DE19524708C2 - Stromabnehmer für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromabnehmer für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, das ein mit elektrischem Strom zu speisendes Antriebsaggregat aufweist, mit einem Schleifkörper zur Übertra­ gung von elektrischem Stroms von einem stromführenden Fahrleiter auf das Fahrzeug, wobei der Schleifkörper wenigstens einen dem Fahrleiter zu­ gekehrten stromübertragenden Bereich aus einem Verbundwerkstoff auf Basis carbonfaserverstärktem Kohlenstoff aufweist.

Aus der US-PS-4,339,021 ist ein derartiger Stromabnehmer für einen Eisenbahnzug bekannt, der aus einem Schleifkörper aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff besteht.

Fahrzeuge, die insbesondere zur Personenbeförderung eingesetzt werden, wie beispielsweise Eisenbahnen, Untergrundbahnen, Straßenbahnen und Oberlei­ tungsbusse, greifen den Strom für die elektrischen Antriebsaggregate von einem einen elektrischen Strom führenden Fahrleiter über einen Schleif­ körper ab. Bei den Fahrleitern kann es sich zum einen um Oberleitungs­ drähte handeln, die oberhalb der Fahrspur verlaufen, zum anderen können es Stromschienen sein, die innerhalb der Fahrspur oder seitlich zu der Fahr­ spur, beispielsweise einer Schiene, angeordnet sind. Der Schleifkörper muß, um eine zuverlässige Stromübertragung während der Fahrt zu gewähr­ leisten, möglichst permanent mit dem Fahrleiter in Eingriff stehen, wozu eine möglichst gleichmäßige Anpreßkraft notwendig ist, um die Kontaktober­ fläche des Schleifkörpers an dem Fahrleiter in Eingriff zu halten. Diese Probleme entstehen dann, wenn die Bewegung des Schleifkörpers entlang des Fahrleiters mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgt, wie dies zum Beispiel bei Hochgeschwindigkeitszügen der Fall ist, die mit Geschwindigkeiten weit oberhalb von 250 km/h fahren. Unter diesen Geschwindigkeiten ist ein Abheben des Schleifkörpers von dem Fahrleiter zu beobachten, was zu Funkenbildungen führt und einen erhöhten Verschleiß des Schleifkörpers aufgrund von Funkenerosion mit sich bringt. Um ein solches Abheben zu vermeiden muß ein hoher Anpreßdruck aufgebracht werden, was mit einem großen Kraftaufwand insbesondere im Hinblick auf die hohen Massen der Stromabnehmer, verbunden ist. Die herkömmlichen Stromabnehmer solcher Hochgeschwindigkeitszüge sind aus zwei Schleifkörper-Leisten aufgebaut, die parallel zueinander verlaufend an einem Tragegestell angeordnet sind, wobei ihre Längserstreckung etwa senkrecht zum Fahrleiter ausgerichtet ist. Die Schleifleisten, die aus Graphit bestehen, sind in U-förmigen Trä­ gerprofilen aus Aluminium an dem Tragegestell befestigt. Das Tragegestell selbst ist mit dem Fahrzeug über eine armförmige Wippenhalterung verbunden.

Das für den Schleifkörper eingesetzte Graphitmaterial nach dem Stand der Technik zeigt einen hohen Verschleiß. Der abrasive Verschleißanteil wird von dem Reibungskontakt mit dem Fahrleiter verursacht, während oxidative Verschleißanteile durch die vorstehend erwähnten Funkenbildungen beim kurzzeitigen Abheben des Schleifkörpers vom Fahrleiter während der Fahrt auftreten. Ein weiteres Problem ist die geringe Festigkeit des Graphit­ materials, was den Profilkörper zur Halterung der Graphitleiste erfordert. Hierbei stellt sich die Problematik dahingehend, daß zum einen die Graphitleiste ausreichend weit aus Stabilitätsgründen erfaßt werden muß, zum anderen eine ausreichende Höhe der Graphitleiste frei verbleiben muß, um bis zu einem bestimmten Abrieb einen ausreichenden Kontakt über das Graphitmaterial sicherzustellen. Die Verschleißverluste des Graphit­ materials sind insbesondere unter extremen Bedingungen erheblich, wie bei­ spielsweise bei hohen Geschwindigkeiten mit der entsprechenden Wärmeent­ wicklung sowie unter äußeren Kälteeinflüssen, beispielsweise im Winterbe­ trieb, wo der Fahrleiter durch Eisbildung eine äußerst unebene Oberfläche dem Graphit entgegensetzt. Weiterhin führt die Halterung der Graphitleiste in einem Profilträger zu strömungsungünstigen Formen, die zum einen einen hohen Luftwiderstand besitzen und zu Geräuschentwicklungen im Fahrbetrieb, insbesondere unter hohen Fahrgeschwindigkeiten, führen. Ein weiteres Problem, das die herkömmlichen Schleifkörper darstellen, sind die unter­ schiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen der Graphitleiste und den Profilträgern aus Aluminium. Hieraus folgt eine aufwendige Verbin­ dung dieser unterschiedlichen Komponenten mit der entsprechenden Kosten­ folge. Um das zeitweilige Abheben der Schleifkörper von dem Fahrleiter, was zu Stromunterbrechungen führt, zu kompensieren, wird jeder Stromab­ nehmer mit zwei Schleifkörpern ausgestattet, die, wie bereits erwähnt, mit einer Wippe miteinander verbunden sind, so daß dadurch gewährleistet werden soll, daß zumindest ein Schleifkörper den jeweiligen Kontakt zu dem Fahrleiter herstellt.

