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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromabnehmervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer solchen Stromabnehmervorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind gattungsgemäße Stromabnehmervorrichtungen, etwa im Zusammenhang mit Bussen, Straßenbahnen oder Bahnen im öffentlichen Personennahverkehr, allgemein bekannt.
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Die 2 zum – generischen – Stand der Technik verdeutlicht in schematischer Weise die wesentlichen Funktionskomponenten einer derartigen, als aus dem Stand der Technik gängig und allgemein bekannt vorauszusetzenden Technologie:
Auf einem Fahrzeugdach 10 als Auflage, etwa einem Dachabschnitt eines elektrisch angetriebenen Trolleybusses, Straßenbahn oder Bahn, ist ein Arm 12 als Stromabnehmerstange schwenkbar angelenkt. Genauer gesagt ist diese Stromabnehmerstange (Arm) 12 an einem auf dem Dachabschnitt 10 fixierten Gelenkabschnitt 14 so schwenkbar vorgesehen, dass der Arm 12, um den Fixierabschnitt 14 mit einer dort ausgebildeten Drehachse, eine Dreh-/Schwenkbewegung in der Figurenebene der 2 vollführt werden kann.
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Der Arm 12 trägt anderenends, d. h. dem Schwenklager 14 entgegengesetzt, einen (in der Fig. lediglich schematisch gezeigten) Stromabnehmerkopf 16, welcher in ansonsten bekannter Weise Schleifer bzw. Elektroden zum Zusammenwirken mit einer geeignet stromführenden Fahrspannungsleitung 18 (Fahrdraht, auch im weiteren ”Fahrleitung”) aufweist. Genauer gesagt wird der Stromabnehmerkopf 16 in der in 2 schematisch gezeigten Weise von unten gegen den Fahrdraht 18 gedrückt, wobei zu diesem Zweck auf den (schwenkbar gelagerten) Arm 12 mit einer schematisch gezeigten Federeinheit 20 als Elevationsmitteln eine entsprechende Kraft ausgeübt wird. Gattungsgemäß ist dabei die Federeinheit 20 so ausgestaltet, dass für übliche Fahrbedingungen (eingeschlossen typischer Toleranzsituationen) ein zuverlässig kontaktbildender Anpressdruck des Stromabnehmerkopfes 16 gegen den Fahrdraht 18 wirkt.
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Allerdings ist eine derartige, als gattungsbildend vorausgesetzte Technologie in mehrfacher Hinsicht verbesserungsbedürftig, da insbesondere bei üblichen konstruktiven Realisierungsformen und praktischem Betrieb eine Anzahl überwindungsbedürftiger Nachteile auftritt. So weist zunächst die anhand der 2 schematisch verdeutlichte Federlösung bei der Realisierung der Elevationsmittel den Nachteil auf, dass eine Optimierung dieser Feder (also etwa Einstellung des Federwegs, der Federkraft mittels einer vorbestimmten Federkonstante usw.) auf einen geeigneten mittleren Betriebszustand erfolgen muss:
Wird die Federkraft zu stark gewählt, kommt es zu nachteiligen Effekten auf den Fahrdraht 18 bzw. dessen Aufhängung; hinzu kommt der Nachteil potentiell erhöhten Verschleißes der Abnehmerkontaktflächen am Stromabnehmerkopf 16. Ist dagegen die Federkraft zu schwach eingestellt, kann es zu einem unbeabsichtigten Ablösen (und mithin zu Lichtbogen- bzw. Funkenbildung) kommen, nicht zuletzt auch durch dynamische Effekte bei der Relativbewegung zwischen dem Stromabnehmerkopf und der Fahrleitung. Hinzu kommt der kritische Umstand, dass selten entlang einer mit der Fahrleitung verdrahteten Fahrtstrecke ein relativer Höhenabstand zwischen dem Fahrzeugdach 10 (als Auflage- bzw. Referenzfläche) und der Fahrleitung 18 wirklich konstant ist. Vielmehr ist es durchaus üblich, dass eine derartige Relativhöhe (und mithin ein relativer, von der federinduzierten Schwenkbewegung auszugleichender) Differenzhub zwischen einer höchsten und einer niedrigsten relativen Fahrdrahtposition zur Auflage – normabhängig – 1–2 m oder mehr betragen kann. Bei einer typischen Länge eines Arms (Stromabnehmerstange) von bis zu 7 m führt dies zu beträchtlichen Schwenkbewegungen des Arms und damit auch signifikanten Kompressionswegen der schematisch gezeigten Druckfedereinheit 20. Hinzu kommt zur weiteren Erhöhung der Komplexität dieses Problemkontextes, dass üblicherweise der Arm (12 in 2) mit seiner schwenkenden Anlenkung 14 gegenüber der Auflage (z. B. Dachabschnitt des Fahrzeugs) auch noch drehbar (in der 2, allerdings nicht gezeigt, um eine dann vertikal verlaufende Drehachse) gelagert ist.
