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Die Erfindung betrifft ein Radsatzgetriebe für den Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen entsprechenden Antriebsstrang gemäß Anspruch 9.
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Hydrodynamische Bremsen und ihre Anwendung in Antriebssträngen von Fahrzeugen, insbesondere in Nutzfahrzeugen, sind seit langem bekannt. Hydrodynamische Bremsen werden auch Retarder oder Strömungsbremsen genannt. Ein wesentlicher Vorteil hydrodynamischer Bremsen gegenüber mechanischen Bremsen ist das verschleißfreie Bremsen. Das heißt es gibt keine mechanische Abnutzung und keinen Materialabrieb wie er beispielsweise bei Reibscheibenbremsen auftritt. Hydrodynamische Bremsen umfassen zumindest einen Rotor und zumindest einen Stator. Der Rotor ist dabei drehfest mit der jeweils abzubremsenden Welle des Antriebsstranges verbunden und verfügt, genauso wie der Stator, über eine Beschaufelung. Bei Einbringen einer Flüssigkeitsmenge in einen zwischen Rotor und Stator definierten Arbeitsraum nimmt der Rotor bei seiner gemeinsamen Drehbewegung mit der Welle die eingebrachte Flüssigkeit über seine Beschaufelung mit und beschleunigt diese in Richtung der Beschaufelung des Stators. An der Beschaufelung des Stators stützt sich die Flüssigkeit im Folgenden ab und wird wieder zurück zu der Beschaufelung des Rotors geleitet, wobei dies verzögernd auf den Rotor und damit auch die Welle wirkt. Die Größe des hervorzurufenden Bremsmoments kann dabei beispielsweise über die eingebrachte Flüssigkeitsmenge geregelt werden.
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Eine Anwendung einer hydrodynamischen Bremse im Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs ist aus der
DE 1814117 A1 bekannt. Darin wird eine Antriebsanordnung für Schienenfahrzeuge beschrieben, bei der eine hydrodynamische Bremse auf einer Sekundärwelle einer Strömungskupplung angeordnet ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Radsatzgetriebe für den Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs und durch einen entsprechenden Antriebsstrang gelöst.
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Das Radsatzgetriebe umfasst ein Gehäuse, eine mit einer Antriebsmaschine verbindbare Eingangswelle, zumindest einen Stirnradsatz und eine Radsatzwelle als Abtrieb. Ein Radsatzgetriebe ist also dadurch definiert, dass es eine Radsatzwelle des Schienenfahrzeugs umfasst. In dem Gehäuse des Radsatzgetriebes ist eine hydrodynamische Bremse angeordnet. Das Gehäuse dichtet den Innenraum nach außen ab, hält so Schmiermittel im Radsatzgetriebe und schützt die hydrodynamische Bremse im Innenraum gegen schädliche Umwelteinflüsse. Die Eingangswelle ist entweder unmittelbar oder über eine Kupplung und/oder ein Getriebe mit einer Antriebsmaschine verbunden oder verbindbar, sodass es sich bei der zugehörigen Achse um eine Triebachse des Schienenfahrzeugs handelt. Bei Schienenfahrzeugen, bei denen beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine in einem Drehgestell oder einem Fahrzeugrahmen gelagert ist, kann die Eingangswelle des Radsatzgetriebes über eine elastische Kupplung mit einer Antriebswelle der Antriebsmaschine verbunden sein, um einen möglichen Radialversatz, Axialversatz und Winkelversatz zwischen den zu verbindenden Wellen auszugleichen.
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Durch die Anordnung der hydrodynamischen Bremse in dem Gehäuse des Radsatzgetriebes entsteht eine sehr kompakte Antriebsanordnung und der Antriebsstrang benötigt weniger Bauraum als ein Antriebsstrang mit einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Bremse. Mit anderen Worten ist die hydrodynamische Bremse nicht nur in den Antriebsstrang integriert, sondern auch in das Radsatzgetriebe. Dies erhöht die Verfügbarkeit und Sicherheit der Bremse im Antriebsstrang des Schienenfahrzeugs. Zudem benötigt die in dem Gehäuse des Radsatzgetriebes angeordnete hydrodynamische Bremse kein eigenes Gehäuse, was den Herstellungsaufwand reduziert. Des Weiteren ist die Geräuschabstrahlung von der hydrodynamischen Bremse an die Umgebung durch das Gehäuse reduziert.
