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Wippe für einen
Stromabnehmer
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Wippe für einen
Stromabnehmer für
elektrisch betriebene Fahrzeuge umfassend quer zur Fahrzeuglängsachse
verlaufende Schleifleisten, die jeweils über Hebeleinrichtungen mit
Halteelementen verbunden sind, die ihrerseits von einem quer zur
Fahrzeuglängsachse verlaufenden
Tragorgan wie Scheitelrohr ausgehen, wobei die Hebeleinrichtung
mit einer mit dem Halteelement verbundenen Federeinrichtung zusammenwirkt,
die ein einem von der Hebeleinrichtung erzeugten ersten Drehmoment
entgegengerichtetes zweites Drehmoment erzeugt.
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Eine entsprechende Wippe ist der
DE 190 51 677 (WO 02/32714
A1) zu entnehmen. Dabei handelt es sich bei der Federeinrichtung
um eine Torsionsfeder mit zylindrischen Haltestücken, von denen eines mit dem
Halteelement und ein anderes mit der Hebeleinrichtung verbunden
ist. Dabei kann die Torsionsfeder von einem Schutzrohr umgeben sein.
Bei der Torsionsfeder selbst handelt es sich um einen Sechskantstab
mit definieriem Torsionsmodul. Durch den konstruktiven Aufbau der
Torsionsfeder bedingt ergibt sich ein recht steifes Gebilde. In
Abhängigkeit von
dem auf die Torsionsfeder einwirkenden zweiten Drehmoment erfolgt
eine Verkürzung
der Torsionsfeder.
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Ein Stromabnehmer mit zwei Doppelschleifleisten
ist aus der
DE-OS 21 21 613 bekannt. Die
Doppelschleifleisten sind über
Gummifedergelenke mit Balken verbunden, die ihrerseits über Gummifedergelenke
mit einem Scheitelrohr verbunden sind.
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Eine Anordnung zur federnden Abstützung einer
Scherenstromabnehmerwippe mittels einer Drehstahlfeder wird in der
DD 149 677 A1 beschrieben.
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Bei der aus der
DE 42 19 112 A1 zu entnehmenden
Wippe für
Stromabnehmer sind Tragelemente als Druckstäbe ausgebildet, von denen elastische
Zugmittel ausgehen, die zu dem Tragorgan in Form eines Scheitelrohres
führen.
Als Zugmittel kommen gewellte Flachfedern, elastische Druckstäbe o. ä. in Frage.
Durch die Wahl der Zugmittel ist eine feste Federkennlinie vorgegeben,
die gewünschte
Veränderungen
der von den Schleifleisten auf einen Fahrdraht ausübenden Drücke nicht
ermöglichen. Von
Nachteil ist des Weiteren, dass in Abhängigkeit von dem auf die Wippe
einwirkendem Staudruck eine Verschiebung der Wippe derart erfolgt,
dass die von dem Scheitelrohr ausgehenden und mit dem Wippenrahmen
verbundenen Federn unterschiedlich gespannt sind. Dies wiederum
bedeutet, dass die Schleifleisten bzw. Schleifstücke mit unterschiedlichen Drücken an
einem Fahrdraht anliegen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
das Problem zu Grunde, eine Wippe der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, dass aerodynamische Einflüsse (Staukräfte) auf die Arbeitsweise der
Wippe minimiert bzw. eliminiert werden.
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Es soll verhindert werden, dass die
auf die Schleifleiste wirkende Staudruckkraft einen Einfluss auf
die Arbeit der Wippenfeder nimmt. Das heißt, es soll durch die Staudruckkraft
keine auf die Wippenfeder wirkende Kraftkomponente entstehen, welche von
der Feder zusätzlich
zur Anpresskraft aufgenommen werden müsste.
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Auch soll nach einem Aspekt der Erfindung sichergestellt
werden, dass durch die Einwirkung von Staudruck ein Kippen bzw.
Drehen der Wippe um die quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufende Drehachse
unterbunden wird.
