-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe zum Schalten zumindest zweier unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse für dieselbe Fahrtrichtung in einem Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 1 und einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Triebwagens mit einem solchen Getriebe.
-
Insbesondere in sogenannten Electrical Multiple Units, im Folgenden EMU genannt, werden bisher meist ein- oder zweistufige Stirnradgetriebe zur Übertragung der Antriebsleistung von einer elektrischen Antriebsmaschine auf die Antriebs- bzw. Schienenräder verwendet. EMUs werden u.a. als Metro, U-Bahn oder Untergrundbahn in öffentlichen Verkehrssystemen eingesetzt. Metro-Fahrzeuge sind fast ausschließlich elektrisch angetrieben. Ein als Triebwagen ausgebildetes Metro-Fahrzeug weist dabei zumindest eine mit einer elektrischen Antriebsmaschine gekoppelte angetriebene Achse auf, die auch Treibradsatz genannt wird. Daneben kann ein solcher Triebwagen auch eine oder mehrere nicht mit einer Antriebsmaschine gekoppelte Laufachsen aufweisen.
-
Die
DE 10 2011 011 867 A1 offenbart ein zweistufiges Getriebe für den Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs, insbesondere eines Metro-Fahrzeugs, bei dem das Getriebe zwei in der Triebverbindung hintereinander geschaltete Übersetzungsstufen aufweist. Das Getriebe weist dazu eine Eingangswelle, eine Zwischenwelle und eine Abtriebswelle auf. Jede der beiden hintereinander geschalteten Übersetzungsstufen ist als ein Zahnradpaar ausgebildet und weist ein festes Übersetzungsverhältnis auf. Die Übersetzungsstufen sind nicht schaltbar. Die Abtriebswelle des Getriebes bildet eine Radsatzwelle des Schienenfahrzeugs, auf der die beiden Radscheiben von Triebrädern des Schienenfahrzeugs verdrehfest befestigt sind. Daher wird ein derartiges Getriebe auch Radsatzgetriebe genannt. Dieses Getriebe soll einen großen Übersetzungsbereich abdecken, um dadurch die oben beschriebene, nachteilige Variantenvielfalt zu reduzieren. Durch konstruktive Modifikationen kann der Gesamtübersetzungsbereich weiter verändert werden.
-
Aufgrund unterschiedlicher maximaler Betriebsgeschwindigkeiten, die bei Metrofahrzeugen in der Regel zwischen 60 km/h und 130 km/h betragen, und verschiedener Motorkonzepte variieren die Getriebeübersetzungen herkömmlich meist zwischen 6 und 12. In der Praxis verwendete Antriebsstränge von derartigen Schienenfahrzeugen weisen jedoch meist kein Getriebe bzw. Gangwechselgetriebe auf, d.h. der Antriebsstrang weist nur ein nicht veränderbares Übersetzungsverhältnis auf. Dies führt bisher zu der Notwendigkeit, dass je nach geforderter Übersetzung, die entsprechend der vorgesehenen maximalen Betriebsgeschwindigkeit gewählt wird, ein Getriebe aus einer Vielzahl von bevorrateten oder angebotenen Getrieben verschiedener Größen ausgewählt und in das Schienenfahrzeug eingebaut wird. Die Hersteller solcher Schienenfahrzeuggetriebe bieten daher Getriebe unterschiedlicher Größen an, bei welchen die Verwendung von Gleichteilen für die verschiedenen Getriebegrößen äußerst begrenzt ist. Dies erhöht die Herstellungs- und Lagerhaltungskosten sowohl für neue Getriebe als auch für Ersatzteile.
-
Eine Verbesserung der oben beschriebenen Nachteile wird durch die Verwendung von Schaltgetrieben im Antriebsstrang elektrisch angetriebener Schienenfahrzeuge angestrebt, wodurch mehrere Übersetzungsverhältnisse, d.h. mehrere Gänge mit unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis in derselben Fahrtrichtung realisierbar sind.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein derartiges Schaltgetriebe für Schienenfahrzeuge im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise des Antriebsstranges weiterzubilden, sowie einen entsprechenden Antriebsstrang anzugeben.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen sowie aus den Zeichnungen und deren Beschreibung.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Getriebe für den Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs, insbesondere für einen elektrisch antreibbaren Triebwagen, vorgeschlagen. Das Getriebe weist eine Eingangswelle, eine Zwischenwelle und eine Abtriebswelle auf. Die Eingangswelle ist antriebswirksam mit einem Antriebsmotor verbindbar und die Abtriebswelle bildet eine Radsatzwelle des Schienenfahrzeugs.
