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Austauschbares Antriebsaggregat für einen Schienentriebzug, insbesondere
für einen Gliedertriebzug Die Erfindung betrifft ein austauschbares Antriebsaggregat
für einen Schienentriebzug, insbesondere für einen Gliedertriebzug, welcher aus
nicht allgemein verwendbaren, aufeinander abgestimmten und miteinander gekuppelten
End- und Zwischengliedern besteht, wobei die Endglieder einen oder mehrere Diesel-oder
Elektroantriebsmotoren aufweisen.
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Die bekannten Schienentriebzüge dieser Art besitzen Antriebsmotoren
an jedem Ende, so daß beim Ausfall eines Motors ein Weiterfahren, wenn auch mit
beschränkter Geschwindigkeit, möglich ist. Als Antriebsmotoren werden üblicherweise
Dieselmotoren verwendet. Es sind auch Schienentriebzüge bekannt, bei denen zum Antrieb
Elektromotoren verwendet werden, die aus einer Batterie oder über einen Stromabnehmer
vom Fahrdraht aus gespeist werden. Dabei sind sämtliche Antriebsmotoren des Zuges
gleichartig, also entweder Diesel- oder Elektromotoren. Ein solcher Triebzug kann
also entweder nur durch Dieselmotoren oder nur durch Elektromotoren angetrieben
werden, so daß eine Anpassung an die jeweils gegebenen Energiequellen bei Fahrten
über längere Strecken nicht möglich ist.
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Es sind auch Schienentriebfahrzeuge bekannt, deren Antriebsanlagen
für verschiedene Betriebsarten eingerichtet sind. So ist es z. B. bekannt, daß eine
mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Kraftübertragung ausgerüstete
Lokomotive auf Strekken ohne Stromzuführung durch den Verbrennungsmotor, auf Strecken
mit Stromzuführung dagegen durch den Elektromtor direkt betrieben wird. Derartige
Triebfahrzeuge enthalten also verschiedene Antriebsmaschinen gleichzeitig und besitzen
infolgedessen ein sehr hohes Eigengewicht, was wiederum eine größere Motorleistung
erforderlich macht.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Schienentriebzüge
derart auszubilden, daß sie sowohl auf durch Gleich- oder Wechelstrom elektrifizierten
Strecken als auch auf Strecken ohne Stromzuführungsleitung die jeweils zur Verfügung
stehende wirtschaftlichste Energiequelle ausnutzen, ohne daß zusätzliche Antriebseinheiten
mitgeführt werden müssen, die eine Verringerung der Antriebsleistung bedeuten würden.
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Dies wird bei austauschbaren Antriebsaggregaten für Schienentriebzüge
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß einer oder mehrere
Dieselmotoren durch einen oder mehrere Elektromotoren mit ihren Stromabnehmerteilen
ausgetauscht werden, wobei der Austausch der Antriebsmotoren im Endglied direkt
oder durch Ersatz des Endgliederkopfteiles bzw. des gesamten Endgliedes erfolgen
kann, ferner durch die Verwendung einer zentralen für beide Motorarten benutzbaren,
gleichartigen Einrichtung zum Anlassen und/oder Steuern und durch die Verwendung
von für beide Motorarten gleichen Getrieben in den Endgliedern, so daß der Triebzug
auf nicht elektrifizierten Strecken durch Dieselmotoren und auf elektrifizierten
Strecken entweder durch Elektromotoren oder vorzugsweise durch Elektromotoren und
Dieselmotoren angetrieben werden kann, wobei die Dieselmotoren lediglich bei erhöhtem
Kraftbedarf, z. B. beim. _ Anfahren od. dgl., d_ en Elektromotoren zugeschaltet
werden.
