DE3840224A1 - Bahn fuer verkehrsmittel, insbesondere fuer stadtbahnen zum beispiel fuer metros - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bahn für Verkehrsmittel, ins­ besondere für Stadtbahnen wie zum Beispiel Metros, die auch einen ansteigenden und abfallenden Abschnitt besitzen.

Aus der Bewegungsgleichung von Kraftfahrzeugen ist bekannt, daß bei gegebener Motorleistung und Konstruktion zur Orts­ veränderung die vom Motor ausgeführte Zugkraft durch den Roll- und Wegwiderstand, den Luftwiderstand sowie den Trägheitswiderstand bedeutend verringert wird (siehe zum Beispiel Dr. Ábrahám: "Handbuch des Straßenverkehrs", Band I, Müszaki Kiadó, Budapest, 1978, Seite 782).

Obwohl die Massenverkehrsmittel und die Transportfahrzeuge (Eisenbahnen, Metros) meistens auf waagerechten Bahnen lau­ fen, wird den praktischen Erfahrungen gemäß die Motor­ leistung von den Konstrukteuren auf Grund der Beschleuni­ gungsfähigkeit bestimmt, da die Beschleunigung die größte Zugkraft und Leistung erfordert. Es ist weiterhin bekannt, daß das Kraftfahrzeug diesen maximalen Zugkraft- und Lei­ stungsbedarf lediglich in einem Bruchteil seiner Funktions­ zeit benötigt, da die Beschleunigung eine relativ kurze Zeit in Anspruch nimmt. Beim Bremsen hingegen überführen die Bremsen die überflüssige Potential- und Bewegungsenergie des Fahrzeuges in Wärme, daß heißt, diese Energie geht verloren.

Um die Bremsenergie beziehungsweise die Energie des Berg­ abfahrens teilweise zu nutzen, fand man besonders in den letzten Jahren vielerlei Lösungen, so zum Beispiel die Schwungrad-Antriebssysteme oder andere energiesparende (beziehungsweise rekuperierende) Antriebssysteme (siehe beispielsweise DE-OS 32 24 981, 32 30 460, 33 12 185, DE-GM 82 03 293, 83 35 470; US-PS 44 08 500).

Mit diesen Lösungen können zwar prinzipiell höchstens 10-25% Energie gespart werden, sie konnten jedoch in der Praxis keine Verbreitung finden, da sie eine kompli­ zierte und teure Konstruktion haben.

Weiterhin werden bei Eisenbahnen stellenweise geradlinige Gefälle (mit maximal 3% Gefälle) angewandt, um eine ge­ ringe Senkung der Start- beziehungsweise Bremsenergie zu erreichen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Lösung für Fahr­ zeuge insbesondere Stadtbahnen wie zum Beispiel Metros zu schaffen, mit der nach einer relativ geringen Investition eine wesentlich höhere Energiemenge eingespart werden kann, als bei den bekannten Lösungen.

Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß die ge­ stellte Aufgabe gelöst werden kann, wenn man die Möglich­ keiten der Energieeinsparung - entgegen der in der Fach­ welt allgemein vertretenden Auffassung - nicht im Kraftfahr­ zeug an sich, sondern im Aufbau der Bahn sucht. Die Beschleu­ nigungsenergie (d. h. Energie zur positiven Beschleunigung des Fahrzeuges kommt zum größten Teil durch das Abrollen­ lassen des Fahrzeuges auf dem abfallenden Bahnabschnitt zu­ stande, beim Verlangsamen (d. h. bei negativer Beschleuni­ gung) hingegen wird die Bewegungsenergie des Fahrzeuges auf dem ansteigenden Abschnitt der Bahn in potentielle Energie umgewandelt und ohne Bremsen mit einem guten Wirkungsgrad für die folgende Beschleunigung ausgenutzt, wobei das Fahr­ zeug selbst unverändert bleiben kann. Mit diesen Maßnahmen kann die notwendige Motorleistung bedeutend verringert wer­ den, da diese nicht auf die Beschleunigungszugkraft beziehungs­ weise den Energiebedarf bemessen werden muß.

