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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radsatzgetriebe für Schienenfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Antriebsstrang gemäß Anspruch 6.
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Im Schienenfahrzeugbau ist die Radsatzwelle diejenige Welle, auf der die beiden Radscheiben der jeweiligen Achse verdrehfest befestigt sind. Getriebe, die die Radsatzwelle zumindest teilweise mit umfassen, werden Radsatzgetriebe genannt.
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Insbesondere in sogenannten Electrical Multiple Units, im Folgenden EMU genannt, werden bisher meist ein- oder zweistufige Radsatzgetriebe zur Übertragung der Antriebsleistung einer elektrischen Antriebsmaschine auf die Radsatzwelle verwendet. EMUs werden u.a. als Metro, U-Bahn oder Untergrundbahn in öffentlichen Verkehrssystemen eingesetzt.
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Ein als Triebwagen ausgebildetes Metro-Fahrzeug weist dabei zumindest eine mit einer elektrischen Antriebsmaschine, d.h. einem Elektromotor, gekoppelte angetriebene Triebachse auf, die als Radsatzwelle ausgebildet ist. Daneben kann ein solcher Triebwagen auch eine oder mehrere nicht mit einer Antriebsmaschine gekoppelte Laufachsen aufweisen. Der gesamte Zug wird also in der Regel durch mehrere Antriebsmaschinen und Triebachsen im sogenannten Multitraktionsbetrieb angetrieben. Es ist jedoch bekannt bei derartigen EMUs in Teillastphasen einzelne Antriebsmaschinen elektrisch abzuschalten, sodass einzelne Antriebe nur stromlos mitlaufen und dadurch Energie eingespart wird. Es ist ferner bekannt einzelne defekte Elektromotoren abzukoppeln und den betroffenen Antriebsstrang im Schleppbetrieb weiter zu betreiben, sodass bei Ausfall bzw. beim Blockieren eines Elektromotors nicht der gesamte Zug stehen bleiben muss.
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Ein Radsatzgetriebe für einen solchen Schienenfahrzeugantrieb ist beispielsweise in der
DE 10 2010 063 874 A1 beschrieben. Dabei ist ein Elektromotor quer zur Fahrtrichtung an dem Drehgestellrahmen des Schienenfahrzeuges befestigt. Die Abtriebswelle des Elektromotors ist über eine kardanisch wirkende Kupplung mit einer Antriebswelle des Radsatzgetriebes verbunden. Ein auf der Antriebswelle befestigtes Ritzel treibt ein auf der Radsatzwelle befestigtes Großrad an, wodurch die Radsatzwelle mit den darauf befestigten Radscheiben des Schienenfahrzeuges angetrieben wird. Das Radsatzgetriebe stützt sich im Wesentlichen auf der Radsatzwelle ab und wird deshalb auch achsreitendes Radsatzgetriebe genannt. Die kardanisch wirkende Kupplung kann beispielsweise als Bogenzahnkupplung oder als elastische Wellenkupplung ausgeführt sein und gleicht Relativbewegungen zwischen dem Elektromotor und dem achsreitenden Radsatzgetriebe aus. Solche Relativbewegungen entstehen im Fahrbetrieb hauptsächlich durch die Einfederbewegungen der ungefederten Massen, zu denen beispielsweise die Radsatzwelle mit den Laufrädern und zum Teil auch das Radsatzgetriebe zählen, während der am Drehgestellrahmen befestigte Elektromotor zu den gefederten Massen zählt. Eine derartige Anordnung eines Schienenfahrzeugantriebes wird auch teilabgefederter Antrieb genannt.
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Im Vergleich zu voll abgefederten Schienenfahrzeugantrieben sind die teilabgefederten einfacher und kostengünstiger herstellbar, weil kein Ausgleich von radialen, axialen oder kardanischen Bewegungen zwischen dem Getriebe und der Radsatzwelle, beispielweise durch eine Hohlwelle, notwendig ist. Ferner sind solche Schienenfahrzeugantriebe gerade mit einstufigen Radsatzgetrieben auch verhältnismäßig einfach und kompakt aufgebaut und können daher im räumlich eng begrenzten Unterbau des Schienenfahrzeuges vorteilhaft angeordnet werden.