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Den verschiedenartigen Antriebsmotoren werden vorteilhaft außer den
gleichen Getrieben auch die gleichen Laufwerke zugeordnet. Erfolgt der Achsantrieb
beispielsweise hydraulisch, so wird sowohl die Antriebsleistung des austauschbaren
Verbrennungsmotors als auch die Leistung des austauschbaren Elektromotors hydraulisch
auf die Treibräder übertragen. Durch die Gleichheit der Endglieder ohne Rücksicht
darauf, ob elektrischer oder Verbrennungsmotorantrieb angewendet wird, verbilligt
sich der Bau dieser Triebzüge. Das Gewicht des vorgeschlagenen elektrischen Endgliedes
ist bei Verwendung von hydraulisch oder ähnlich wirkenden Getrieben geringer als
das Gewicht elektrischer Antriebsanlagen üblicher Ausführung, da die Elektromotoren
beim Beschleunigen und auf Steigungen wegen eventuellen Zuschaltens von Dieselmotoren
nicht so hoch beansprucht werden und infolgedessen kleiner ausgeführt werden können.
Die Gewichtsersparnis ist so groß, daß der etwas ungünstigere Wirkungsgrad der Kraftübertragung
zumindest
teilweise wieder ausgeglichen wird. Außerdem wird die Ersatzteilvorhaltung wesentlich
vereinfacht.
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Bei Anordnung mehrerer gleichartiger Antriebsmotoren in einem Triebzug
können natürlich sämtliche Motoren gegen solche andersartiger Energieversorgung
ausgetauscht werden, vorteilhaft werden aber nur einige Antriebsmotoren ausgetauscht.
Wird der Triebzug beispielsweise von zwei Verbrennungsmotoren angetrieben, so brauchen
beim Übergang auf eine elektrisch betriebene Strecke nicht beide Verbrennungsmotoren,
sondern nur einer gegen einen Elektromotor ausgetauscht zu werden. Dabei kann der
Antrieb durch einen Motor allein, beispielsweise nur durch den Elektromotor, oder
z. B. auf Steigungen im gemischten Betrieb erfolgen.
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Die Gesamtleistung der beiden Antriebsköpfe (Endglieder, Endgliederkopfteile)
beträgt beispielsweise das 2,5fache des mittleren Leistungsbedarfs. In jedem Antriebskopf
sind nur 50 % der Gesamtleistung installiert.
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Im Schnellverkehr sind nur wenige Anfahrbahnhöfe vorhanden. Die Länge
der Streckenabschnitte mit Steigungen, in denen die volle Leistung der beiden Antriebsköpfe
benötigt wird, beträgt erfahrungsgemäß etwa 5 bis 15% des gesamten Laufweges. Im
überwiegenden Teil einer Zugfahrt ist daher ohne weiteres nur die Leistung eines
Antriebskopfes ausreichend. Dem zweiten Antriebskopf kommt dann die Aufgabe einer
Schubmaschine zu.
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Auf Grund dieser Überlegungen genügt auf elektrifizierten Strecken
ein elektrischer Antriebskopf, der für 50°/o der Gesamtleistung des Zuges ausgelegt
ist. Da der elektrische Antrieb zeitweilig in den bekannten Grenzen überlastbar
ist, wird beim Befahren von Strecken mit elektrischer Fahrleitung der Streckenanteil,
in welchem die Antriebsleistung der beiden Antriebsköpfe benötigt wird, sogar noch
kleiner sein als 5 bis 15 %. Beim Übergang von einer nicht elektrifizierten auf
eine elektrifizierte Strecke braucht nach dem Gesagten nur ein Antriebskopf mit
Verbrennungsmotor gegen einen elektrischen Antriebsskopf ausgewechselt zu werden.
Der am Zug befindliche zweite Antriebskopf mit Verbrennungsmotor wird nicht abgekuppelt.
Der Austausch nur eines Antriebskopfes ist, insbesondere in Kopfbahnhöfen, betrieblich
wesentlich einfacher durchzuführen, als wenn zwei Antriebsköpfe auszutauschen wären.
