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Anordnung zum Bremsen und Anfahren von elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen
Bei Schienenfahrzeugen. insbesondere bei eIcktrischen Bahnen, besteht die Gefahr.
(laß bei zu starkem Bremsen oder bei zu raschem -,#,lifahreii die Räder auf den
Schienen schlüpfen. Dabei tritt an die Stelle der Haftreibung die Schlupfreibung,
],ei der die Reibungszahl wesentlich geringer ist, so daß beim Bremsen die Bremswirkung
sehr stark vermindert wird und das Fahrzeug sich über eine Strecke weiterbewegt,
die wesentlich länger als der normale Bremsweg ist, während beim Anfahren die Räder
durchrutschen und ein## stark verminderte Beschleunigung des Fahrzeugs erzielt wird.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, durch die beitri Bremsen und Anfahren von
elektrisch angetrieb#enen Schienenfahrzeugen mit zwei oder mehr durch eine gemeinsame,
unmittelbar durch Körperkraft bediente Schaltvorrichtung gesteuerten Antriebsinotoren
ein zu starkes Bremsen oder zu rasches Anfahren dadurch verhindert wird, daß durch
die bei unterschiedlicher Drehzahl der Antriebsinotoren
auftretende
unterschiedliche Stromabgabe bzw. Stromaufnahrne der Motoren die Betätigung der
Schaltvorrichtung beeinflußt wird.
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Es ist bekannt, zur Vermeidung des Überbremsens elektrischer Triebfahrzeuge
die beim Eintreten des Schlüpfens auftretende Spannungsdifferenz zweier Antriebsmotoren
dazu zu verwenden, die Schaltvorrichtung zu verriegeln, wobei die Verriegelung wieder
aufgehoben wird, wenn die Drehzahldifferenz und damit die Spannungsdifferenz zwischen
den beiden Antriebsmotoren verschwindet. Es ist ferner bekannt, bei den Fahrpedalen
von 0,berleitungsomnibussen eine Wirbelstrombremse vorzusehen, die einem zu raschen
Durchtreten des Pedals entgegen-,virkt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einer Anordnung zum Bremsen
und Anfahren von elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen eine besonders günstige
Wirkung dadurch erreicht, daß durch die unterschiedliche Stromabgabe bzw. Stromaufnahme
der Antriebsmotoren eine auf die Schaltvorrichtung elektroniagnetisch wirkende mechanische
Bremse unmittelbar betätigt wird.
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Die Erfindung beruht auf folgender Überlegung: Bei derartigen elektrisch
betriebenen Schienenfahrzeugen hat der Fahrer in der Regel eine sogenannte Fahrkurbel
zu bedienen, mit der er über eine Schaltwalze die einzelnen Fahrstufen bzw. Bremsstufen
nacheinander einschalten kann. Es ist nun bekannt, daß insbesondere bei einem unerwarteten
.Notbremsvorgang der Fahrer häufig die Fahrkurbel durchreißt und die einzelnen Bremsstufen
zu schnell nacheinander schaltet. Dasselbe kann auch beiin Anfahren der Fall sein.
Insbesondere bei einem zu schnellen Bremsen tritt leicht ein Schlüp-
fen der
Räder gegenüber den Schienen auf. Dadurch wird die gesamte Bremswirkung außerordentlich
stark herabgesetzt, was wiederum Unglücks-fälle zur Folge haben kann. Neuere
Forschungen (vgl. F. S ch wen d, »Verkehr und Technik«, 1948,
S. 141 bis 146) haben ergeben, daß beim Übergang von der rein rollenden Reibung
zwischen Schiene und Rad zur Schlupfreibung der Haftreibungsbeiwert sich zunächst
nicht unwesentlich erhöht. In Fig. i ist eine Kurve, welche den Haftreibungsbeiwert
zwischen Rad und Schiene in Abhängigkeit vom Schlupf zwischen Rad und Schiene darstellt,
wiedergegeben (vgl. F. Schwend, »Verkehr und Technik«, 1948, S. 143, Bild
5). In der Kurve ist die Größe des Schlupf es in km/h, der Haftreibungsbeiwert
in Prozenten angegeben, wobei der Haftreibungsbeiwert der rein rollenden Reibung
mit ioo,% bezeichnet ist. Die Kurve zeigt, daß sich der Haftreibungsheiwert bis
zu einem Schlupf von etwa 3,5 km/h beträchtlich erhöht, und zwar um ->5 bis
3011/o des Haftreibungsbeiwertes bei rollender Reibung. Bei Überschreiten dieses
Schlupfes von 3,5 km/h sinkt dann der Haftreibungsbeiwert wieder ab, wobei
er bis zu einem Wert von etwa 7km/h noch über dein Haftreibungsbeiwert bei rein
rollender Reibung bleibt, bei weiter zunehmendem Schlupf aber stark unter diesen
Wert absinkt. Es ist also erforderlich, den Schlupf beim Bremsen und Anfahren mö
glichst nicht größer als 3,5 kmt,h werden zu lassen. Denn bei einer Vergrößerung
des Schlupfes auf etwa 7 km/h nimmt der Reibwert wieder bis auf iooll/o der
rollenden Reibung und darül>er hinaus sehr schnell ab, so daß die Bremswirkung des
Triebfahrzeuges mehr oder weniger in Frage gestellt ist.
