmittel verschiebbar angeordnet ist, an denen je eine Stütze befestigt ist. Besonders vorzugsweise sind als Befestigungsmittel Muttern oder Schraubenköpfe in die längs der gesamten Schiene verlaufende Befestigungsnut eingeschoben, und jede Stütze wird an einem Befestigungsmittel festgeschraubt. Es ist somit ein einfacher, robuster Aufbau des Schienensystems beschrieben, bei dem sich die Abstand der Stützen leicht variieren lässt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützen mindestens zehn Meter oder sogar zwölf Meter. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem solchen Abstand ein guter Kompromiss zwischen Flexibilität und Stabilität gefunden ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schiene ein Doppel-T-förmiges Profil auf, das mindestens ein Mittelsegment umfasst, an dessen Enden jeweils ein querlaufendes Segmente angeordnet ist. Somit ist eine Biegeschwingung quer zu der Längsrichtung des Mittelsegments möglich, wobei die Endsegmente des Doppel-T-förmigen Profils so kurz ausgeführt sind, dass die Biegeschwingung nicht zu einer übermäßigen Materialbelastung führen. Vorzugsweise ist die durch das Mittelsegment und die Dicke der Endsegmente vorgegebene Höhe der Schiene deutlich größer als die durch die Länge der Endsegmente vorgegebene Schienenbreite. Die Schiene weist daher ein Profil auf, durch das der Belastung durch das Gewicht der Wagen ein Widerstand entgegengesetzt wird, während eine seitliche Biegeschwingung zugelassen wird. Vorzugsweise sind an den querlaufenden Segmenten, also den Endsegmenten, Laufflächen für Laufräder oder Stützräder des Wagens ausgebildet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der mindestens eine Wagen durch Rotieren der Schwungscheibe entlang der Schiene verschiebbar. Somit ist die Stabilisierungseinrichtung für den Antrieb nutzbar. Vorzugsweise rotiert die Schwungscheibe mit einer höheren Drehzahl, als es der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiene und Wagen entspricht. Beispielsweise ist die Schwungscheibe über ein Getriebe mit den Antriebsrädern des Wagens gekoppelt, oder die Schwungscheibe treibt den Wagen über das Wirbelstromprinzip berührungslos an. Zur Realisierung des Wirbelstromprinzips umfasst die Schwungscheibe vorzugsweise in einem radial äußeren Bereich Permanentmagnete, und es ist an der Schiene auf der der Schwungscheibe zugewandten Seite ein metallischer Bereich ausgebildet, wobei bei rotierender Schwungscheibe die Permanentmagnete über den metallischen Bereich bewegt werden und in diesem Wirbelströme induzieren. Besonders vorzugsweise wird der Wagen berührungslos induktiv aus einem Speiseleiter mit Energie versorgt. Es ist somit ein verschleißfreies System ausgebildet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Permanentmagnete in einem radial äußeren Bereich der Schwungscheibe entlang des Umfangs angeordnet. Somit erhöhen die Permanentmagnete das Trägheitsmoment der Schwungscheibe und verbessern den Stabilisierungseffekt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung überdeckt die Schiene aus der Blickrichtung der Achse der Schwungscheibe nur einen Teil der Schwungscheibe. Somit ist eine ungleiche Abstoßung der Permanentmagnete durch die induzierten Wirbelströme erreicht, und es resultiert ein Vortrieb der Schwungscheibe entlang der Schiene.