Weiterhin ist aus JP-Abstr. 63-140 050 ein Stromkollektor-Material bekannt, bei dem einem Gemisch aus Metallpulver und Graphitpulver 5-15 Gew.-% verkupferte Carbonfasern zugegeben werden und nach Mischen dieser Bestandteile die resultierende Mischung kompaktiert und gesintert wird. Die Carbonfasern besitzen vorzugsweise eine Länge von 0,2-10 mm und eine Beschichtungsdicke im Bereich von 1-10 µm.

Die DE-A1-39 33 039 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von oxidationsgeschützten CFC-Verbundwerkstoffen, die aus einer Kohlen­ stoffmatrix und Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff bestehen. Diese Verbundwerkstoffe werden zunächst carbonisiert und danach wird metal­ lisches Silizium flüssig infiltriert, das dann in den Porenräumen mit dem Matrixkohlenstoff, aber auch mit den Kohlenstoffasern zu Siliziumkarbid reagiert. Man erhält auf diese Weise Verbundwerkstoffe mit verbessertem Oxidationsschutz, aber verminderter Quasi-Duktilität, da die Faserverstärkung massiv angegriffen wird.

Ein vergleichbares Verfahren, wie es in der DE-A1 39 33 039 offenbart ist, ist aus der DE-A1-41 36 880 für die Herstellung eines oxidations­ beständigen Bauteils, insbesondere für die Raumfahrt, bekannt.

Eine aerodynamisch ausgebildete Schleifplatte für einen Hochge­ schwindigkeits-Stromabnehmer ist aus der DE-B2-830 027 bekannt. Die Schleifplatte besteht aus Cu-Kohle, CuCd oder NiAg.

Ausgehend vom Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stromabnehmer für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, dahingehend weiterzuentwickeln, der die Verschleißerscheinungen im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich vermindert und der eine verbesserte Stromabnahme auch unter extremen Betriebsbedingungen zeigt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in den stromübertragenden Bereich Siliziumkarbid, das durch Infiltration von flüssigem Silizium und Umsetzung mit Kohlenstoff gebildet ist, und elektrisch gut leitende Werkstoffe in Form von Stiften, Fasern, Folien oder Streifen, die in ihrer Längsrichtung in Stromflußrichtung verlaufen, eingelagert sind. Durch den Einsatz eines Verbundwerkstoffes auf Basis carbonfaserverstärktem Kohlenstoff wird eine im Vergleich zu Graphit höhere Abriebsfestigkeit, insbesondere unter extremen Fahrbedingungen, erzielt, weiterhin wird durch dieses Material, im Gegensatz zu Graphit, das Gewicht des Schleifkörpers und damit des Stromabnehmers reduziert. Aufgrund der wesentlich geringeren Masse müssen geringere Anpreßkräfte aufgewandt werden, um den Schleifkörper gegen den Fahrleiter zu drücken. Auch werden aufgrund der geringeren dynamischen Kräfte, die durch Uneben­ heiten entlang des Fahrleiters auf den Schleifkörper beaufschlagt werden, reduziert, so daß der Schleifkörper gerade unter hohen Geschwindigkeiten in einem gleichmäßigeren Kontakt mit dem Fahrleiter verbleibt. Es hat sich darüberhinaus gezeigt, daß ein solcher Schleifkörper eine hohe Eigen­ stabilität besitzt, so daß aufwendige Profilkörper, um den Schleifkörper zu halten und zu führen, nicht benötigt werden. Vielmehr kann ein solcher Verbundwerkstoff auf der Basis von carbonfaserverstärktem Kohlenstoff nur an seiner Unterseite mit Befestigungseinrichtungen ausgestattet werden, so daß neben einer Gewichtsreduzierung der weitere Vorteil erzielt wird, daß die gesamte Höhe des Schleifkörpers für die Stromabnahme zur Verfügung steht, so daß eine relativ große Höhe für den Abrieb verfügbar ist und sich daraus eine lange Standzeit ergibt.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß auch sehr hohe Temperaturen, die sich durch den schleifenden Kontakt zwischen dem Schleifkörper und dem Fahr­ leiter unter hohen Geschwindigkeiten ergeben, wie sie beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitszügen auftreten, praktisch keine Auswirkung hinsicht­ lich eines erhöhten Abriebs haben.