-
Das erfindungsgemäße Getriebe stellt ferner zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für dieselbe Fahrtrichtung zur Verfügung. Zur Realisierung der beiden Übersetzungsverhältnisse weist das Getriebe ein erstes Losrad und ein damit im Eingriff stehendes erstes Festrad, sowie ein zweites Losrad und ein damit im Eingriff stehendes zweites Festrad auf. Das erste und das zweite Losrad sind jeweils rotierbar auf der Eingangswelle angeordnet, wobei wahlweise entweder das erste Losrad oder das zweite Losrad durch eine Schalteinheit verdrehfest mit der Eingangwelle verbindbar ist.
-
Das erste Festrad und das zweite Festrad sind jeweils verdrehfest auf der Zwischenwelle angeordnet, genauso wie ein drittes Festrad, welches mit einem verdrehfest auf der Abtriebswelle angeordneten Abtriebszahnrad im Eingriff steht. Dabei ist das dritte Festrad in axialer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Festrad auf der Zwischenwelle angeordnet. Die axiale Richtung ist die Richtung, in der die Rotationsachse der Zwischenwelle verläuft.
-
Der Begriff Festrad wird hier grundsätzlich für Zahnräder verwendet, die mit einer zugeordneten Welle dauerhaft verdrehfest verbunden, beispielsweise verschweißt oder verpresst, sind. Als Losräder werden hier dagegen Zahnräder bezeichnet, die lösbar mit einer zugeordneten Welle verbindbar sind und zumindest zeitweise gegenüber der zugeordneten Welle rotieren. Vorzugsweise können die Zahnräder mit einer Schrägverzahnung ausgeführt sein.
-
Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung besteht in der kompakten Bauweise des Getriebes. Insbesondere in axialer Richtung kann das als Radsatzgetriebe ausgebildete Getriebe sehr kurz ausgestaltet werden, weil das dritte Festrad zwischen dem ersten und dem zweiten Festrad angeordnet ist. Das dritte Festrad benötigt keinen zusätzlichen Bauraum.
-
Durch die Wahl der Größe bzw. der Zähnezahl des dritten Festrades ist ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis der zweiten Stirnradstufe, d.h. von der Zwischenwelle auf die Abtriebswelle festlegbar. Dadurch kann bei der Konstruktion des Getriebes ein vom Betreiber des Schienenfahrzeuges gewünschter Gesamtübersetzungsbereich des Antriebsstranges erreicht werden, der durch die schaltbaren beiden Übersetzungsverhältnisse beispielsweise in einen Anfahrgang und einen Schnellfahrgang unterteilbar ist, sodass insgesamt ein günstiger Gesamtwirkungsgrad möglich ist.
-
Als Antriebsmotor wird bevorzugt eine elektrische Antriebsmaschine verwendet. Die Drehrichtungsumkehr zur Realisierung der Fahrtrichtungsumkehr wird beispielsweise durch die Wahl der gewünschten Drehrichtung der elektrischen Antriebsmaschine vorgenommen. Da elektrische Antriebsmaschinen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren zwei gleichwertige Drehrichtungen aufweisen, ist die Anordnung eines Wendegetriebes bei der Verwendung einer elektrischen Antriebsmaschine nicht erforderlich.
-
Bevorzugt ist das dritte Festrad in einer gemeinsamen Radialebene mit der Schalteinheit angeordnet, die im Bereich der Eingangswelle zwischen dem ersten Losrad und dem zweiten Losrad angeordnet ist. Die gemeinsame Radialebene ist dabei senkrecht zur Rotationsachse der Zwischenwelle angeordnet. Bei dieser Ausführung wird der Bauraum, den die Schalteinheit im Bereich der Eingangswelle in axialer Richtung einnimmt, im Bereich der Zwischenwelle zumindest teilweise von dem dritten Festrad eingenommen. Das dritte Festrad nutzt somit einen Bauraum, der aus anderen Gründen sowieso bereitsteht. Es ist kein zusätzlicher Bauraum für das dritte Festrad erforderlich. Die Anordnung der Schalteinheit und des dritten Festrades in einer gemeinsamen Radialebene bedeutet, dass zumindest die geometrische Mitte der Verzahnungsbreite des dritten Festrades innerhalb des von der Schalteinheit in axialer Richtung beanspruchten Bauraumes liegt. Bevorzugt liegt das dritte Festrad mit seiner vollen Verzahungsbreite innerhalb des von der Schalteinheit in axialer Richtung beanspruchten Bauraumes.
