DE10129488A1

DE10129488A1 - Antriebssystem für einen Generator, insbesondere Generatorantrieb

Info

Publication number: DE10129488A1
Application number: DE2001129488
Authority: DE
Inventors: Hubert Schmoelz
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Generator, insbesondere Generatorantrieb, DOLLAR A - mit einer Antriebsmaschine und einem hydrostatischen Antrieb, umfassend eine hydrostatische Pumpe und einen hydrostatischen Motor; DOLLAR A - die hydrostatische Pumpe ist mit der Antriebsmaschine gekoppelt; DOLLAR A - der hydrostatische Motor ist mit dem Generator verbunden; DOLLAR A gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: DOLLAR A - zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator ist ein Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet; DOLLAR A - das Leistungsverzweigungsgetriebe umfasst zwei Leistungszweige - einen ersten hydrostatischen Leistungszweig und einen zweiten mechanischen Leistungszweig; DOLLAR A - im hydrostatischen Leistungszweig ist der hydrostatische Antrieb als hydrostatischer Getriebeteil integriert; DOLLAR A - das Leistungsverzweigungsgetriebe umfasst einen Eingang und einen Ausgang; DOLLAR A - der Eingang ist mit der Antriebsmaschine und der Ausgang mit dem Generator verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Generator, insbesondere einen Generatorantrieb für den Einsatz in Schienenfahrzeugen, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ferner ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäß gestalteten Generatorantrieb.
Schienenfahrzeuge weisen häufig einen Dieselantrieb auf, wobei zusätzlich das Erfordernis besteht, über diesen neben der Traktionsleistung auch elektrische Hilfsenergie zu erzeugen. Für den Traktionsantrieb, d. h. bei Leistungsübertragung von der Antriebsmaschine zu den Rädern, arbeitet die Antriebsmaschine in einem Bereich zwischen Leerlauf- und Nenndrehzahl. Zum Zwecke der Bereitstellung elektrischer Leistung treibt der Dieselmotor neben den Elementen des mit den Rädern gekoppelten Antriebsstranges auch mindestens einen Generator an. Der Generator muß dabei jedoch mit konstanter Drehzahl arbeiten, um einen Wechselstrom mit konstanter Hertzzahl zu erzeugen. Dies bedeutet, daß die variable Drehzahl des Dieselmotors in eine entsprechend konstante Drehzahl für den Generator umgewandelt werden muß. Zu diesem Zweck erfolgt der Antrieb des Generators über einen hydrostatischen Antrieb. Dies bedeutet, daß die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere der Dieselmotor, mit dem hydrostatischen Antrieb in Reihe geschaltet ist und der Dieselmotor somit eine hydrostatische Pumpe antreibt, welche ihrerseits wiederum einen hydrostatischen Motor antreibt. Die hydrostatische Pumpe ist dabei vorzugsweise als Schwenkpumpe ausgebildet, was bei Ausführung des Hydromotors als Konstantmotor die Möglichkeit der Bereitstellung eines konstanten Eingangsvolumenstroms eröffnet, welche wiederum bei gleichbleibendem Schlupfvolumen eine konstante Drehzahl des Hydromotors bedingt. Die vom Dieselmotor zum Antrieb des Generators bereitgestellte Leistung wird somit hydrostatisch übertragen. Diese Art der Leistungsübertragung zeichnet sich jedoch durch erhebliche Verluste aus, welche von der Antriebsmaschine mit aufgebracht werden müssen und zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und Erhöhung des Kraftstoffverbrauches führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für einen Generator der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die Leistungsverluste minimiert werden und damit der Wirkungsgrad erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das Antriebssystem für einen Generator, insbesondere der Generatorantrieb, umfaßt eine Antriebsmaschine und einen hydrostatischen Antrieb mit einer hydrostatischen Pumpe und einem hydrostatischen Motor. Die hydrostatische Pumpe ist dabei mit der Antriebsmaschine gekoppelt. Der hydrostatische Motor ist mit dem Generator verbunden. Erfindungsgemäß ist zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator ein Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet, wobei das Leistungsverzweigungsgetriebe zwei Leistungszweige - einen ersten hydrostatischen Leistungszweig und einen zweiten mechanischen Leistungszweig - umfaßt. Im hydrostatischen Leistungszweig ist dabei der hydrostatische Antrieb als hydrostatischer Getriebeteil integriert. Das Leistungsverzweigungsgetriebe umfaßt ferner einen Eingang und einen Ausgang. Der Eingang ist mit der Antriebsmaschine gekoppelt und der Ausgang mit dem Generator. Erfindungsgemäß wird zur Erzielung einer konstanten Generatordrehzahl mit Leistungsübertragung mit bestmöglichem Wirkungsgrad der hydrostatisch übertragbare Leistungsanteil erheblich reduziert und ein entsprechend großer mechanischer Leistungsanteil angestrebt.
