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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug mit einem Kegelradgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
EP 0 965 773 A1 ist ein Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug mit einem Wechselgetriebe, einer Gelenkwelle und mit einem Radsatzwendegetriebe bekannt. Dabei besteht das Radsatzwendegetriebe aus einem Wendegetriebe und einem Radsatzgetriebe und das Wechselgetriebe ist mittels der Gelenkwelle mit dem Wendegetriebe antriebswirksam verbunden. Das Radsatzgetriebe besteht dabei im Wesentlichen aus einer Kegelradpaarung mit einem Antriebsritzel und einem Tellerrad, die in einem Radsatzgetriebegehäuse angeordnet sind.
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Aus der
DE 102 52 192 A1 ist ein Radsatzwendegetriebe für ein Schienenfahrzeug bekannt. Das Radsatzwendegetriebe weist eine eingangsseitige Stirnradstufe und eine abtriebsseitige Kegelradstufe auf. Das Kegelrad der Kegelradstufe sitzt auf einer Radsatzwelle und treibt diese an.
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Aus der
DD 1 42 676 B1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung kreisbogenverzahnter Kegelradpaare mit verjüngter Zahnhöhe bekannt.
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Bedingt durch das Bestreben nach einer niedrigen Flurhöhe des Fahrgastraumes wird der unter dem Wagenkasten bzw. unter einem Fahrzeugrahmen für den Antriebsstrang zur Verfügung stehende Bauraum insbesondere in vertikaler Richtung immer kleiner. Trotzdem muss der Antriebsstrang hohen Anforderungen im Hinblick auf die übertragbare Leistung und die zur Verfügung stehenden Übersetzungsverhältnisse genügen.
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Bedingt durch die Begrenzung des Bauraumes für den Antriebsstrang nach oben hin durch einen Wagenkastenboden oder einen Fahrzeugrahmen müssen alle Komponenten des Antriebsstranges unterhalb des Wagenkastenbodens, d.h. zwischen dem Wagenkastenboden und dem Boden unter dem Schienenfahrzeug, angeordnet werden. Dabei muss auch ein Mindestmaß an Bodenfreiheit berücksichtigt werden. Demgegenüber erfordert eine bestimmte übertragbare Antriebsleistung bestimmte Mindestabmessungen der einzelnen Komponenten des Antriebsstranges.
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Um durch höhere Stückzahlen geringere Kosten pro Einheit zu erreichen ist ein weiteres Ziel bei der Entwicklung neuer Antriebsstränge für Schienenfahrzeuge, dass bestehende Bauteile, beispielsweise Getriebegehäuse, auch in neuen Antriebssträngen mit anderen Übersetzungsverhältnissen einsetzbar sind.
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Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Antriebsstrang zu schaffen, der möglichst wenig Bauraum beansprucht und dabei eine große Antriebsleistung bei großen Übersetzungsverhältnissen übertragen kann.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Demnach umfasst der erfindungsgemäße Antriebsstrang ein Wechselgetriebe, eine Gelenkwelle und ein Radsatzwendegetriebe. Das genannte Wechselgetriebe ist vorgesehen zum Einstellen unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Antriebsmotor und der Radachse. Es kann beispielsweise als Schaltgetriebe, als Automatgetriebe mit Planetenradsätzen oder als hydrodynamisches Strömungsgetriebe ausgeführt sein. Die Radachse wird auch Radsatzwelle genannt.
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Das Radsatzwendegetriebe besteht aus einem Wendegetriebe und einem Radsatzgetriebe. Das Wechselgetriebe ist mittels der Gelenkwelle mit dem Wendegetriebe antriebswirksam verbunden. Das Radsatzgetriebe umfasst ein fest mit der Radachse verbundenes Tellerrad mit einer Kegelradverzahnung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Kegelradverzahnung gegenüber einer Standardausführung der gewählten Kegelradverzahnungsart eine Kopfhöhenreduzierung auf. Dies wird vorzugsweise durch Verkleinern des Kopfwinkels der Kegelradverzahnung gegenüber einem Standardkopfwinkel der gewählten Kegelradverzahnungsart erreicht. Der Kopfwinkel ist der Winkel zwischen der Mantellinie des Teil- und des Kopfkegels. Die Kopfhöhenreduzierung an der Kegelradverzahnung des Tellerrades ermöglicht eine bessere Ausnutzung eines vorgegebenen Bauraumes, um so den entgegenstehenden Bestrebungen nach möglichst kleinen Abmessungen und möglichst großer übertragbarer Antriebsleistung bei großem Übersetzungsverhältnis gerecht zu werden.