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schwungscheibe als ein Paar von parallelen Scheiben ausgebildet, wobei Permanentmagnete auf den Innenseiten der Scheiben angeordnet sind. Somit ist die Induktion von Wirbelströmen in der Schiene besonders wirkungsvoll vornehmbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Schiene ein längs verlaufendes Schwert ausgebildet, das in den Zwischenraum zwischen den parallelen Scheiben greift. Dieses Schwert ist der Bereich, in dem im Wesentlichen die Wirbelströme generiert werden. Es ist somit ein ebenes Element ausgebildet, die in die Permanentmagnet-Anordnung der Schwungscheibe hineingreift und eine große Oberfläche ausbilde, über welche die Wärmeentwicklung durch die Wirbelströme an die Umgebung abgegeben wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung induziert zu jedem Zeitpunkt nur jeweils ein Teil der Permanentmagnete einen Wirbelstrom. Somit wirkt nur auf einen Teil der Permanentmagnete eine abstoßende Kraft, und es resultiert ein Vortrieb des Wagens.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung taucht das Schwert höchstens bis zu einer Tiefe zwischen den parallelen Scheiben ein, die kleiner als der Radius der Scheiben ist. Somit ist eine vorteilhafte Anordnung der Schwungscheibe beschrieben, für die eine Rotation der Schwungscheibe eine Wirbelstrom induziert, aus dem eine antreibende Kraft für den Wagen resultiert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Fahrzeug auf der Schiene vorgesehen, das zwei Wagen umfasst, wobei jeder Wagen eine Schwungscheibe umfasst und wobei die Wagen durch eine drehbar gelagerte Auflage miteinander verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass große Lasten bewegbar sind, und dass jeder Wagen des Fahrzeugs als selbststabilisierendes Drehgestell einsetzbar ist. Somit ist der Geradeauslauf des Fahrzeugs derart verbessert, dass Fahrtgeschwindigkeiten von 50 km/h, 100 km/h und mehr ohne Flattern der Drehgestelle erreichbar sind.
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Wichtige Merkmale der Erfindung eines Verfahrens zum Bewegen eines Einschienenbahnfahrzeugs entlang einer flexiblen Schiene sind in Anspruch 15 angegeben. Insbesondere wird somit bei dem Verfahren, wobei die Schiene in mindestens einer Richtung beweglich ist, die transversal zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs liegt, vorgeschlagen, dass am Fahrzeug eine Schwungscheibe in Rotation versetzt wird, wobei die rotierende Schwungscheibe ein Abweichen des Fahrzeugs von der geradlinigen Bewegung verhindert. Von Vorteil ist dabei, dass die Steifigkeit der Schiene gegen seitliche Biegungen im Moment der Vorbeifahrt des Fahrzeugs verstärkt ist durch den Drehimpuls erhöht ist. Somit übernimmt das Fahrzeug stabilisierende Aufgaben, die üblicherweise von dem Schienen-Gestell ausgeführt werden. Vorzugsweise wird das Schwungrad mit einer Drehzahl betrieben, die großer ist, als es der Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Schiene entspricht. Vorzugsweise beträgt die Drehzahl mindestens 1000 U/min.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bewirkt die Rotation der Schwungscheibe einen Wirbelstromantrieb des Fahrzeugs. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Schwungscheibe gleichzeitig ein Antrieb bewirkbar ist, und dass der Antrieb berührungslos erfolgt. Somit wird der Abrieb eines Schleifkontakts oder eines antreibenden Rads vermieden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drehzahl für die Schwungscheibe unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit wählbar. Somit ist eine ausreichende Stabilisierung selbst bei langsamer Fahrt oder bei Stillstand erreichbar.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schiene
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Stütze
- 4
- Rahmen
- 5
- Motor
- 6
- Schwungscheibe
- 7
- Permanentmagnet
- 8
- Laufrad
- 9
- Lauffläche
- 10
- Lauffläche
- 11
- Schwert
- 12
- Stützarm
- 13
- Stützrad
- 14
- Kabelhalter
- 15
- Abnehmer
- 16
- Kabelkanal
- 17
- Kabelkanal
- 18
- Kabelauflage
- 19
- Lauffläche
- 20
- oberes querlaufendes Segment
- 21
- Mittelsegment
- 22
- unteres querlaufendes Segment
- 23
- Adapter
- 24
- Adapter
- 25
- Befestigungsnut, Nut
- 26
- Scheibe
- 27
- Scheibe
- 29
- Beschichtung
- 30
- Beschichtung
- 31
- Kabelhalter