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Ein elektrisch angetriebener Schienenfahrzeugantrieb kann auch im Vergleich zu Schienenfahrzeugantrieben mit Verbrennungsmotoren einfacher aufgebaut sein, weil der Elektromotor in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann und dadurch ohne ein Wendegetriebe im Antriebsstrang zwei gleichwertige Fahrtrichtungen realisierbar sind.
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Aus der
DE 10 2013 104 558 A1 ist ein Antriebsstrang für einen Schienenfahrzeugwagen umfassend eine Radsatzwelle und ein Grossrad zur Übertragung eines Drehmoments von einer Antriebseinheit auf die Radsatzwelle vorgeschlagen. Eine Überlastkupplung mit vorgegebenem Schaltmoment ist dabei drehfest mit der Radsatzwelle verbunden und koppelt das Grossrad drehfest mit der Radsatzwelle.
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Ferner ist aus der
DE 102 37 879 A1 ein Antrieb für ein Schienentriebfahrzeug bekannt, bei dem die Übertragung des Antriebsmoments über eine Welle erfolgt, die von einem hohl ausgeführten Radsatz umschlossen wird. Das Antriebsmoment wird dabei mit einem Getriebe über eine flexible Kupplung auf eine Antriebswelle und von dort wiederum über eine flexible Kupplung auf eine Hohlachse mit den darauf montierten Radscheiben übertragen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfach aufgebautes Radsatzgetriebe eines Schienenfahrzeuges anzugeben, welches einen kostengünstigen und zuverlässigen Betrieb ermöglicht, insbesondere auch im Multitraktionsbetrieb. Des Weiteren soll ein Antriebsstrang mit einem derartigen Radsatzgetriebe angegeben werden.
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Die Aufgabe wird durch ein Radsatzgetriebe gemäß dem Patentanspruch 1, sowie einen Antriebsstrang nach Anspruch 6 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor.
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Es wird ein Radsatzgetriebe für ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, das eine Antriebswelle aufweist, die mit einem elektrischen Antriebsmotor antriebswirksam verbunden ist. Das Radsatzgetriebe weist des Weiteren eine als Radsatzwelle ausgebildete Abtriebswelle auf.
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Erfindungsgemäß umfasst das Radsatzgetriebe eine Entkoppeleinrichtung, mit der die mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle trennbar ist. Mit Hilfe der Entkoppeleinrichtung ist es somit möglich den Kraftfluss zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle zu unterbrechen. Mit anderen Worten kann mittels der Entkoppeleinrichtung zwischen einem entkoppelten Zustand, in dem die mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle getrennt ist, und einem gekoppelten Zustand, in dem die mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle hergestellt ist, gewählt werden.
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Da die Abtriebswelle gleichzeitig die Radsatzwelle ist, rotiert während der Fahrt des Schienenfahrzeuges bei abgekoppelter Abtriebswelle nur noch der Radsatz. Alle anderen Komponenten des abgekoppelten Antriebsstranges, beispielsweise die Antriebswelle, eine Wellenkupplung und ein Rotor des elektrischen Antriebsmotors können still stehen. Dadurch können beispielsweise im Teillastbetrieb erhebliche Energiemengen eingespart werden, weil die weiterhin mitrotierenden, abtriebsseitigen Massen an dem abgekoppelten Antriebsstrang verhältnismäßig gering sind.
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Das Abkoppeln einzelner Antriebsstränge im Teillastbetrieb von Schienenfahrzeugen ist zwar bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings wird der Antriebsstrang dabei nicht in einem Radsatzgetriebe, sondern weiter antriebsseitig davon getrennt, sodass im entkoppelten Zustand zwangsläufig noch weitere Komponenten des Antriebsstranges mit dem Radsatz mitrotieren. D.h. diese Komponenten werden im Fahrbetrieb durch die mitgeschleppten Radscheiben des abgekoppelten Antriebsstranges von der Abtriebsseite her weiter mit beschleunigt und abgebremst. Die dadurch verbrauchte Energie kann durch die vorliegende Erfindung eingespart werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das Radsatzgetriebe als einstufiges Stirnradgetriebe ausgeführt. D.h. das Radsatzgetriebe weist neben der Antriebswelle und der Abtriebswelle keine weitere drehmomentübertragende Welle auf.
