Benutzer:Peatala36/Gestellmotorantrieb

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Als Gestellmotorantrieb werden Antriebe von Eisenbahn-Triebfahrzeugen bezeichnet, deren Fahrmotor fest im gefederten Fahrzeugrahmen gelagert ist. Gestellmotoren kommen sowohl bei Einzelantrieben als auch bei Gruppenantrieben zur Anwendung. Zur Drehmomentübertragung vom Fahrmotor zum Treibradsatz dient eine Kupplung welche die Relativbewegungen aufgrund des Federwegs zwischen Radsatz und Rahmen ausgleichen muss. Diese Kupplung kann als Feder-, Gelenkmechanismus oder Kardanwelle ausgeführt sein und ist entweder zwischen Motor und Ritzel oder zwischen Großrad und Radsatzwelle geschalten.

Durch die Lagerung des Fahrmotors im Fahrzeugrahmen gehören diese zur gefederten Masse. Somit wird der Anteil der ungefederten Masse gegenüber anderen Antrieben geringer gehalten. In der Vergangenheit waren daher Gestellmotorantriebe die Voraussetzung für schnellfahrende Schienenfahrzeuge. Aufgrund von Gewichtsreduzierungen der Antriebskomponenten ist es heute jedoch möglich, auch andere Einzelachsantriebe in höheren Geschwindigkeitsbereichen einzusetzen.

Begriff

Einige der genannten Antriebs-Bauformen zählen auch zur Kategorie der Hohlwellenantriebe. Allen hier genannten Antriebs-Bauformen ist jedoch gemein, dass deren Fahrmotor fest im Rahmen gelagert ist.

Stangenantrieb

→ Hauptartikel: Stangenantrieb (Eisenbahn)

Bei Stangenantrieben treibt der im Rahmen gelagerte Fahrmotor entweder direkt über eine Blindwelle oder über ein Zwischengetriebe mit einer Vorgelegewelle mit einer Kurbel über Treibstangen die Treibradsätze an, welche über Kuppelstangen gekuppelt sind.

Gelenk(Verzweiger)- und Federantrieb

Bei Gelenk- und Federantrieben umgibt eine Hohlwelle oder Hohlachse die Treibachswelle, siehe auch Hohlwellenantrieb. Diese ist entweder im Fahrmotorgehäuse oder im Fahrzeugrahmen gelagert. Die Hohlwelle ist dabei drehbar gelagert bzw. die Hohlachse ist feststehend mit einem darauf gelagerten, drehbaren Großrad ausgeführt. Die Drehmomentübertragung erfolgt durch eine Kupplung, die auch die Relativbewegungen zwischen Radradsatz und der Hohlwelle ausgleicht. Diese Kupplung ist entweder aus Verzweigermechanismen oder Federn aufgebaut.

Gelenkantrieb (»Verzweigerantrieb«)

Buchli-Antrieb

→ Hauptartikel: Buchli-Antrieb

Oerlikon-Gelenkstangenantrieb

→ Hauptartikel: Tschanz-Antrieb

SLM-Universalantrieb

→ Hauptartikel: SLM-Universalantrieb

Alsthom-Gelenkstangenantrieb mit „Tanzendem Ring“

Ende der 1920er Jahre entwickelte Alstom einen Antrieb mit gefedertem Zahnrad, Hohlwelle, Anneau dansant (französisch für „Tanzender Ring“) und Gelenkhebel. Die Übertragung der Kraft von der Hohlwelle auf den Radsatz geschieht außerhalb des Radsatzes über einen flanschförmigen Ring, der mit der Hohlwelle durch Zapfen verbunden ist, die durch Löcher in der Radscheibe geführt sind. Der Ring ist an der Radaußenseite mit Hebeln, die an Zapfen in der Radscheibe angreifen, elastisch verbunden. Durch diese Form wird der Höhenausgleich und ein weiches Anfahren ohne Überbeanspruchung der elektrischen Motoren realisiert.

Die Ausführung der Hebel ist je nach Bauart leicht unterschiedlich. Beim Antrieb von Alstom ist der Ring mit vier geraden Hebeln mit der Radscheibe verbunden, bei der in Italien verwendeten Ausführung sind nur zwei rechtwinklig angeordnete Hebelsysteme vorhanden.