- 40
- Einschienenbahnfahrzeug, Fahrzeug
- 41
- Schiene, Schienensystem
- 42
- Drehgestell
- 43
- Drehgestell
- 44
- Drehzapfen
- 45
- Auflage
- 46
- Nutzlast
- 47
- Laufrad
- 48
- Schwungscheibe
- 49
- Schwungscheibe
- 50
- Stützarm
- 51
- Stützarm
- 52
- Stützrad
- 53
- Stützrad
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert: Es zeigt
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1 eine Einschienenbahn-Anlage,
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2 eine Ansicht eines Wagens oder Fahrwerks ohne Aufbauten,
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3 einen Querschnitt durch die Schiene der Einschienenbahn-Anlage mit Teilen des Wagens und
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4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Einschienen-Fahrzeugs.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Einschienenbahn-Anlage. Auf einer Schiene 1 ist ein Fahrzeug 2 verfahrbar. Die Schiene 1 ist auf Stützen 3 befestigt. Der Befestigungsbereich jeder Stütze 3 erstreckt sich über eine Länge, die klein ist gegenüber dem Abstand benachbarter Stützen 3. Die Befestigung lässt jeweils eine Torsionsschwingung eines Bereichs der Schiene 1 um die Achse jeder Stütze 3 zu. Die Knoten dieser Torsionsschwingungen liegen also an den Befestigungspunkten der Stützen 3, während die Schwingungsbäuche der Torsionsschwingungen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Stützen 3 ausgebildet sind. Die Schiene 1 ist mit einem Profil ausgebildet, das eine größere Biegesteifigkeit in einer ersten, der vertikalen Richtung als in einer zweiten, der horizontalen Richtung aufweist. Somit liegt die bevorzugte Schwingungsrichtung der Schiene 1 zwischen zwei benachbarten Stützen 3 in einer horizontale Ebene quer zur Laufrichtung der Schiene 1.
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Der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützen beträgt in geraden Abschnitten mindestens 10 m, vorzugsweise 12 m. Die Schiene 1 ist so ausgelegt, dass bei am Einsatzort üblichen Windstärken windinduzierte Schwingungen angeregt werden, deren maximale Auslenkung am Schwingungsbauch 20 cm und mehr beträgt. Die Anregung von Schwingungen kann auch durch das Verfahren des Fahrzeugs 2 erfolgen.
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2 zeigt ein Fahrzeug 2, der auf einer Schiene 1 einer Einschienenbahn-Anlage verfahrbar ist. Das Fahrzeug 2 umfasst einen Rahmen 4, an dem ein Motor 5 befestigt ist. Der Motor 5 treibt eine Schwungscheibe 6 an. Die Schwungscheibe 6 rotiert in einer Ebene, die senkrecht auf der bevorzugten Schwingungsrichtung der Schiene 1 steht. Die Rotationsachse dieser Rotation, also die Achse der Schwungscheibe 6, ist daher parallel zu der durch die Profilbildung der Schiene 1 erzwungenen bevorzugten Schwingungsrichtung ausgerichtet und liegt insbesondere horizontal und transversal zur Schienenverlaufsrichtung.
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Die Schwungscheibe 6 weist einen Durchmesser von 220 cm auf und wird mit einer Drehzahl von mindestens 1000 1/min betrieben. Somit ist am Fahrzeug 2 ein Drehimpuls ausgebildet, der sich einem unerwünschten seitlichen Richtungswechsel des Fahrzeugs 2 widersetzt. Ein solcher unerwünschter seitlicher Richtungswechsel ergäbe sich beispielsweise durch Schwingungen der Schiene in der bevorzugten Schwingungsrichtung.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist eine Schwungscheibe mit einem Durchmesser zwischen 170 cm und 220 cm vorgesehen.
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Am Rahmen 4 des Fahrzeugs 2 in 2 sind vier Laufräder 8 angeordnet, die auf zwei zueinander geneigten und konkav verlaufenden Laufflächen 9, 10 abrollen. Die Achsen der Laufräder 8 schließen paarweise einen Winkel ein, der 180° unterschreitet.
