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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug und
insbesondere ein Schienenfahrzeug, bei dem die Bewegungsenergie
durch ein Winkelkardansystem übertragen wird und dessen Aufbau
durch ein Eigenpendelsystem geneigt ist.
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Wenn die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs hoch
ist, während es durch eine Kurve fährt, will man verhindern,
daß sich die Zentrifugalkraft wegen mangelnder Schienenneigung
auf die Passagiere auswirkt und bei ihnen ein Gefühl des
Unbehagens auslöst. Aus diesem Grund ist ein Fahrzeugaufbau-
Neigungssystem bekannt, das auf einem Eigenpendelsystem
beruht, bei dem der Fahrzeugaufbau durch die Zentrifugalkraft
geneigt wird, um einen natürlichen Ausgleich herzustellen. Ein
solches System ist bereits für die Expreßzüge des Systems 381
eingeführt worden, die in Japan elektrisch betrieben werden,
und zwar mit dem Ergebnis, daß die gewünschten Wirkungen
erreicht worden sind. Bei diesem Fahrzeugtyp wird ein
Parallelkardansystem, bei dem der Hauptmotor in einem Fahrgestell
angeordnet ist, als Kraftübertragungssystem verwendet. Bei dem
Parallelkardansystem wird der Fahrzeugaufbau nicht zwangsweise
durch das Gegendrehmoment des Antriebsdrehmoments des
Hauptmotors geneigt.
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Viele Schienenfahrzeuge in der Welt haben heute
allerdings Dieselmotoren, die unter der Bodenfläche der Fahrzeuge
angeordnet sind und die das Winkelkardansystem verwenden, bei
dem die Kraft über eine Kardanwelle im rechten Winkel auf die
Räder übertragen wird, die in einem Fahrwerk an einem Ende des
Fahrzeugs angeordnet sind.
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Bei diesem System erstreckt sich die Achse der
Antriebswelle des Dieselmotors in Längsrichtung des Fahrzeugs.
Der Fahrzeugaufbau wird deshalb zwangsweise durch das
Gegendrehmoment des Antriebsdrehmoments, das vom Dieselmotor
erzeugt wird, geneigt. Aus diesem Grund ist bisher kein
Fahrzeug auf der Grundlage des Winkelkardansystems konstruiert
worden, bei dem der Fahrzeugaufbau durch ein Eigenpendelsystem
geneigt wird.
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Ein als Eigenpendel wirkendes Schienenfahrzeug vom Typ
391 für Züge mit drei Einheiten wurde z.B. im Rahmen eines
Experiments unter Verwendung einer Gasturbine hergestellt. Bei
diesem Schienenfahrzeug waren die vorderen und hinteren
Einheiten, die mit der in der Mitte befindlichen Triebeinheit
bzw. dem Triebfahrzeug verbunden waren, als Pendelfahrzeuge
ausgeführt, die Triebeinheit, in der die Gasturbine angeordnet
war, war jedoch als Nichtpendeleinheit ausgeführt. Infolge
dessen wurden die angestrebten Ziele, einschließlich
derjenigen, die sich auf andere Faktoren bezogen, nicht erfüllt, und
es ist kein praktisches Fahrzeug des gewünschten Typs
entwikkelt worden.
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Die Notwendigkeit für eine Erhöhung der Geschwindigkeit
im Schienentransport mit nichtelektrischem Betrieb ist jedoch
noch stärker geworden. Erforderlich ist daher die Entwicklung
der Technologie für Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeuge bei
der die Neigung des Fahrzeugaufbaus auf der Grundlage eines
Eigenpendelsystems realisiert werden kann.
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FR-A-1 025 447 offenbart ein Schienenfahrzeug mit einem
Fahrzeugaufbau, einem Paar Fahrgestelle, die jeweils an den
sich in Längsrichtung entgegengesetzten Enden des Fahrzeugs
angeordnet sind, wobei jedes Fahrgestell eine Achse und ein
Paar Antriebsräder hat und jedes Paar Antriebsräder von einer
entsprechenden Antriebswelle eines Antriebsaggregats
angetrieben wird, das sich etwa in der Mitte des Fahrzeugs befindet,
wobei die Antriebswellen sich in Längsrichtung des Fahrzeugs
erstrecken.
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Die Erfindung ist darüber hinaus dadurch
gekennzeichnet, daß der Fahrzeugaufbau durch ein Eigenpendelsystem um
eine Längsachse neigbar ist und daß dafür gesorgt wird, daß sich
die Antriebswellen mit gleichen Antriebsdrehmomenten in
entgegengesetzten Richtungen drehen, wodurch Gegendrehmomente,
die als Antwort auf die Antriebsdrehmomente erzeugt werden,
aufgehoben werden und die möglichkeit einer erzwungenen
Neigung des Fahrzeugaufbaus infolge solcher Gegendrehmomente
im wesentlichen ausgeschlossen wird.