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Im Ergebnis entsteht dadurch im Stand der Technik eine Vielzahl an möglichen Fahrsituationen und Positionsbedingungen des Arms, an bzw. zu welchen ein nicht optimaler Kontakt des Stromabnehmerkopfes 16 am Fahrdraht besteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Stromabnehmervorrichtung für fahrleitungsbetriebene Fahrzeuge im Hinblick auf ihre Betriebseigenschaften bei variierenden Fahrt- und Fahrdrahtbedingungen, insbesondere bei fluktuierender relativer Höhe zwischen einem Fahrzeugdach (als Auflage- und Anlenkpunkt für die Stromabnehmerstange) und der Fahrleitung, zu verbessern, insbesondere für eine Homogenisierung oder gar einen konstanten Wert der Andruckkraft zu sorgen und dabei eine konstruktive Realisierung vorzuschlagen, welche mechanisch einfach, gleichzeitig belastbar, fehlertolerant und für hohe Standzeiten geeignet ist.
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Die Aufgabe wird durch die Stromabnehmervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird zudem beansprucht für eine vorteilhafte Verwendung dieser Stromabnehmervorrichtung für einen elektrisch betriebenen Bus mit weiter bevorzugter Ausrichtung auf den öffentlichen Personennahverkehr. Es hat sich nämlich im Rahmen der bevorzugten Anwendung erfindungsgemäß herausgestellt, dass insbesondere straßengebundene Fahrleitungsfahrzeuge wie derartige Trolleybusse im besonderen Maße der erfindungsgemäßen Problemstellung unterliegen und dementsprechend nutzbringend die vorliegende Erfindung einsetzen können.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Elevationsmittel zum gesteuerten Heben und Absenken des Arms (der Stromabnehmerstange) und des ansitzenden Stromabnehmerkopfes als auf Pneumatik- und/oder Hydraulikbasis wirkend ausgestaltet und sind so ausgebildet, dass eine vorbestimmte, einstellbare und/oder auf mindestens einen Sollwert geregelte Andruckkraft des Stromabnehmerkopfes an bzw. auf den Fahrdraht gebracht werden kann. Dabei gestatten es die (typischerweise mittels eines oder mehrerer Hydraulik- oder Pneumatikzylinder realisierten) Elevationsmittel durch geeignete hydraulische bzw. pneumatische Ansteuerung, diese Andruckkraft in der erfindungsgemäßen Weise einstellbar, vorbestimmt bzw. mittels Regelmitteln einzustellen oder zu variieren. Entsprechend ergibt sich der Vorteil, dass, insbesondere in Abhängigkeit von einer veränderlichen Relativhöhe zwischen der Fahrleitung und der Auflage bzw. dem Dachabschnitt zum Anlenken des Armes, ein jeweils gleichmäßiger, konstanter Anpressdruck für eine in diesen verschiedenen Fahr- und Fahrdrahtsituationen bestmögliche Stromabnehmerfunktionalität gewährleistet sein kann.