Eine frühe Version dieses Antriebes wurde in einem Drehgestell der PLM 242 AE 1 eingesetzt, ist aber auch bei der SNCF CC 7100 zu finden. Die Antriebsvariante wurde in Italien bei der E 434.068 erstmals angewandt und danach bei den Baureihen FS E.646 und FS E.444 verbaut.

Federantrieb

Bei der Gruppe der Federantriebe werden die Relativbewegungen durch Federelemente aus Schrauben- oder Blattfedern ausgeglichen. Diese Federelemente sind meistens Schrauben- oder Blattfedern aus Stahl, neuere Ausführungsvarianten auch Gummielemente. Die entsprechenden Kupplungen sind scheibenförmig und paarweise an den Enden der Hohlwelle angebracht. Gummielemente sind ebenfalls scheibenförmig oder ringförmig zusammengefasst.

AEG-Blattfeder-Kupplung

AEG-Blattfeder-Kupplung, 1903

1903 verwendete die AEG bei Versuchsfahrten, bei denen schon schneller als 200 km/h gefahren wurde, eine Kupplung mir radial an den Hohlwellenenden angebrachten Blattfeder-Paketen (siehe nebenstehende Abbildung). Die kurzen Druckstücke zwischen deren Spitzen und den Treibrad machten die radiale Bewegung zwischen Hohl- und Treibsatzwelle möglich.

Westinghouse-Federantrieb

→ Hauptartikel: Westinghouse-Federantrieb

Sécheron-Federantrieb

Die gesamte Antriebseinheit von Westinghouse wurde ab 1922 von Sécheron in Genf in Lizenz gebaut, und die Federkupplung wurde nach einiger Zeit weiterentwickelt. Die Schraubenfedern wurden außerhalb des Rades anstatt zwischen dessen Speichen angebracht. Somit konnten längere, d. h. weichere Federn verwendet oder die Räder verkleinert werden. Die Anwendung für kleinere Räder machte den Einsatz in Drehgestellen von Triebwagen möglich.

Einbau des Sécheron-Federantriebs in Drehgestelle mit kleineren Triebrädern:

• in der Schweiz erstmals 1927 in den Lokomotiven, Typ 1AAA-AAA1, der Bern-Lötschberg-Simplon-Bahn und später in den an die Bodensee-Toggenburg-Bahn gelieferten Be 4/4 oder an die Emmentalbahn gelieferten gemischten Personen-Gepäcktriebwagen mit der ursprünglichen Bezeichnung CFe 4/4,
• in Österreich beispielsweise bei den späteren Baureihen 1045, 1145 und 1245 sowie 1040 der Österreichischen Bundesbahnen.

Federtopfantrieb

Federtopfantrieb der Maschinenfabrik Oerlikon (MFO)

Bei den bisherigen Federantrieben wurden bei radialem Ausgleich in der Kupplung die Schrauben quer gebogen, wodurch sie bruchempfindlich waren. Sie waren an ihren Enden unbeweglich eingebaut. Eine Verbesserung wurde erreicht, indem die Federn in zwei “Töpfen” radial fixiert wurden. Beim radialen Ausgleich bewegen sich die Töpfe mit der Feder als lediglich längenveränderlicher Stab. Die Topfböden sind gleitend und oder wälzend mit den Kupplungsaußenteilen verbunden.

Eine frühe Weiterentwicklung des Westinghouse-Antriebs war der Federtopfantrieb (z. B. der „AEG-Kleinow-Federtopfantrieb“), mit denen die Deutsche Reichsbahn einige Prototypen und anschließend serienmäßig die Baureihen E 04 (ab 1933), E 17 (ab 1928), E 18 (ab 1935) und E 19 (ab 1938) ausrüstete.