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Am Rahmen 4 sind weiter vier Stützarme 12 angeordnet, die sich zu beiden Seiten der Schiene 1 erstrecken. Je zwei Stützarme 12 sind hierbei auf einer Seite der Schiene 1 angeordnet, und jeder Stützarm 12 bildet mit einem ihm gegenüber auf der anderen Seite angeordneten Stützarm 12 ein Stützarmpaar. In einem Endbereich jedes Stützarms 12, also am vom Rahmen 4 entfernten Ende, ist ein Stützrad 13 gelagert, das auf einer Lauffläche 19 an der Schiene 1 abrollt. Die Laufflächen 19 sind auf beiden Seiten der Schiene 1 ausgebildet und sind vertikal ausgerichtet, ihre Flächennormalen verlaufen in jedem Punkt entlang der Schiene 1 also in eine horizontale Richtung. Der Rahmen 4 stützt sich somit gegen ein seitliches Verkippen über die Stützarme 12 und die Stützräder 13 an der Schiene 1 ab. Diese Stützräder 13 sind rotierbar um vertikal ausgerichtete Achsen an den Stützarmen 12 gelagert.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind nur zwei Stützarme 12 ausgebildet, die sich beidseits der Schiene 1 erstrecken, wobei je ein Stützarm 12 auf einer Seite der Schiene 1 angeordnet ist. Unter der Seite einer Schiene wird in dieser Schrift eine Seite in Bezug auf eine durch die Schienenverlaufsrichtung und die vertikale Richtung aufgespannte, gedachte Ebene verstanden.
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Auf diese Weise, also durch die an den Stützarmen 12 befestigten Stützräder 13, die auf den Laufflächen 19 abrollen, wird ein kippendes Drehmoment, welches wegen des Drehimpulses der Schwungscheibe 6 bei einem unerwünschten seitlichen Ablenken des Fahrzeugs 2 generiert wird, abgeleitet. Denn durch die beschriebene Flexibilität der Schiene 1 bilden sich häufig in der horizontalen Ebene ausgerichtete, seitwärtige Schwingungen der Schiene 1, die einen von einer geraden Führung abweichenden Verlauf der Schiene 1 zur Folge haben. Ein Fahrzeug 2, das eine derart ausgelenkte Schienenstelle durchfährt, wird daher zur Änderung seiner Fahrtrichtung gezwungen. Diese Fahrtrichtungsänderung wird durch ein auf die Schwungscheibe 6 eingebrachtes Drehmoment bewirkt, das vertikal ausgerichtet ist und als Vektor je nach Ablenkung aufwärts oder abwärts zeigt. Dieses Drehmoment bewirkt wiederum eine zeitliche Änderung des Drehimpulses der Schwungscheibe 6. Ohne Stützräder 13 würde die Schwungscheibe 6 darauf reagieren, in dem sie je nach Orientierungssinn des Drehimpulses und des Drehmomentes nach einer Seite in Bezug auf die Fahrtrichtung kippt. Durch die Stützräder 13 wird aber dieses Kippen gerade verhindert, und die Schwungscheibe 6 muss sich stattdessen dem Drehmoment widersetzen. Somit wird das Fahrzeug 2 der von der Schiene 1 vorgegebene Ablenkung nicht folgen, sondern die Schiene wieder in die ursprüngliche Fahrtrichtung ausrichten.
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Die beschriebenen Stützarmpaare haben jeweils zwei parallel ausgerichtete, mit ihren Laufflächen zueinander weisende Stützräder 13. Jeweils eins dieser zwei Stützräder rollt auf einer der beiden Laufflächen 19 der Schiene 1 ab.
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Die beschriebene Abstützung der Schwungscheibe 6 durch die Stützräder 13 wird durch die Laufräder 8 unterstützt, die den Drehpunkt für den durch die Stützarme 12 gebildete Hebel bilden. Die Laufräder 8 sind daher zwischen der Schwungscheibe 6 und den Stützrädern 13 angeordnet, und die am Rahmen 4 befestigten Stützarme 12 übergreifen diese Laufrollen 8 in vertikaler Richtung.
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Die beschriebene Abstützung der Schwungscheibe 6 durch die Stützräder 13 wird ferner dadurch ermöglicht, dass die Lagerung der Schwungscheibe 6 und/oder der Motor 5 fest mit dem Rahmen 4 verbunden ist/sind und der Rahmen 4 die Stützarme 13 trägt.