Das Leistungsverzweigungsgetriebe arbeitet somit als sogenanntes 2- Wege-Getriebe, welches sowohl einen mechanischen als auch einen hydrostatischen Übertragungsweg aufweist. Der Eingang des Leistungsverzweigungsgetriebes ist dabei vorzugsweise direkt mit der Antriebsmaschine drehfest verbunden und der Ausgang direkt mit einer als Antriebswelle für den Generator fungierenden Generatorwelle.
Die Leistungsaufteilung auf die beiden Leistungszweige kann über zwei unterschiedliche Möglichkeiten erfolgen:

1. über ein spezielles Verteilergetriebe,
2. durch die parallele Anordnung der beiden Leistungszweige und Kopplung mit der Antriebswelle.

In beiden Fällen ist den beiden Leistungszweigen ein Summiergetriebe nachgeschaltet, welches zwei Eingänge zur Kopplung mit jeweils einem Leistungszweig umfaßt und mindestens einen Ausgang, welcher mit dem Ausgang des Leistungsverzweigungsgetriebes verbunden ist oder diesen direkt bildet. Das Summiergetriebe ist dabei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Planetenradgetriebe ausgeführt, umfassend einen Planetenradsatz. Der Planetenradsatz umfaßt einen Steg, ein Sonnenrad, ein Hohlrad und Planetenräder, wobei ein erstes Element des Planetenradsatzes den Eingang des Summiergetriebes bildet und mit dem hydrostatischen Motor verbunden ist, während ein zweites Element des Planetenradsatzes einen zweiten Eingang des Summiergetriebes bildet und mit der Antriebsmaschine gekoppelt ist. Ein drittes Element des Planetenradsatzes bildet den Ausgang des Summiergetriebes und damit auch in vorteilhafter Weise den Ausgang des Leistungsverzweigungsgetriebes. Dabei kann ein derartiger Generatorantrieb so ausgelegt werden, daß die Leistung bei einer gewünschten Drehzahl der Antriebsmaschine mit bestem Wirkungsgrad übertragen wird, was dann der Fall ist, wenn der überwiegende Anteil der Leistung mechanisch übertragen wird. Je nach Anforderung sind dabei drei Ausführungen möglich, welche auch durch die Kopplung bzw. Zuordnung der Funktionen der einzelnen Elemente des Planetenrades zu den Elementen des Summiergetriebes möglich ist. Je nach Anforderung sind dabei die nachfolgend genannten Ausführungen möglich:

a) Das Antriebssystem, insbesondere der Generatorantrieb, ist auf eine Leerlaufdrehzahl ausgelegt.
b) Das Antriebssystem, insbesondere der Generatorantrieb, ist auf eine mittlere Drehzahl ausgelegt.
c) Das Antriebssystem, insbesondere der Generatorantrieb, ist auf eine Nenndrehzahl ausgelegt.