-
Die Schalteinheit kann als herkömmliche Schiebemuffenschaltung ausgeführt sein. Als solche umfasst sie vorzugsweise eine verdrehfest zur Eingangswelle und axial verschiebbar auf der Eingangswelle angeordnete Schiebemuffe. Die Schiebemuffe kann durch bekannte Schaltelemente und Aktuatoren zwischen zumindest zwei Schaltstellungen verschoben werden, wobei die beiden Schaltstellungen den beiden Übersetzungsverhältnissen entsprechen. Zwischen den beiden Schaltstellungen kann eine zusätzliche Neutralstellung angeordnet sein, in der die mechanische Verbindung zwischen der Eingangswelle und der Abtriebswelle unterbrochen ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist an dem Abtriebszahnrad zumindest ein Druckkamm vorgesehen, der im Betrieb gegen einen entsprechenden Gegendruckkamm an dem ersten Festrad und/oder an dem zweiten Festrad abstützbar ist. Somit können Axialkräfte, die beispielsweise durch eine Schrägverzahung der Zahnräder verursacht werden, zwischen der Zwischenwelle und der Abtriebswelle abgestützt werden. Dadurch kann zumindest eine der beiden Wellen über Zylinderrollenlager in dem Getriebegehäuse gelagert werden, die keine wesentlichen Axialkräfte aufnehmen können. Zylinderrollenlager haben gegenüber axialkraftaufnehmenden Kegelrollenlager und anderen Schrägwälzlagern den Vorteil, dass sie bei der Montage und im Rahmen späterer Wartungsarbeiten nicht eingestellt werden müssen. So kann sowohl der Hersteller als auch der Betreiber des Schienenfahrzeuges erheblichen Arbeitsaufwand einsparen.
-
Separate Druckkammscheiben können ebenfalls eingespart werden, wenn der Druckkamm in die Stirnfläche des jeweiligen Festrades bzw. Abtriebszahnrades integriert wird. Dadurch lässt sich die Getriebebreite, das Gewicht und die Kosten weiter reduzieren.
-
Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Triebwagens mit einem oben beschriebenen Getriebe, insbesondere eines rein elektrisch antreibbaren Triebwagens ohne Verbrennungsmotor. Ein solcher Antriebsstrang kann wie das Getriebe insgesamt sehr kompakt gestaltet werden und bequem im Unterbau eines Schienenfahrzeuges untergebracht werden.
-
Nachfolgend ist die Erfindung anhand zweier Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs eines elektrisch antreibbaren Schienenfahrzeugs mit einem Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung und
-
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit einem entsprechenden Getriebe mit Druckkämmen in schematischer Darstellung.