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Dabei ist es in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung besonders günstig, wenn den erfindungsgemäß realisierten Elevationsmitteln Regelmittel zum Regeln der Andruckkraft zugeordnet sind, wobei der (geeignet vorgeb- bzw. einstellbare) Sollwert dann vorteilhaft die gewünschte konstante Andruckkraft realisieren kann, ergänzend oder alternativ etwa auch die Möglichkeit bietet, auf eine konstante Elevationshöhe zu regeln.
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Zur Realisierung insbesondere einer konstanten Andruckkraft des Stromabnehmerkopfes am Fahrdraht ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, den Elevationsmitteln Sensormittel zur Feststellung eines Elevationswinkels des Arms relativ zum Dachabschnitt (Auflage) zuzuordnen, wobei ein derartiger Winkelsensor dann durch übliche, optische, mechanische, piezoelektrische oder andere Messprinzipien realisiert sein kann. Eine derartige Winkelinformation kann dann zusammen mit dem Sollwert durch die erfindungsgemäße Regelung verarbeitet werden, um den Andruck konstant zu halten. Alternativ ist es im Rahmen dieser Weiterbildung möglich, statt des Elevationswinkels auch die Elevationshöhe (also etwa den Vertikalabstand zwischen dem Dachabschnitt und dem Fahrdraht) festzustellen und dieses Signal analog dem Regelprozess zuzuführen.
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Dabei ist es sowohl von der Erfindung umfasst, eine derartige Krafterzeugungsfunktionalität mittels Pneumatik- bzw. Hydraulikzylinder als Kraft (in der erfindungsgemäßen Art einer steuerbaren Feder) aufzubringen, als auch, bei entsprechender anderer Anlenkung, den Arm mit einer (pneumatischen bzw. hydraulischen) Zugkraft zu beaufschlagen. Der Fachmann wird hier eine geeignete Weiterbildung entsprechend einem jeweiligen Einsatzzweck auswählen, ebenso wie etwa, bei einer gleichermaßen bevorzugten Ausbildung der Erfindung mit vorbestimmtem (höhenabhängigem) Kraft-/Wegverhältnis der Elevationsmittel als Steuerkennlinie in (Regel-)Ventilen zur Umsetzung der Hydraulik- bzw. Pneumatikfunktionalität eine besonders geeignete Variation erkennen.
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Eine im praktischen Betrieb besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, neben der erfindungsgemäßen pneumatischen bzw. hydraulischen Elevation zusätzlich das Heben bzw. Senken der Stromabnehmerstange (samt ansitzendem Stromabnehmerkopf) durch elektromotorisch wirkende Mittel zu realisieren. In weiter bevorzugter Ausgestaltung mittels eines Spindel-(Hub-)Antriebs ergibt sich so etwa die Möglichkeit, die Ansteuergenauigkeit und Präzisierung eines derartigen elektromotorischen Hebe-/Senkbetriebs für einen Teil des Hubweges (”Wegabschnitt”) zu verwenden, weiter bevorzugt ohne dass entlang dieses elektromotorischen Wegabschnitts durch den Stromabnehmerkopf bereits der Fahrdraht erreicht würde. Dieser verbleibende Wegabschnitt würde dann im Rahmen dieser bevorzugten Variante der Erfindung hydraulisch bzw. pneumatisch bewirkt werden, insbesondere mit dem Ziel, dort dann den vorteilhaften Kraftausgleich bzw. die Homogenisierung zu bewirken. Unabhängig von dieser Erfindungsvariante ist es weiterbildungsgemäß möglich und umfasst, beliebige Wegabschnitte elektromotorisch anzutreiben und/oder etwa besonders feinfühlig einzustellende Positionen mittels der elektromotorischen Mittel zu realisieren.