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Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen
dadurch gelöst,
dass das Halteelement ein Tragrohr ist, dass sich innerhalb des
Tragrohres eine Welle erstreckt, die mit der Hebeleinrichtung verbunden
ist, dass die Welle über
zumindest ein erstes Lager gegenüber
dem Tragrohr drehbar gelagert ist, dass das erste Lager ortsfest
mit dem Tragrohr verbunden ist und dass von der Welle oder von einer mit
der Welle ortsfest verbundenen Halterung sich in Längsrichtung
der Welle erstreckende Stabfedern als die Federeinrichtung ausgehen,
die ihrerseits mit dem ersten Lager verbunden sind. Dabei ist das
erste Lager ein erster Lagerbock, der im Bereich eines ersten Endes
der Welle angeordnet ist, und dass im Bereich zweiten Endes der
Welle ein zweiter die Welle drehbar abstützender Lagerbock in dem Tragrohr
angeordnet ist.
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Die Halterung selbst ist vorzugsweise
ein von der Welle abragender Flansch mit Durchbrechungen wie Bohrungen,
die von den Stabfedern vorzugsweise axial verschiebbar durchsetzt
sind.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass
die Welle gegen ein axiales Verschieben gesichert ist.
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Für
die Abstimmung der Federung auf unterschiedliche Randbedingungen
wie zum Beispiel Schleifstückgewicht,
geforderte Anpresskraft oder geforderte Federungsprogression kann
die Anzahl bzw. Auslegung der Stabfedern entsprechend angepasst
werden. Hierbei kann auch eine Nichtlinearität vorgegeben werden, so dass
bei größeren Drehmomenten
die Steifigkeit der Federeinrichtung zunimmt. Um eine progressive
Federkennlinie zu erreichen, kann gegebenenfalls zusätzlich ein
weiteres Federelement integriert werden, das von einem bestimmten Drehwinkel
der Welle ab eingreift und somit die gesamte Federkonstante verändert bzw.
erhöht.
Bei dem zusätzlichen
Federelement kann es sich um eine Biegefeder oder um einen Federstab
handeln.
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Um die Drehbewegung der Welle einzuschränken, ist
des Weiteren vorgesehen, dass von der Welle ein Anschlagelement
abragt, dass sich zwischen von dem ersten Lagerbock ausgehenden
Anschlägen
erstreckt.
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Des Weiteren sollten die Stabfedern
eine Umhüllende
aufspannen, die koaxial zu der Welle verläuft und auf der die Stabfedern
zueinander vorzugsweise gleichmäßig beabstandet
angeordnet sind. Die Umhüllende
kann einen Querschnitt von einem Kreis, einer Ellipse, einem Vieleck
wie Viereck o. ä.
aufweisen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche
Biegestabfedern entlang der Umhüllenden
verlaufen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass in
jedem Tragrohr zwei Wellen axial und radial gelagert angeordnet
sind und jeweils mit einer von einer der Schleifleisten ausgehenden
Hebeleinrichtung verbunden sind.
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Die Wippe wird somit und in Abweichung vom
Stand der Technik von insgesamt vier Federpaketen abgefedert, die
jeweils durch Biegestabfedern gebildet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Lehre
werden die vom Fahrdraht auf die Schleifleisten und damit Schleifstückträger wirkenden
Anpresskräfte über die Hebel-
bzw. Winkelhebeleinrichtungen auf die jeweilige Welle übertragen.
Somit wirken auf die innerhalb des Tragrohres gelagerten Wellen
Drehmomente ein, die über
die als Stabfedern ausgebildete Federeinrichtung in gewünschtem
Umfang kompensiert werden. Hierdurch wird erreicht, dass im erheblichen Umfang
die Anpresskräfte
nicht von der Verstellfeder des Stromabnehmers aufgenommen werden
müssen.
Die entsprechende Feder muss vielmehr Erstkraftspitzen aufnehmen.
