Ingenieurswissenschaften Elektrotechnik Dualer Studiengang (Spez. Leit- und Sicherungstechnik)

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1 Willkommen im Modul Schienenfahrzeugtechnik Ingenieurswissenschaften Elektrotechnik Dualer Studiengang (Spez. Leit- und Sicherungstechnik) Vortrag VI Hagen Wegner xx.xx.2015

2 Das vorliegende Skript basiert auf unternehmensinternen, vertraulichen Daten, Informationen und Richtlinien der Deutschen Bahn. Es darf nur zum Zwecke der Vorlesung genutzt werden. Eine Vervielfältigung und Veröffentlichung ohne ausdrückliche Genehmigung auch auszugsweise ist nicht erlaubt. DB Netz AG, Hagen Wegner, Schienenfahrzeugtechnik 2

3 Zielstellung Sie erhalten wesentliche Kenntnisse über den Aufbau von Krafterzeugungsmaschinen (Dieselmotor), den Kraftübertragungseinrichtungen auf Triebfahrzeugen Weiterhin den Aufbau der Lufterzeugungsanlage und den Bremssystemen auf Triebfahrzeugen und Wagen Quellen: DB Fachbuch Schienenfahrzeugtechnik (3. Auflage) Internetskizzen, Bahnbilder (divers) DB Netz AG, Hagen Wegner, Schienenfahrzeugtechnik

4 8. Fahrzeugantrieb 8.1. Dieselmotor Erinnerung: ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie in Wärmeenergie und anschließend in mechanische Energie umwandelt. Aufbau eines Dieselmotors: Dieselmotoren haben prinzipiell den gleichen Aufbau. Wir unterscheiden in feststehende Teile, Triebwerksteile Steuerungsteile und Nebenapparate. DB Netz AG, Hagen Wegner, Schienenfahrzeugtechnik

5 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, Feststehende Teile Unter dem Begriff Motorgehäuse sind alle feststehenden Teile, die zugleich die äußere Begrenzung des Motors bilden zusammengefasst: Kurbelgehäuse Zylinderköpfe Zylinderblöcke Ölwanne (nimmt die Kurbelwelle auf) (dichtet den Verbrennungsraum nach oben ab) (stellt den Verbrennungsraum und Arbeitsrau) (Schließt den Motornach unten ab)

6 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, Triebwerks-Teile Der Begriff Triebwerk verweist auf alle beweglichen Teile eines Dieselmotors: Kolben (überträgt die Kolbenkräfte auf den Kurbeltrieb, dichtet den Verbrennungsraum nach unten ab, wird wg Verschleiß geschmiert, Kolbenringe, Ölabstreifring) Kolbenbolzen (Verbindung zwischen Kolben und Pleuel) Pleuelstange (Verbindung Kolben mit Kurbelwelle) Kurbelwelle (Wandelt die geradlinie Bewegung des Kolbens in drehende Bewegung um, summiert die Bewegungsenergie aller Kolben Schwungscheibe (sitzt an der Kraftabgabeseite, erhöht den Gleichlauf und trägt den Zahnkranz für Anlasser)

7 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, Steuerungsteile Steuerungsteile sorgen für das Öffnen und Schließen der Ventile zu richtigen Zeitpunkt Nockenwelle (von Kurbelwelle über Stirnräder angetrieben, sorgt für das Bewegung der Stößelstange) Stößel (wandelt die Radialenergie der Nockenwelle in lineare Energie um, treibt die Kipphebel) Kipphebel (nehmen die Bewegung der Stößel auf und bewegen die Ventile Ventilfedern (bringen die Ventile in ihre Ausgangslage zurück (Schließen)) Ventile (sorgen für Lufteinlass und Luftauslass)

8 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, Nebenapparate Nebenapparate sorgen für die einwandfreie Funktion des Motors und des Tfz Hydrostatikpumpe (Motorkühlung) Luftpresser (Fahrzeugluftversorgung) Kühlmittelkompressor (Klimaanlagen) Bordstromaggregat (Stromversorgung) Anlasser

9 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, 4- Taktverfahren Die Vorgänge im Motor werden in 4 Takte unterschieden: 1. Takt - Ansaugen: Reine Luft wird über die/das Einlassventil/e durch den nach unten gleitenden Kolben in den Verbrennungsraum gesaugt. Durch den Unterdruck strömt Verbrennungsluft in den Zylinder. Um mehr Luft und somit mehr Sauerstoff in den Zylinder zu bekommen, schließt das Einlassventil erst nach dem unteren Totpunkt (UT) Motoren moderner Bauarten unterstützen die Sauerstoffzufuhr durch Vorverdichtung (Abgasturbolader) und Ladeluftkühlung (kühlere Luft bindet mehr Sauerstoff)