Bei Auslegung auf maximale oder Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des Dieselmotors, wird das erste Element des Summiergetriebes vom Steg des Planetenradsatzes gebildet und ist mit dem hydrostatischen Motor wenigstens mittelbar, d. h. über ein weiteres Übertragungsmittel, oder direkt drehfest verbunden. Das zweite Element, welches einen weiteren Eingang des Summiergetriebes bildet, und mit der Antriebsmaschine gekoppelt ist, wird vom Sonnenrad des Planetenradsatzes gebildet. Der Abtrieb bzw. Ausgang des Summiergetriebes wird von einem dritten Element des Planetenradsatzes in Form des Hohlrades gebildet. Diese Zuordnung kann auch für die Auslegung auf mittlere Motordrehzahl übertragen werden. Bei Ausführung des Antriebssystems mit Auslegung auf die Leerlaufdrehzahl wird das erste, mit dem hydrostatischen Motor wenigstens mittelbar oder direkt drehfest gekoppelte, Element des Summiergetriebes vom Steg des Planetenradsatzes gebildet. Das zweite Element, welches den zweiten Eingang des Summiergetriebes bildet und mit der Antriebsmaschine gekoppelt ist, wird vom Hohlrad gebildet. Der Abtrieb, d. h. der mit der Generatorwelle gekoppelte Ausgang des Summiergetriebes und damit auch des Leistungsverzweigungsgetriebes, wird vom Sonnenrad gebildet. Es ist somit möglich, bereits durch die entsprechende Konfiguration und Auslegung der Übersetzungsverhältnisse eine Auslegung auf eine bestimmte Drehzahl der Antriebsmaschine zu erzielen. Rein konstruktiv werden dabei Ausführungen mit Leistungsverzweigungsgetriebe oder paralleler Anordnung der Leistungszweige unterschieden. Bei Vorsehen eines Verteilergetriebes ist der Eingang des Leistungsverzweigungsgetriebes mit dem Eingang des Verteilergetriebes gekoppelt oder wird von diesem gebildet. Das Verteilergetriebe umfaßt zwei Ausgänge, einen ersten Ausgang für einen ersten Leistungszweig und einen zweiten Ausgang für den zweiten Leistungszweig. Das Verteilergetriebe ist im einfachsten Fall dabei als Stirnradstufe ausgeführt, wobei ein erster Ausgang mit der hydrostatischen Pumpe gekoppelt ist, während der zweite Ausgang mit einem Eingang des Summiergetriebes verbunden ist. Die Kopplung mit dem Hydromotor erfolgt über entsprechende Leitungsverbindungen, wobei der Hydromotor entsprechend seiner Ausgestaltung direkt drehfest an den Steg gekoppelt ist oder über ebenfalls eine Stirnradstufe, um die entsprechende Drehrichtung des Steges zu gewährleisten. Dies hängt jedoch davon ab - insbesondere bei Ausgestaltung des Hydromotors als Schwenkmotor -, ob dieser nur in eine Richtung oder in zwei Richtungen verschwenkbar hinsichtlich der Stellung der Stelleinrichtungen ist.
Bei Ausführungen mit Verteilergetriebe und eventuell zusätzlich erforderlicher Anwendung des Hydromotors über Übertragungsmittel, die gleichzeitig auch die Drehrichtung beeinflussen, erfolgt die Anordnung des hydrostatischen Getriebeteils exzentrisch zum mechanischen Leistungszweig und des weiteren zur Antriebsmaschine und zum Generator. Dabei kann, je nach Zuordnung der einzelnen Funktionen - Eingang und Ausgang - zu den einzelnen Elementen des Planetenradsatzes des Summiergetriebes, die Anordnung der Elemente des hydrostatischen Getriebeteils in einer axialen Ebene oder aber, in zwei zueinander versetzten Ebenen in axialer Richtung betrachtet, erfolgen. Der erstgenannte Fall ist dabei hauptsächlich für Antriebssysteme mit Auslegung für eine maximale Motordrehzahl geeignet, während die zweite Möglichkeit hauptsächlich für Antriebssysteme mit Auslegung auf Leerlaufdrehzahl herangezogen werden.
Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den mechanischen Leistungszweig und den hydrostatischen Leistungszweig koaxial zueinander anzuordnen. In diesem Fall sind der mechanische Leistungszweig und der hydrostatische Leistungszweig parallel zueinander mit der Antriebswelle der Antriebsmaschine gekoppelt, d. h. beide sind quasi an die Antriebswelle angelenkt, wobei die einzelnen Leistungsanteile sich über das entsprechende Übersetzungsverhältnis im mechanischen Antriebsstrang und die durch den hydrostatischen Getriebeteil aufnehmbare Leistung bestimmen.
Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführung wird gleichzeitig auch eine sehr kompakte Antriebseinheit geschaffen, welche hinsichtlich der benötigten axialen Baulänge relativ kurz baut und, welche in radialer Richtung sich durch einen absolut minimalen Bauraumbedarf auszeichnet. Bei dieser Ausführung ist ein mechanischer Durchtrieb zur Anbindung der hydrostatischen Pumpe an die Antriebswelle vorgesehen, wobei dies auch für die Führung der Kopplung des Ausganges der Summiergetriebeeinheit mit der Generatorwelle gilt, welche durch die Antriebswelle des hydrostatischen Motors geführt wird. In diesem Fall kann auf ein separates Verteilergetriebe verzichtet werden. Die Leistungszuordnung zu den einzelnen Leistungszweigen erfolgt über die feste Übersetzung im mechanischen Zweig und des weiteren die Steuerbarkeit der Leistungsentnahme durch die hydrostatische Pumpe von der Antriebswelle des Dieselmotors. Die mechanische Übertragung zwischen der Antriebswelle und dem Eingang des Summiergetriebes im mechanischen Leistungszweig erfolgt dabei mit der gleichen Drehzahl zur Drehzahl der Antriebsmaschine.