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Es ist bekannt, daß infolge der erhöhten Schwer punktlage der Fahrzeuge
beim Anfahren bzw. bei Beschleunigug des Triebfahrzeuges eine Entlastung der Vorderachse
und eine zusätzliche Belastung der Hinterachse eintritt. Andererseits findet beim
Bremsen eine zusätzliche Belastung der Vorderachse unter gleichzeitiger Entlastung
der Hinterachse des Fahrzeuges statt. Infolge dieser unterschiedlichen Achsdrücke
tritt sowohl beim Bremsen als auch beim Anfahren ein unterschiedlicher Schlupf auf,
der bei den entlasteten Rädern größer ist als bei den zusätzlich belasteten Rädern.
Da nun bei den meisten elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen sowohl die Vorderachse
als auch die Hinterachse durch je einen Antriebsmotor angetrieben wird, wird
beim Anfahren jeweils derjenige Antriebsmotor die größere Stromaufnahme aufweisen,
dessen zugeordnete Achse den kleineren oder gar keinen Schlupf aufweist. In analoger
Weise wird beim Bremsen derjenige Antriebsmotor eine größere Spannung bzw. Strornabgabe
erzielen, dessen zugeordnete Achse den kleineren oder gar keinen Schlupf gegenüber
der Schiene aufweist.
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Aus diesen Überlegungen ergibt sieh, daß der beste Haftreibungsbeiwert
erzielt wird, wenn der Fahrschalter jeweils in einer Lage festgehalten wird, die
etwa dein Punkt a, in Fig. i entspricht. Wird nun gmäß der Erfindung eine von der
unterschiedlichen Stromabgabe bzw. Stroniaufnahrne der Antriebsmotoren beeinflußte,
auf die Schaltvorrichtung wirkende Bremse vorgesehen, so wird dadurch erreicht,
daß sowohl beim Bremsen als auch beim Anfahren die weitere Betätigung der Fahrkurbel
mehr und mehr erschwert wird, je größer die Differenz des Schlupfes der vorderen
und hinteren Achse wird. Auf diese Weise wird das zu rasche Durchdrehen der Fahrkurbel
beim Anfahren bzw. beim Breinsen verhindert und der Fahrer gezwungen, die Fahrkurbel
jeweils so lange in der erreichten Stellung, bei der die günstigste Brernswirkung
bzw. die günstigste. Beschleunigung erziMt wird, zu belassen, bis die unterschiedliche
Stro.inaufnahme bzw. Stromabgabe der beiden Antriel)smotoren sich so weit ausgeglichen
hat, daß die Bremswirkung an der Schaltvorrichtung nachläßt und die Fahrkurbel wieder
eine oder mehrere. Stufen weitergedreht werden kann. Sofern dabei kein neuer Schlupf
auftritt, läßt sich die Fahrkurbel wie üblich weiterdrehen. Sobald aber die Fährkurbel
weiterhin zu schnell gedreht wird, tritt erneut ein Schlupf und damit eine Bremswirkung
an der Schaltvorrichtung auf, welche die Fahrkurbel festhält.