10 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, 4- Taktverfahren Die Vorgänge im Motor werden in 4 Takte unterschieden: 2. Takt - Kompression: Der Zylinder bewegt sich vom unteren zum oberen Totpunkt (OT). Er nimmt dabei Arbeit auf, die von der Kurbelwelle entrichtet wird. Der Zylinderkolben verdichtet die Luft im Verbrennungsraum, wobei sich derdruck erhöht und die Temperatur auf Grad ansteigt (Kompressionswärme).

11 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, 4- Taktverfahren Die Vorgänge im Motor werden in 4 Takte unterschieden: 3. Takt - Zündung: Am Ende des Verdichtungstaktes ist die Luft maximal verdichtet, Druck und Temperatur sind sehr hoch. Über Einspritzdüsen gelangt nun der zerstäubte Dieselkraftstoff in den Verbrennungsraum. Da die Luft wegen der starken Kompression beim Verdichtungstakt die Selbstzündtemperatur des Dieselkraftstoffes erreicht ( GradC) entzündet sich dieser nach der Einspritzung selbst. Dabei wird ein Höchstdruck von bar und eine Höchsttemperatur von GradC erreicht. Der Kolben wird nach unten gestoßen und verrichtet dabei Arbeit.

12 8. Fahrzeugantrieb Dieselmotor, 4- Taktverfahren Die Vorgänge im Motor werden in 4 Takte unterschieden: 4. Takt - Ausstoß: Der Kolben befindet sich wieder in seiner Ausgangsstellung und läuft nach oben. Die durch die Verbrennung entstandenen Abgase werden über das/die Auslassventil/e in s Freie befördert. Das Auslassventil ist bereits seit erreichen des UT geöffnet ebenso öffnet das Einlassventil schon vor erreichen des OT, womit ein Übergang zum ersten Takt erreicht ist. Währen dieser Überschneidung wird bereits wieder Frischluft in den Verbrennungsraum gesaugt und die verbliebenen Verbrennungsgase restlos ausgeblasen 2-Taktmotor 1. Takt (Saugen+Verdichten) 2. Takt (Zündung + Ausstoß)

13 8. Fahrzeugantrieb 8.2. Elektromotoren Elektromotoren werden in Kraftfahrzeugen und Bahnen seit langem angewendet. Gründe hierfür sind: - hoher Wirkungsgrad (insbesondere auch bei Teillastbetrieb, wichtig bei Batteriebetrieb), - Unterbrechungsfreie Drehmomentenabgabe über den vollen Geschwindigkeitsbereich, keine Anfahrsynchronisation oder schaltbare Übersetzung notwendig. Dadurch hoher Fahrkomfort. - Geringere Abmessung und geringere Masse als vergleichbarer Verbrennungsmotor; dadurch platzsparender Einbau direkt in der Nähe der Räder möglich. - Keine Direktemission ; daher Einsatz in abgassensiblen Bereichen möglich (Werkhallen, Tunnelgebiete und Wohngebiete etwa) - Geringere Betriebskosten (sehr lange Motor-Lebensdauer, geringere Wartung). - Einfacher Aufbau einschließlich einfacherem Kühlsystem. - Einrichtung einer elektromotorischen die eine Nutzbremsung mit Energierückgewinnung ermöglicht und keine Wartungsarbeiten wegen Verschleiß benötigt, wie es bei herkömmlichen Bremssystemen der Fall ist.

14 8. Fahrzeugantrieb 8.3. Dampfmaschine Eine Dampfmaschine im engeren Sinne ist eine Kolben-Wärmekraftmaschine. Sie erzeugt in einem Dampferzeuger, der als Bestandteil der Maschine gilt, durch Verbrennung zumeist fossiler Brennstoffe und wandelt die im Dampf enthaltene Wärmeenergie (auch Druckenergie) mittels Kolben in mechanische Arbeit um. Dampfmaschinen sind Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung, was sie von Verbrennungsmotoren unterscheidet.

