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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art.
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Aus der
DE 10 2010 045 720 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit einer Überwachungseinrichtung und Messwertgebern bekannt, wobei die Messwertgeber mit der Überwachungseinrichtung verbunden sind, so dass beim Betrieb Messsignale der Messwertgeber zu der Überwachungseinrichtung übertragen werden. Hierbei ist einer der Messwertgeber derart mit einem angetriebenen Rad des Schienenfahrzeugs gekoppelt, dass dieser die Drehbewegung des angetriebenen Rades misst.
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Aus der
JP 2002- 095 110 A ist ein Antriebssystem für Schienenfahrzeuge bekannt, bei dem eine starr mit zwei Rädern verbundene Radsatzachse über ein zwischengeschaltetes Getriebe von einem Motor angetrieben wird. Das Antriebssystem weist einen ersten Drehmomentsensor zur Ermittlung des an der Motorwelle anliegenden Drehmomentes und einen zweiten Drehmomentsensor zur Ermittlung des an der Radsatzachse anliegenden Drehmomentes auf. Durch eine entsprechende Verarbeitung dieser Daten können Vibrationen und Geräusche des Getriebes vermieden werden.
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Aus der
DE 10 2005 047 802 A1 ist eine elastische Kupplung für einen Antriebsstrang bekannt, wobei die elastische Kupplung mit einer Sensorik ausgerüstet ist. Die Sensorik kann beispielsweise einen Drehzahlsensor umfassen, der in die elastische Kupplung integriert ist.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
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Es wird ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, das eine mit zumindest einem Rad starr verbundene Radwelle, einen Motor, insbesondere einen Elektromotor zum Antreiben der Radwelle und ein Achsgetriebe zum übersetzten Übertragen des vom Motor erzeugten Drehmomentes auf die Radwelle bzw. von dieser auf die Räder aufweist. Vorzugsweise ist das Achsgetriebe auf der Radwelle angeordnet. Des Weiteren umfasst das Antriebssystem eine Kupplung, die dem Motor und dem Achsgetriebe zwischengeschaltet ist. Die zwischen dem Motor und dem Achsgetriebe angeordnete Kupplung bewirkt eine Drehmomentübertragung des Motors auf das Achsgetriebe. Überdies hinaus weist das Antriebssystem einen Drehzahlsensor zum Bestimmen der Drehzahl eines Geberrades des Antriebssystems und eine mit dem Drehzahlsensor und dem Motor, insbesondere elektrisch, verbundene Motorsteuerung auf. Die Motorsteuerung ist derart ausgebildet, dass mittels ihr die vom Drehzahlsensor übermittelten Daten zur Erkennung eines Radratterns analysierbar und/oder der Motor im Falle eines erkannten Radratterns derart ansteuerbar ist, dass sich dieses Radrattern wieder einstellt bzw. abgestellt wird. Das Radrattern entsteht beispielsweise durch unterschiedliche Raddurchmesser, unterschiedliche Reibwerte sowie unterschiedliche Schienenzustände. So erzeugen die durch das Materialgefüge, Verschleiß und Korrosion bestimmten Oberflächenstrukturen der Schienen- und Radfahrflächen beim Abrollen aufeinander insbesondere vertikale Anregungen der Radsätze, welche diese zu Schwingungen anregen. Radrattern ist demnach definitionsgemäß eine unerwünschte und/oder fremdeinflussbedingte Schwingungsanregung des Rades und/oder der damit fest verbundenen Radwelle. Diese durch das Radrattern bedingten Schwingungen können eine Beschädigung des Rades und/oder der Radwelle hervorrufen sowie bis zum Ausfall derer führen. Diese Schwingungen können sich bei bisher bekannten Lösungen ungehindert bis zum Motor fortsetzen, wodurch dieser beschädigt werden kann. Aufgrund dessen ist die Kupplung erfindungsgemäß als elastische Kupplung ausgebildet. Diese bewirkt eine Schwingungsentkopplung zwischen dem Motor und dem übrigen Antriebssystem, so dass sich die durch das Radrattern erzeugten Schwingungen und/oder die im Achsgetriebe hervorgerufenen Schwingungen nicht bis zum Motor fortsetzen können. Der Motor ist somit vorteilhafterweise vor derartigen Schwingungsbelastungen geschützt.