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Bremsen im Bereich des Radsatzes von Schienenfahrzeugen werden bei Notfallbremsungen und bei gewöhnlichen Bremsungen belastet. Besonders bei niedrigen Haltestellenabständen, hohen Fahrgeschwindigkeiten und hohen Zuggewichten werden Bremsen im Antriebsstrang von Schienenfahrzeugen hoch belastet. Mechanische Bremsen solcher Schienenfahrzeuge unterliegen deshalb einem besonders hohen Verschleiß, was einen hohen Instandhaltungs- und Wartungsaufwand bedeutet. Dieser entfällt durch den Einsatz einer hydrodynamischen Bremse.
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Vorzugsweise ist die in dem Gehäuse angeordnete hydrodynamische Bremse so gebaut, dass sie in zwei Richtungen betrieben werden kann, das heißt sie kann rechts- und linksdrehend bremsen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die hydrodynamische Bremse zwei Rotorelemente aufweist, die rückwärtsgewandt zueinander auf einem gemeinsamen Rotor angeordnet sind. Jedes der beiden Rotorelemente wirkt mit einem von zwei Statorelementen zusammen. Die Statorelemente sind gehäusefest in dem Gehäuse des Radsatzgetriebes angeordnet und leiten das Bremsmoment in das Gehäuse ein. Dementsprechend kann der Rotor axial beidseitig mit je einer Beschaufelung versehen sein, welche jeweils je ein Statorelement mit einer zugeordneten Beschaufelung gegenüberliegt. Durch einen derartigen Doppelrotor mit axial beidseitig liegenden Statoren kann die Bremswirkung in beiden Drehrichtungen bzw. in den beiden Fahrtrichtungen vorwärts und rückwärts erreicht werden. Dies ist besonders bei Schienenfahrzeugen vorteilhaft, weil diese in der Regel zwei gleichwertige Fahrtrichtungen aufweisen, das heißt, dass die Schienenfahrzeuge sowohl in eine erste Fahrtrichtung in allen Geschwindigkeitsbereichen bzw. Gangstufen als auch in eine hierzu entgegengesetzte zweite Fahrtrichtung in denselben Geschwindigkeitsbereichen angetrieben werden können. Dementsprechend ist eine gleich hohe und dauerhafte Bremswirkung in beiden Fahrtrichtungen erforderlich.
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Der Stator der hydrodynamischen Bremse ist funktionsbedingt zwangsläufig gehäusefest angeordnet. Der Stator und einzelne Statorelemente können jedoch grundsätzlich als separate Bauteile gefertigt und am Gehäuse des Radsatzgetriebes befestigt werden oder sie können direkt in einem Urformverfahren, beispielsweise in einem Gießverfahren, einstückig mit dem Gehäuse gefertigt werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist nun vorzugsweise Letzteres vorgesehen, nämlich dass zumindest ein Statorelement der hydrodynamischen Bremse einstückig mit dem Gehäuse ausgeführt ist. So kann beispielsweise eine Statorbeschaufelung an einer Innenwand des Gehäuses direkt mit angegossen sein.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die hydrodynamische Bremse derart in dem Gehäuse integriert ist, dass ein gemeinsamer Ölhaushalt zur Schmierung der Getriebebauteile und zum Betrieb der hydrodynamischen Bremse genutzt werden kann. Typische Radsatzgetriebe in Schienenfahrzeugen benötigen zur ausreichenden Schmierung und Kühlung einen Ölhaushalt. Wenn dieser Ölhaushalt gleichzeitig dazu genutzt wird, die hydrodynamische Bremse zu betreiben, dann kann ein separater Fluidhaushalt für die hydrodynamische Bremse eingespart werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Gehäuse Kühlrippen aufweist, über die das Öl im Radsatzgetriebe gekühlt werden kann. Kühlrippen können insbesondere außen am Gehäuse des Radsatzgetriebes angeordnet werden, wo sie den Wärmeübergang aus dem Gehäuse an die Umgebung verbessern.
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Der Rotor der hydrodynamischen Bremse kann auf einer in dem Radsatzgetriebe ohnehin erforderlichen Welle angeordnet sein, sodass keine zusätzliche Welle angeordnet werden muss. Der Rotor kann beispielsweise unmittelbar auf der Radsatzwelle, also der Ausgangswelle des Radsatzgetriebes befestigt sein. Dadurch kann die besonders bei Schienenfahrzeugen geforderte Verfügbarkeit und Sicherheit der Bremse weiter erhöht werden. Das Schienenfahrzeug kann durch die Anordnung der hydrodynamischen Bremse unmittelbar am Radsatz auch bei beschädigten oder ausgefallenen Elementen des Antriebsstrangs wie beispielsweise einer gebrochenen Kardanwelle immer noch gebremst werden.