15 9. Fahrantriebe 9.1. Leistungsübertragung elektr. Tfz Die Leistungsübertragung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges hat die Aufgabe, das Drehmoment der Motorwelle auf den Treibradsatz zu übertragen. Der Fahrantrieb besteht im wesentlichen aus dem Fahrmotor, einem Reduktionsgetriebe sowie einer Baugruppe, die Relativbewegungen des Treibradsatzes gegenüber dem Fahrmotor ermöglicht (Kupplung). Das Reduktionsgetriebe passt die Motordrehzahl und das Drehmoment an die Fahrgeschwindigkeit und an die zu erzielende Zugkraft an. Die Kupplung sorgt für den Kraftfluss in allen zulässigen Lageabweichungen.

16 9. Fahrantriebe 9.2. Leistungsübertragung Dieselfahrzeuge *)

17 9. Fahrantriebe 9.2. Leistungsübertragung Dieselfahrzeuge Bei Dieselfahrzeugengehören alle Teile, die zwischen dem Dieselmotor und Treibradsätzen eine Kraft- und Formschlüssige Verbindung eingehen. Bsp.: Drehelast. Kupplungen, Hydrodyn. Getriebe Gelenkwellen, Zwischen-/Verteilgetriebe Radsatzgetriebe Aufgabe: Leistungsübertragung mit geringen Verlust, automatische, stufenlose, stoßfreie Zugkraft Automatischer Gangwechsel unter Last ohne Zugkraft unterbrechung Unterbrechung der Kraftübertragung im Stillstand bei laufenden DM Ausgleich der drehzahlunterschiede zwischen Motor und Radsatz Aufteilung der Antriebskraft auf mehrere Treibradsätze Umkehr der Fahrtrichtung

18 9. Fahrantriebe 9.3. Mechanische Leistungsübertragung Die mechanische Leistungsübertragung verbindet den Motor und die Treibradsätze über verschiedene, während der Fahrt umschaltbare Zahnradübersetzungen. Diese Gänge eines Getriebes passen die Zugkraft der Fahrgeschwindigkeit an. Die Gänge müssen vom Fahrer vorgewählt werden. Haupteigenschaften: manuelle Schaltung Zugkraftunterbrechung bei Gangwechsel erst im Gang keine Zugkraftunterbrechung mehr Stangenantrieb: ältere Rangierlokomotiven/ Dampfloks (Problem Schmierung, Lagerung

19 9. Fahrantriebe 9.4. Hydraulische Leistungsübertragung Bei der Hydraulischen Kraftübertragung wird die mechanische Energie der Antriebsmaschine in Strömungs- Energie und anschließend wieder in mechanische Energie umgewandelt und gleichsam in eine für die Zugförderung nutzbare Form gebracht. In einem Hydrodynamischen Getriebe wandeln hydraulische Wandler das Drehmoment um oder hydraulische Kupplungen leiten es unverändert weiter. Die Zahl der Wandler und Kupplungen entspricht hier der Anzahl der Gänge. Der Gang wird bei einem hydrodynamischen Getriebe automatische durch Füllen und entleeren der einzelnen Kreisläufe gewechselt während der Fahrtrichtungswechsel bei Stillstand des Fahrzeuges durch ein integriertes mechanisches Wendegetriebe mit hydraulisch betätigtem Wendeschaltzylinder eingelegt wird. Die Vorteile des hydrodynamischen Getriebes sind die stufenlose Drehmomentwandlung mit einem hohen Anfahrmoment.

20 9. Fahrantriebe Hydraulische Kupplung Mit einer Flüssigkeitskupplung ist keine Drehmomentenwandlung möglich. Sie dient ausschließlich dem verschleißarmen Trennen und Verbinden Von Antrieb und Abtrieb. Die Kupplung besteht aus einem Pumpen- und einem Turbinenrad. Radial verlaufende Rippen bilden die Schaufeln der Kupplung. Sobald sich das Pumpenrad dreht, wird die Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft an den äußeren Rand des Pumpenkörpers gedrängt, folgt der Krümmung des Gehäuses und fließt in das Turbinenrad über. Die Flüssigkeit zwischen den Turbinenschaufeln strömt am inneren Rand zum Pumpenrad zurück. In den Taschen von Pumpenrad und Turbinenrad entsteht somit eine Kreisströmung. Die Drehmomentenübertragung geht nicht nur auf die Kreisströmung zurück, sondern zusätzlich auf die Stoßkraft in Umfangsrichtung, die das Auftreffen der Flüssigkeit auf sie Schaufeln des Turbinenrades verursacht.