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist der Drehzahlsensor gegenüber der Kupplung antriebsseitig, insbesondere am Motor, im Antriebssystem angeordnet. Durch den Einsatz einer elastischen Kupplung würden bei einer derartigen Anordnung des Drehzahlsensors die von diesem ermittelten Daten zur Erkennung des Radratterns verfälscht werden. Infolgedessen könnte das Radrattern von der Motorsteuerung nicht mehr zuverlässig erkannt werden, wodurch kritische Fahrsituationen entstehen würden, die zur Beschädigung des Rades, der Radwelle, des Achsgetriebes und/oder des Motors führen könnten. Um dies zu vermeiden, ist der Drehzahlsensor im erfindungsgemäßen Antriebssystem gegenüber der Kupplung abtriebsseitig im Antriebssystem angeordnet. Hierdurch kann der Drehzahlsensor die unverfälschten Daten des Geberrades zur Überwachung der Drehzahl der Radwelle erfassen, die letztendlich von der Motorsteuerung in adäquate Abhilfsmaßnahmen, insbesondere in eine Drehmomentreduktion, umgesetzt werden. Zugleich ist wie vorstehend ausgeführt der Motor durch die elastische Kupplung von den durch das Radrattern hervorgerufenen Schwingungen entkoppelt, so dass der Motor durch diese Belastungen nicht beschädigt werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die elastische Kupplung eine Motorwelle des Motors mit einer Getriebeeingangswelle des Achsgetriebes, insbesondere drehfest und/oder drehschwingungsgedämpft, verbindet. Hierdurch kann vorteilhafterweise zum einen das Antriebsmoment des Motors auf das Achsgetriebe übertragen und zum anderen der Motor von den durch das Radrattern hervorgerufenen Schwingungen entkoppelt werden.
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Zur Schwingungsentkopplung zwischen Getriebeeingangswelle und Motorwelle ist es vorteilhaft, wenn die elastische Kupplung zur drehschwingungsgedämpften Verbindung von Motorwelle und Getriebeeingangswelle zumindest ein elastisches Pufferelement aufweist. Dieses ist vorzugsweise derart im Kupplungsverbindungsbereich zwischen der Motorwelle und der Getriebeeingangswelle angeordnet, dass sich dieses bei einer relativen Drehung der Motorwelle gegenüber der Getriebeeingangswelle anfangs zunächst staucht und erst ab einem bestimmten Stauchungsgrad das im Wesentlichen volle Drehmoment der Motorwelle auf die Getriebeeingangswelle überträgt.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die elastische Kupplung derart ausgebildet ist, dass die Drehmomentübertragung von der Motorwelle auf die Getriebeeingangswelle mittels Formschluss erfolgt, da hierdurch sehr hohe Drehmomente übertragbar sind. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die elastische Kupplung derart ausgebildet ist, dass die Motorwelle und die Getriebeeingangswelle zueinander axial, radial und/oder winklig verlagerbar sind, so dass durch eine derartige Relativbewegung zwischen Motorwelle und Getriebeeingangswelle Spannungen zwischen diesen vermieden werden können.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Achsgetriebe ein Gehäuse aufweist, in dem der Drehzahlsensor zumindest teilweise angeordnet ist. Somit kann der Drehzahlsensor die Drehzahl zumindest eines im Gehäuse des Achsgetriebes angeordneten Geberrades ermitteln. Wenn der Drehzahlsensor vollständig im Gehäuse des Achsgetriebes angeordnet ist, ist dieser vorteilhafterweise zusätzlich vor extern einwirkenden chemischen oder mechanischen Belastungen geschützt.