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Des Weiteren wird die Staudruckkraft
durch die axiale Lagerung der Welle aufgenommen, so dass ein Verschieben
der Schleifleisten in Bezug auf das Tragorgan in Richtung der Fahrzeuglängsachse ausgeschlossen
ist.
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Die Hebeleinrichtung besteht aus
einem von dem Schleifstückträger ausgehenden
Tragarm und einem mit diesem gelenkig verbundenen Schwenkhebel,
der seinerseits mit der Welle verbunden ist. Dabei schließen Tragarm
und Schwenkhebel im Normalbetrieb vorzugsweise einen stumpfen Winkel
ein, wobei sich der Winkel bei zunehmendem Federweg ändert.
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Die den auf die Welle einwirkenden
Drehmomente entgegenwirkenden Stabfedern sind in dem Tragrohr angeordnet
und somit geschützt.
Gleichzeitig ergibt sich insbesondere bei einem Hochgeschwindigkeitseinsatz
der Vorteil, dass eine unerwünschte
Lärmemission
(Aeroakustik) unterbunden wird und zusätzlich eine Vergrößerung des
Luftwiderstandes (Aerodynamik) unterbleibt.
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Auch kann durch Wahl der Länge des Tragrohres
der Schleifstückabstand
vorgegeben werden. Ferner kann problemlos eine Federeinstellung zur
Adaption an Anpresskräfte
erfolgen.
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Nach einem eigenerfinderischen Vorschlag der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragelemente oder Tragrohre,
in denen die Biegestabfedern angeordnet sind, mittels Schräglenkerhebel
an dem auch als Scheitelgelenkwelle zu bezeichnenden Scheitelrohr
angelenkt sind. Dabei sind die Anlenkpunkte zwischen den Schräglenkerhebeln
und einerseits mit dem Tragelement oder -rohr und andererseits mit
der Scheitelgelenkwelle bzw. dem Scheitelrohr so gewählt, dass
Schnittpunkt der Verlängerungen
der jeweiligen Anlenkpunkte zu einem fiktiven Drehpunkt führt, um
die sich die Wippe dreht, wobei der fiktive Drehpunkt höhenmäßig so ausgerichtet
sein sollte, dass dieser in etwa in derselben Höhe verläuft, in der der Schwerpunkt
der projizierten Wippenfrontfläche bzw.
Angriffspunkt der Staudruckkraft verläuft. Somit kann die Staudruckkraft
kein bzw. nur ein minimales Drehen bzw. Rotieren der Wippe bewirken.
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Mit anderen Worten kann ein Rotieren
bzw. Schwenken der Wippe verursacht durch hohe Staudruckkräfte im Hochgeschwindigkeitsbetrieb
weitgehend verhindert bzw. stark minimiert werden. Somit wird eine
ungleichmäßige Anpresskraftverieilung zwischen
den Schleifleisten und dem Fahrdraht vermieden. Nach dem Stand der
Technik können
entsprechende ungleichmäßige Anpresskraftverteilungen
allein durch den Einsatz von sogenannten Windleitblechen bzw. Staublechen
verhindert werden.
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Die erfindungsgemäße Lehre stellt sicher, dass
voneinander unabhängige
Federn zum Kompensieren von Schwankungen der Anpresskraft genutzt
werden, also eine Kopplung untereinander unterbleibt. Des Weiteren
erfolgt eine Schräglenkeraufhängung derart,
dass der Staudruckeinfluss auf die Anpresskraftverieilung zwischen
den Schleifleisten weitgehend eliminiert wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Rotationsfederwippe
zur Verfügung
gestellt, bei der die zu federnde Masse über vier Federpakete abgefedert
wird. Die Anpresskraft, die auf die Schleifleisten wirkt, wird über Hebelverbindungen
auf in Fahrtrichtung verlaufende Wellen übertragen, die im Inneren von
rohrförmigen
Tragelementen wie -rohren gelagert sind. Dabei werden auf die Wellen
eingeleitete Drehmomente über
Biegestabfedern abgefedert.
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Außerdem arbeitet die erfindungsgemäße Wippe
nach dem Schräglenkerprinzip.