21 9. Fahrantriebe Hydraulische Kupplung

22 9. Fahrantriebe Hydraulische Wandler Zum Anfahren eines Fahrzeuges wie auch bei der Beharrungsfahrt ist ein hydrodynamischer Kreislauf erforderlich, der in gefülltem Zustand das Drehmoment des DM exakt an die Erfordernisse des Radsatzes anpasst im Hydrodynamischen Wandler befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse sie Schaufelkränze eines Pumpen, sowie eines Turbinenrades. Füllt man das Getriebe mit Flüssigkeit und treibt das Pumpenrad an, So wird die Flüssigkeit nach aussen gedrückt. Sie durchströmt das Turbinenrad, wird am Gehäuse umgelenkt und über ein feststehenden Leitrad wieder der Pumpe zugeführt. Das Ausgangsdrehmoment eines Wandlers hängt davon ab, wie stark der Flüssigkeitsstrom im Turbinenrad umgelenkt wird. Die Reibung der Flüssigkeit an den Schaufeln und Radkörperwänden sowie Wirbelbildung innerhalb der Schaufelkränze verursachen Übertragungsverluste, die den Wirkungsgrad des Wandlers beeinflussen. Jeder Wandler ist aufgrund seiner Konstruktion nur für einen bestimmten, eingeschränkten Fahrgeschwindigkeitsbereich tauglich. (Niedriger Wirkungsgrad)

23 9. Fahrantriebe HydraulischeWandler

24 9. Fahrantriebe Hydrodynamische Bremse (Retarder) Ein hydrodynamisches Getriebe kann mit einem Retarder ausgerüstet werden. Damit kann das Fahrzeug auch aus hohen Geschwindigkeiten verschleißarm abgebremst und bei Fahrt im Gefälle auf konstander Geschwindigkeit gehalten werden. Ein Retarder ist eine Sonderbauform der Strömungskupplung, bei der das Turbinenrad feststehend ist. Der hydrodynamische Retarder arbeitet mit der Kraftübertragungsflüssigkeit des Turbogetriebes. Das Pumpenrad wird vom Fahrzeug als Rotor angetrieben, während das Turbinenrad als Stator feststeht. Die gesamte Bewegungsenergie des Pumpenrades wird in Wärme umgewandelt und an die Kraftübertragungsflüssigkeit abgegeben, das deshalb gekühlt werden muß. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an den Kühlwasserkreislauf des Motors abgeführt. Die Dauerbremsleistung des Retarders hängt von der Dimensionierung des Kühlsystems ab.

25 9. Fahrantriebe 9.5. Hydrostatischer Antrieb Wirkprinzip: Hydrauliköl wird in einer vom Dieselmotor angetriebenen Verdrängerpumpe auf hohe Betriebsdrücke von bis zu 400 bar gebracht. Und fließt anschließend bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeit über hochfeste Hydraulikschläuche zu einem Verdrängermotor als Leistungsabgebendens Glied. Das Lastmoment bestimmt den Betriebsdruck, verschiedene Drehzahlenergeben sich durch Änderung des Schwenkwinkels der Kobenpumpen und Motoren Anwendung bei Fahrzeugen mit einer Vmax 100 km/h Vorteil: hervorragende langsame Arbeitsfahrt Haupteinsatzgebiet: Nebenfahrzeuge als Fahrantrieb, Arbeitsfahrantrieb Arbeitsgeräte

26 10. Bremse Bremssysteme Zum sicheren Fahren gehört immer auch ein sicheres Anhalten. Bei Schienenfahrzeugen sind die Wirkungsgrade der Fahrzeugbremsen entsprechend den Erfordernissen und der Zuverlässigkeit ausgelegt. Die Sicherheit einer Zugfahrt hängt wesentlich von der Funktion der Bremseinrichtung ab. Daher sind Schienenfahrzeuge gemäß den Bestimmungen der EBO mit einer durchgehenden, selbsttätigen Druckluftbremse ausgerüstet Durchgehende, selbsttätige Bremse: Durchgehend bedeutet, dass die Bremsen aller Fahrzeuge eines Zuges von einer einzigen Stelle aus angelegt und gelöst werden können. IdR geschieht das vom führenden Fahrzeug aus. Eine Bremse muss aber auch von anderen Stellen im Zug ausgelöst werden können bei Reisezügen zbsp. den Notbremseinrichtungen. Selbsttätig bezieht sich auf die Wirksamkeit der Bremse bei einer unbeabsichtigten Trennung der Bremsleitung. Eine selbsttätige Bremse wirkt hierbei ohne besondere Maßnahme automatisch. Erreicht wird dies mit der indirekt wirkenden Druckluftbremse mit durchgehender Hauptluftleitung oder einer Schnellbremsschleife.