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Die erfindungsgemäße Technologie gestattet aufgrund der den hydraulischen bzw. pneumatischen Elevationsmitteln zugeordneten Regel- bzw. Steuertechnologie das Einstellen bzw. Einregeln nahezu beliebiger Andruckverhältnisse, etwa in Abhängigkeit von einer aktuellen relativen Fahrdrahthöhe. Die dafür schon vorhandenen Regelfunktionalitäten bieten nunmehr weiterbildungsgemäß die Möglichkeit, auch noch auf weitere, im Fahrbetrieb und/oder auf der Umgebung auftretende Bedingungen vorbestimmt oder situativ reagieren zu können. So ist es etwa weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung vorgesehen, den Elevationsmitteln (bzw. zugeordneten Regel- und/oder Steuermitteln) Mittel zur elektronischen Erfassung von Fahrt- oder Fahrdrahtparametern zuzuordnen. Zu diesen Parametern gehören etwa relevante Einflussgrößen wie Fahrtgeschwindigkeit, Fahrtrichtung, (absolute) Fahrdrahthöhe bzw. Fahrdrahtsteigung, die sich dann auf das Regel- bzw. Stellverhalten der Erfindung auswirken können. So wird im Rahmen der Erfindung etwa eine erhöhte Fahrtgeschwindigkeit eine erhöhte Andruckkraft erfordern, welche dann ohne weiteres eingestellt bzw. eingeregelt werden kann. Gleichermaßen kann etwa das Erfassen (alternativ auch etwa das elektronisch-kartenbasierte Auslesen) einer Stelle mit großer Fahrdrahtsteigung dazu führen, dass gerade hier dann wiederum die Andruckkraft erhöht (und dann gleichermaßen bei Gefälle vermindert) wird. Entsprechendes gilt für einen Fliehkrafteinfluss in Kurven.
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Die Erfindung gestattet es gleichwohl auch, Umgebungsparameter unabhängig von der Fahrt- bzw. Fahrdrahtsituation zu erfassen und geeignet zu berücksichtigen. So liegt es etwa im Rahmen dieser bevorzugten Weiterbildung, durch die Mittel zur elektronischen Erfassung von Umgebungseinflüssen besonders niedrige Außentemperaturen und/oder eine mögliche Vereisung des Fahrdrahtes zu detektieren und daraufhin dann die erfindungsgemäße Anpassung gezielt vorzunehmen, ebenso wie etwa weitere Witterungsbedingungen wie Windgeschwindigkeit, Feuchtigkeit, sehr geringe Luftfeuchtigkeit oder dergleichen einen Einfluss haben können.
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Im Ergebnis gestattet es die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Art, die Nachteile bestehender, gattungsbildender Stromabnehmervorrichtungen in Fahrdrahtsystem zu überwinden, indem vormals starres mechanisches Federverhalten beim Andruck ersetzt wird durch sensibel steuerbares Federverhalten durch die erfindungsgemäße Hydraulik- bzw. Pneumatiktechnologie, unterstützt durch zugeordnete Stell-, Regel- und Detektorfunktionalitäten. Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in herausragender Weise zur Verwendung bei Fahrleitungs-Straßenfahrzeugen, wie etwa Trolleybussen im öffentlichen Personennahverkehr, ist jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1 ein seitliches Schemadiagramm zum Verdeutlichen der wesentlichen Funktionskomponenten und deren Zusammenwirken bei einer Stromabnehmervorrichtung einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
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2 ein Schemadiagramm in Seitenansicht analog zu 1 zum Verdeutlichen des als gattungsbildend herangezogenen Standes der Technik.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele werden in den Zeichnungen übereinstimmende bzw. korrespondierende Funktionseinheiten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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So zeigt die 1 als schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Stromabnehmervorrichtung mit einem Schwenkarm 12 (Stromabnehmerstange) mit einer Länge von ca. 6–7 m (etwa gemäß DIN EN 50502), welche an ihrem oberen Ende den bereits diskutierten Stromabnehmerkopf 16 zum Zusammenwirken mit einem Fahrdraht 18 einer Trolleybus-Fahrdrahtanlage für den öffentlichen Personennahverkehr aufweist. Anderenends ist der Arm 12 gelagert in einer Drehlagerung 14, welche fest auf einer Auflage 10 (hier: Dachabschnitt eines nicht näher gezeigten Trolleybusses als Transportmittel im öffentlichen Personennahverkehr) befestigt ist.