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Weiter bevorzugt weist das Radsatzgetriebe ein erstes Stirnrad und ein zweites Stirnrad auf, die miteinander im Eingriff stehen. Dabei ist das erste Stirnrad verdrehfest mit der Antriebswelle verbunden und das zweite Stirnrad ist mittels der Entkoppeleinrichtung wahlweise verdrehfest mit der Abtriebswelle koppelbar oder von der Abtriebswelle entkoppelbar. Entkoppelbar bedeutet, dass das zweite Stirnrad gegenüber der Abtriebswelle rotierbar ist. Dazu kann die Entkoppeleinrichtung direkt an der Abtriebswelle bzw. Radsatzwelle angeordnet sein und dort zwischen dem gekoppelten Zustand und dem entkoppelten Zustand umschalten. Das zweite Stirnrad bzw. Abtriebsrad ist koaxial zu der Abtriebswelle angeordnet und im entkoppelten Zustand gegenüber der Abtriebswelle frei rotierbar. Das zweite Stirnrad ist demnach als Losrad ausgeführt.
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Es handelt sich demnach um ein einstufiges Stirnradgetriebe mit dem ersten Stirnrad als Antriebsritzel und dem zweiten Stirnrad als Abtriebsrad. Vorzugsweise umfasst das Radsatzgetriebe neben dem genannten ersten und zweiten Stirnrad keine weiteren Zahnräder. Eine solche Ausführung und Anordnung der Stirnräder im Radsatzgetriebe ist einfach und kostengünstig herstellbar und ermöglicht eine einfache und platzsparende Anordnung des elektrischen Antriebsmotors quer zur Fahrtrichtung, ohne weitere Getriebeelemente im Antriebsstrang vorsehen zu müssen. Insbesondere im Vergleich mit Getrieben, die zum Zwecke der Fahrtrichtungsumkehr oder zum Schalten verschiedener Übersetzungsverhältnisse mehrere Zahnradpaare aufweisen ist die hier vorgeschlagene einfache Ausführung eines Radsatzgetriebes mit nur einem Stirnradpaar kostengünstiger in der Herstellung und Instandhaltung. Da in dem vorgeschlagenen Radsatzgetriebe keine verschiedenen Übersetzungsverhältnisse sondern nur die beiden Betriebszustände „gekoppelt“ oder „entkoppelt“ geschaltet werden soll, kann auch eine zur Steuerung geeignete elektrische, elektronische oder pneumatische Steuereinrichtung verhältnismäßig einfach, kostengünstig und störungssicher ausgeführt werden.
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Die Anordnung der Entkoppeleinrichtung direkt an der Radsatzwelle ermöglicht die Abtrennung des gesamten Antriebsstranges außer der Radsatzwelle und den darauf befestigten Radscheiben. Der im Multitraktionsbetrieb erzielbare Energieeinspareffekt ist dadurch besonders groß.
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Grundsätzlich sind als Entkopplungseinrichtung reibschlüssige und formschlüssige Schaltelemente verwendbar. Reibschlüssige Schaltelemente erlauben zumindest teilweise lastschaltbare Ein- und Abkopplungsschaltungen und eine weniger genaue Synchronisierung beim Einkoppeln.
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Bevorzugt umfasst die Entkoppeleinrichtung jedoch ein formschlüssiges Schaltelement, beispielsweise ein Klauenschaltelement. Klauenschaltelemente sind in der Regel einfacher und kompakter aufgebaut und erfordern einen geringeren Wartungsaufwand. Das Klauenschaltelement kann beispielsweise in Form einer Schiebemuffenschaltung ausgeführt sein. Solche Schaltelemente haben sich in vielen Anwendungen als zuverlässig erwiesen und sind kompakt aufgebaut.
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Möglich sind auch kombinierte Schaltelemente, die reibschlüssige Komponenten zur Synchronisierung und formschlüssige Komponenten zum festen Verbinden aufweisen. Derartige synchronisierten Schaltelemente sind insbesondere aus dem PKW-Bereich in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
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Zur Synchronisierung eines Klauenschaltelementes kann erforderlichenfalls die antriebsseitige Drehzahl mit dem elektrischen Antriebsmotor an die abtriebsseitige Drehzahl angepasst werden. Daneben können auch Betriebsbremsen an dem Antriebsstrang oder Schienenfahrzeug zur Synchronisierung eingesetzt werden.