Dies bedeutet. dass das Tragrohr, das das gesamte Federpaket enthält, mittels
Schräglenkerhebel
an der Scheitelgelenkwelle oder an dem Scheitelrohr aufgehängt ist. Hierdurch
bedingt kann der Einfluss der Staudruckkraft auf die Anpresskraftaufteilung
zwischen den Schleifleisten minimiert bzw. eliminiert werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den
diesen zu entnehmenden Merkmalen, -für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu
entnehmenden bevorzugten Auführungsbeispiels.
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Es zeigen:
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l eine
Vorderansicht einer Wippe eines Stromabnehmers,
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2 eine
Seitenansicht der Wippe gemäß 1 und
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3 ein
in vergrößerter Darstellung
und im Ausschnitt dargestelltes Regelelement für eine Schleifleiste der Wippe
nach den 1 und 2.
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In den l und 2 ist rein prinzipiell eine Wippe 10 eines
Stromabnehmers für
elektrisch betriebene Fahrzeuge dargestellt, die in bekannter Weise
parallel zueinander und quer zur Fahrzeuglängsachse verlaufende Schleifleisten 12, l4 aufweist,
die ihrerseits aus Schleifstückträgern und
von diesen aufgenommenen Schleifstücken bestehen kann. Die Schleifleisten 12, 14 mit
nicht näher
bezeichneten Auflaufhörnern
sind ihrerseits über
Tragrohre 16, 18 mit einer Scheitelgelenkwelle
oder einem Scheitelrohr 20 verbunden, das seinerseits mit
dem Oberarm des Stromabnehmers 10 gelenkig verbunden ist.
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Auf die Wippe 10, d. h.
die Schleifstücke
der Schleifleisten 12, l4 wirken von einem nicht dargestellten
Fahrdraht stammende Anpresskräfte
Fa. Des Weiteren wirkt auf die Wippe ein
Staudruck Faero, wobei wirksamer Angriffspunkt
des Staudrucks Faero ungefähr mit dem
Fläschenschwerpunkt
der Wippe 10 zusammenfällt.
Um ein Verstellen der über
das Tragrohr 18 verbundenen Schleifleisten 12,
l4 zu dem Scheitelrohr 20 auszuschließen, bei gleichzeitiger Abfederung
der auf die Schleifleisten 12, l4 einwirkenden Anpresskraft
Fa , ist folgende Konstruktion vorgesehen.
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Die Schleifleisten 12, 14 sind über Hebeleinrichtungen 24, 26 jeweils
mit einer Welle 28 verbunden, die in dem Tragrohr 18 axial
und radial gelagert sind. Dabei nimmt jedes Tragrohr 16, 18 jeweils
zwei Wellen 28 auf. Die Welle 28 ist derart in
dem Tragrohr 18 angeordnet, dass deren Axiallagerung die
Staudruckkraft Faero aufnimmt. Gleichzeitig
kann jedoch das über
die Hebeleinrichtung 24 bzw. 26 auf die Welle 28 übertragenen
Drehmomente im erforderlichen Umfang kompensiert bzw. abgefedert
werden. Das Gegendrehmoment wird dabei über entlang der Welle 28 verlaufende
Stabfedern 34, 35, 37 erzeugt. Die Stabfedern 34, 35, 37 sind
fest mit einem Lagerbock 36 verbunden, der seinerseits
nicht drehbar, also ortsfest mit dem Tragrohr 18 verbunden
ist. Mit ihren anderen Enden durchsetzen die Stabfedern 34, 35, 37 Bohrungen
eines Flansches 38, der mit der Welle 28 verbunden
ist. Die Welle ist des Weiteren axial und radial über den
Lagerbock 36 sowie im Bereich ihres anderen Endes vorhandenen
Lagerbocks 40 gelagert.