Auf diese Weise werden auf den Wechselbahnhöfen nicht nur Rangierarbeiten vermieden,
sondern auch die Aufenthaltszeiten erheblich verkürzt. Das Verbleiben des zweiten
Antriebskopfes mit Verbrennungsmotor am Zug für Fahrten auf elektrifizierten Strecken
hat eine Reihe bemerkenswerter Vorteile: Versagt z. B. auf einer elektrifizierten
Strecke die Stromzufuhr, so bleibt der Triebzug mit seinem Verbrennungsmotor fahrfähig.
Da für den überwiegenden Teil der Strecke die Leistung eines Antriebskopfes ausreicht,
wird nur eine geringfügige Verspätung, trotz Stromausfall, eintreten. Das Warten
des Zuges auf einen Ersatztriebwagen oder eine Abschlepplokomotive entfällt. Da
nur die halbe elektrische Leistung in dem Wagenkopf installiert werden muß, ergibt
sich weiter eine wesentliche Verbilligung in der Beschaffung der Triebzüge.
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Wie schon gesagt, werden die Einrichtungen für das Anlassen und/oder
Steuern der verschiedenartigen Antriebsmotoren vorteilhaft gleichartig ausgebildet
und können auch für einen gemischten Betrieb von Antriebsmotoren mit verschiedenartiger
Energieversorgung vorgesehen sein. So kann z. B. die Stellung des Bedienungsorgans
mittels an sich bekannter Fernsteuerungen wahlweise auf den Füllungshebel eines
Verbrennungsmotors oder auf den Fahrschalter eines Elektromotors oder auf beide
gleichzeitig übertragen werden.
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Vorzugsweise werden die Verbrennungsmotoren und die Elektromotoren
so ausgelegt, daß durch die Betätigungsglieder Punkte gleicher Drehzahl und gleichen
Drehmomentes angesteuert werden. Dies kann z. B. durch Wahl einer geeigneten Anzapfung
des Transformators bei Wechselstrombetrieb oder durch Wahl eines geeigneten Vorschaltwiderstandes
bzw. durch Feldschwächung bei Gleichstrom erreicht werden. Es kann aber auch zur
Änderung der Leistungsabgabe der Elektromotoren gegenüber den Verbrennungsmotoren
die zugeführte Ankerspannung oder die Erregung geändert werden, so daß sich die
Drehmomente der Elektromotoren von denj enigen der Verbrennungsmotoren bei gleicher
Stellung der Bedienungselemente unterscheiden, die Leistungsabgaben also unterschiedlich
sind.
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Die Elektromotorenanlagen können vorteilhaft auch so ausgebildet werden;
daß sie mit verschiedenen Spannungen und/oder verschiedenen Stromarten betrieben
werden können. So kann als Antriebsmotor z. B. ein Gleichstrom-Tandemmotor verwendet
werden, derdurchSerien-oderParallelschaltungderLäufer für verschiedene Fahrdrahtspannungen
und durch Vorschalten eines Gleichrichters auch für Wechselstrom verwendet werden
kann. Bei Einbau eines Transformators wird dieser vorteilhaft mit Anzapfungen versehen,
so daß die Verschiedenartigkeit der Frequenzen und der Fahrdrahtspannungen ausgeglichen
werden können. Die gesamte Motorsteuerung kann so unabhängig von der Stromart des
den Motor speisenden Netzes im Gleichstromteil unter Verwendung gleicher Widerstände
erfolgen.
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Soll der Triebkopf nur auf Wechselstromstrecken benutzt werden, so
kann als Antriebsmotor ein Einphasen-Reihenschlußmotor vorgesehen werden. Auch hier
wirkt sich die Verwendung eines hydraulischen oder eines ähnlich wirkenden Getriebes
besonders günstig aus, da die Motoren dauernd durchlaufen können.