An den Enden der Hohlwelle waren Speichen angebracht, deren äußere Enden zwischen den Radspeichen hindurch nach außen zeigten. An den Radspeichen außen befanden sich in rohr- bzw. topfförmigen Hüllen eingefügte Schraubenfedern, die jeweils mit den Hohlwellen-Speichenenden gelenkig verbunden sind. Speichenstern und Radspeichen stehen entsprechend um 30° versetzt zueinander. Mit dieser Anordnung wird die Motordrehung auf die Räder übertragen, wobei sowohl das ruckartig auftretende Motor-Drehmoment beim Einschalten zum Anfahren bzw. einem Fahrststufenwechsel während der Fahrt gegenüber dem Radkörper abgedämpft werden. Außerdem gleichen diese Federn die Relativbewegungen zwischen Radsatz und im Rahmen gelagerter Hohlwelle beim Einfedern und durch die Seitenverschiebung im Bogen aus.

Die Stahlfedern zeigten sich nach längerer Betriebszeit sehr anfällig gegen Federbrüche. Die Deutsche Bundesbahn ersetzte sie durch modernere Gummiparabelfedern. Mit dieser Maßnahme konnte bei den deutschen Elektrolokomotiven der Reihen E 18 und E 19 die in der Nachkriegszeit auf 120 km/h begrenzte Höchstgeschwindigkeit wieder auf 140 km/h heraufgesetzt werden.

BBC-Federantrieb

Der von BBC entwickelte Federantrieb ähnelt dem Federtopfantrieb, jedoch ist der Fahrmotor nicht über, sondern neben dem Radsatz fest im Rahmen gelagert. Das am Fahrmotor angebrachte Ritzel treibt ein Großrad an, welches auf einem am Fahrmotorgehäuse angebrachten, hohlen Achsstummel gelagert ist. Dieser Achsstummel umgibt die Radsatzwelle mit ausrechend Spiel. Mithilfe einer Federkupplung wird das Drehmoment vom Großrad auf den Radsatz übertragen. Diese besteht aus im Großrad gelagerte Federtöpfe in welche die Arme eines auf der Radsatzwelle angebrachten Mitnehmers eingreifen.

Der BBC-Federantrieb wurde bei Triebfahrzeugen der ÖBB-Reihen 1010 und 1110, sowie Ae 6/6 und Re 4/4^I der SBB eingesetzt.

Gelenkwellenantrieb (»Kardanantrieb«)

Bei Gelenkwellenantrieben gleicht eine Gelenkwelle (»Kardanwelle«) die Relativbewegungen zwischen Fahrmotor und Radsatz aus. Bei großen Auslenkwinkeln der Gelenkwelle müssen Kardangelenke verwendet werden. Bei kleineren Auslenkwinkeln (< 5°) können auch Trockenkupplungen als elastische Elemente verwendet werden.

Aufgrund dieser Gelenkwelle kann der Treibradsatz nur einseitig angetrieben werden. Je nach Anordnung der Gelenkwelle entweder zwischen Motor und Getriebe oder zwischen Getriebe und Treibradsatz werden weitere Bauformen unterschieden.

Gelenkwelle zwischen Motor und Getriebe

Bei kleinen Leistungen und somit kleinen Fahrmotoren ist der Platz zwischen den Radscheiben ausreichend, kann zwischen Fahrmotor und Getriebe eine Gelenkwelle eingesetzt werden.

Für größere Leistungen muss der Fahrmotor entsprechend größer ausgeführt werden, wodurch sich der Platz für die Gelenkwelle verkleinert. Um eine für den Ausgleich der Relativbewegungen ausreichend lange Gelenkwelle einsetzen zu können, wurde daher Bauformen mit Ankerhohlwelle und Ritzelhohlwelle entwickelt.

Die Anordnung der Gelenkwelle vor dem Getriebe hat den Vorteil, dass auf der Motorseite des Getriebes deutlich geringere Drehmomente als auf der Radsatzseite zu übertragen sind. Somit kann die Gelenkwelle verhältnismäßig leichter ausgeführt werden.

Das Radsatzgetriebe ist hierbei direkt auf der Radsatz angebracht, weshalb es zur unabgefederten Masse zählt.