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Zur Betätigung der Entkoppeleinrichtung kann die Entkoppeleinrichtung eine druckmittelbetätigbare Kolben-Zylinder-Einheit umfassen. Hydraulische und pneumatische Kolben-Zylinder-Einheiten sind einfach und kostengünstig zu beschaffende Standardbauteile. Die Kolben-Zylinder-Einheit kann außen am Gehäuse so angebaut werden, sodass die Kolben-Zylinder-Einheit, deren Druckmittelanschlüsse und Datenleitungsanschlüsse für die Steuereinrichtung beispielsweise für Wartung und Inspektion gut zugänglich sind.
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Es ist auch denkbar den Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheit einstückig mit einem Gehäuse des Radsatzgetriebes auszuführen, um eine möglichst geringe Anzahl von Einzelteilen zu erreichen. Des Weiteren kann die Kolben-Zylinder-Einheit auch als Ringzylindereinheit konzentrisch zu der Abtriebswelle im oder am Gehäuse des Radsatzgetriebes angeordnet werden, um einen noch kompaktere Bauform des gesamten Radsatzgetriebes zu erreichen.
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An der Entkoppeleinrichtung kann auch eine Notentriegelung vorgesehen sein, mit deren Hilfe der Antriebsstrang im Fall eines Defektes entkoppelt werden kann. So kann beispielsweise eine durch einen defekten Antriebsstrang blockierte Radsatzwelle wieder in einen frei rotierbaren Zustand gebracht werden, sodass das Schienenfahrzeug abgeschleppt oder durch andere Antriebsstränge weiter betrieben werden kann.
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Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung auch einen Antriebsstrang eines Schienenfahrzeuges mit einem oben beschriebenen Radsatzgetriebe, bei dem der elektrische Antriebsmotor vorzugsweise quer zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird die oben beschriebene, kompakte und kostengünstige Ausführung des Radsatzgetriebes auch ohne einen Kegelradsatz ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der anliegenden Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Die 1 zeigt schematisch ein Radsatzgetriebe und einen teilweise dargestellten Antriebsstrang gemäß der Erfindung.
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In dem dargestellten Antriebsstrang eines Schienenfahrzeuges ist ein elektrischer Antriebsmotor 2 quer zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges angeordnet und über Befestigungselemente 17 nahezu starr an einem Drehgestellrahmen 16 des Schienenfahrzeuges befestigt. Eine Rotorwelle 3 des elektrischen Antriebsmotors 2 ist über eine kardanisch wirkende Kupplung 4 mit einer Antriebswelle 5 des Radsatzgetriebes 1 verbunden. Die kardanisch wirkende Kupplung 4 gleicht Relativbewegungen zwischen der Rotorwelle 3 des Antriebsmotors 2 und der Antriebswelle 5 des Radsatzgetriebes 1 aus. Diese Relativbewegungen entstehen dadurch, dass der Antriebsmotor 2 mittels eines Befestigungselementes 17 an dem gefederten Drehgestellrahmen 16 befestigt ist, wogegen das Radsatzgetriebe 1 sich im Wesentlichen auf der ungefederten Abtriebswelle 8, also der Radsatzwelle abstützt.
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Zusätzlich stützt sich das Getriebegehäuse 14 des Radsatzgetriebes 1 über eine Drehmomentstütze 15 ebenfalls an dem Drehgestellrahmen 16 ab. Die Drehmomentstütze 15 lässt jedoch Relativbewegungen zwischen dem Drehgestellrahmen 16 und dem Radsatzgetriebe 1 zu. Die Kupplung 4 ist vorliegend als Bogenzahnkupplung ausgeführt. Sie kann ebenso als elastische Wellenkupplung, beispielsweise als Laschenkupplung oder als Wellenkupplung mit anderen elastischen Elementen ausgeführt sein.
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Das Radsatzgetriebe 1 ist einstufig ausgeführt und weist neben der Antriebswelle 5 eine als Radsatzwelle ausgebildete Abtriebswelle 8 auf. Die Antriebswelle 5 und die Abtriebswelle 8 sind durch das Stirnradpaar bestehend aus dem ersten Stirnrad 6 und dem zweiten Stirnrad 7 miteinander verbindbar. Das erste Stirnrad 6 ist auf der Antriebswelle 5 und das zweiten Stirnrad 7 auf der Abtriebswelle 8 angeordnet. Die beiden Stirnräder 6 und 7 stehen dauernd miteinander im Eingriff.