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Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass das Radsatzgetriebe eine Zwischenwelle aufweist, auf der der Rotor der hydrodynamischen Bremse befestigt ist. Eine solche Zwischenwelle ist bei Radsatzgetrieben für bestimmte Anwendungen ohnehin erforderlich, weil nur mit einem auf diese Weise realisierten mehrstufigen Stirnradsatz die geforderte Übersetzung am Radsatz möglich ist. Die Zwischenwelle kann parallel zu der Eingangswelle und zu der Radsatzwelle in dem Gehäuse des Radsatzgetriebes angeordnet und auch im Gehäuse gelagert sein.
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Darüber hinaus ist es möglich bei einem zwei- oder mehrstufigen Stirnradsatz zwei hydrodynamische Bremsen in dem Radsatzgetriebe anzuordnen, von denen jeweils eine beispielsweise auf der Eingangswelle bzw. auf der Zwischenwelle angeordnet ist. Durch eine günstige Übersetzungswahl der einzelnen Stufen des Stirnradgetriebes können über den gesamten Drehzahlbereich der jeweiligen Anwendung günstige Drehmomente erreicht werden. Schließlich ist es auch möglich durch eine günstige Übersetzungswahl der einzelnen Stirnradstufen hohe Bremsmomente an der hydrodynamischen Bremse bereits am Anfang einer Bremsung zu realisieren.
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Zur vorteilhaften Integration weiterer Funktionen kann vorgesehen sein, dass das Radsatzgetriebe einen mechanischen Energiespeicher aufweist. In einem solchen mechanischen Energiespeicher kann zumindest ein Teil der Bremsenergie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben und als Antriebsenergie für das Schienenfahrzeug genutzt werden. Der mechanische Energiespeicher kann beispielsweise als Federspeicher oder als Massenschwungrad ausgestaltet sein.
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Die der Erfindung umfasst schließlich einen Antriebsstrang eines Schienenfahrzeuges mit einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei der Antriebsstrang ein Radsatzgetriebe aufweist wie es oben beschrieben ist.
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Die Erfindung und deren Vorteile werden anhand der im Folgenden beschriebenen Figuren weiter erläutert. Es zeigen:
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1 Ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstrangs eines Schienenfahrzeug aus dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung eines Radsatzgetriebes gemäß der Erfindung und
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3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in 2 dargestellten Radsatzgetriebe.
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Der in der 1 abgebildete Antriebsstrang 1 eines Schienenfahrzeugs wird von einem Elektromotor als Antriebsmaschine 2 angetrieben. Dessen Antriebsleistung wird einem Radsatzgetriebe 4 über die Eingangswelle 3 des Radsatzgetriebes 4 zugeführt. In dem Gehäuse des Radsatzgetriebes 4 wird die Antriebsleistung über einen nicht dargestellten Stirnradsatz auf eine Radsatzwelle 5 übertragen. An jedem der beiden äußeren Endbereiche der Radsatzwelle 5 ist jeweils eine Radscheibe 9, 10 befestigt, über die das Schienenfahrzeug auf Schienen rollt und angetrieben werden kann. Ferner ist auf der Radsatzwelle 5 die Bremsscheibe 8 einer mechanischen Bremse 6 befestigt. Zum Abbremsen des Schienenfahrzeugs können Bremsscheiben 7 an die Bremsscheibe 8 angedrückt werden.
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Ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang 1 kann einerseits mithilfe der elektrischen Antriebsmaschine 2 abgebremst werden, indem die kinetische Energie des Schienenfahrzeugs durch Wirbelströme in der Antriebsmaschine 2 in Wärme umgewandelt wird, oder indem mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 generatorisch gebremst wird und die Energie in ein Stromnetz oder in einen Stromspeicher eingespeist wird. Des Weiteren kann das Schienenfahrzeug mithilfe der mechanischen Bremse 6 abgebremst werden, wobei die kinetische Energie durch Reibung ebenfalls in Wärme umgewandelt wird. Natürlich ist es dabei auch möglich gleichzeitig mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 und der Bremse 6 zu bremsen.