Vorzugsweise findet das erfindungsgemäß gestaltete Antriebssystem zum Antrieb von Hilfsbetrieben in Schienenfahrzeugen Verwendung. Dabei wird die ohnehin zum Antrieb im Traktionsbetrieb vorhandene Antriebsmaschine, in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine, zum Antrieb der Hilfsbetriebe verwendet, wobei ein Teil der über die Antriebsmaschine bereitgestellten Leistung einem Generator zugeführt wird, welche diese in elektrische Energie umwandelt und eine Einspeisung in das Bordnetz ermöglicht. Dabei wird der von der Antriebsmaschine zum Antrieb der Hilfsbetriebe erforderliche Leistungsanteil im wesentlichen auf den tatsächlich zum Antrieb der Hilfsbetriebe erforderlichen Leistungsanteil beschränkt, da die Verluste im hydrostatischen Übertragungsweg weitestgehend minimiert werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1a verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung das Grundprinzip und die Funktionsweise eines erfindungsgemäß gestalteten Antriebssystems für einen Generator, insbesondere einen Generatorantrieb;
Fig. 1b verdeutlicht eine Ausführung eines Generatorantriebes gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 1c verdeutlicht eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Generatorantriebes;
Fig. 2 verdeutlicht eine mögliche konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Generatorantriebes mit Auslegung auf maximale Motordrehzahl;
Fig. 3 verdeutlicht eine mögliche konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Generatorantriebes mit Auslegung auf maximale Leerlaufdrehzahl;
Fig. 4 verdeutlicht eine mögliche konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Generatorantriebes mit Auslegung auf mittlere und maximale Motordrehzahl;
Fig. 5a bis 5c verdeutlichen die Drehzahlpläne für die einzelnen Ausführungen gemäß der Fig. 2 bis 4.
Die Fig. 1a und 1b verdeutlichen einander gegenüber gestellt das Grundprinzip einer konventionellen Antriebssystems für einen Generator und des erfindungsgemäß gestalteten Generatorantriebs. Die Fig. 1b verdeutlicht dabei ein konventionelles Antriebssystem 1' für einen Generator 2', insbesondere einen Generatorantrieb 3' gemäß dem Stand der Technik. Dieser umfaßt eine Antriebsmaschine 4' in Form einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise eines Dieselmotors 5', welcher hauptsächlich der Bereitstellung der Antriebsleistung für den Antrieb eines Fahrzeuges, insbesondere Schienenfahrzeuges, dient. Bei dieser Ausführung erfolgt die Kopplung zwischen Antriebsmaschine 4' und Generator 2' über einen hydrostatischen Antrieb 6', welcher als hydrostatisches Getriebe fungiert. Der hydrostatische Antrieb 6' umfaßt eine hydrostatische Pumpe 7' und einen hydraulisch mit dieser gekoppelten hydrostatischen Motor 8'. Die hydrostatische Pumpe 7' ist mit einer Antriebswelle 9' der Antriebsmaschine 4' verbunden. Der hydrostatische Motor 8' ist mit einer als Antriebswelle fungierenden Generatorwelle 10' drehfest gekoppelt. Alle Elemente dieses Antriebssystems 1 sind somit in Reihe geschaltet. Die Antriebsmaschine 4' treibt dabei die hydrostatische Pumpe 7' an, welche ihrerseits den hydrostatischen Motor 8' antreibt. Die hydrostatische Pumpe 7' ist als stellbare Pumpe, d. h. der Wert des Verdrängungsvolumens, die Umdrehung, kann durch Stelleinheiten verändert werden, ausgeführt, vorzugsweise in Form einer Schwenkpumpe. Der Förderstrom wird dabei derart gesteuert, daß der