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Mittels dieser Anordnung wird ein Fahrzeugaufbau
bereitgestellt, durch den selbst bei einem Schienenfahrzeug mit
einem Antriebsaggregat, das auf der Fahrzeugaufbauseite
angeordnet ist und eine Kraftübertragung auf der Grundlage des
Winkelkardansystems aufweist, der Fahrzeugaufbau durch ein
Eigenpendelsystem geneigt werden kann, wobei die Möglichkeit,
daß der Fahrzeugaufbau zwangsweise während der
Kraftübertragung des Antriebsaggregats geneigt wird, ausgeschlossen ist,
wodurch es möglich wird, ein Hochgeschwindigkeitsfahrzeug oder
-schienenfahrzeug zu entwickeln.
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In einer Ausführungsform sind ein Paar
Antriebsaggregate mit der gleichen Leistung am Fahrzeugaufbau, und zwar
etwa in dessen Mitte angeordnet, so daß sie mit ihren
entsprechenden Antriebswellen, die zu den entsprechenden Achsen und
Antriebsrädern hin angeordnet sind, in entgegengesetzte
Richtungen zeigen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein einzelnes
Antriebsaggregat bereitgestellt werden mit einem Paar
Antriebswellen, die an dessen entgegengestzten Enden angeordnet
sind, wobei das Antriebsaggregat am Fahrzeugaufbau, und zwar
etwa in dessen Mitte angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das
Antriebsdrehmoment von den Antriebswellen zu den Antriebsachsen über
entsprechende Kardanwellen übertragen. Jede Kardanwelle weist
vorzugsweise einen Ausdehnungsbereich auf, der aus miteinander
in Eingriff stehenden Keilnutenabschnitten ausgebildet ist. Es
wird insbesondere bevorzugt, daß dieser Keilnutenabschnitt mit
reibungsverringernden Einrichtungen, z.B. Kugellagern oder
einer Beschichtung aus reibungsarmem Material, versehen ist.
Dies verringert die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von
durch Reibung verursachten Kräften, die den Fahrzeugaufbau
unerwünschterweise neigen können.
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Einige erfindungsgemäße Ausführungsformen werden
nachstehend anhand von Beispielen und mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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Fig. 1 bis 3 ein als Eigenpendel wirkendes
Schienenfahrzeug auf der Grundlage eines Winkelkardansystems, welches
Fahrzeug eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform
darstellt;
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Fahrzeugs, wobei das
Verhältnis zwischen der Anordnung der Antriebsaggregate und
der Drehrichtungen der Kardanwellen dargestellt wird;
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Fig. 2 ist eine Unteransicht des Fahrzeugs gemäß Fig.
1, wobei insbesondere der Zusammenhang zwischen der Anordnung
der Kardanwellen und Zahnräder im Untersetzungsgetriebe und
der Richtung, in der sich das Fahrzeug bewegt, dargestellt
wird;
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Fig. 3 eine Hinteransicht eines als Eigenpendel
wirkenden Fahrzeugs;
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Fig. 4 und 5 eine zweite erfindungsgemäße
Ausführungsform;
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Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß Fig. 1;
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Fig. 5 eine Unteransicht gemäß Fig. 2;
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Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht einer
Kardanwelle des als Eigenpendel wirkenden Fahrzeugs gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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Fig. 7 eine Schnittansicht entsprechend der Linie III-
III gemäß Fig. 6; und
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Fig. 8 eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht eines weiteren Beispiels der Kardanwelle.
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Nachstehend wird eine erste erfindungsgemäße
Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 1 bis 3 beschrieben.
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Fig. 1 bis 3 sind Zeichnungen des grundsätzlichen
Aufbaus eines als natürliches Pendel wirkenden Schienenfahrzeugs
auf der Grundlage eines Winkelkardansystems.
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Das Schienenfahrzeug gemäß dieser Ausführungsform weist
ein aus zwei Achsen bestehendes Drehgestell auf und hat ein
Antriebssystem mit zwei Antriebsaggregaten, bei dem ein
Fahrgestellpaar Kraftübertragungswellen hat, die koaxial
zueinander und nur auf deren Innenseiten angeordnet sind.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Fahrzeugaufbau 1 mit
Pendelträgern 12 mit Wiegenfedern 11 ausgestattet, die
zwischen
dem Fahrzeugaufbau 1 und den Pendelträgern 12 angeordnet
sind.