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An einem Stützarm 12 ist ein Abnehmer 15 angebracht, der im Inneren einen ferromagnetischen Kern mit einer Spule aufweist und einen Abschnitt eines in einen Kabelhalter 14 eingelegten Hinleiters eines Primärleitersystems umgreift. Der Abnehmer 15 ist somit als Pickup-Spule eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung ausgebildet und versorgt über eine Gleichrichtungselektronik und eine Steuerungselektronik den Motor 5. Der Motor 5 ist als Elektromotor, vorzugsweise als Synchronmotor, ausgebildet.
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An der Oberseite der Schiene 1 ist ein Schwert 11 ausgeformt. An der Schwungscheibe 6 sind Permanentmagnete 7 angebracht, die bei rotierender Schwungscheibe 6 Wirbelströme in einem Bereich des Schwerts 11 induzieren. Diese Wirbelströme bewirken eine abstoßende Kraft zu den Permanentmagneten 7 der Schwungscheibe 6 und somit einen Vortrieb oder ein Abbremsen des Fahrzeugs 2 abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit und Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der Schwungscheibe.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Schiene 1 aus 2. Die Schiene 1 weist ein Doppel-T-förmiges Profil auf, das mindestens ein Mittelsegment 21 umfasst, an dessen oberem Ende sich ein quer verlaufendes oberes Segment 20 und an dessen unteren Ende sich ein quer verlaufendes unteres Segment 22 anschließt. Das Mittelsegment 21 weist Hohlkammern auf, die durch Querverbindungen voneinander abgetrennt werden. Das obere Segment 20 weist zwei zueinander geneigte Laufflächen 9, 10 auf, die gebogen aufeinander zu geführt sind und am Berührpunkt in ein Schwert 11 auslaufen. Die Laufflächen 9, 10 sind konkav gebogen. Die Gesamtprofilhöhe der Schiene 1, gemessen über die Erstreckung des Schwerts 11 und das Mittelsegment 21 bis zur Unterseite des unteren Segments 22, ist etwa doppelt so groß wie die Profilbreite. Somit ist die Schiene 1 nachgiebiger gegenüber seitlichem Biegen als gegenüber Biegen in vertikaler Richtung. Die bevorzugte Richtung von Schwingungen der Schiene ist daher horizontal.
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In weiteren Ausführungsbeispielen beträgt die Gesamtprofilhöhe das Anderthalbfache oder das Dreifache der Profilbreite oder die Gesamtprofilhöhe ist wenigstens größer als die Profilbreite.
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Die Schwungscheibe 6 gemäß 3 umfasst zwei parallele Scheiben 26 und 27, die das Schwert 11 an beiden Seiten der Schiene 1 derart überlappen, dass das Schwert 11 in den Zwischenraum zwischen den parallelen Scheiben 26, 27 eingreift. An den Innenseiten der Scheiben 26, 27 sind in einer Beschichtung 29, 30 nicht gezeigte Permanentmagnete 7 eingebracht, die bei Rotation der Schwungscheibe 6 im Schwert 11 Wirbelströme Induzieren und so einen Vortrieb des Fahrzeugs 2 bewirken.
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An einer Seite des Mittelsegments 21 ist ein Adapter 24 befestigt, in den eine Kabelauflage 18 eingeklipst ist. Alternativ oder zusätzlich ist ein Adapter 23 befestigt, in den ein Kabelhalter 14 mit einem Kabelkanal 16 für den Hinleiter des Primärleitersystems und zwei Kabelhalter mit jeweils einem Kabelkanal 17 für den entsprechend zweifachen ausgeführten Rückleiter des Primärleitersystem eingeklipst werden. Die Adapter 23, 24 sind hierbei an einem Punkt des Schienensystems angebracht, während sich die Kabelhalter 14, 31 und/oder Kabelauflagen 18 über die gesamte Länge des Schienensystems erstrecken.
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Der erhöht ausgeführte Kabelhalter 14 für den Primärleiter des Primärleitersystems wird an einem Punkt von einem entlang des Schienensystems verschiebbaren Abnehmer 15 umgriffen zur Leistungsentnahme und Leistungsversorgung mindestens des Motors 5.