Ankerhohlwellenantrieb

Ankerhohlwellenantrieb

Beim Ankerhohlwellenantrieb ist der Anker des Fahrmotor als hohle Welle ausgeführt. In der hohlen Ankerwelle wird eine Gelenkwelle geführt, welche mit je einem elastischen Element mit dem Anker und dem Ritzel verbunden ist. Das Großrad sitzt fest und unabgefedert auf Radsatzwelle. Das Getriebe zählt somit zur unabgefederten Masse und muss die Bewegungen des Radsatzes mitmachen.

Beispiele für Ankerhohlwellenantriebe sind der Kardanantrieb der Firma Škoda, der BBC-Scheibenantrieb, der Sécheron-Lamellenantrieb, der Ankerhohlwellenantrieb der Firma ASEA und der Antrieb der Tokaido-Triebwagen der JR. Die einzelnen Bauformen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Ausführung der Kupplungen an der Gelenkwelle. Neben den Winkelbewegungen erlauben einige dieser Bauformen auch eine gewisse Drehelastizität und/oder axiale Relativbewegungen.

Aufgrund der aufwendigen Ausführung und Lagerung der Ankerhohlwelle werden Ankerhohlwellenantrieb heute nicht mehr neu ausgeführt.

BBC-Scheibenantrieb

Der Scheibenantrieb wurde 1938 von der Firma Brown, Boveri & Cie. (BBC) entwickelt.

Beim BBC-Scheibenantrieb wird das Drehmoment mittels elastischer Stahlscheiben übertragen. Diese ist zwischen zwei um 90° versetzte Mitnehmer angeordnet, wovon einer mit der Torsionswelle und einer mit der Ankerhohlwelle bzw. der Ritzelwelle verbunden ist.

Der BBC-Scheibenantrieb wurde erstmals bei Leichttriebwagen Reihe 401 der Straßenbahn Zürich eingesetzt. Im Vollbahnbereich wurde der Scheibenantrieb u.a. bei den Lokomotiven der BLS Ae 4/4 eingesetzt. Ebenso war die E 10 001 der Deutschen Bundesbahn mit einem solchen Scheibenantrieb ausgestattet.

Sécheron-Kardan-Lamellenantrieb

Der Sécheron-Lamellenantrieb ist eine Entwicklung der Firma Sécheron und entspricht im Aufbau dem BBC-Scheibenantrieb. Er besteht aus einer Ankerhohlwelle, welche auf einer Seite über einen Mitnehmer mit einer Torsionswelle verbunden ist. Diese Torsionswelle treibt über einen zweites Mitnehmerpaar das Achsvorgelege an. Die Mitnehmer, von denen zwei jeweils kreuzweise versetzt angeordnet sind, sind mit den namensgebenden Lamellen, Bündeln dünner Blechstreifen, verbunden und übernehmen so die Abfederung und Drehmomentübertragung des Motors.

Eingesetzt wurde dieser Antrieb etwa bei Düwag-Wagen der Vestischen Straßenbahn und bei Triebfahrzeugen der ÖBB-Reihen 4030 und 1046. Ebenso war die E 10 004/005 der Deutschen Bundesbahn mit einem solchen Lamellenantrieb ausgestattet.

Ritzelhohlwellenantrieb

Ritzelhohlwellenantrieb

Eine weitere Variante ist der Ritzelhohlwellenantrieb. Hierbei ist das Ritzel als Hohlwelle ausgeführt, durch die Gelenkwelle geführt wird. Die Gelenkwelle ist über je ein elastisches Element mit dem Anker und dem Ritzel verbunden.

Gegenüber dem Ankerhohlwellenantrieb haben Ritzelhohlwellenantriebe den Vorteil, dass der Anker des Fahrmotors weniger aufwendig ausgeführt sein muss.

Ritzelhohlwellenantriebe werden von der Firma Siemens Mobility bei den Lokomotiven der Reihe ER20 und der Vectron-Plattform eingesetzt.

Gelenkwelle zwischen Motorgetriebe und Radsatzgetriebe

Gelenkwellenantrieb mit Gelenkwelle zwischen Motorgetriebe und Radsatzgetriebe

Diese Bauform mit querliegenden Fahrmotor wird bei den Hochgeschwindigkeitszügen TGV der SNCF eingesetzt.