27 Sektion Luftzylinder Nicht belegt Nicht belegt Schienenfahrzeugtechnik 10. Bremse Druckerzeugungsanlage *) Die wesentlichen Bauteile: Drucklufterzeugungsanlage, Luftfilter Kompressor Druckventil/Rückschlagventil Manometer Lufttrockner Sicherheitsventil Hauptluftbehälter zum Speichern der Druckluft Steuerventil z.bsp. Fbr Luftzylinder z.bsp. Bremszylinder DV SV

28 10. Bremse Wirkungsweise Druckluftbremse Die Druckluftbremsen für Schienenfahrzeuge sind dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft sowohl die Bremsen innerhalb des Zuges steuert als auch die Bremskraft erzeugt und dass eine Druckabsenkung in der Luftleitung zu einem Druckaufbau im Bremszylinder führt. Lösestellung Die selbsttätige Wirkung wird dadurch erreicht, dass im gelösten Zustand die HL mit Druckluft gefüllt ist und die bei der Bremsung benötigte Druckluft bereits im jeweiligen Fahrzeug gespeichert ist. Bremsstellung

29 10. Bremse Wirkungsweise Druckluftbremse Die Bremskraft wird in einem Druckzylinder (Bremszylinder) mit Kolben erzeugt. Eine Feder hält den Kolben des Bremszylinders in gelöster Stellung, Sodass bei einer Klotzbremse die Bremsklötze nicht am Rad bzw. Bei einer Scheibenbremse die Bremsbeläge nicht an der Brems- Scheibe anliegen. Beim Bremsen strömt Druckluft in Den Bremszylinder. Der Kolben über- Windet die Federspannung und drückt Über das Bremsgestänge den Bremsklotz gegen das Rad, bzw. den Brems- Belag gegen die Bremsscheibe. *)

30 10. Bremse Wirkungsweise Druckluftbremse Die Druckluftbremsen für Schienenfahrzeuge sind dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft sowohl die Bremsen innerhalb des Zuges steuert als auch die Bremskraft erzeugt und dass eine Druckabsenkung in der Luftleitung zu einem Druckaufbau im Bremszylinder führt. Die selbsttätige Wirkung wird dadurch erreicht, dass im gelösten Zustand die HL mit Druckluft gefüllt ist und die bei der Bremsung benötigte Druckluft bereits im jeweiligen Fahrzeug gespeichert ist.

31 10. Bremse Physikalische Vorgänge beim Bremsen Die Bremswirkung eines Fahrzeuges bemisst sich an seiner Abbremsung. Die Höhe der Abbremsung ist begrenzt von der Haftung zwischen Rad und Schiene. Bremskraft = Bremsklotzkraft x Reibwert (Bremsklotz/Rad) Haftkraft = Raddruck x Reibwert (Rad/Schiene) Bremskraft Drehrichtung Raddruckkraft Haftkraft Bremsklotzkraft Einfluss des Reibwerts: Die Bremskraft wird bestimmt durch die Bremsklotzkraft und die Reibung zwischen Bremsklotz oder Bremsbelag und Rad oder Bremsscheibe (Reibfläche) Die Reibung hängt vom Werkstoff der Reibungspartner und bei Klotzbremsen zusätzlich von der Geschwindigkeit ab. Der Reibwert ändert sich mit dem Schienenzustand. Er verringert sich bei Laubfall, Nebelfeuchte vereisten Schienen. Sanden kann den Reibwert verbessern.

32 10. Bremse Bauformen der Bremsen *) Kraftschlussabhängige Bremsen bringen die Bremsmomente auf die Radsätze auf. Die Übertragung der Bremskräfte erfolgt hier über die Kontaktpunkte zwischen den Rädern und den Schienen. Kraftschlussunabhängige Bremsen umgehen den Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene und übern ihre Bremskraft entgegen der Fahrtrichtung direkt auf die Schiene aus. Diese sogenannten Schienenbremsen werden unterteilt in reibungsbehaftete Magnetschienenbremsen und verschleißfreie lineare Wirbelstrombremsen. Bremsen für Schienenfahrzeuge Kraftschlussabhängige Bremsen Bremskraft abhängig vom Rad-Schiene Kontakt Kraftschlussunabhängige Bremsen Bremskraft unabhängig vom Rad-Schiene Kontakt Radbremsen (Reibungsbremsen) - Scheibenbremse - Klotzbremse - Trommelbremse dynamische Bremsen (Triebwerksbremsen) - Retarder - Motorbremsen Schienenbremsen - Magnetschienenbremse - Wirbelstrombremse