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Um eine passende Übersetzung des vom Motor erzeugten Drehmomentes auf die Radwelle sicherstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Achsgetriebe zumindest ein mit der Getriebeeingangswelle drehfest verbundenes erstes Zahnrad und ein mit der, insbesondere getriebeausgangsseitigen, Radwelle drehfest verbundenes zweites Zahnrad aufweist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Zahnrad des Achsgetriebes, insbesondere das erste und/oder zweite Zahnrad, als Geberrad für den Drehzahlsensor ausgebildet ist. Hierdurch kann der Drehzahlsensor zur Überwachung der Drehzahl der Radwelle in Bezug auf die elastische Kupplung abtriebsseitig im Antriebssystem angeordnet werden. Die Drehzahl des im Achsgetriebe angeordneten Zahnrades wird somit durch die elastische Kupplung nicht beeinflusst, so dass eine exakte Ansteuerung des Motors über die Motorsteuerung zur Kompensation des Radratterns erfolgen kann.
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Das Achsgetriebe mit seinem darin integrierten Drehzahlsensor kann insbesondere dann konstruktiv einfach umgesetzt werden, wenn die Motorsteuerung anhand der Drehzahl des als Geberrad ausgebildeten ersten Zahnrades die Drehzahl der Radwelle zu ermitteln vermag.
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Das Achsgetriebe kann besonders bauraumsparend ausgebildet werden, wenn dieses als Stirnrad-Achsgetriebe ausgebildet ist. Hierbei ist vorzugsweise das erste und das zweite Zahnrad unmittelbar miteinander verzahnt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Antriebssystems in einer Vorderansicht.
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Gemäß der in 1 dargestellten schematischen Vorderansicht eines Antriebssystems 1 eines Schienenfahrzeugs umfasst dieses eine Radwelle 2, die von einem Motor 3 über ein zwischengeschaltetes Achsgetriebe 4 antreibbar ist. Die Radwelle 2 ist als Radsatzwelle ausgebildet und weist an ihren beiden Enden jeweils ein fest mit ihr verbundenes Rad 5, 6 auf. Das Achsgetriebe 4 umfasst ein erstes Zahnrad 7 und ein zweites Zahnrad 8. Diese sind in einem Gehäuse 9 des Achsgetriebes 4 angeordnet. Das erste Zahnrad 7 ist antriebsseitig drehfest mit einer Getriebeeingangswelle 10 verbunden. Das zweite Zahnrad 8 ist mit der am Achsgetriebe 4 abtriebsseitig angeordneten Radwelle 2 drehfest verbunden. Die beiden Zahnräder 7, 8 kämmen ineinander.
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Zwischen dem Motor 3, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet ist, und dem Achsgetriebe 4 ist eine elastische Kupplung 11 angeordnet. Diese verbindet eine Motorwelle 12 des Motors 3 mit der Getriebeeingangswelle 10 des Achsgetriebes 4 drehfest und/oder drehschwingungsgedämpft. Hierfür kann die elastische Kupplung 11 antriebsseitig sowie abtriebsseitig ineinandergreifende Zähne aufweisen, wodurch eine formschlüssige Kraftübertragung von der Motorwelle 12 auf die Getriebeeingangswelle 10 sichergestellt wird. Zur Drehschwingungsdämpfung können zwischen diesen Zähnen in 1 nicht dargestellte, elastische Pufferelemente angeordnet sein. Die elastische Kupplung 11 bewirkt somit zum einen eine zuverlässige Kraftübertragung des vom Motor 3 erzeugten Drehmomentes über die Motorwelle 12 auf die Getriebeeingangswelle 10. Zum anderen bewirkt die elastische Kupplung 11 eine Entkopplung des Motors 3 von Schwingungen, die in Bezug zur Kupplung abtriebsseitig auftreten können. Derartige fremderregten Schwingungen entstehen insbesondere durch Radrattern. Das Radrattern kann aufgrund unterschiedlicher Raddurchmesser, unterschiedlicher Reibwerte und/oder Schienenzustände entstehen. Demnach verursachen beim Abrollen der Räder durch das Materialgefüge, Verschleiß und Korrosion hervorgerufene unebene Strukturen der Schienen- und Radfahrflächen Schwingungsanregungen der Räder 5, 6, die sich von diesen ausgehend antriebsseitig über die Radwelle 2, zum Achsgetriebe 4 und letztendlich bis zum Motor 3 fortsetzen können. Eine durch Radrattern hervorgerufene Schwingungsanregung der Motorwelle 12 kann eine Beschädigung des Motors 3 hervorrufen. Die elastische Kupplung 11 gewährleistet jedoch eine Schwingungsentkopplung des Motors 3 von den übrigen abtriebsseitigen Komponenten des Antriebssystems 1. Durch eine mittels der elastischen Kupplung 11 bewirkte Entkopplung können ferner störende Geräusche des Antriebssystems 1 reduziert werden.