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Um den eingangs genannten gegensätzlichen Anforderungen noch besser gerecht zu werden, sieht eine bevorzugte Ausführung der Erfindung vor, dass ein zumindest das Tellerrad umgebendes Radsatzgetriebegehäuse eine Ausnehmung aufweist, die von der Gelenkwelle zumindest teilweise durchdrungen wird.
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Die Forderung nach kleinen Abmessungen des gesamten Antriebsstranges kann den Bauraum des Radsatzgetriebes soweit einschränken, dass ein Radsatzgetriebegehäuse ohne eine Ausnehmung, die von der Gelenkwelle zumindest teilweise durchdrungen wird, nicht mehr in dem zur Verfügung stehenden Bauraum untergebracht werden kann, wenn gleichzeitig bestimmte hohe Übersetzungen in dem Radsatzwendegetriebe realisiert werden müssen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Tellerrad Teil eines Hypoidgetriebes. Ein Hypoidgetriebe ist ein Kegelradgetriebe, bei dem sich die Achsen des antriebsseitigen Kegelrades und des abtriebsseitigen Tellerrades nicht schneiden. Auch eine solche Anordnung ermöglicht eine kompaktere Anordnung der Komponenten des Antriebsstranges und damit eine optimale Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes, insbesondere in vertikaler Richtung, wie es beispielsweise in der
DE 102 52 192 A1 detailliert beschrieben ist.
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Der Verlauf der Kopfhöhenreduzierung ist bevorzugt in radialer Richtung nach außen hin progressiv. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise noch eine hohe Tragfähigkeit bei geringem Bauraum erzielbar ist.
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Zum Erreichen einer hohen Lebensdauer der Kegelradverzahnung ist bevorzugt vorgesehen, die Kegelradverzahnung mit einer Höhenballigkeit auszuführen, bei der das Tragbild nicht über die Kopfhöhenreduzierung hinaus verläuft. Das Tragbild beschreibt die Teilfläche der Zahnflanken, die während des Betriebes einer Zahnradpaarung miteinander in Berührung kommen. Diese Teilflächen der Zahnflanken werden auch Zahnstützflächen genannt. Wenn die Standardverzahnung der Kegelradverzahnung allein durch die Kopfhöhenreduzierung verändert wird ist es möglich, dass das Tragbild im Bereich der Kopfhöhenreduzierung über die Zahnflanken hinaus verläuft, sodass beim Kämmen der Kegelräder miteinander die genutzte Zahnstützfläche auf den Zahnflanken reduziert ist. Dies lässt sich durch eine entsprechende Korrektur der Höhenballigkeit verbessern. Mit anderen Worten wird die Zahnstützfläche nach innen verschoben, beispielsweise um den Betrag der Kopfhöhenreduzierung an der entsprechenden Stelle der Kegelradverzahnung.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der gewählten Kegelradverzahnungsart um eine Kreisbogenverzahnung mit nicht konstanter Zahnhöhe. Entsprechend dem Erfindungsgedanken wird die Kopfhöhe der Verzahnung des Tellerrades ausgehend von der Standardausführung, weiter reduziert, um so genügend Platz in den begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraum zu haben und trotzdem eine ausreichende Übersetzung des Radsatzgetriebes zu gewährleisten.
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Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges, bei dem der Antriebsmotor und das Wechselgetriebe separat angeordnet sind,
- 2 zeigt die schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Antriebsstranges, bei dem der Antriebsmotor und das Wechselgetriebe zusammen angeordnet sind und
- 3 zeigt einen Ausschnitt gemäß einem Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang entlang der Schnittlinie A - A aus 1 und 2.
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Der in 1 gezeigte Antriebsstrang 1 wird von einem Antriebsmotor 2, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, angetrieben. Die Abtriebswelle des Antriebsmotors 2 steht über eine Gelenkwelle 14 mit einer Eingangswelle eines Wechselgetriebes 3 in Wirkverbindung. Das Wechselgetriebe 3 ist beispielsweise als Automatgetriebe mit mehreren Planetenradsätzen zum Einstellen verschiedener Übersetzungsverhältnisse ausgeführt, um die geforderten Geschwindigkeitsbereiche des Schienenfahrzeuges realisieren zu können.