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Von der Welle 28, und zwar
von ihrem den Lagerbock 36 durchsetzenden Ende 30 geht
ein Anschlagstift 46 aus, der sich zwischen Festanschlägen 48, 50 erstreckt,
die von äußerer Stirnfläche des
Lagerbocks 36 abragen, der erwähntermaßen nicht drehbar mit dem Tragrohr 18 verbunden
ist. Durch das Zusammenwirken zwischen dem Anschlagstift 46 und
den Anschlägen 48, 50 erfolgt
eine Vorspannung der Federeinrichtung bzw. eine mechanische Hubbegrenzung
der Wippe.
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Durch die Anzahl bzw. Länge bzw.
Querschnitt der Biegestabfedern 34, 35, 37 kann
die Gesamtfederkonstante der Federeinrichtung den Anforderungen
entsprechend angepasst werden. Unabhängig hiervon sollten die Biegestabfedern 34, 35, 37 auf
einem Zylindermantel angeordnet sein, der koaxial die Welle 28 umgibt.
Des Weiteren sollten die Biegestabfedern 34, 35, 37 zueinander äquidistant auf
dem Zylindermantel verlaufen.
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Die Welle 28 ist ihrerseits
mit einer von der von den Schleifleisten 12, 14,
ausgehenden Hebeleinrichtungen 24, 26 verbunden,
und zwar mit deren jeweiligem Schwenkhebel 60, 62,
der seinerseits gelenkig mit einem Tragarm 64, 66 verbunden
ist, der an der Schleifleiste 12, 14 angelenkt
ist. Dabei schließt
der Tragarm 64, 66 mit denn starr mit der Welle 28 verbundenen
Schwenkhebel 60, 62 einen Winkel von in etwa 90°, vorzugsweise
einen stumpfen Winkel ein.
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Zur Abstimmung der Federung auf unterschiedliche
Randbedingungen wie zum Beispiel Schleifstückgewicht, geforderte Anpresskraft
Fa oder geforderte Federungsprogression
kann erwähntermaßen die
Anzahl der Biegestabfedern 34, 35, 37 bzw.
deren Dimensionierung entsprechend angepasst werden.
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Die Tragrohre 16, 18 sind
mit dem Scheitelrohr 20 über Schräglenkeraufhängungen 68,70 verbunden,
die aus gelenkig einerseits mit dem Tragrohr 18 und andererseits
mit dem Scheitelrohr 20 verbundene Hebel 72, 74 bestehen,
wobei die Verlängerung von
die Anlenkpunkte durchsetzenden Geraden sich in einem fiktiven Drehpunkt 76 der
Wippe 10 schneiden, der in der Höhe des Angriffspunkt der Staudruckkraft
Faero verläuft. Hierdurch wird auch bei
hohen Staudruckkräften
ein sogenanntes Drehen bzw. Rotieren der Wippe 10 unterbunden,
wodurch wiederum ungleichmäßige Anpresskraftverteilungen
auf die Schleifleisten 12, 14 bzw. die Schleifstücke unterbunden
werden.
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Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Federungsprinzips
ist anzusehen, dass die Einwirkung der Staudruckkraft F(aero) auf die Wippenfederung eliminiert wird.
Die Stau druckkraft wird durch die Axiallagerung der Welle 28 aufgenommen
und hat somit keinen Einfluss auf die Federung des Schleifstückes. Bei
Hochgeschwindigkeitsstromabnehmern kann die Staudruckkraft sehr
hoch sein. Bei bekannten Wippenkonstruktionen kann diese Staudruckkraft
die Arbeit der Wippenfeder negativ beeinflussen bzw. überhaupt
verhindern. All diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Lehre
vermieden.
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Des Weiteren kann die Federeinrichtung, also
die Biegestabfedern 34, 35, 37 in einem
geschlossenen Profil eingebaut werden. Dies wirkt sich im Hochgeschwindigkeitseinsatz
positiv auf die Lärmemision
(Aeroakustik) und auf den Luftwiderstand (Aerodynamik) aus.
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Die Wippe lässt sich bezüglich Schleifstückabstand,
Schleifstücklänge, Schleifstückgewicht
und Anpresskraftvorgaben hervorragend adaptieren.