-
Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Getriebe 12 weist eine Eingangswelle 2, eine Abtriebswelle 4 und eine zwischen der Antriebswelle 2 und der Abtriebswelle 4 angeordnete Zwischenwelle 3 auf. Alle drei genannten Wellen 2, 3 und 4 sind jeweils in Lagerstellen 19, 20, 21, 22, 23, 24 in einem Gehäuse 18 des Getriebes 12 gelagert und sind parallel zueinander angeordnet. Die Lagerstellen 19, 20, 21, 22, 23, 24 können beispielsweise als Wälzlager ausgebildet sein. Die Abtriebswelle 4 ist gleichzeitig die Radsatzwelle des Schienenfahrzeuges, auf deren äußeren Endbereichen jeweils eine Radscheibe 17 befestigt ist. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Radscheibe dargestellt. Über die Radscheiben 17 wird das Schienenfahrzeug auf Schienen angetrieben und geführt. Das Getriebe 12 ist somit als Radsatzgetriebe ausgeführt. Die Eingangswelle 2 des Getriebes 12 ist mit der Motorabtriebswelle 15 eines elektrischen Antriebsmotors 11, beispielsweise einer asynchronen Drehstrommaschine, antriebswirksam verbunden. Zwischen dem Antriebsmotor 11 und der Eingangswelle 2 des Getriebes 12 ist eine nicht schaltbare Kupplung 16 angeordnet. Die Kupplung 16 ist als kardanische Kupplung ausgestaltet, um einen Ausgleich bei axialem, radialem und winkeligen Versatz zwischen der Motorabtriebswelle 15 und der Eingangswelle 2 des Getriebes 12 auszugleichen. Zu demselben Zweck könnte die Kupplung 16 auch als flexible Kupplung bspw. mit elastischen Gummielementen ausgebildet sein. Der elektrische Antriebsmotor 11 kann an einem gefederten Drehgestell eines Schienenfahrzeuges aufgehängt sein, während das im Kraftfluss nachfolgende Getriebe 12 als achsreitendes Getriebe ausgeführt ist. Das achsreitende Getriebe 12 kann sich dabei beispielsweise einerseits über die Lagerstellen 23, 24 auf der zugeordneten Radsatzwelle 4 und andererseits über eine nicht dargestellte Drehmomentstütze an dem Drehgestell abstützen. Ein solcher Antriebsstrang wird auch als teilabgefederter Antriebsstrang bezeichnet.
-
Das Getriebe 12 stellt zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für dieselbe Fahrtrichtung bereit, die mit Hilfe der Schalteinrichtung gewählt werden können. Zwei unten näher beschriebene Stirnradpaare weisen betragsmäßig unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf, sodass mit dem Getriebe zwei Gänge in derselben Fahrtrichtung schaltbar sind. Der erste Gang kann dabei beispielsweise als Anfahrgang benutzt werden, während der zweite Gang oberhalb einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit eingeschaltet wird, wodurch die elektrische Antriebsmaschine in einem günstigeren Wirkungsgradbereich betrieben werden kann.
-
Zur Realisierung der beiden wählbaren Übersetzungsverhältnisse sind die im Folgenden erwähnten Zahnräder im Innenraum des Gehäuses 18 des Getriebes 12 angeordnet. Auf der Eingangswelle 2 sind ein erstes Losrad 5 und ein zweites Losrad 7 jeweils rotierbar angeordnet. Dabei ist wahlweise entweder das erste Losrad 5 oder das zweite Losrad 7 durch eine Schalteinheit 13 verdrehfest mit der Eingangswelle 2 verbindbar. Die Schalteinheit 13 umfasst zu diesem Zweck eine verdrehfest zur Eingangswelle 2 und axial verschiebbar auf der Eingangswelle 2 angeordnete Schiebemuffe 14, die über Schaltelemente 26 und einen nicht dargestellten Akutator in axialer Richtung nach beiden Seiten verschiebbar ist. Die beiden seitlichen Stellungen der Schiebemuffe 14 stellen jeweils eine Schaltstellung dar, welche den beiden Übersetzungsverhältnissen entsprechen.
-
Das erste Losrad 5 steht mit einem ersten, verdrehfest auf der Zwischenwelle 3 angeordneten Festrad 6 im Eingriff. Das zweite Losrad 7 steht mit einem zweiten, ebenfalls verdrehfest auf der Zwischenwelle 3 angeordneten Festrad 8 im Eingriff.
-
Das erste Losrad 5 und das erste Festrad 7, sowie das zweite Losrad 6 und das zweite Festrad 8 stellen somit jeweils ein Stirnradpaar dar, über das die Antriebsleistung in das ausgewählte und geschaltete Übersetzungsverhältnis geführt wird. Von der Zwischenwelle 3 wird die Antriebsleistung über ein drittes Festrad 9 und ein damit kämmendes Abtriebszahnrad 10 auf die Abtriebswelle 4 geführt. Das Festrad 9 ist verdrehfest auf der Zwischenwelle 3 und das Abtriebszahnrad 10 ist verdrehfest auf der Abtriebswelle 4 befestigt. Das dritte Festrad 9 ist in axialer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Festrad 6 bzw. 8 auf der Zwischenwelle 3 angeordnet.