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Die Pendelrollen 2 sind auf Fahrgestellen 13
angeordnet, und die Pendelträger 12 sind auf den Pendelrollen 2
gelagert, wodurch es möglich wird, daß der Fahrzeugaufbau sich
um den Pendeldrehpunkt 8 neigt. Ein Bezugszeichen 9 bezeichnet
den Fahrzeugneigungswinkel.
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Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, sind ein Paar
Antriebsaggregate 4 an einem unteren Abschnitt des
Fahrzeugaufbaus 1, und zwar in der Nähe seines Mittelpunkts angeordnet,
und jedes Antriebsaggregat 4 hat eine Antriebswelle 45, die
sich in Längsrichtung des Fahrzeugaufbaus erstreckt.
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Normalerweise ist das Antriebsaggregat 4 ein
Verbrennungsmotor, kann jedoch ein Elektromotor oder jede andere Art
von Motor sein.
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In diesem Beispiel ist das Antriebsaggregatepaar 4 mit
den im wesentlichen gleichen Ausgangsleistungen und den
gleichen Funktionen einander gegenüberliegend angeordnet, und
zwar etwa in der Mitte des Fahrzeugs und wird so gesteuert,
daß es immer die gleichen Ausgangsleistungen erzeugt. Die
Antriebswellen 45 sind mit den Kardanwellen 3 verbunden, um
die Wellen 3 in einer Drehrichtung 5 bzw. einer Richtung 6,
die der Richtung 5 entgegengesetzt ist, zu drehen.
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Die Leistung jedes Antriebsaggregats 4 wird von der
Antriebswelle 45 an die Achse 10 über die Kardanwelle 3 und ein
Untersetzungsgetriebe 7 übertragen.
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Die Achse 10 trägt ein Paar Antriebsräder 15.
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Die Untersetzungen 7 weisen Kegelräder, die an den
Achsen angeordnet sind, und in Eingriff stehende Kegelräder, die
im Betriebszustand mit den Kardanwellen verbunden sind, auf.
Die Kegelräder sind so angeordnet, daß beide Paare der
Antriebsräder sich in der gleichen Richtung drehen, um das
Fahrzeug in einer Richtung zu bewegen, d.h. in der Richtung
des Pfeils D, wenn die Antriebswellen 3 sich in den Richtungen
5 und 6 gegeneinander drehen. Zu diesem Zweck zeigen die
Zahnräder auf den Achsen 10 beide in die gleiche Richtung,
wogegen die Antriebswellenzahnräder in entgegengesetzte
Richtungen zeigen.
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In dieser Ausführungsform sind zwei Antriebsaggregate 4
mit der gleichen Leistung an einem Fahrzeug angeordnet, und
die Antriebswellen 3 werden von den Antriebsaggregaten 4
jeweils in entgegengesetzten Richtungen gedreht, wodurch sich
Gegendrehmomente aufheben, die entstehen, wenn die
Antriebsaggregate 4 sich mit gleichen Leistungen drehen.
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Dadurch besteht nicht die Möglichkeit, daß der
Fahrzeugaufbau 1 zwangsweise durch ein Gegendrehmoment geneigt
wird. Folglich kann sich der Fahrzeugaufbau durch die
Eigenpendelwirkung ohne Behinderung neigen.
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Nachstehend wird eine zweite erfindungsgemäße
Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 4 und 5 beschrieben.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 basiert auf
einem System mit einem einzigen Antriebsaggregat.
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Ein Antriebsaggregat 4, das im wesentlichen in der
Mitte des Fahrzeugs angeordnet ist, hat ein Paar
Antriebswellen 45, die sich zum vorderen bzw. zum hinteren Ende des
Fahrzeugs hin erstrecken. Die Antriebswellen 45 sind mit den
Kardanwellen 3 verbunden, um die Kardanwellen 3 in einer
Drehrichtung 5 bzw. einer Richtung 6 entgegen der Richtung 5
zu drehen. Die Leistung wird von jeder Antriebswelle 45 zu
einer Achse 10 über die Kardanwelle 3 und das
Untersetzungsgetriebe 7 übertragen. Die Achse 10 trägt ein Paar Antriebsräder
15.
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In dieser Ausführungsform ist ein Antriebsaggregat 4
mit einem Paar Antriebswellen, die an deren entgegengesetzten
Enden angeordnet sind, am Fahrzeugaufbau 1 angeordnet, und
zwar im wesentlichen in dessen Mittelpunkt, und die Leistung
wird von den Antriebswellen 45 an die Achsen 10, die an dem
vorderen und dem hinteren Ende des Fahrzeugs angeordnet sind,
über entsprechende Kardanwellen 3 übertragen. Die Kardanwellen
3 werden durch das eine Antriebsaggregat 4 in
entgegengesetzten Richtungen gedreht, wodurch sich Gegendrehmomente
aufheben, die entstehen, wenn die Antriebswellen 4 sich mit
gleichen Leistungen drehen. Deshalb besteht nicht die Möglichkeit,
daß der Fahrzeugaufbau durch ein Gegendrehmoment zwangsweise
geneigt wird, folglich kann sich der Fahrzeugaufbau durch die
Eigenpendelwirkung ohne Behinderung neigen.