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Die Erregerwicklung der auf die Achse des Fahrschalters einwirkenden
elektromagnetischen Bremse kann gemäß der weiteren Erfindung zwei getrennte Wicklungen
aufweisen, von denen die eine in dem
Hauptstromkreis des einen Antriebsmotors,
die andere in dem Hauptstromkreis des anderen Alttriebsmotors derart angeordnet
ist, daß jede der beiden getrennten Erregerwicklungen jeweils zwi-#,chen dem Anker
und der zugeordneten Hauptwicklung der Felderregung der Antriebsmotoren liegt. In
diesem letzteren Falle sind die beiden getrennten Erregerwicklungen der Bremse für
die Achse des Fahrschalters derart angeordnet, daß ihre Felder gegeneinandergerichtet
sind. Ein Gleichgewicht in den beiden Stromkreisen der beiden Antriebsmotoren ist
nur dann vorhanden, wenn beide Motoren sich mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit
drehen. Dreht sich infolge NTacheilens einer dieser be',den Achsen der eine oder
andere -.,'vlotor schnel-Icr, so wird das elektrische Gleichgewicht in den -#U)torstromkreisen
gestört, so daß sich zwischen den sollst bei normalem Betrieb neutralen Punkten
der beiden Stromkreise eine Potentialdifferenz ergibt, die die Wicklung der elektromagnetischen
Bremse für die Achse der Fahrkurbel erregt. .
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Zur Angleichung der Erregerwicklung der auf ZD die Achse der Fahrkurbel
einwirkenden elektroina,gnetischen Bremse kann diese Wicklung all ihren beiden Enden
mehrere Anzapfungen aufweisen, die ."vi-nmetriscil zu der Mittelanzapfung angeordnet
sind.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann zwischen der Fahrkurbel und der
Achse der Schaltwalze ein elastisches Glied, z. B. eine Torsionsfeder, derartig
aligeordnet sein, daß der Fahrer zwar die Fahrkurbel bis in ihre Endstellung durchreißen
kann, ohne daß aber die Achse der Fahrwalze bzw. l')reiii.swalze selbst diese Drehung
gleichzeitig mit gleicher Geschwindigkeit mitmacht. Dabei wird die Torsionsfeder
entsprechend vorgespanlit und ver-.#ticht von sich aus den Fahrschalter ebenfalls
in die durch die Stellun- der Fahrkurbel Ix--diligte Stelh lun- nachzudrehen. Auch
in diesem Fall wird also die Schaltvorrichtung durch die Bremse in der Stellun-,
in der die günstigste Bremsung bzw. die größte Beschleunigung erzielt wird, festgehalten,
- 121 und es ist ein zu schnelles Durchdrehen der Schaltwalze über die einzelnen
Fahr- bzw. Bremsstufen hinweg verhindert. Die Torsionsfeder wirkt (labei zusammen
mit der auf die Schaltvorrichtun-NI. irkenden Bremse als selbsttätige Nachlaufsteueder
Schaltwalze, bis diese die durch die Fahrkurbel bezeichnete Fahr- bzw. Bremsstufe
erreicht. i1,usführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in den Fig.
2 bis 7 dargestellt.
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Fig.:2 zeigt eine Fahrkurbel mit starrer Schaltachse und mit Bremse;
Fig. 3 zeigt eine Fahrkurbel mit zwischellgeschalteter Torsionsfeder und
Bremse; Fi-. 4 bis 7 zeigen verschiedene Schaltungsanordnungen zur Betätigung
der auf die Fahrkurbel wirkenden Bremse.
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In Fig. :2 ist schematisch ein Fahrschalter darfrestellt, der aus
der Fahrkurbel 5, der Schaltwalze 6 und einer ferromagnetischen Bremsplatte
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und einer Erregerwicklung 8 für den Bremsmagneteil b-zstelit. Sobald
der Brernsinagnet 8 in irgendeiner Weise elektrisch erregt wird, findet nach
Art der an sich bekannten elektromaglietischen Bremse ein Festhalten der Achse des
Fahrschalters 6 statt, so dali dieser nicht weitergedreht werden kann. Besonders
zweckmäßig ist hierfür die Verwendung von so.-enannten elektroniagnetischen Flüssigkeitsbrenisen,
bei denen zwischen dem feststehenden und Clern, sieh drehenden Teil der Bremse eine
kolloidale Suspension von feinem Eisenpulver in einer neutralen, relativ zähen Flüssigkeit,
z. B. Öl,
vorhanden ist. Bei Erregung dieser elektromaglietischen Flüssigkeitsb#remse
erstarrt diese Suspension zu einer festen Masse und hält die Achse des Fahrschalters
6 in der jeweiligen Stellung so lange fest, bis die Erregung dieser Feldspule
8 aufhört.