hydrostatische Motor 8' und damit der mit diesem gekoppelte Generator 2' mit konstanter Drehzahl arbeitet. Die Leistungsübertragung erfolgt somit rein hydrostatisch. Dem gegenüber verdeutlicht die in der Fig. 1a dargestellte erfindungsgemäße Ausführung eines Antriebssystems 1 für den Generator 2 mit kombinierter mechanisch-hydrostatischer Leistungsübertragung die Kopplung zwischen der Antriebsmaschine 4 und dem Generator 2 über ein Leistungsverzweigungsgetriebe 11. Dieses umfaßt zwei Leistungszweige, einen ersten Leistungszweig 12 und einen zweiten Leistungszweig 13. Erfindungsgemäß ist des weiteren wenigstens einer der beiden Leistungszweige hinsichtlich der Änderung des Drehzahl- /Drehmomentverhältnisses steuerbar. Der erste Leistungszweig 12 wird dabei zur hydrostatischen Leistungsübertragung genutzt, weshalb in diesem der hydrostatische Antrieb 6 als hydrostatischer Getriebeteil 14 integriert ist. Der zweite Leistungszweig 13 dient der mechanischen Leistungsübertragung zwischen Antriebsmaschine 4 und Generator 2. Das Leistungsverzweigungsgetriebe 11 umfaßt einen Eingang 15 und einen Ausgang 16. Der Eingang 15 ist mit der Antriebswelle 9 der Antriebsmaschine 4 verbunden. Der Ausgang 16 ist mit der Generatorwelle 10 drehfest gekoppelt. Zur Leistungsaufteilung auf die beiden Leistungszweige 12 und 13 ist dem Eingang 15 ein Verteiler, im dargestellten Fall ein Verteilergetriebe 17, nachgeordnet. Die Zusammenführung der übertragenen Leistungsanteile über die beiden Leistungszweige 12 und 13 erfolgt über ein Summiergetriebe 18. Da die Drehzahl-/Drehmomentenverhältnisse im zweiten Leistungszweig 13aufgrund der festen Dimensionierung der Übertragungselemente festgelegt sind, ist es erforderlich, um eine konstante Generatordrehzahl, d. h. Drehzahl am Ausgang 16 des Leistungsverzweigungsgetriebes 11 und damit der Generatorwelle 10, zu erhalten, den über den hydrostatischen Leistungszweig 12 übertragbaren Leistungsanteil hinsichtlich des vom hydrostatischen Motor übertragbaren Momentes zu steuern, um eine konstante Drehzahl an der Generatorwelle 10 aufrecht zu erhalten. Diese Steuerbarkeit erfolgt im einfachsten Fall durch Ausführung des hydrostatischen Motors 8 als stellbarer hydrostatischer Motor. Zu diesem Zweck sind diesem entsprechende Stell- bzw. Steuereinrichtungen 19 zugeordnet. Der Motor 8 ist dabei als Motor mit veränderbarem geometrischem Verdrängungsvolumen ausgebildet. Eine andere Möglichkeit besteht gemäß Fig. 1c darin, die hydrostatische Pumpe 7 als stellbare Pumpeinrichtung auszuführen, und damit den Eingangs- Volumenstrom am Hydromotor 8 derart zu verändern, daß entsprechend des Förderstromes bei gleichbleibendem Verdrängungsvolumen die Drehzahl des Motors konstant gehalten wird. Der Hydromotor ist in diesem Fall als Konstantmotor ausgeführt.
Eine weitere, hier nicht dargestellte Möglichkeit, besteht darin, beide - hydrostatische Pumpe 7 und hydrostatischer Motor 8 - als stellbare Hydrostatikeinheiten auszuführen, wobei in diesem Fall eine einfachere Auslegung und Dimensionierung der einzelnen Komponenten erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß die Leistungsübertragung nur noch zu einem geringen Teil über einen hydrostatischen Leistungszweig erfolgen muß und somit die erheblichen Leistungsverluste bei diesem Übertragungsweg, welche über die Antriebsmaschine 4 mit aufgebracht werden müssen und somit den Kraftstoffverbrauch erhöhen, vermieden werden können.
Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen in schematisch vereinfachter Darstellung zwei grundsätzlich mögliche konstruktive Ausführungen eines erfindungsgemäß gestalteten Generatorantriebes 3.2 und 3.3. Das Grundprinzip und damit der Grundaufbau entspricht im wesentlichen dem in den Fig. 1a und 1c beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Die Fig. 2 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäß gestalteten Antriebssystems 1.2 für einen Generator 2.2, insbesondere einen Generatorantrieb 3.2. Die Antriebsmaschine ist mit 4.2 bezeichnet und vorzugsweise in Form eines Dieselmotors 5.2 ausgeführt. Das Leistungverzweigungsgetriebe 11.2 ist zwischen der Antriebsmaschine 4.2 und dem Generator 2.2 angeordnet. Dieses umfaßt einen Eingang 15.2, welcher mit der Antriebswelle 9.2 der Antriebsmaschine 4.2 gekoppelt ist. Das Verteilergetriebe 17.2 umfaßt hier lediglich einen Stirnradsatz 20, mit zwei Stirnrädern, einem ersten Stirnrad 21 und einem zweiten Stirnrad 22, wobei das zweite Stirnrad 22 mit der hydrostatischen Pumpe 7.2 gekoppelt ist und diese antreibt. Das zweite Stirnrad 22 bzw. der mit diesem gekoppelte Wellenteil bildet somit einen Ausgang 23 des Verteilergetriebes 17.2, während das Stirnrad 21 bzw. der mit diesem gekoppelte Wellenteil einen Eingang 24 des Verteilergetriebes 17.2 bildet. Ein weiterer zweiter Ausgang 25 des Verteilergetriebes 17.2 ist mit einem Eingang 26 des Summiergetriebes 18.2 gekoppelt. Der hydrostatische Motor 8.2 ist mit einem weiteren zweiten Eingang 27 des Summiergetriebes verbunden. Das Summiergetriebe 18.2 wird hier von einem Planetenradsatz gebildet. Dieses umfaßt im einfachsten Fall lediglich einen Planetenradsatz 29, wobei ein erstes Element 30 den ersten Eingang 26 des Summiergetriebes bildet, ein zweites Element 31 den zweiten Eingang 27 des Summiergetriebes und ein weiteres drittes Element 32 den Ausgang 33 des Summiergetriebes bildet, welcher mit der Generatorwelle 10.2 gekoppelt ist. Im dargestellten Fall wird der erste Eingang 26 des Summiergetriebes vom Sonnenrad 35 des Planetenradsatzes 29 gebildet, während der zweite Eingang vom Steg 34 und der Ausgang 33 vom Hohlrad 36 des Planetenradsatzes 29 bzw. mit diesem gekoppelten Wellenteil gebildet wird. Dabei erfolgt die Ankopplung des hydrostatischen Motors 8.2 an den Steg 34 nicht direkt, sondern vorzugsweise mit entsprechender Übersetzung über ein weiteres Stirnrad 37, welches mit dem Steg 34 kämmt. Die räumliche Anordnung der Übertragungselemente des hydrostatischen, insbesondere ersten Leistungszweiges 12.2, und des mechanischen Leistungszweiges 13.2, erfolgt gemäß Fig. 2 derart, daß räumlich für die einzelnen Elemente eine entsprechende Zuordnung in axialer Richtung getroffen wird, vorzugsweise der hydrostatische Teil in axialer Richtung betrachtet im wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist, und dem, räumlich in axialer Richtung betrachtet, die mechanischen Getriebeteile nachgeordnet sind. Zu diesem Zweck sind hydrostatische Pumpe 7.2 und hydrostatischer Motor 8.2 beidseits der Antriebswelle 9.2 angeordnet. Aufgrund der sich mit dieser Anordnung verwirklichbaren Drehzahl-/Drehmomentverhältnisse am Summiergetriebe 18.2 kann diese Auslegung für Anwendungsfälle mit maximaler Antriebswellen-, d. h. Motordrehzahl verwendet werden. Durch entsprechende Zuordnung der Funktion der Eingänge 26 und 27 des Summiergetriebes zu den einzelnen Elementen des Planetenradsatzes 29 bzw. den mit diesen gekoppelten Wellenteilen ist die Auslegung des Antriebssystems 1 beeinflußbar. So verdeutlicht Fig. 3 ebenfalls eine Ausführung mit exzentrischer Anordnung von hydrostatischer Pumpe 7.3 und hydrostatischem Motor 8.3 zur Antriebsmaschine 4.3 bzw. zum Generator 2.3 analog zu der in Fig. 2 dargestellten Antriebsausführung. Allerdings wurden hier gegenüber der Fig. 2 die Funktionen der einzelnen Elemente des Planetenradsatzes hinsichtlich ihrer