In der nach Anspruch 1 beanspruchten Ausführungsform des Stromabnehmers werden in die carbonfaserverstärkte Kohlenstoffmatrix, die den Grundaufbau des Schleifkörpers bildet, Schichtstrukturen aus Siliziumkarbid eingelagert. Solche Schichtstrukturen aus Siliziumkarbid erhöhen die Abriebsfestigkeit des Schleifkörpers. Derartige Schichtstrukturen sind dünn und erhöhen zusätzlich zu der Abriebsfestigkeit die Gesamtfestigkeit des Verbundkörpers. Siliziumkarbid zeichnet sich weiterhin in Verbindung mit der carbonfaserverstärkten Kohlenstoffmatrix dadurch aus, daß sie über Infiltrieren von Silizium in eine Kohlenstoffmatrix, mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoffmatrix Siliziumkarbid bildet, wodurch ein hochfester Ver­ bundkörper entsteht. Weiterhin wird durch Siliziumkarbid die Oxidations­ beständigkeit und damit die Einsatzdauer der Schleifkörper heraufgesetzt.

Um die elektrische Leitfähigkeit des Schleifkörpers gezielt zu erhöhen, allerdings das Verhalten des Schleifkörpers hinsichtlich seiner Abriebs­ festigkeit und seines Gewichts möglichst wenig zu beeinflussen, werden in den carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörper elektrisch gut leitende Werk­ stoffe eingelagert, die vorzugsweise aus sehr kleinen Bestandteilen be­ stehen, bevorzugt in Form von dünnen Drähten oder Fasern oder kleinen Metallstreifen, wie Folien. Es eignen sich auch Graphitbestandteile, wobei Graphitbestandteile dann zu bevorzugen sind, wenn die Leitfähigkeit des Graphits für die Anforderungen an die Stromleitung ausreichend sind, während Metallbestandteile dann bevorzugt zugegeben werden, wenn die elektrischen Eigenschaften des Schleifkörpers noch verbessert werden müssen oder wenn ein erhöhter Verschleißschutz gefordert wird.

Vorzugsweise werden diese, die elektrische Leitfähigkeit erhöhenden Be­ standteile mit ihrer größten Abmessung so orientiert, daß sie senkrecht zu der Kontaktoberfläche des Schleifkörpers bzw. senkrecht zu der Oberfläche des Fahrleiters verlaufen. Eine bevorzugte Maßnahme, um Metallbestandteile in den Schleifkörper einzubringen, ist diejenige, daß in dem C/C-SiC-Bau­ teil, das, wie vorstehend angegeben, hergestellt ist, senkrecht zu der späteren Kontaktoberfläche des Schleifkörpers verlaufende Bohrungen vorge­ sehen werden, die dann beispielsweise mit, flüssigem Kupfer aufgefüllt werden. Hierbei kann das C/C-SiC-Bauteil in eine Form eingesetzt werden und gleichzeitig im Rahmen des Auffüllens der Poren oder Durchgangsöff­ nungen auf der der Kontaktoberfläche gegenüberliegenden Stromabnahmeseite eine Kontaktplatte gegossen werden, die die einzelnen Bohrungen bzw. Kupfer- (Metallstifte) miteinander verbindet. Die Poren können auch durch entsprechende Platzhalter, die in dem CFK-Grünkörper eingesetzt und später entfernt werden, gebildet werden. Die Verteilung kann gerade über die vor­ stehend angeführte Infiltriertechnik eingestellt werden, indem beispiels­ weise das C/C-Bauteil von beiden Seiten mit unterschiedlichen Bestand­ teilen infiltriert wird. Weiterhin ist es möglich, die Restporosität des C/C-SiC-Körpers durch Flüssigphaseninfiltration mit zum Beispiel Cu-Schmelze aufzufüllen.