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An der Unterseite der Schiene 1 ist entlang der gesamten Länge eine Nut 25 ausgebildet, in die der Kopf einer Befestigungsschraube für die Montage einer Stütze 3 einführbar ist. Somit ist die Schiene 1 auf jeder Stütze im Wesentlichen punktförmig gehalten, wobei eine Torsionsschwingung um die Achse der Stütze und somit um die Achse der Befestigungsschraube möglich ist.
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Die Schiene 1 ist aus Stranggussprofil hergestellt. Die langgestreckte Kabelauflage 18 und die Kabelhalter 14, 31 sind aus Kunststoffgefertigt und behindern durch ihre Elastizität nicht die seitliche Beweglichkeit der Schiene 1.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Einschienenbahnfahrzeug 40 zum Transport einer Nutzlast 46 auf einer Einschienenbahn-Anlage. Die Nutzlast 46 ist beispielsweise ein Kamerasystem.
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Die Nutzlast 46 ist auf einer Auflage 45 befestigt. Die Auflage ist am vorderen Ende über einen Drehzapfen 44 mit einem ersten Drehgestell 42 und am hinteren Ende über eine Drehzapfen 44 an einem zweiten Drehgestell 43 gelagert. Die Drehzapfen 44 erlauben jeweils eine Drehbewegung um eine vertikale Achse sowie ein Kippen um eine horizontale Achse.
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Jedes Drehgestell 42, 43 ist als erfindungsgemäßer Wagen analog zu 2 mit Schwungscheibe und Stützrädern ausgebildet und umfasst Laufräder 47, die auf Laufflächen der Schiene 41 abrollen und die Last der Nutzlast 46 und des Fahrzeugs 40 tragen.
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Jedes Drehgestell 42, 43 umfasst weiter eine Schwungscheibe 48, 49 zur Stabilisierung der Lage des Fahrzeugs während der Fahrt. Mit den Schwungscheiben 48, 49 ist das Fahrzeug 40 nach dem erläuterten Wirbelstromprinzip antreibbar.
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Jedes Drehgestell 42, 43 stützt sich beidseitig seitlich über Paare von an Stützarmen 50, 51 befestigten Stützrädern 52, 53 an den Seiten der Schiene 41 ab. Jedes Paar ist hierbei an einem Stützarm 52, 53 drehbar befestigt, wobei die einzelnen Stützarme 52, 53 eines Paares sich auf je einer Seite der Schiene 1 erstrecken. Somit können Kippmomente, die sich aufgrund des Drehimpulses der Schwungscheiben 48, 49 aus einer seitlichen Auslenkung der Schiene 41 ergeben, abgeleitet werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind pro Seite an jedem Drehgestell zwei oder mehr Stützarme mit Stützrädern vorgesehen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Wagen einer Einschienenbahn Anlage mit einer senkrecht stehenden Schwungscheibe ausgerüstet, die ein Mitauslenken der Wagens bei seitlichen Schwingungen der Schiene und ein Kippen des Wagens reduziert. Die Schwungscheibe ist mit Permanentagenten bestückt und dient dem Antrieb des Wagens nach dem Wirbelstromprinzip.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Wagen Messmittel zur Überwachung der Belastung des Rahmens, der Stützarme, der Stützräder und/oder der Schwungscheibe hat und die Drehzahl der Schwungscheibe an die jeweilige Belastung anpasst. Derartige Mittel sind beispielsweise durch Piezoelemente oder Torsionsmessmittel realisiert. Treten starke Belastungen auf, beispielsweise hervorgerufen durch starke seitliche Schwingungen des Schienensystems, so wird die Drehzahl der Schwungscheibe erhöht, um eine bessere Stabilisierung zu erreichen. Alternativ kann die Fahrgeschwindigkeit an die ermittelten Belastungen angepasst werden, indem bei Überschreitung eines vorgegebenen Belastungs-Grenzwerts die Fahrgeschwindigkeit herabgesetzt und bei Verbleib der Belastungen unterhalb eines weiteren, vorgegebenen Belastungs-Grenzwerts über einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise über die zur Vorbeifahrt an zehn oder einer anderen Anzahl von Stützen erforderliche Fahrzeit, die Fahrgeschwindigkeit erhöht wird.