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Das erste Stirnrad 6 ist verdrehfest mit der Antriebswelle 5 verbunden, während das zweite Stirnrad 7 mittels der Entkoppeleinrichtung 9 wahlweise verdrehfest mit der Abtriebswelle 8 koppelbar oder von der Abtriebswelle 8 entkoppelbar ist. Das zweite Stirnrad 7 ist somit als Losrad rotierbar auf der Abtriebswelle 8 gelagert und nur dann verdrehfest mit der Abtriebswelle 8 verbunden, wenn sich die Entkoppeleinrichtung 9 im gekoppelten Zustand befindet.
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Die Entkoppeleinrichtung 9 umfasst ein formschlüssiges Schaltelement. Das Schaltelement besteht im Wesentlichen aus einer verdrehfest und axial verschiebbar auf der Abtriebswelle 8 angeordneten Schiebemuffe 13. Die Schiebemuffe 13 weist auf der dem zweiten Stirnrad 7 zugewandten Seite eine Außenverzahnung 20 auf, die im gekoppelten Zustand mit einer an dem zweiten Stirnrad 7 angeordneten Innenverzahnung 19 eingreift und dadurch eine antriebswirksame Verbindung zwischen dem zweiten Stirnrad 7 und der Abtriebswelle 8 bildet. In der 1 ist dieser gekoppelte Zustand der Entkoppeleinrichtung 9 in durchgezogenen Linien dargestellt, während der nachfolgend beschriebene entkoppelte Zustand in Strichlinien dargestellt ist.
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Zum Entkoppeln wird die Schiebemuffe 13 axial soweit von dem zweiten Stirnrad 7 weg bewegt, dass die Außenverzahnung 20 nicht mehr im Eingriff mit der Innenverzahnung 19 ist. In diesem entkoppelten Zustand kann das zweite Stirnrad 7 frei auf der Abtriebswelle 8 rotieren, sodass die mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle 5 und der Abtriebswelle 8 unterbrochen ist.
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Zum Betätigen der Entkoppeleinrichtung 9 bzw. der Schiebemuffe 13 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit 10 vorgesehen. Der Zylinder 12 dieser Kolben-Zylinder-Einheit 10 ist auf der Außenseite des Getriebegehäuses 14 angeordnet, sodass die notwendigen Anschlüsse für die Steuerung und das Betätigungsmedium leicht zugänglich sind. Der Kolben 11 der Kolben-Zylinder-Einheit 10 ist so mit der Schiebemuffe 13 verbunden, dass die axialen Bewegungen des Kolbens 11 auf die Schiebemuffe 13 übertragen werden. Dazu greift ein fest mit dem Kolben 11 verbundenes Mitnehmerelement in eine Mitnahmenut am äußeren Umfang der Schiebemuffe 13 ein.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 10 ist mittels üblicher Steuerelemente wie Steuerventilen von einer Steuereinrichtung des Antriebsstranges oder des Schienenfahrzeuges ansteuerbar. Im Rahmen eines Multitraktionsbetriebes kann die Ansteuerung der Entkoppeleinrichtung 9 bzw. der Kolben-Zylinder-Einheit 10 auch über ein elektrisches bzw. elektronisches Zugsteuergerät erfolgen, sodass beispielsweise im Teillastbetrieb einzelne Antriebsstränge in den entkoppelten Zustand geschaltet werden, um Energie zu sparen. Durch die Entkoppelung direkt an der Abtriebswelle 8 des Radsatzgetriebes ist dann gewährleistet, dass im Fahrbetrieb nur noch die Radsatzwelle und die Radscheiben der entkoppelten Antriebsstränge mit rotieren. Der antriebsseitige Rest der entkoppelten Antriebsstränge kann dann stillstehen und wird nicht mehr mit gebremst und beschleunigt. Dadurch sind insbesondere im Schienenverkehr mit häufigen Stopps, wie es typischerweise bei Metros bzw. S-Bahnen und U-Bahnen der Fall ist, erhebliche Energieeinsparungen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radsatzgetriebe
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Kupplung
- 5
- Antriebswelle
- 6
- erstes Stirnrad
- 7
- zweites Stirnrad
- 8
- Abtriebswelle
- 9
- Entkoppeleinrichtung
- 10
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 11
- Kolben
- 12
- Zylinder
- 13
- Schiebemuffe
- 14
- Getriebegehäuse
- 15
- Drehmomentstütze
- 16
- Drehgestellrahmen
- 17
- Befestigungselement
- 18
- Radscheibe
- 19
- Innenverzahnung
- 20
- Aussenverzahnung