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Es ist bekannt, daß bei Einphasen-Reihenschlußmotoren die Größe der
EMK der Transformation die Ausführung des Motors wesentlich bestimmt. Diese EMK
ist bei kleinen Drehzahlen und großen Stromstärken (Anfahrstromstärke) sehr hoch,
da sie in diesem Falle nicht kompensiert werden kann. Bei Leerlauf des Motors, bei
dem die große Stromstärke fehlt, ist sie relativ klein. Die Größe des Antriebsmotors
kann also bei einem durchlaufenden Motor kleiner gewählt werden. Durch die Verbindung
des Elektromotors mit einem hydraulischen Getriebe ist man außerdem in der Wahl
der Motordrehzahl frei, d. h., man kann sich der Drehzahl des Verbrennungsmotors
anpassen. Man kann also eine hohe Drehzahl, beispielsweise 3000 U/min wählen, was
wieder zu einer Gewichtsverringerung des Elektromotors führt.
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Schließlich kann durch ein hydraulisches Getriebe die mechanische
Leistung eines Elektromotors auf mehrere Treibachsen verteilt werden, so daß z.
B. für ein B°-Drehgestell nur ein Motor erforderlich ist.
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Da bei Verwendung eines hydraulischen Getriebes beim Einschalten nur
eine verhältnismäßig kleine Leistung erforderlich ist, kann der gleiche Einphasen-Reihenschlußmotor
für 162/3 und 50 Hz verwendet werden. Das hierbei auftretende kleine Magnetfeld
induziert
nur eine kleine EMK der Transformation in den kurzgeschlossenen
Spulen.
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Mit Hilfe der Zeichnung wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Endglied (Antriebskopf) eines Triebzuges mit elektrischem
Antrieb und Fig. 2 ein solches mit Antrieb durch einen Verbrennungsmotor; Fig. 3
zeigt schließlich die Schaltung der Elektromotorenanlage eines Antriebskopfes, der
für elektrifizierte Strecken verschiedenster Spannungen und/oder verschiedenster
Stromarten verwendbar ist.
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Der Schienentriebzug besteht im wesentlichen aus zwei Endgliedern,
zwischen welche noch ein oder mehrere Zwischenglieder eingesetzt sein können. Die
einzelnen Glieder können zwar voneinander gelöst werden, jedoch ist der Triebzug
nur als geschlossene Einheit betriebsfähig, da die einzelnen Zwischenglieder durch
gemeinsam stabilisierte Laufwerke verbunden sind und zum Antrieb nicht herangezogen
werden, während die Endglieder sämtliche für den Betrieb des Zuges erforderlichen
Antriebsaggregate enthalten und den stromlinienförmigen Abschluß des Zuges bilden.
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Bei dem Endglied nach Fig. 1 wird die elektrische Antriebsenergie
dem Fahrdraht durch den Stromabnehmer 1 entnommen und dem Elektromotor 2 eventuell
über einen Transformator 3 und einen Gleichrichter 4 zugeführt. Der Stromabnehmer
1 ist auf dem Dachteil s des Endgliedes abnehmbar angeordnet.
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Nach Fig. 2 erfolgt die Erzeugung der mechanischen Antriebsenergie
des Endgliedes durch einen Verbrennungsmotor 6. Von dem Elektromotor 2 (Fig. 1)
bzw. dem Verbrennungsmotor 6 (Fig. 2) wird das Antriebsdrehmoment auf eine Kupplung
7 übertragen. Von dieser Kupplung 7 an erfolgt die Übertragung der Antriebsleistung
in beiden Fällen gleichartig über ein Getriebe 8 auf die Treibachsen 9. Es ist also
möglich, einen Verbrennungsmotor beispielsweise gegen einen Elektromotor mit seinen
zugehörigen Einrichtungen, wie Stromabnehmer, Transformator, Gleichrichter usw.,
auszutauschen. In dem Endglied nach Fig. 2 sind alle Vorrichtungen zur Aufnahme
der elektrischen Anlage bereits vogesehen. Ein Austausch der verschiedenartigen
Antriebsanlagen kann aber auch dadurch erfolgen, daß das Endglied oder der Endgliederkopfteil
voll dem Triebzug abgetrennt und durch ein anderes ersetzt wird.