Die gestellte Aufgabe wird also bei dem in der Einführung beschriebenen System erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bahn mindestens einen Verlangsamungs-Beschleuni­ gungsteil hat, der einen ansteigenden Abschnitt und - in der Fahrtrichtung des Fahrzeuges gesehen - einen darauffolgenden abfallenden Abschnitt umfaßt, wodurch die Bewegungsenergie des Fahrzeuges beim Verlangsamen (bei negativer Beschleunigung) vor der Haltestelle zumindest größtenteils in potentielle Energie, diese potentielle Energie des Fahrzeuges hingegen bei der folgenden positiven Beschleunigung zumindest größtenteils in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann. Somit erfolgt also die positive Beschleunigung des Fahrzeuges hauptsächlich mit Hilfe der potentiellen Energie aus dem obigen Bahnabschnitt.

Zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der der Verlang­ samungs-Beschleunigungsteil der Bahn wellenartig ausgebil­ det ist, bei dem gegebenenfalls zwischen den ansteigenden Abschnitt und den abfallenden Abschnitt ein waagerechter Abschnitt eingefügt ist. Dieser Zwischenabschnitt dient als Haltestelle, seine Länge beträgt vorteilhaft das 1,5fache der Länge des Fahrzeuges beziehungsweise Zuges.

Weitere Merkmale der Erfindung sind, daß auf dem anstei­ genden und abfallenden Abschnitt der Anstieg beziehungsweise das Gefälle höchstens 45%, vorzugsweise 20-25%, sind, der Steilheitswinkel im Durchschnitt 10-15% beträgt, weiterhin beträgt der Krümmungsradius der in einer senkrech­ ten Ebene liegenden Kurve der Bahn 100-105 m.

Weitere vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung zusammen­ gefaßt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lösung dargestellt ist, näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines Teils des erfindungsgemäßen Bahnensystems;

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Zusammenhang von Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges und Niveauunterschied der Bahn betrachtet wird.

In Fig. 1 wird ein Teil der erfindungsgemäßen Bahn dar­ gestellt, wobei die Bahn im Ganzen mit 1 gekennzeichnet wurde. Die Bahn 1 ist in diesem Fall für städtische Metros bestimmt. Gemäß der Erfindung hat die Bahn 1 mindestens einen Ver­ langsamungs-Beschleunigungsteil A, der die Bewegungsenergie des Fahrzeuges (beziehungsweise des Zuges) beim Verlangsa­ men vor der Haltestelle zum größten Teil in potentielle Energie umwandeln, dann diese potentielle Energie für die darauffolgenden (positiven) Beschleunigung zumindest zum größten Teil in Bewegungsenergie zurückverwandeln kann. Der erfindungsgemäße Verlangsamungs-Beschleunigungsteil A der Bahn 1 besteht aus einem ansteigenden Abschnitt L ₁ und aus einem sich - in der Fahrtrichtung v (mit einem durch­ gehenden Pfeil gekennzeichnet) gesehen - danach befind­ lichen abfallenden Abschnitt L ₂.

In dem dargestellten Fall wurde zwischen den ansteigenden und abfallenden Abschnitt L ₁ beziehungsweise L ₂ des Ver­ langsamungs-Beschleunigungsteils A der Bahn 1 ein waage­ rechter Abschnitt L ₃, der als Haltestelle dient, eingefügt. Die Länge des Abschnittes L ₃ wird zweckmäßig so gewählt, daß sie das 1,5fache eines Fahrzeuges beziehungsweise Zuges 2 beträgt.