Die Bauform mit längsliegenden Fahrmotor wird auch bei Hochgeschwindigkeitszügen (z.B. BR 196 "Electra" der BR) insbesondere solche mit Neigetechnik (z.B. Pendolino der FS), bei Schmalspurfahrzeugen mit geringen Radscheibenabstand oder bei Dieseltriebfahrzeugen mit mechanischer oder hydraulischer Kraftübertragung eingesetzt.

Gelenkwelle zwischen Getriebe und Treibradsatz

Gelenkwelle zwischen Getriebe und Treibradsatz

Um die unabgefederte Masse weiter zu verringern muss das Radsatzgetriebe ebenfalls abgefedert ausgeführt werden. Hierbei wird das Großrad auf einem am Motor oder Drehgestellrahmen angebrachten Achsstummel gelagert. Das Drehmoment wird vom Großrad über ein elastisches Element auf eine Hohlwelle übertragen, welche die Treibradsatzwelle umgreift. Ein zweites elastisches Element verbindet die Hohlwelle einseitig mit dem Treibradsatz.

Bei der SNCF wird diese Bauform bei den Lokomotiven BB 9000, 12000 und 67000 als sogenannter Jacquemin-Antrieb eingesetzt. Ein weiteres Beispiel ist die Gummi-Gelenk-Kardankupplung der BBC. Diese Bauform wurde bei der DB-Baureihe 103 eingesetzt. Aus dieser Bauform wurde der ...-Antrieb der ICE 1 und 2 Triebköpfen entwickelt. Eine weitere Bauform ist der Kardan-Gummiringfederantrieb der Siemens-Lokomotiven ES64U2 und ES64U4. Über ein zusätzliches Zahnrad am Großrad wird eine zusätzliche Bremswelle angetrieben, auf welcher die Bremsscheiben angeordnet sind.

Nachteilig erweist sich bei dieser Bauform insbesondere die aufwendige Lagerung des Großrades.

Kardan-Gummiringfederantrieb

Beim Kardan-Gummiringfederantrieb sind die Fahrmotoren direkt in das Drehgestell eingebaut, um die ungefederten Massen klein zu halten. Dadurch werden die starken Fahrbahnstöße bei hohen Geschwindigkeiten gedämpft und die Bewegungen zwischen dem Radsatz und dem Fahrmotor ausgeglichen. Ein bekannter Vertreter dieses Antriebs ist die Baureihe 103.

BBC-Kardanantrieb

Der BBC-Kardanantrieb ist die Weiterentwicklung des Kardan-Gummiringfederantriebes. Für die Entwicklung der DB-Baureihe 120 waren dank des gleichmäßigen Drehmomentes der Drehstrom-Asynchronfahrmotoren die außen auf den Radscheiben montierten Gummiringfedern nicht mehr notwendig. Es blieb lediglich ein Antrieb über die Hohlwelle und die auf der Radinnenseite montierten in Gummi kugelig gelagerten Lenker. Auch die Ausstattung der Räder als Monobloc-Räder gelang. Versuche wurden vorher auf dem Prüffeld und mit der Henschel-BBC DE 2500 gefahren. Bei der DB-Baureihe 120 gelang es zum ersten Mal, eine Leistung pro Radsatz von 1,4 MW zu erreichen. Grundlage dafür war die höhere Drehzahl der Drehstrom-Asynchronmaschine im Vergleich zu dem Einphasen-Reihenschlussmotor mit Kommutator. Daraufhin war es möglich, eine vierachsige Lokomotive mit einer Gesamtmasse von 84 Tonnen mit 6 MW Leistung zu bauen.

Der BBC-Kardanantrieb ist die Grundlage für die Antriebe der folgenden Baureihe 101 und ICE 1.

Literatur

• Karl Sachs: Elektrische Triebfahrzeuge. Ein Handbuch für die Praxis sowie für Studierende. Hrsg.: Schweizerischer Elektrotechnischer Verein. 2. Auflage. Springer-Verlag Wien, 1973. 
• Bendel, Helmut: Die elektrische Lokomotive Aufbau, Funktion, neue Technik. 2., bearb. und erg. Auflage. Berlin, ISBN 978-3-344-70844-3.