Um die Betriebsnutzdauer eines solchen Schleifkörpers zu erhöhen, können neben Siliziumkarbid, das die Oxidationsbeständigkeit erhöht, weitere ver­ schleißreduzierende Bestandteile in die carbonfaserverstärkte Kohlenstoff­ matrix bzw. die Verschleißfestigkeit erhöhende Zusatzbestandteile einge­ setzt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Titankarbid und/oder Zir­ koniumkarbid.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stromabnehmers eignet sich insbeson­ dere ein Verfahren, bei dem zunächst ein CFK-Grünling (kohlenfaserver­ stärktes Polymer) hergestellt wird, der im wesentlichen der Endgeometrie des Stromabnehmers angepaßt ist. Danach wird über eine Pyrolyse die Poly­ mermatrix zu Kohlenstoff umgewandelt, so daß ein poröses C/C- (carbon­ faserverstärktes) Bauteil entsteht. Die Hohlräume, die nach der Pyrolyse im C/C-Bauteil verbleiben, werden mit flüssigem Metall gefüllt (Flüssig­ phaseninfiltration). Die Metallschmelze in Form von flüssigem Silizium, reagiert mit der Kohlenstoffmatrix und auch mit den Kohlenstoffasern zu Siliziumkarbid.

Die Zugabe von Titankarbid und/oder Zirkoniumkarbid erfolgt bereits im Rahmen des Aufbaus des CFK-Grünköpers, wobei die Lage der Zugabe variiert werden kann, wodurch ein C/C-SiC-Bauteil mit einer Gradientenverteilung der Zugabestoffe aufgebaut werden kann. Diese Zugabe kann in Pulverform erfolgen, zum einen im Kohlenstoffasergewebe des CFK-Grünlings einge­ streut, oder aber als Zusatz des Harzes (Polymers) beim Aufbau des CFK-Grünlings über ein Laminierverfahren oder ein Injektionsverfahren. In jedem Fall ist die Beigabe dieser Bestandteile in den Aufbau des CFK-Grün­ körpers eine bevorzugte Maßnahme, da eine optimale Einstellung auch in eng begrenzten Zonen der Titan- oder Zirkoniumkarbid-Verteilung möglich ist.

Um eine Optimierung zwischen einer hohen elektrischen Leitfähigkeit des Schleifkörpers, einer hohen Festigkeit, einer guten Oxidationsbeständig­ keit und einem geringem Gewicht zu erreichen, sollte der Anteil an Sili­ ziumkarbid und den zugesetzten verschleißreduzierenden Bestandteilen zwischen 15% und 50% bezogen auf die Masse des Schleifkörpers betragen, wobei der Anteil an freiem, ungebundenem Silizium zwischen 0% und 10% der Bauteilmasse betragen sollte.

Bauteile, die die elektrische Leitfähigkeit heraufsetzen, können in den Schleifkörper so eingebracht werden, daß sich deren volumenmäßiger Anteil in den einzelnen Schichten von der Kontaktoberfläche zu der gegenüber­ liegenden Stromabgriffsfläche hin ändert, wobei der höchste Anteil dieser Bestandteile im Bereich der Oberflächenschicht liegen sollte, die dem Fahrleiter zugewandt ist. Hierdurch wird die Stromleitung im Bereich der Oberflächenschicht sowie die Oxidationsbeständigkeit der Oberflächen­ schicht erhöht, während der Bereich der Stromabnahmeseite, der letztend­ lich auch bei einem abgenutzten Schleifkörper keinem Abrieb unterliegt, in Bezug auf dessen Stabilität optimiert werden kann.

Die elektrisch gut leitenden Werkstoffe, als Fasern, Stifte und/oder Streifen eingesetzt, sollten eine Querschnittsabmessung im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm (Folie) und von 1 mm bis 5 mm (Streifen, Stifte) be­ sitzen. Die elektrisch gut leitfähigen Werkstoffe werden definiert in den Schleifkörper eingebracht. Die Länge der Schleifkörperdicke entspricht der Schleifkörperdicke.

Als gut leitender Werkstoff ist Kupfer zu nennen.

Mit die elektrische Leitfähigkeit erhöhenden Bestandteilen kann der Schleifkörper in einzelne Zonen unterteilt werden, wobei dann die Zonen oder Flächen erhöhter Leitfähigkeit den Schleifkörper senkrecht zum Fahr­ leiter bzw. zur Kontaktoberfläche und vorzugsweise senkrecht zur Schleif­ richtung verlaufen, wie dies bereits vorstehend erläutert wurde. Bei Ein­ lagerung solcher Zonen erhöhter, elektrischer Leitfähigkeit handelt es sich vorzugsweise um großvolumige Einlagerungsteile, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Drähten, Blechen oder Folien, was den Vorteil hat, daß ein derartiger Aufbau mittels einfacher Fertigungsmethoden, beispielsweise Verbindungstechniken, mit wenigen, gut handhabbaren Einzelteilen aufgebaut werden kann. Hierbei können sich zum Beispiel Graphitzonen mit carbon­ faserverstärkten Kohlenstoffzonen, die vorzugsweise mit Siliziumkarbid ge­ füllt sind, abwechseln, um einerseits eine gute Stromleitung zu erhalten und zum anderen das Verschleißverhalten positiv zu beeinflussen.