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Der Motor 3 ist an einem in 1 nicht dargestellten Drehgestell starr gelagert. Im Gegensatz dazu kann sich das auf der Radwelle 2 angeordnete Achsgetriebe 4 relativ zum Motor 3 bewegen. Um eine zuverlässige Drehmomentübertragung vom Motor 3 auf das Achsgetriebe 4 sicherstellen zu können, ist die elastische Kupplung 11 ferner derart ausgebildet, dass die Motorwelle 12 und die Getriebeeingangswelle 10 zueinander axial, radial und/oder winklig verlagerbar sind. Die elastische Kupplung 11 ist hierfür vorzugsweise als elastische Bogenzahnkupplung ausgebildet.
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Gemäß 1 weist das Antriebssystem 1 eine Motorsteuerung 13 auf, die mit einer ersten Leitung 14, insbesondere einer elektronischen Datenleitung, mit dem Motor 3 verbunden ist. Über die erste Leitung 14 kann die Motorsteuerung 13 den Motor 3 zum Einstellen eines Drehmoments ansteuern. Des Weiteren ist die Motorsteuerung 13 über eine zweite Leitung 15 mit einem Drehzahlsensor 16 verbunden. Der Drehzahlsensor 16 kann die Drehzahl eines Geberrades 17 bestimmen. Anhand dieser Geberrad-Drehzahl kann die Motorsteuerung 13 die Drehzahl anderer Zahnräder und/oder Wellen des Antriebssystems bestimmen. Der Drehzahlsensor 16 kann beispielsweise als Inkrementalmesswertgeber ausgebildet sein. Hierbei ist der Drehzahlsensor 16 insbesondere ein magnetoresistiver Sensor der in Abhängigkeit von den an ihm vorbeibewegten Zähnen des Geberrades 17 Impulse erzeugt, die er über die zweite Leitung 15 an die Motorsteuerung 13 überträgt, die wiederum die exakte Drehzahl des Geberrades 17 bestimmt.
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Der Drehzahlsensor 16 dient dazu, mittelbar oder unmittelbar die Drehzahl an den Rädern 5, 6 bzw. an der Radwelle 2 zu überwachen, um kritische Fahrsituationen, die durch Radrattern hervorgerufen werden können, frühzeitig erkennen zu können. Hierfür kann in Bezug auf die elastische Kupplung 11 jedes abtriebsseitige Zahnrad und/oder jede abtriebsseitige Welle als Geberrad 17 fungieren. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Zahnrad 7 des Achsgetriebes 4 als Geberrad 17 ausgebildet. Demnach ist der Drehzahlsensor 16 gegenüber dem Geberrad 17 bzw. dem ersten Zahnrad 7 derart angeordnet, dass eine Bewegung der Zähne des Geberrades 17 sensiert werden kann. Alternativ könnte aber ebenso auch das zweite Zahnrad 8 des Achsgetriebes 4 als Geberrad 17 ausgebildet sein. Hierbei müsste vorteilhafterweise keine das Übersetzungsverhältnis des Achsgetriebes 4 berücksichtigende Umrechnung erfolgen, da konstruktionsbedingt die Drehzahl des zweiten Zahnrades 8 der Drehzahl der Radwelle 2 entspricht.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist der Drehzahlsensor 16 teilweise im Gehäuse 9 des Achsgetriebes 4 angeordnet. Hierdurch wird eine Überwachung des im Gehäuse 9 angeordneten Geberrades 17 ermöglicht. Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass der Drehzahlsensor 16 vollständig im Gehäuse 9 integriert ist. Hierdurch wäre der Drehzahlsensor 16 vor äußeren chemischen und/oder mechanischen Störeinflüssen geschützt.