Im Sinne der Erfindung beträgt das Gefälle auf dem an­ steigenden Abschnitt L ₁ beziehungsweise auf dem abfallenden Abschnitt L ₂ vorteilhaft maximal 45°, im dargestellten Fall wurde der Wert von α _MAX auf 24° festgelegt. Der Wert der durchschnittlichen Steilheit α _D beträgt erfin­ dungsgemäß 10-15°, hier 12°. Die Bahn 1 ist in den Abschnitten L ₁ und L ₂ in Fig. 1 wellenartig ausgebildet, wobei der Krümmungsradius R ihrer in einer senkrechten Ebene liegende Kurve vorzugsweise 100-105 m, in diesem Fall 103,5 m beträgt.

In dem dargestellten Fall wurden für die Längen der Ab­ schnitte L ₁ und L ₂ in gleicher Weise 87 m, für die Länge des Abschnittes L ₃: 120 m und als Gesamtlänge des Ver­ langsamungs-Beschleunigungsteils A der Bahn 1 294 m ge­ wählt.

In Fig. 1 wurden die sich an den Verlangsamungs-Beschleu­ nigungsteil A der Bahn 1 an den Punkten P ₁ beziehungsweise P ₆ anschließenden weiteren Bahnteile als Waagerechte einge­ tragen. Aus Fig. 1 kann gut entnommen werden, daß der Ab­ schnitt L ₁ im Punkt P ₂ ihren Inflektionspunkt hat und sich in Punkt P ₃ an den zwischengeschalteten Abschnitt L ₃, der als ein in der Waagerechte liegender Punkt dargestellt ist, anschließt. Der Abschnitt L ₂ schließt sich an den Ab­ schnitt L ₃ im Punkt P ₄ an, und ihr Inflektionspunkt liegt im Punkt P ₅. Die Punkte P ₂ und P ₅ sind gleichzeitig auch die Halbierungspunkte der Abschnitte L ₁ beziehungsweise L ₂. Die Mittellinie des Verlangsamungs-Beschleunigungsteils A wurde mit 3 gekennzeichnet, es soll jedoch bemerkt wer­ den, daß dieser Teil der Bahn 1 nicht unbedingt spiegel­ bildartig sein muß.

In Fig. 1 wurde der maximale Niveauunterschied mit H _MAX bezeichnet. Im dargestellten Fall beträgt dieser Wert 18,88 m.

Die Wahl der oben erwähnten Werte des Verlangsamungs- Beschleunigungsteils A der Bahn 1 hängt natürlich immer von der Gesamtmasse des Fahrzeuges (beziehungsweise Zuges) 2, vom Ausmaß der Beschleunigung, von der Fahrzeit, den Widerständen usw. ab.

Bei den Abmessungen der beispielhaften Ausführungsform gemäß Fig. 1 wurde von den Maßen eines durchschnittlichen Budapester Metrozuges ausgegangen. Die als Beispiel an­ genommene Metro besteht aus fünf Wagen, das Gewicht je­ weils eines Metrowagens beträgt bei durchschnittlicher Passagierauslastung 34 Tonnen, das heißt, das Gesamt­ gewicht des Zuges beträgt 170 Tonnen.

Es wurde von der Annahme ausgegangen, daß der Bahnniveau­ unterschied H _MAX so gewählt wird, daß die gewinnbare po­ tentielle Energie und die daraus gewinnbare Bewegungs­ energie eine positive Beschleunigung des Zuges 2 von einem Kriechgang von 10 km/h auf eine Maximalgeschwindigkeit v ₂ von 70 km/h ermöglichen. In Fig. 2 wird in einem Diagramm der Zusammenhang zwischen dem Niveauunterschied H der Bahn 1 und der damit erreichbaren Fahrgeschwindigkeit v betrach­ tet. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, sind zum Er­ reichen der Geschwindigkeit v ₂ von 70 km/h 19,27-0,39 m notwendig, daß heißt, es wird ein Niveauunterschied von 18,88 m benötigt, wenn eine Startgeschwindigkeit von 10 km/h als Ausgangsgeschwindigkeit angenommen wird.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsfall ist laut eigenen Berechnungen die größte Beschleunigung in Fahrt­ richtung 1,5 m/s², die durchschnittliche Beschleunigung des Zuges 2 hingegen 1 m:s². Die Beschleunigungszeit be­ trägt gemäß eigenen Berechnungen 22 s. Die im Verlang­ samungs-Beschleunigungsteil A der Bahn 1 auftretende maximale Zentripetalbeschleunigung beträgt 0,372 g (was bedeutet, daß mit einer Gewichtszunahme von 37,2% ge­ rechnet werden muß). Die Beschleunigungszeit beträgt jedoch hier nur 2,26 s.