Die Zonen einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit sollten eine Dicke von 1 mm bis 5 mm aufweisen und der mittlere Abstand von Zone zu Zone sollte im Bereich von 5 mm bis 10 mm liegen, d. h. bei einem Schleifkörper, der eine Breite von etwa 40 mm haben kann, werden zwei bis drei solcher Zonen einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen.

Da sich die erfindungsgemäßen Stromabnehmer durch Schleifkörper auszeich­ nen, die in einer selbsttragenden Bauweise aufgebaut werden können, ist es möglich, diese Schleifkörper strömungsgünstig zu profilieren. In Verbin­ dung mit Stromabnehmern für Hochgeschwindigkeitszüge stellt dies eine geringe Geräuschentwicklung sicher, darüberhinaus werden Verwirbelungen im Bereich des Schleifkörpers herabgesetzt, die sich negativ auf eine gleich­ mäßige Kontaktführung entlang des Schleifdrahts auswirken. Weiterhin be­ steht die Möglichkeit, ungeachtet von Trageprofilen, die nach dem Stand der Technik erforderlich sind, die Schleifkörper so zu profilieren, daß sie unter zunehmenden Geschwindigkeiten einen erhöhten Anpreßdruck ihrer Kontaktoberfläche an den Fahrleiter erfahren. Hierzu eignet sich zum Bei­ spiel ein Tragflächenquerschnittsprofil, das zu dem Fahrleiter hin, d. h. auf der Kontaktoberfläche, eine stärkere Wölbung als an der gegenüberlie­ genden Stromabgriffsseite besitzt, so daß zum Fahrleiter hin ein Unter­ druck erzeugt wird. Weiterhin ist es aufgrund der hohen Werkstoffestigkeit möglich, den Schleifkörper in Form eines Hohlprofils auszubilden, was zu einer weiteren Massenreduktion mit den damit verbundenen Vorteilen führt. Wiederum eignet sich für die Herstellung eines solchen profilierten oder hohlen Schleifkörpers eine Technik, bei der ein carbonfaserverstärkter Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in einem grünen Zustand aufgebaut wird, der anschließend durch Infiltrieren von flüssigem Siliziums und einer darauf­ folgenden Wärmebehandlung unter Bildung von Schichtstrukturen aus Sili­ ziumkarbid verfestigt wird. Dadurch wird ein hochfester Schleifkörper mit Endgeometrie erhalten, der nicht nachbearbeitet werden muß, allerdings in dem grünen Zustand des Körpers leicht auf die gewünschten Geometrien abge­ stimmt werden kann.

Da Fahrzeuge, insbesondere auch Hochgeschwindigkeitszüge, in ihrer Fahrt­ richtung nicht eindeutig festgelegt sind, ist es insbesondere in Verbin­ dung mit strömungsgünstigen Profilen der Schleifkörper von Vorteil, diese drehbar um eine Achse zu lagern, die senkrecht zu der Kontaktoberfläche und zum Fahrleiter verläuft, um dieses Profil des Schleifkörpers ent­ sprechend der Fahrtrichtung zu drehen. Dies kann mittels eines Stellan­ triebs erfolgen, z. B. mittels eines elektrischen Stellmotors.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, ist es aufgrund der dem erfindungsgemäßen Stromabnehmer erzielbaren Vorteile hinsichtlich des geringen Gewichts, der guten Kontakteigenschaften und die sich daraus er­ gebenden ruhigen Lauf- bzw. Schleifkontakte entlang des Fahrleiters mög­ lich, mit einem einzelnen Schleifkörper an jedem Stromabnehmer, im Gegen­ satz zum Stand der Technik, der zwei solcher Schleifkörper verwendet, aus­ zukommen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In den Zeich­ nungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Stromabnehmers für die Strom­ abnahme an einem Oberleitungs-Fahrleiter,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teilausschnitts des Schleif­ körpers, der in den Fahrleiter eingreift, wobei die innere Struk­ tur des Schleifkörpers dargestellt ist,

Fig. 3 einen Verbundkörper, bei dem in die Schleifkörperstruktur ein­ zelne Graphitlamellen bzw. -lagen eingelagert sind,

Fig. 4 schematisch ein strömungsgünstiges Profil des Schleifkörpers,

Fig. 5 ein weiteres strömungsgünstiges Profil des Schleifkörpers, und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Schleifkörper mit Trägerplatte.