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Die 1 zeigt ferner einen Pneumatikzylinder 22 als Elevationsmittel, welcher sich wiederum einends auf der Auflage 10 abstützt, anderenends am Arm 12 so angelenkt ist, dass als Reaktion auf eine Betätigung dieser Pneumatikeinheit ein Zylinderstößel 24 der Pneumatikeinheit auf den Arm 12 greift und diesen dann mit dem Kopf 16 gegen den Fahrdraht 18 drückt.
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Dem Pneumatikzylinder 22 ist eine Pneumatik-Regeleinheit vorgeschaltet, bestehend aus einem Pneumatik-Druckspeicher (Drucktank) 26, welcher über ein erstes Druckventil 28 (wirkend als Regelventil) und eine Druckleitung 30 zum Pneumatikzylinder 22 geführt ist. Parallel geschaltet ist ein Druckablassventil 32, wobei die Ventileinheiten 28, 32 durch einen (ansonsten bekannten) Druckregler 34 angesteuert werden.
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Wie die Schemadarstellung der 1 verdeutlicht, empfängt dieser Druckregler 34 zum einen einen (geeignet vorgegebenen, etwa konstanten, alternativ auch entsprechend vorgegebenen Daten variablen) Sollwert 36, welcher in der Regeleinheit 34 hier mit einem Positions-Istwert 38 des Arms 12 verglichen wird und entsprechend eine Regelung der Elevationshöhe erfolgen kann. Genauer gesagt erfasst ein mit dem Arm 12 gekoppelter Sensor 40 als Drehwertgeber einen aktuellen Elevationswinkel des Arms 12 (insoweit entsprechend einer Höhe des Stromabnehmerkopfes relativ zur Auflage 10) und leitet dieses Signal als Istwert 38 der Regeleinheit 34 zu. Damit stehen die Elevationshöhe, die Fahrdrahthöhe und der Anpressdruck miteinander in einem funktionellen bzw. regelungstauglichen Zusammenhang, wobei etwa aus dem Sensor 40 (über eine geeignete Kennlinie) ein Druck-Sollwert abgeleitet werden könnte, um dann damit einen konstanten Anpressdruck zu ermöglichen.
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Alternativ, wie in den Figuren nicht gezeigt, kann auch ein etwa im Pneumatikzylinder 22 zugeordneter Drucksensor ein momentanes Pneumatikdrucksignal erzeugen und dieses dann (ergänzend oder alternativ) dem Regler 34 zuführen.
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Im Betrieb der Vorrichtung gemäß 1 würde nunmehr entweder ein einer jeweiligen Fahrsituation geeigneter Sollwert 36 vorgegeben, alternativ ein solcher Wert aus vergangenen Daten, Karten- oder Vorgabedaten erzeugt und dann entsprechend der gezeigten Regeltechnologie zu einer fahrsituationsgerechten Vertikalpositionierung des Stromabnehmerkopfes führen, mit der vorteilhaften Konsequenz, dass in der beabsichtigten Weise etwa ein konstanter Kontaktdruck (bei verschiedenen relativen Fahrleitungshöhen) erreichbar ist. Damit ist es dann insbesondere auch möglich, in der vorbeschriebenen Weise auf verschiedene Fahrgeschwindigkeiten, verschiedene Fahrdrahtbedingungen (auch etwa ein Absinken von Fahrdrähten bei Tunneleinfahrten oder Unterführungen) zu reagieren, ebenso wie auf Fahrtrichtungsänderungen, sodass zu jeder Fahrbedingung dann sicherheitserhöhend eine optimale Andruckkraft im erfindungsgemäßen Stromabnehmersystem realisiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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