Zuordnung zu den Ein- und Ausgängen des Summiergetriebes 18.3 geändert. Im übrigen entspricht der Grundaufbau, außer die Anordnung der Einzelelemente in axialer Richtung betrachtet, im wesentlichen dem in der Fig. 2 beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführung wird dabei nach wie vor der zweite Eingang 27.3 vom Steg 34.3 des Summiergetriebes 18.3 gebildet, während die Funktion des ersten Einganges 26.3 nunmehr dem Hohlrad 36.3 zugeordnet wurde und die Funktion des Ausganges 33.3 dem Sonnenrad 35.3. Dies bedingt eine andere Anordnung des hydrostatischen Motors 8.3. Dieser ist in axialer Richtung zwischen der Antriebsmaschine 4.3 und dem Generator 2.3 betrachtet auf der Seite des Generators 2.3 angeordnet, d. h. die hydrostatischen Elemente - hydrostatische Pumpe 7.3 und hydrostatischer Motor 8.3 - sind beidseits des Summiergetriebes 18.3 räumlich in axialer Richtung betrachtet angeordnet. Aufgrund der sich ergebenden Übersetzungsverhältnisse eignet sich diese Ausführung bei Auslegung des Antriebssystems auf die Leerlaufdrehzahl der Antriebsmaschine 4.3. Des weiteren ist auch hier zur Leistungsaufteilung ein Verteilergetriebe 17.3 vorgesehen, welches einen Stirnradsatz 20.3 umfaßt, wobei der Eingang 24.3 ebenfalls von einem ersten Stirnrad 21.3 des Stirnradzuges 20.3 gebildet wird, während der erste Ausgang 23.3 des Verteilergetriebes 17.3 vom zweiten Stirnrad 22.3 des Stirnradzuges 20.3 gebildet wird. Bei Angabe der Ein- und Ausgänge bzw. auch der Elemente des Planetenradsatzes ist dabei nicht nur auf das konkrete Element, d. h. Stirnrad oder Hohlrad oder Steg, abgestellt, sondern auf die mit diesem drehfest gekoppelten Elemente, beispielsweise in Form von Wellenteilen.
Fig. 4 verdeutlicht eine besonders kompakte Ausgestaltung auf der Grundlage der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Antriebssysteme 1.2 und 1.3, welche für Anwendungsfälle mit mittlerer Antriebswellen- bzw. Motordrehzahl und maximaler Antriebswellen- bzw. Motordrehzahl geeignet sind. Bei dieser Ausführung erfolgt die Anordnung der beiden Übertragungselemente in den Leistungszweigen - erster Leistungszweig 12.4 und zweiter Leistungszweig 13.4 - koaxial zueinander und koaxial zur Antriebswelle 9.4 sowie Generatorwelle 10.4. Dies bedeutet, daß alle wesentlichen an der Leistungsübertragung beteiligten Elemente des Antriebssystems 1.4 koaxial zueinander angeordnet sind. Dies betrifft die Antriebsmaschine 4.4, die hydrostatische Pumpe 7.4, den hydrostatischen Motor 8.4, das Summiergetriebe 18.4 und den Generator 2.4. Bei dieser Ausführung ist kein spezielles Verteilergetriebe 17.4 erforderlich, sondern beide - hydrostatische Getriebeteil 6.4 und mechanischer Übertragungsweg sind nebeneinander an die Antriebswelle angekoppelt und der über die hydrostatische Pumpe abgenommene Leistungsteil wird durch entsprechende Steuerbarkeit beeinflußt oder ist fest vorgegeben. Beide, hydrostatische Pumpe 7.4 und der mechanische Getriebeteil, welcher im wesentlichen von Summiergetriebe 18.4 gebildet wird, sind koaxial zueinander angeordnet, und es besteht ein direkter Durchgriff zur Antriebsmaschine 4.4. Ein erster Eingang des Summiergetriebes 26.4, welcher mit dem hydrostatischen Motor 8.4 gekoppelt ist, wird dabei vom Steg 34.4 des Planetenradsatzes 29.4 gebildet. Der zweite Eingang 27.4 ist mit der Antriebswelle, insbesondere dem mit dieser gekoppelten Förderelement der hydrostatischen Pumpe 7.4 und der Antriebsmaschine 4.4 gekoppelt. Der Ausgang 33.4 des Summiergetriebes 18.4 und damit des Leistungsverzweigungsgetriebes 11.4 wird vom Sonnenrad 35.4 des Planetenradsatzes 29.4 gebildet. Diese Lösung stellt gegenüber den in den Fig. 2 und 3 dargestellten eine besonders kompakte Anordnung der einzelnen Elemente dar, welche lediglich hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraumes in axialer Richtung bei der Auslegung des Antriebssystems 1.4 berücksichtigt werden muß.