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Eine Abtriebswelle des Wechselgetriebes 3 ist über eine Gelenkwelle 4 mit einem Wendegetriebe 6 antriebswirksam verbunden, wobei das Wendegetriebe 6 Teil eines Radsatzwendegetriebes 5 ist. Unterhalb des Wendegetriebes 6 ist ein Radsatzgetriebe 7, welches ebenfalls Teil des Radsatzwendegetriebes 5 ist, angeordnet. Das Wendegetriebe 6 und das Radsatzgetriebe 7 bilden also zusammen die Baueinheit des Radsatzwendegetriebes 5. Das Wendegetriebe 6 beinhaltet bekannte Schalt- und Getriebeelemente, um die eingangsseitige Drehzahl wahlweise umzukehren, um so die vom einer Ausgangswelle des Wechselgetriebes 3 vorgegebenen Drehzahlen abtriebsseitig für die Vor- und für die Rückwärtsfahrt bereitzustellen.
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Im Radsatzgetriebe 7 wird der Kraftfluß über ein Kegelradgetriebe auf eine quer zur Fahrrichtung angeordnete Radachse 8 geleitet. Starr mit der Radachse 8 verbunden ist je ein Antriebsrad 16 auf jeder Fahrzeugseite.
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Im Radsatzgetriebe 7 wird der Kraftfluß aufgeteilt, indem eine Ausgangswelle des Radsatzgetriebes 7 über eine weitere Gelenkwelle 17 mit einem weiteren Radsatzgetriebe 18 verbunden ist. Auch das weitere Radsatzgetriebe 18 umfasst ein Kegelradgetriebe, das den Kraftfluß auf eine weitere Radachse 19 mit starr darauf angeordneten Antriebsrädern 20 leitet. Über die Antriebsräder 16 und 20 wird das Schienenfahrzeug auf den Schienen 21 angetrieben.
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Das Radsatzwendegetriebe 5 und das weitere Radsatzgetriebe 18 sind gemeinsam an einem nicht dargestellten Drehgestell des Schienenfahrzeuges in einer sogenannten Master-Slave-Anordnung angeordnet. Dabei bildet das Radsatzgetriebe 7 des Radsatzwendegetriebes 5 das Mastergetriebe und das weitere Radsatzgetriebe 18 bildet das Slavegetriebe.
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Der in 2 dargestellte Antriebsstrang 1' unterscheidet sich lediglich in der Anordnung des Antriebsmotors 2 gegenüber dem Wechselgetriebe 3 vom Antriebsstrang gemäß der 1. Daher sind gleiche Komponenten in den beiden Figuren auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Antriebsmotor 2 und das Wechselgetriebe 3 sind im Antriebsstrang 1' gemäß 2 direkt aneinander angebaut bzw. angeflanscht. Es ist daher keine Gelenkwelle zwischen dem Antriebsmotor 2 und dem Wechselgetriebe 3 vorgesehen.
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Die beiden in 1 und 2 gezeigten Antriebsstränge 1 und 1' haben gemeinsam, dass alle Komponenten der Antriebsstränge unterhalb eines Wagenkastenbodens 15 angeordnet sind. Da der Wagenkastenboden 15 möglichst bodennah angeordnet werden soll, ist der Bauraum zwischen dem Wagenkastenboden 15 und den Schienen 21 bzw. dem Schienenbett insbesondere in vertikaler Richtung begrenzt.
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Dadurch kann sich eine Anordnung ergeben wie in 1 und 2 gezeigt, bei der die Rotationsachse der Gelenkwelle 4 zwischen dem Wechselgetriebe 3 und dem Wendegetriebe 6 in Richtung des Radsatzwendegetriebes 5 ansteigend verläuft, bedingt durch eine bodennahe Anordnung des Wechselgetriebes 3. Dies hat wiederum zur Folge, dass für ein herkömmliches Getriebegehäuse des Radsatzgetriebes 7 nicht mehr ausreichend Bauraum zur Verfügung steht. Ein weiteres Problem entsteht dann, wenn die Antriebsleistung und/oder die Übersetzungsbereiche gegenüber einem herkömmlichen Antriebsstrang erweitert werden sollen und dadurch die Abmessungen der Getriebekomponenten in dem Radsatzgetriebe vergrößert werden müssen, wobei Getriebekomponenten mit größeren Abmessungen häufig nicht mehr in einem bis dahin verwendeten Getriebegehäuse untergebracht werden können.
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Mithilfe der vorliegenden Erfindung können diese Probleme gelöst werden. Dies wird insbesondere in der Schnittdarstellung der 3 deutlich.