Nach der Abfahrt von der Haltestelle, also vom Abschnitt L ₃, beschleunigt der Fahrzeugmotor den Zug 2 auf den Kriechgang von 10 km/h, und so erreicht die Front des Zuges 2 in diesem Fall den als Beschleunigungsstrecke dienenden Abschnitt L ₂. Bis zu dem Punkt P ₆ des abfallen­ den Abschnittes L ₂. Bis zu dem Punkt P ₆ des abfallen­ den Abschnittes L ₂ beschleunigt der Zug 2 auf die End­ geschwindigkeit von 70 km/h, was rein auf den Niveau­ unterschied H _MAX zurückzuführen ist. Zum Halten einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit v ₂ auf dem folgenden waagerechten Teil der Bahn 1 liefert der Fahrzeugmotor die benötigte Energie. Bei Erreichen des nächsten Ver­ langsamungs-Beschleunigungsteils A der Bahn 1, also bei der nächsten Haltestelle, wird die Bewegungsenergie des Zuges 2 im ansteigenden Abschnitt L ₁ in potentielle Energie umgewandelt, währenddessen der Zug die Haltestelle (Ab­ schnitt L ₃) immer langsamer werdend erreicht (z. B. mit einem Kriechgang von 10 km/h) und dort zum Stehen kommt. Darauffolgend wiederholt sich der oben beschriebene Vor­ gang ständig.

Es soll bemerkt werden, daß in Fig. 1 der Einfachheit halber von den fünf Wagen des Zuges 2 nur zwei dargestellt wurden.

Bei der Personenbeförderung ist es zweckmäßig, die Passagiere vorher auf den ansteigenden beziehungsweise ab­ fallenden Abschnitt L ₁ und L ₂ durch eine Ansage oder eine Melodie aufmerksam zu machen. So werden die Passagiere von der Gewichtszunahme nicht so sehr überrascht.

Das erfindungsgemäße System hat die folgenden Haupt­ vorteile:

Unseren Schätzungen zufolge beträgt die Einsparung an Zugenergie gegenüber den üblichen Budapester elektrisch betriebenen Metros etwa 67%. Dies ist ein Mehrfaches der Energieeinsparung, die gegenwärtig mit den zu Versuchs­ zwecken empfohlenen Schwungrad- und Rekuperationssystemen erreicht werden kann. Weiterhin kann auch der gegenwär­ tig genutzte Fahrzeugpark ohne Veränderungen bestehen bleiben, der Bedarf an Beschleunigungszugkraft beziehungs­ weise der Leistungsbedarf verringert sich im Vergleich zu den gebräuchlichen Systemen bedeutend, und dadurch können die Betriebskosten auf das Minimale gesenkt werden. Bei dem erfindungsgemäßen System verringert sich die Be­ anspruchung der Bremsvorrichtung im Vergleich zu den ge­ bräuchlichen Systemen auf höchstens 2%. Dadurch verlän­ gert sich die Lebensdauer der Bremsen, und der Instand­ haltungsbedarf sinkt. Bei den erfindungsgemäßen Beschleu­ nigungen (und Verlangsamungen) sind die kraftübertragenden Mechanismen frei von Belastungen, somit haben sie auch eine längere Lebensdauer. Bei der Anwendung des erfindungs­ gemäßen Systems bei Metros können die Haltestellen über der Erde gebaut werden, damit können die kostspieligen Rolltreppen und Stationen unter der Erde eingespart wer­ den. Es ist auch eine Ausführung möglich, bei der die Bahn über der Erde ausgebaut ist und sich an diese in den Sta­ tionen erhöhte Verlangsamungs-Beschleunigungsteile A der Bahn 1 anschließen.