-
Das dritte Festrad 9 und das mit ihm kämmende Abtriebszahnrad 10 liegen in einer gemeinsamen Radialebene 25, die als Strichlinie eingezeichnet ist. Die gemeinsame Radialebene 25 liegt senkrecht zu einer Rotationsachse 27 der Zwischenwelle 3. Auch die Schalteinheit 13 und deren Schiebemuffe 14 sind in dieser Radialebene 25 angeordnet. Dadurch ergibt sich der kompakte Gesamtaufbau des Getriebes 12, weil das dritte Festrad 9 in dem Bereich auf der Zwischenwelle 3 angeordnet ist, der durch die auf der Eingangswelle 2 angeordnete Schalteinheit 13 sowieso frei wäre. Das Getriebe 12 weist deshalb insbesondere in axialer Richtung eine kurze Baulänge auf. Dies ist im begrenzt verfügbaren Bauraum im Unterbau eines Schienenfahrzeuges besonders vorteilhaft.
-
Die 2 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 mit einem entsprechenden Getriebe 12 in einer weiter vereinfachten Darstellung. Die Mehrzahl der Elemente des Antriebsstranges in 2 sind die gleichen Elemente des Antriebsstranges aus 1. Deshalb sind die gleichen Elemente in den 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und hier nicht nochmals beschrieben.
-
Den wesentlichen Unterschied zur Ausführung der 1 stellen die in 2 dargestellten Druckkämme 28, 29, 30 und 31 dar. Mit Hilfe dieser Druckkämme 28, 29, 30 und 31 werden im Fahrbetrieb auftretende Axialkräfte zwischen der Zwischenwelle 3 und der Abtriebswelle 4 gegenseitig abgestützt bzw. aufgefangen. Dadurch müssen solche Axialkräfte nicht über die Lagerstellen der Wellen in dem Gehäuse des Getriebes 12 abgestützt werden. Die Lagerstellen können somit als einfachere Wälzlager ausgeführt werden, die ausschließlich oder zumindest überwiegend Radialkräfte aufnehmen. Beispielsweise können hier Zylinderrollenlager zum Einsatz kommen, die gegenüber axialkraftaufnehmenden Wälzlagern kostengünstiger und wartungsfreundlicher sind.
-
Das Abtriebszahnrad 10 weist beidseitig jeweils einen Druckkamm 29 bzw. 31 auf, die sich im Betrieb gegen jeweils einen zugeordneten Gegendruckkamm abstützen. Ein erster Gegendruckkamm 28 ist an dem ersten Festrad 6 seitlich angeordnet und ein zweiter Gegendruckkamm 30 ist an dem zweiten Festrad 8 seitlich angeordnet.
-
In der dargestellten Ausführung bilden bearbeitete Seitenflächen des ersten und des zweiten Festrades 6 und 8, sowie des Abtriebszahnrades 10 die Druckkämme. Mit anderen Worten sind die Druckkämme 28, 29, 30 und 31 bei dieser Ausführung in die Zahnräder integriert. Dies stellt eine vorteilhafte einfache und besonders platzsparende Ausführung dar. Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen separate Druckkämme an dem jeweiligen Zahnrad seitlich befestigt sind. Derartige Druckkämme können separat gefertigt und aus einem unterschiedlichen Material wie die Zahnräder gefertigt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Zwischenwelle
- 4
- Abtriebswelle
- 5
- erstes Losrad
- 6
- erstes Festrad
- 7
- zweites Losrad
- 8
- zweites Festrad
- 9
- drittes Festrad
- 10
- Abtriebszahnrad
- 11
- Antriebsmotor
- 12
- Getriebe
- 13
- Schalteinheit
- 14
- Schiebemuffe
- 15
- Motorabtriebswelle
- 16
- Kupplung
- 17
- Radscheibe
- 18
- Gehäuse
- 19
- Lagerstelle
- 20
- Lagerstelle
- 21
- Lagerstelle
- 22
- Lagerstelle
- 23
- Lagerstelle
- 24
- Lagerstelle
- 25
- Radialebene
- 26
- Schaltelement
- 27
- Rotationsachse
- 28
- Gegendruckkamm
- 29
- Druckkamm
- 30
- Gegendruckkamm
- 31
- Druckkamm
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011011867 A1 [0003]