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Nachstehend wird der Aufbau einer Kardanwelle für als
Eigenpendel wirkende Schienenfahrzeuge auf der Grundlage des
Winkelkardansystems zur erfindungsgemäßen Verwendung mit Bezug
auf Fig. 6 bis 7 beschrieben.
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Eine Kardanwelle 3 hat, wie in Fig. 6 und 7
dargestellt, feststehende Kopfgabeln 21 und 22, einen
Keilwellenkern 23 und eine Keilwellenhülse 24 mit einem
Innenkeilnutenabschnitt. Ein Dehnungsbereich 25 wird dadurch ausgebildet,
daß der Keilwellenkern 23 in die Keilwellenhülse 24 eingepaßt
werden und Kugellager 26 zwischen Keilnutenabschnitten des
Keilwellenkerns 23 und der Keilwellenhülse 24 angeordnet
werden. Die Kugellager 26 bewirken eine Verringerung des
Reibungswiderstands, der auftritt, wenn der Dehnungsbereich 25
sich ausdehnt oder zusammenzieht.
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Die Kugellager 26 sind also zwischen den
Keilnutenabschnitten des Keilwellenkerns 23 und der Keilwellenhülse 24
angeordnet, und der Reibungswiderstand des Ausdehnungsbereichs
25 ist daher klein (kp/kp - m 0,04 bis 0,35). Dadurch wird
der Reibungswiderstand zwischen Kern 23 und Hülse 24
verringert, wodurch es möglich wird, daß der Fahrzeugaufbau unter
einer solchen Bedingung des geringen Widerstands eine
Eigenpendelbewegung ausführt.
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Nachstehend wird ein weiteres Beispiel der Kardanwelle
mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben.
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Eine Kardanwelle 3 gemäß dieser Ausführungsform hat wie
bei der Anordnung gemäß Fig. 6 feststehende Köpfe 21 und 22,
einen Keilwellenkern 23 und eine Keilwellenhülse 24. Ein
Ausdehnungsbereich 25 wird dadurch ausgebildet, daß der
Keilwellenkern 23 und die Keilwellenhülse 24 durch
Keilprofileinpassung zusammengefügt werden. Kunstharzbeschichtungen
(Nylonbeschichtungen) 23a, 24a sind auf den
Keilnutenabschnitten des Keilwellenkerns 23 bzw. der Keilwellenhülse 24
ausgebildet, wodurch die Reibungskoeffizienten (u ca. 0,075) der
Keilnutenabschnitte verringert werden.
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In diesem Beispiel wird außerdem der Reibungswiderstand
zwischen Keilwellenkern und Keilwellenhülse während des
Gleitens verringert, wodurch es möglich wird, daß der
Fahrzeugaufbau
bei geringem Widerstand eine Eigenpendelbewegung
ausführt.
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Wie aus der obigen Beschreibung der Ausführungsformen
deutlich wird, wird es durch die Erfindung möglich, daß sich
bei Schienenfahrzeugen, z.B. bei Eisenbahnfahrzeugen, durch
eine Pendelfahrzeugkonstruktion, die eine Eigenpendelwirkung
nutzt, Passagiere während des Reisens in einer Kurve bei einer
hohen Geschwindigkeit auch in einem Fahrzeug mit einem
Antriebsaggregat wie z.B. einem Verbrennungsmotor, der am
Getriebemechanismus des Fahrzeugs angeordnet ist, behaglicher
fühlen. Mit der vorliegenden Erfindung kann somit eine
Erhöhung der Kurvenreisegeschwindigkeit von Fahrzeugen mit dieser
Art von Kraftübertragungsmechanismus erreicht werden.
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Bei der Kardanwelle gemäß der erfindungsgemäßen
Ausführungsformen können die Reibungskoeffizienten der
Keilnutenabschnitte der Kardanwelle, die das Antriebsaggregat und die
Antriebsräder verbinden, verringert werden, wodurch eine
Verringerung des Gleitwiderstands während der
Dehnung/Zusammenziehung der Kardanwelle erreicht wird und eine
Kraft aufgehoben wird, die vom Gleitwiderstand verursacht
wird, der der Pendelbewegung entgegenwirkt.