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Beim Betrieb des in 1 dargestellten Antriebssystems 1 erzeugt der Motor 3 ein Drehmoment, das von dessen Motorwelle 12 über die elastische Kupplung 11 an die Getriebeeingangswelle 10 übertragen wird. Im Achsgetriebe 4 wird dieses Drehmoment aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der beiden ineinandergreifenden Zahnräder 7, 8 übersetzt und von dem zweiten Zahnrad 8 auf die mit diesem drehfest verbundene Radwelle 2 übertragen. Von dort aus wird das Antriebsmoment letztendlich auf die beiden Räder 5, 6 weitergeleitet, wodurch der Vortrieb des Schienenfahrzeugs erfolgt.
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Wie bereits vorstehend erläutert, können durch unterschiedliche Störeinflüsse Schwingungen im Antriebssystem 1 (Radrattern) erzeugt werden, die zu störenden Geräuschen sowie zu einer Beschädigung der Antriebskomponenten führen können. Aufgrund der elastischen Kupplung 11 können sich diese Schwingungen jedoch nicht bis zum Motor 3 fortsetzen, so dass dieser geschützt ist. Um Gegenmaßnahmen zum Abstellen des Radratterns einleiten zu können, muss das Radrattern zunächst zuverlässig und unverfälscht sensorisch erfasst werden. Als Parameter zur Erkennung des Radratterns kann die Drehzahl an der Radwelle 2 dienen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird diese mittelbar durch die Überwachung eines im Vergleich zur Kupplung 11 antriebsseitig angeordneten Geberrades 17 überwacht. Aufgrund der elastisch ausgebildeten Kupplung 11 kann sich der zeitliche Verlauf der Drehzahl der Getriebeeingangswelle 10 und der Motorwelle 12 unterscheiden. Infolgedessen würde bei einer antriebsseitigen Anordnung des Drehzahlsensors 16 ein verfälschter Wert bereitgestellt werden, so dass keine adäquaten, sondern insbesondere zeitlich verzögerten, Abhilfsmaßnahmen eingeleitet werden könnten.
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Erfindungsgemäß ist der Drehzahlsensor 16 gegenüber der elastischen Kupplung 11 deshalb abtriebsseitig im Antriebssystem 1 angeordnet. Demnach setzen sich die durch das Radrattern bedingten Schwingungen von den Rädern 5, 6 ausgehend nur bis zur elastischen Kupplung 11 fort. Eine durch das Radrattern bedingte Drehzahländerung der Radwelle 2 und/oder zumindest eines der Zahnräder 7, 8 des Achsgetriebes 4 kann somit herangezogen werden, um ein vorliegendes Radrattern zuverlässig zensieren zu können. Demnach analysiert die Motorsteuerung 13 die vom Drehzahlsensor 16 über die zweite Leitung 15 übermittelten Daten des Geberrades 17 hinsichtlich eines auftretenden Radratterns. Sobald die Motorsteuerung 13 ein Radrattern erkannt hat, leitet diese entsprechende Abhilfsmaßnahmen ein, insbesondere derart, dass sie über die erste Leitung 14 eine Drehmomentreduktion des Motors 3 einregelt. Hierdurch kann ein vorliegendes Radrattern schnell und zuverlässig wieder abgestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diesen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Antriebssystem
- 2.
- Radwelle
- 3.
- Motor
- 4.
- Achsgetriebe
- 5.
- erstes Rad
- 6.
- zweites Rad
- 7.
- erstes Zahnrad
- 8.
- zweites Zahnrad
- 9.
- Gehäuse
- 10.
- Getriebeeingangswelle
- 11.
- elastische Kupplung
- 12.
- Motorwelle
- 13.
- Motorsteuerung
- 14.
- erste Leitung
- 15.
- zweite Leitung
- 16.
- Drehzahlsensor
- 17.
- Geberrad