Der Stromabnehmer, wie er in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist, weist einen Schleifkörper 1 auf, der entlang eines Fahrleiters 2 in Schleifkontakt damit geführt ist. Der Schleifkörper 1 ist mittels eines Gelenks 3 an einem Arm 4 befestigt, wobei der Arm 4 an seinem anderen, dem Gelenk 3 gegenüberliegenden Ende an einer Halterung 5 mit einem fahrzeug­ seitigen Tragerahmen 6 verbunden ist. Der Schleifkörper 1 wird in Kontakt gegen den Fahrleiter 2 mittels hydraulischer oder pneumatischer Elemente 7 gehalten, die zwischen dem Tragerahmen 6 und dem Arm 4 eingreifen und den erforderlichen Anpreßdruck des Schleifkörpers 1 an den Fahrleiter 2 sicherstellen. Durch das Gelenk 3 kann sich die Kontaktoberfläche 8 des Schleifkörpers 1 flächig zu dem Fahrleiter unter Betrieb ausrichten.

Der Schleifkörper 1 ist flügelförmig ausgebildet, wobei die Längsrichtung quer zu der Erstreckung des Fahrleiters 2 verläuft. Die Breite in Richtung des Fahrleiters 2 beträgt etwa 20 bis 30 cm, während die Länge des leistenförmigen Schleifkörpers 1 so gewählt ist, daß auch außermittig zu dem Fahrleiter 2 laufende Schleifkörper 1 mit dem Fahrleiter 2 in Kontakt verbleiben. Üblicherweise ist der Fahrleiter schräng und zick-zack-förmig gespannt, so daß er auf dem Schleifkörper 1 im Fahrbetrieb hin und her wandert.

Weiterhin ist der Schleifkörper 1 an dem Arm 4 um eine Achse 9 in Richtung des Drehpfeils 10 schwenkbar über einen elektrischen Stellmotor 11 und eine Arretierung gehalten. Mittels des Stellmotors 11 kann, je nach Fahrt­ richtung des Fahrzeugs entlang des Fahrleiters 2, der Schleifkörper um 180° gedreht werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Quer­ schnittsprofil des Schleifkörpers 1 in Richtung des Fahrleiters 2 bzw. in Fahrtrichtung gesehen unterschiedlich ist, so daß das Querschnittsprofil in Abhängigkeit der Fahrtrichtung gedreht werden kann.

Der Schleifkörper 1 des Stromabnehmers ist aus einem carbonfaserver­ stärkten Kohlenstoff-Körper 12 aufgebaut, wie dieser in der Fig. 2 dar­ gestellt ist. Der Körper 12 weist eine Kohlenstoffaserstruktur mit Quer­ fasern 13 und Längsfasern 14 auf. Dieser Faserkörper, der zunächst in einer im wesentlichen der Endgeometrie des Schleifkörpers 1 entsprechenden Form hergestellt wird und dann mit flüssigem Silizium infiltriert wird, ist in dem Endzustand mit Siliziumkarbid 15 gefüllt, das sich unter Reaktion des Siliziums mit dem Kohlenstoff in der Kohlenstoffmatrix bildet und zu einem festen Verbund führt. Weiterhin sind in die Schichten 15 pul­ verförmige Zusatzstoffe 16 eingelagert. Weiterhin ist der Körper 12 mit Kupferstiften 29 versehen. Dieser Schleifkörper besitzt zum einen unter Einsatz des carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörpers 12 einen sehr leichten, formstabilen Aufbau, dessen Abriebsfestigkeit durch die einzel­ nen Siliziumkarbidschichtstrukturen, die allerdings in Fig. 2 übertrieben dargestellt sind, erhöht wird. Darüberhinaus wird die Leitfähigkeit durch die zugesetzten Kupferstifte 29 erhöht. An der Unterseite des carbonfaser­ verstärkten Kohlenstoffkörpers 12 ist eine Kontaktplatte 17 aus Aluminium vorgesehen, über die der Strom abgegriffen wird. Weiterhin sind, wie die Fig. 2 zeigt, in den carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörper 12 bei­ spielhaft und schematisch drei Gewebeschichten 18 aus Kohlenstoffasern eingebettet, die senkrecht zu der Kontaktoberfläche 8 und senkrecht zu der Längserstreckung des Fahrleiteres 2. Der Aufbau der Gewebelagen ist bevor­ zugt senkrecht zum Fahrleiter 2. Ein guter elektrischer Kontakt von der Kontaktoberfläche 8 durch den carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörper 12 hindurch zu der Unterseite 19 des Schleifkörpers hin wird durch die Ein­ lagerung von Metallstiften oder -stäben 29 erzielt, die beispielsweise durch Einfüllen von flüssigem Kupfer in entsprechende Bohrungen, die in den carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörper 12 hergestellt werden, gebil­ det. Hierdurch wird eine gute Stromleitung sichergestellt. Die Kontakt­ platte 17 kann hierzu die einzelnen Metallstifte 29 miteinander verbinden und ebenfalls aus Kupfer hergestellt sein.