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Die 2 zeigt das erfindungsgemäße Radsatzgetriebe 20 mit einer hydrodynamischen Bremse 30, die in dem Gehäuse 21 des Radsatzgetriebes 20 angeordnet ist. Die über den Antriebsstrang übertragene Antriebsleistung in Form von Drehmoment und Drehbewegung wird dem Radsatzgetriebe 20 über dessen Eingangswelle 22 zugeleitet. Die Eingangswelle 22 kann beispielsweise durch eine flexible Kupplung mit einer elektrischen Antriebsmaschine verbunden sein, wobei die flexible Kupplung Axialversatz, Radialversatz und Winkelversatz zwischen den beiden zu verbindenden Wellenenden ausgleichen kann. Auf der Eingangswelle 22 ist ein erstes Stirnrad 23 verdrehfest angeordnet. Das erste Stirnrad 23 kämmt mit einem zweiten Stirnrad 25, welches auf einer Zwischenwelle 24 verdrehfest angeordnet ist. Das zweite Stirnrad 25 kämmt zusätzlich mit einem dritten Stirnrad 27, das wiederum verdrehfest auf der Radsatzwelle 26 angeordnet ist. Im Bereich der beiden äußeren Enden der Radsatzwelle 26 ist jeweils eine nicht dargestellte Radscheibe befestigt. Das Radsatzgetriebe 20 bildet somit zusammen mit seiner Radsatzwelle 26 und den darauf befestigten Radscheiben einen kompletten Radsatz. Die Stirnräder 23, 25 und 27 bilden zusammen einen zweistufigen Stirnradsatz 28. Die genannten Stirnräder 23, 25 und 27 können beispielsweise als schrägverzahnte Zahnräder ausgebildet sein.
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Die Eingangswelle 22, die Zwischenwelle 24 und die Radsatzwelle 26 sind in Wälzlagern in dem Gehäuse 21 des Radsatzgetriebes 20 gelagert. Auf der Zwischenwelle 24 ist ein Rotor 32 der hydrodynamischen Bremse 30 verdrehfest angeordnet. Der Rotor 32 wirkt bei Bedarf mit einem Stator 31 zusammen, sodass über die Zwischenwelle 24 eine Bremswirkung auf den Antriebsstrang ausgeübt wird. Der Stator 31 ist gehäusefest an dem Gehäuse 21 angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der hydrodynamischen Bremse 30 ist in 3 näher dargestellt. Dabei handelt es sich um eine hydrodynamische Bremse die in zwei Richtungen betrieben werden kann. Dazu weist die hydrodynamische Bremse 30 einen Rotor 32 mit zwei Rotorbeschaufelungen 35 und 36 auf, die axial beidseitig am Rotor 32 angeordnet sind. Der Rotor 32 ist so in dem Gehäuse 21 auf der Zwischenwelle 24 angeordnet, dass die beiden Rotorbeschaufelungen 35 und 36 jeweils einer Statorbeschaufelung 33 bzw. 34 gegenüberliegen. Die einander jeweils zugeordneten Rotorbeschaufelungen 35, 36 und Statorbeschaufelungen 33, 34 sind gegenläufig zueinander ausgeführt, sodass in eine jeweils zugeordnete Fahrrichtung das maximale Bremsmoment entsteht.
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Die Zwischenwelle 24 ist an dem Ende, in dessen Bereich der Rotor 32 auf der Zwischenwelle 24 befestigt ist, mittels eines Wälzlagers 38 in dem Getriebegehäuse 21 gelagert. Ein Trennelement 37 trennt die beiden Räume der hydrodynamischen Bremse 30, die jeweils einer Fahrtrichtung zugeordnet sind, und dichtet die beiden Räume soweit erforderlich gegeneinander ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Antriebsmaschine
- 3
- Eingangswelle
- 4
- Radsatzgetriebe
- 5
- Radsatzwelle
- 6
- Bremse
- 7
- Bremselemente
- 8
- Bremsscheibe
- 9
- Radscheibe
- 10
- Radscheibe
- 20
- Radsatzgetriebe
- 21
- Gehäuse
- 22
- Eingangswelle
- 23
- Stirnrad
- 24
- Zwischenwelle
- 25
- Stirnrad
- 26
- Radsatzwelle
- 27
- Stirnrad
- 28
- Stirnradsatz
- 30
- hydrodynamische Bremse
- 31
- Stator
- 32
- Rotor
- 33
- Statorbeschaufelung
- 34
- Statorbeschaufelung
- 35
- Rotorbeschaufelung
- 36
- Rotorbeschaufelung
- 37
- Trennelement
- 38
- Wälz-Lagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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