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Die 3 zeigt einen Schnitt in einer vertikalen Ebene quer zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges durch die Rotationsachse der Radachse 8. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die Bauteile oberhalb der Radachse 8 gezeigt.
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In 3 ist der Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Radsatzgetriebegehäuse 12 gezeigt, der eine Ausnehmung 13 aufweist, die von der Gelenkwelle 4 durchdrungen wird. Da sich die Gelenkwelle 4 im Betrieb des Schienenfahrzeuges bedingt durch Federwege und Kurvenfahrt relativ zu dem Radsatzgetriebegehäuse 12 bewegt, ist ein entsprechender Bewegungsspielraum 22 um die Gelenkwelle 4 vorgesehen. Dadurch werden Kollisionen und Beschädigungen der Gelenkwelle 4 und des Radsatzgetriebegehäuses 12 vermieden.
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Der kritische Bereich im Hinblick auf den begrenzten Bauraum liegt dort, wo dem Bewegungsspielraum 22 außerhalb des Radsatzgetriebegehäuses 12 das Tellerrad 9 im Inneren des Radsatzgetriebegehäuses 12 gegenüber steht. Die Kopfkontur 11 der erfindungsgemäß veränderten Kegelradverzahnung 10 des Tellerrades 9 rotiert dort mit einem Minimalabstand zu einer Gehäusewand 25 des Radsatzgetriebegehäuses 12 um die Rotationsachse 23. Die Gehäusewand 25 des Radsatzgetriebegehäuses 12 verläuft zumindest annähernd parallel zur zurückgenommen Kopfkontur 11 bzw. zum geänderten Kopfwinkel ϑa der Kegelradverzahnung 10 des Tellerrades 9, um so den vorhandenen Bauraum und gleichzeitig die maximale Tragfähigkeit der Kegelradverzahnung optimal auszunutzen.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung sind in 3 die Mantellinie des Fusskegels 28, die Mantellinie des Teilkegels 27 und die Mantellinie des Standardkopfkegels 26 der dem Tellerrad 9 zugrundeliegenden Verzahnungsart eingezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Kopfkontur 11 der eine Kopfhöhenreduzierung aufweisenden Kegelradverzahnung 10 gegenüber der Mantellinie des Standardkopfkegels zurückgenommen ist. Eine Kegelradverzahnung des Tellerrades mit einer Standardkopfhöhe würde mit der Gehäusewand 25 kollidieren.
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Des Weiteren zeigt 3 den Teilkegelwinkel 6 und den Standardkopfkegelwinkel δa, sowie den gemäß der Erfindung reduzierten Kopfkegelwinkel δx. Der reduzierte Kopfkegelwinkel δx ist kleiner als der Standardkopfkegelwinkel δa. Dementsprechend ist der auch der reduzierte Kopfwinkel ϑx kleiner als der Standardkopfwinkel ϑa.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der eine progressiv verlaufende Kopfhöhenreduzierung vorgesehen ist, ist der Wert des reduzierten Kopfwinkels ϑx und des reduzierten Kopfkegelwinkels δx nicht konstant über die radial nach außen verlaufende Breite der Kegelradverzahnung 10. Stattdessen verändern sich diese Winkel über die Breite der Kegelradverzahnung 10 entsprechend des progressiven Verlaufs der Kopfhöhenreduzierung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Wechselgetriebe
- 4
- Gelenkwelle
- 5
- Radsatzwendegetriebe
- 6
- Wendegetriebe
- 7
- Radsatzgetriebe
- 8
- Radachse
- 9
- Tellerrad
- 10
- Kegelradverzahnung
- 11
- Kopfkontur
- 12
- Radsatzgetriebegehäuse
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Gelenkwelle
- 15
- Wagenkastenboden
- 16
- Antriebsrad
- 17
- Gelenkwelle
- 18
- Radsatzgetriebe
- 19
- Radachse
- 20
- Antriebsrad
- 21
- Schiene
- 22
- Bewegungsspielraum
- 23
- Rotationsachse
- 25
- Gehäusewand
- 26
- Mantellinie Standard Kopfkegel
- 27
- Mantellinie Teilkegel
- 28
- Mantellinie Fusskegel
- δ
- Teilkegelwinkel
- δa
- Standardkopfkegelwinkel
- δx
- Reduzierter Kopfkegelwinkel
- ϑa
- Standardkopfwinkel
- ϑx
- Reduzierter Kopfwinkel