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Gemäß Fig. 3 ist zwischen der Fahrkurb#el 5 und der
Achse 6 der Schaltwalze eine Torsionsfeder 9
zwischengeschaltet. Nunmehr
kann der Fahrer die Fahrkurbel 5 bis in ihre äußerste Endstellung durchreißen,
ohne daß sich eine falsche Bedienundes Fahrschalters ergibt. Durch die Drehung der
Fahrkurbel 5 wird die Torsionsfeder 9 derart vorgespannt, daß sie
bemüht ist, die Schaltwalze 6,
des Fahrschalters in die.durch die jeweilige
Stellung der Fahrkurbel gegebene Lage nachzudrehen. Würde bei dieser Nachlaufsteuerung
der Schaltwalze 6 sich eine zu schnelle Drehung ergeben, so würde, wie bereits
weiter oben dargelegt, beim Einsetzen des Schlupfes der einen oder der anderen Achse
der Bremsmagnet 8 für die Schaltwalze erregt werden und diese vorübergehend.
in den einzellien Fahrstufen bzw. Brernsstufen festgehalten.
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In den Breinsschaltbildern der Fig. 4 bis 7 sind verschiedene
Möglichkeiten zur Erregung des Breinsmagneten. 8 für die Schaltwalze
6 gezeigt. Der Einfachheit halber ist für alle Fig. 4 bis 7 allgenommen,
daß der Fahrschalter in eine der Bremsstufen gedreht worden ist zwecks Einleitung
des Breinsvorgaliges. Hierbei sind die in verkreuzter Schaltung gezeigten Antriebsmotoren
io und i i als Hauptstrominotoren ausgebildet, die die Felderregerwicklungen 12
und 13 aufweisen. Die Antriebsmotoren io und ii sind über den regelbaren Bremswiderstand
17 kurzgeschlosseii. Zwischen den normalerweise, d. h. ])ei gleicher Urnfangsgeschwindigkeit
der Vorder- und Hinterachsen, neutralen Punkten zwischen den Ankern und den zugeordlieten
Hauptstromwicklungen 12, 13 ist eine Spule 14 eingeschaltet, weiche die Erregerspule
8 der Bremse für den Fahrschalter darstellt. Dreht sich nun beim Anfahren
oder beim Bremsen die eine, Achse schneller als die andere, so drehen sieh auch
die damit mechanisch gekuppelteli Anker i o und i i der Motoren ebenfalls unterschiedlich.
Infolgedessen ergibt sich in dem einen Motorstromkreis ein höherer Strom als in
dem anderen, so daß an den Enden der Spule 14 sich eine Spannungsdifferenz ergibt,
durch die die Spule 1-4 erregt wird, In Fig. 3 ist diese Spule 14, welche
die Erregerspule 8 für den Breinsmagneten, des Fahrschalters darstellt, aufgeteilt
in zwei gleich große Spulenhälften 14 a und 14 b, von denen eine in dem Stromkreis
des Motors io und die andere in dem Stromkreis
des Motors ii liegt.
Beide Spulen sind so geschaltet, daß die von ihnen erzeugten Felder einander critgegengesetzt
sind. Kommt nun infolge Schlupfes der einen Achse der eine Antriebsniotor auf eine
größere Drehzahl, so wird das elektromagnetische Gleichgewicht gestört und ein elektrornaciietisches
Feld erzeugt, das nun zur Abbrenisung der Achse des Fahrschalters 6 verwendet
werden "-Iaiin.
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Uni diese Spule 14 den jeweiligen Betriebsverhältnisstn anpassen zu
können, kann sie, wie in Fi,- 7 dargestellt, an ihren beiden Enden noch mellrere
Anzapfungen aufweisen, die jeweils symmetrisch zur Mittenanzapfung dieser Spule
angeordnet sind.