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Beim Schaltungsbeispiel nach Fig. 3 dient als Antriebsmotor der Tandemmotor
10 für beispielsweise 2 # 1500 V Gleichstrom. Die beiden Läufer 12 und 11 sitzen
auf der gleichen Welle und werden für 3000 V in Reihe und für 1500 V parallel geschaltet.
Die Drehzahlregelung erfolgt bei 3000 oder 1500 V durch die Anfahrwiderstände 13,
die jeweils die halbe Anfahrverlustleistung aufnehmen. Im normalen Betrieb erfolgt
dann die Drehzahlregelung durch Änderung des Erregerstromes.
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Zum Abtrennen der Motoren von der Gleichstromfahrleitung 14 und dem
Stromabnehmer 16 dient der Gleichstromhauptschalter 15, während bei einer Wechselstromfahrleitung
der Strom über den Stromabnehmer 16 und den Wechselstrom-Leistungsschalter 17 dem
Transformator 18 zugeführt wird. Der Transformator 18 speist zwei Gleichrichter
19, welche über die Drossel 20 den Motor 10 speisen. Bei Gleichstrombetrieb sind
die Schalter 17 und 21 geöffnet, so daß der Transformator 18 vom Motorstromkreis
getrennt ist. Die gesamte Steuerung des Motors 10 erfolgt sowohl bei Gleichstrom-
als auch bei Wechselstrombetrieb mit Hilfe der Schalter 23 und 24. Durch die Schalter
23 werden die Widerstände 13 im Hauptstromkreis verändert, während die Schalter
24 den Vorwiderstand 25 zum Erregerfeld 26 verändern. Die mechanische Leistung des
Motors 10 wird über die Welle 27, die Kupplung 28 und das hydraulische Getriebe
29 auf die Gelenkwelle 30 und von dort aus mittels des Verteilergetriebes 31 auf
die beiden Treibachsen 32 und 33 übertragen.
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Das hydraulische Getriebe ist in der bei Triebzügen mit Antrieb durch
Verbrennungsmotor bekannten Weise vorteilhaft als Föttingergetriebe ausgebildet,
das aus einem Föttingerwandler mit einem nachgeschalteten mehrstufigen Zahnradgetriebe
besteht, wobei die einzelnen Gänge selbsttätig, z. B. abhängig von einem Verhältnis
der Motordrehzahl zur Fahrgeschwindigkeit, geschaltet werden.
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Der Transformator 18 ist mit Anzapfungen versehen, die über die Schalter
22 mit der Fahrleitung verbunden werden können. Durch sie kann die F'ahrdrahtspannung
und die Fahrdrahtfrequenz an die Motorbetriebsspannung angepaßt werden. Statt der
gezeichneten zwei Anzapfungen können auch mehrere Anzapfungen angeordnet sein.
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Statt aus einem Netz kann die elektrische Antriebsanlage auch aus
einer Batterie gespeist werden, die im Zug mitgeführt wird. In diesem Falle kann
die in einer zweiten über einen Stromabnehmer von Fahrdraht gespeiste oder mit einem
Verbrennungsmotor ausgerüstete Antriebsanlage erzeugte überschüssige Leistung zum
Aufladen der Batterie während der Fahrt dienen. Auch die auf Gefällstrecken erzeugte
Bremsleistung kann zum Aufladen der Batterie verwendet werden, die dadurch klein
gehalten werden kann.
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Die Ansprüche 2 bis 9 sind als reine Unteransprüche anzusehen, die
nur in Verbindung mit Anspruch 1 gelten.