Mit dem Aufbau des Schleifkörpers, wie er durch Fig. 2 dargestellt ist, wird eine sehr leichte, aber hochfeste, Anordnung erzielt, die zu geringen dynamischen Kräften während des Fahrbetriebs führt, so daß die Anpreß­ kräfte, die über die Stellelemente 7, die auf den Arm 4 einwirken, beauf­ schlagt werden müssen, relativ gering gehalten werden können.

In Fig. 3 ist eine Anordnung gezeigt, bei der ein carbonfaserverstärkter Kohlenstoffkörper 12, mit Siliziumkarbid in seinen Hohlräumen und eventu­ ellen leitenden Zusatzstoffen, entsprechend dem Aufbau der Fig. 2, ge­ füllt ist. In diesen carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörper sind drei dünne Graphitlamellen bzw. -schichten 20 eingesetzt, die senkrecht zu der Kontaktoberfläche 8 und quer zu der Längserstreckung des Fahrleiters 2 verlaufen. Diese Graphitlamellen dienen dazu, die Stromführung von der Kontaktoberfläche 8 zu der Unterseite 19 des Schleifkörpers 1 zu erhöhen. In der Ausführungsform der Fig. 3 wird weiterhin die Trägerplatte 17 der Fig. 2 nicht verwendet, da diese Tragefunktion im wesentlichen durch den unteren Bereich des carbonfaserverstärkten Kohlenstoffkörpers 12 über­ nommen wird. Allerdings kann zusätzlich an der Unterseite 19 der Aus­ führungsform der Fig. 3 eine Kontaktplatte 17, wie sie in Fig. 2 darge­ stellt ist, vorgesehen werden.

Da sich der Stromabnehmer mit dem Schleifkörper, wie er anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, beispielsweise in Stromabnehmern für Hochgeschwindigkeitszüge, eignet, sind Querschnittsprofile von Vorteil, wie sie in den Fig. 4 bis 6 dar­ gestellt sind, die strömungsgünstige Eigenschaften besitzen.

Das Strömungsprofil 21, wie es die Fig. 4 zeigt, ist symmetrisch zu einer Mittellinie 22 aufgebaut, mit einer abgerundeten Anströmkante 23 und einer scharfen Strömungsabrißkante 24 an dem gegenüberliegenden Ende, wobei die Anströmung des Fahrtwindes durch den Pfeil 25 angedeutet ist. Durch dieses Strömungsprofil wird eine weitgehendst wirbelfreie Umströmung des Schleif­ körpers 1 erreicht. Um ein solches Profil der jeweiligen Fahrtrichtung bzw. Anströmrichtung 25 anzupassen, kann es über den Stellmotor 11, wie er anhand der Fig. 1 vorstehend erläutert wurde, gedreht werden.

Fig. 5 zeigt ein Strömungsquerschnittsprofil 26, das in Bezug auf die Mittellinie 22, im Gegensatz zu dem Profil der Fig. 4, derart ausgebildet ist, daß die Oberseite oder Kontaktoberfläche 8 stärker gewölbt ist als die Unterseite 19. Hierdurch wird auf der Kontaktoberfläche 8 durch die das Profil umströmende Luft ein Unterdruck hervorgerufen, der den Schleif­ körper 1 an den Fahrleiter 2 andrückt, wobei dieser Unterdruck und damit die Anpreßkraft mit steigender Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht wird.

In Fig. 6 ist ein Querschnittsprofil mit einem relativ dicken Querschnitt senkrecht zur Kontaktoberfläche 8 dargestellt, wobei in dieser Darstellung die Trägerplatte 6 derart angeordnet ist, daß sie in die Außengeometrie des Profils angepaßt ist, um durch die Trägerplatte 17 keinerlei Verwirbe­ lung hervorzurufen. Weiterhin sind Befestigungselemente 28 zu sehen, die von der Unterseite der Trageplatte 17 vorstehen, wobei in Verlängerung dieser Befestigungselemente 28 die Drehachse 9 angedeutet ist, um die das Profil, je nach Fahrtrichtung, mittels des Stellmotors 11 der Fig. 1 ge­ dreht werden kann.