Unseren Schätzungen nach können sich die Mehrinvestitionen, die durch die Verlangsamungs-Beschleunigungsteile A der Bahn 1 erforderlich werden, bei weitem rentieren, da auch die oben erläuterten erheblichen Kosteneinsparungen durch­ aus nicht zu vernachlässigen sind.

Als weiterer Vorteil soll erwähnt werden, daß das mit dem erfindungsgemäßen Bahnensystem ausgestattete Kraft­ fahrzeug auch unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes vorteilhaft ist, da beim Betreiben von mit inneren Ver­ brennungsmotoren ausgestatteten Kraftfahrzeugen vor allem die Beschleunigungs- und Verlangsamungsphasen die Phasen sind, die am meisten umweltschädlich sind.

Gegebenenfalls bietet das erfindungsgemäße Bahnensystem eine gute Möglichkeit, mehrere einander kreuzende Bahnen mit verschobenen Etagen zu führen.

Liste der Bezugszeichen

A Verlangsamungs-Beschleunigungsteil
B Abstand zweier solcher Bahnteile (A) voneinander
L ₁ ansteigender Abschnitt
L ₂ abfallender Abschnitt
L ₃ Abschnitt (Haltestelle)
R Krümmungsradius
α _MAX  maximaler Winkel
α _D  durchschnittlicher Winkel
H _MAX  maximaler Niveauunterschied der Bahn
v Fahrgeschwindigkeit
P ₁ Punkt (auf der Bahn)
P ₂ Inflektionspunkt
P ₃ Punkt
P ₄ Punkt
P ₅ Inflektionspunkt
P ₆ Punkt
1 Bahn
2 Fahrzeug (Zug)
3 Mittellinie des Teils "A" der Bahn

Claims (3)

1. Bahn für Verkehrsmittel, insbesondere für Stadtbahnen, zum Beispiel für Metros, mit mindestens einem Anstieg und einem Gefälle, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Verlangsamungs-Beschleunigungsteil (A) hat, der die Bewegungsenergie des Fahrzeuges bzw. Zuges (2) beim Verlangsamen zumindest zum größten Teil vor der Hal­ testelle in potentielle Energie umwandeln, dann diese potentielle Energie zur nächsten Beschleunigung zumindest zum größten Teil in Bewegungsenergie zurückverwandeln kann und der einen ansteigenden Abschnitt (L ₁) und in Fahrtrich­ tung gesehen darauffolgend einen abfallenden Abschnitt (L ₂) hat.

2. Bahn gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verlangsamungs-Beschleunigungsteil (A) der Bahn (1) wellenartig angelegt ist, bei dem gegebenen­ falls zwischen die ansteigenden und abfallenden Abschnitte (L ₁, L ₂) ein waagerechter Abschnitt (L ₃) eingefügt ist, der als Haltestelle dient, und dessen Länge vorzugsweise das 1,5fache des Fahrzeuges beziehungsweise Zuges (2) beträgt.

3. Bahn gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gefälle in den ansteigenden be­ ziehungsweise abfallenden Abschnitten (L ₁, L ₂) höchstens 45%, vorzugsweise 20-25% ist, weiterhin der durch­ schnittliche Steilheitswinkel (a _D ) 10-15° ist, und der Krümmungsradius (R) der in einer senkrechten Ebene der Bahn (1) liegenden Kurve vorzugsweise 100-105 m beträgt.