Claims (23)

1. Stromabnehmer für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, das ein mit elektrischem Strom zu speisendes Antriebsaggregat aufweist, mit einem Schleifkörper zur Übertragung von elektrischem Strom von einem stromführenden Fahrleiter auf das Fahrzeug, wobei der Schleifkörper wenigstens einen dem Fahrleiter zugekehrten strom­ übertragenden Bereich aus einem Verbundwerkstoff auf Basis carbon­ faserverstärktem Kohlenstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in den stromübertragenden Bereich Siliziumkarbid, das durch Infil­ tration von flüssigem Silizium und Umsetzung mit Kohlenstoff gebildet ist, und elektrisch gut leitende Werkstoffe in Form von Stiften, Fa­ sern, Folien oder Streifen, die in ihrer Längsrichtung in Stromfluß­ richtung verlaufen, eingelagert sind.

2. Stromabnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sili­ ziumkarbid (15) wenigstens teilweise durch weitere verschleißreduzie­ rende Bestandteile ersetzt ist.

3. Stromabnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren verschleißreduzierenden Bestandteile Titankarbid und/oder Zirkoniumkarbid und/oder Siliziumdioxid sind.

4. Stromabnehmer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren verschleißreduzierenden Bestandteile in Pulverform einge­ bracht sind.

5. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Siliziumkarbid oder an Siliziumkarbid und den wei­ teren verschleißreduzierenden Bestandteilen zwischen 15% und 50% be­ zogen auf die Masse des Schleifkörpers beträgt.

6. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anteil des Siliziumkarbids (15) und/oder des elektrisch gut leitenden Werkstoffs (16) über die Dicke des Schleifkörpers (1) ändert, wobei der höchste Anteil im Bereich der Oberfläche (8) des Schleifkör­ pers (1) vorliegt, der dem Fahrleiter zugekehrt ist.

7. Stromabnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anteil an Siliziumkarbid (15) und/oder an elektrisch gut leitendem Werkstoff (16) über die Dicke des Werkstoffs gradientenmäßig ändert.

8. Stromabnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elek­ trisch gut leitende Werkstoffe (16, 20) Metalle oder Graphit einge­ lagert sind.

9. Stromabnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer und/oder Aluminium eingelagert sind.

10. Stromabnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trisch gut leitenden Werkstoffe (16, 20) senkrecht zur Erstreckung des Fahrleiters (2) oder zur Schleifrichtung ausgerichtet sind.

11. Stromabnehmer nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch gut leitenden Werkstoffe (16, 20) in Folienform eine Quer­ schnittsabmessung im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweisen und in Streifen- oder Stiftform eine Querschnittsabmessung von 1 mm bis 5 mm aufweisen.

12. Stromabnehmer nach Anspruch 1 oder 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trisch gut leitenden Werkstoffe in definierten Zonen konzentriert sind.

13. Stromabnehmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zo­ nen (20) eine Dicke im Bereich von 1 mm bis 5 mm aufweisen.

14. Stromabnehmer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (20) einen mittleren Abstand im Bereich von 5 mm bis 10 mm voneinander aufweisen.

15. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sili­ ziumkarbid und elektrisch gut leitende Werkstoffe enthaltende carbon­ faserverstärkte Kohlenstoff (12) in Verbundbauweise mit elektrisch gut leitendem Graphit (20) den Schleifkörper (1) bildet.

16. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) aerodynamisch (21, 26, 27) profiliert ist.

17. Stromabnehmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) eine Profilierung (26) derart aufweist, daß durch die Fahrtwindanströmung der Schleifkörper (1) an den Fahrleiter (2) gedrückt wird.

18. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) als Hohlprofil ausgebildet ist.

19. Stromabnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß er einen einzigen Schleifkörper (1) aufweist, dessen dem Fahrleiter (2) zugekehrte Kontaktoberfläche (8) in Schleifrichtung gesehen eine Erstreckung von mindestens 20 cm besitzt.

20. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) auf seiner der Kontaktoberfläche (8) abgekehrten Seite eine Kontaktplatte (17) aus Metall aufweist.

21. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) selbsttragend aufgebaut ist.

22. Stromabnehmer nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) drehbar um eine Achse (9) gehalten ist, wobei die Achse (9) senkrecht zu der Kontaktoberfläche (8) und zum Fahrlei­ ter (2) verläuft.

23. Stromabnehmer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkörper (1) mittels eines Stellantriebs (11) um die Achse (9) drehbar ist.