Die in der Fig. 4 dargestellte Ausführung eignet sich dabei aufgrund der festen Übersetzung zwischen den Eingängen des Summiergetriebes und den Ausgängen für alle Anwendungsfälle unabhängig von der theoretisch für den Generator 3.4 zur Verfügung stehenden Leistung und insbesondere der damit verbundenen Auslegung der Übertragungselemente auf eine mittlere oder maximale Antriebswellendrehzahl.
Die Fig. 5A bis 5C verdeutlichen anhand von sogenannten Drehzahlplänen die Auslegungsmöglichkeiten der Generatorantriebe zur Leistungsübertragung gemäß den Fig. 2 bis 4 mit bestem Wirkungsgrad. Dabei verdeutlicht die Fig. 5A die Drehzahlverhältnisse bei Auslegung des Generatorantriebes auf maximale Dieselmotorantriebszahl wie für die Ausführung gemäß den Fig. 2 und 4, die Fig. 5B die Verhältnisse bei Auslegung auf Leerlaufdrehzahl wie für die Ausführung gemäß Fig. 3 und die Fig. 5C die Auslegung auf eine mittlere Drehzahl des Dieselmotors, wie für die Ausführungen gemäß der Fig. 4. Mit I ist dabei die Drehzahl des Sonnenrades, mit A die Drehzahl des Hohlrades bezeichnet. Bezugszeichenliste 1, 1',1.2, 1.3, 1.4 Antriebssystem
2, 2', 2.2, 2.3, 2.4 Generator
3, 3', 3.2, 3.3, 3.4 Generatorantrieb
4, 4', 4.2, 4.3, 4.4 Antriebsmaschine
5, 5', 5.2, 5.3, 5.4 Dieselmotor
6, 6', 6.2, 6.3, 6.4 hydrostatischer Antrieb
7, 7', 7.2, 7.3, 7.4 hydrostatische Pumpe
8, 8', 8.2, 8.3, 8.4 hydrostatischer Motor
9, 9', 9.2, 9.3, 9.4 Antriebswelle
10, 10', 10.2, 10.3, 10.4 Generatorwelle
11, 11.2, 11.3 Leistungverzweigungsgetriebe
12, 12.2, 12.3, 12.4 erster Leistungszweig
13, 13.2, 13.3, 13.4 zweiter Leistungszweig
14, 14.2, 14.3, 14.4 hydrostatischer Getriebeteil
15, 15.2, 15.3, 15.4 Eingang
16, 16.2, 16.3, 16.4 Ausgang
17, 17.2, 17.3, 17.4 Verteilergetriebe
18, 18.2, 18.3, 18.4 Summiergetriebe
19 Steuereinrichtung
20 Stirnradstufe
21 erstes Stirnrad
22 zweites Stirnrad
23, 23.3, 23.4 Ausgang des Verteilergetriebes
24, 24.3, 24.4 Eingang des Verteilergetriebes
25, 25.3, 25.4 zweiter Ausgang des Verteilergetriebes
26, 26.3, 26.4 Eingang des Summiergetriebes
27, 27.3, 27.4 zweiter Eingang des Summiergetriebes
28 Planetenradgetriebe
29, 29.3, 29.4 Planetenradsatz
30, 30.3, 30.4 erstes Element
31, 31.3, 31.4 zweites Element
32, 32.3, 32.4 drittes Element
33, 33.3, 33.4 Ausgang des Summiergetriebes
34, 34.3, 34.4 Steg
35, 35.3, 35.4 Sonnenrad
36, 36.3, 36.4 Hohlrad
37, 37.3, 37.4 Stirnrad

Claims

1. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3; 1.4) für einen Generator (2; 2.2; 2.3; 2.4), insbesondere Generatorantrieb (3; 3.2; 3.3; 3.4)

1. 1.1 mit einer Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) und einem hydrostatischem Antrieb (6; 6.2; 6.3; 6.4), umfassend eine hydrostatische Pumpe (7; 7.2; 7.3; 7.4) und einen hydrostatischen Motor (8; 8.2; 8.3; 8.4);

2. 1.2 die hydrostatische Pumpe (7; 7.2; 7.3; 7.4) ist mit der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) gekoppelt;

3. 1.3 der hydrostatische Motor (8; 8.2; 8.3; 8.4) ist mit dem Generator (2; 2.2; 2.3; 2.4) verbunden;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

4. 1.4 zwischen der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) und dem Generator (2; 2.2; 2.3; 2.4) ist ein Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet;

5. 1.5 das Leistungsverzweigungsgetriebe (11; 11.2; 11.3; 11.4) umfaßt zwei Leistungszweige - einen ersten hydrostatischen Leistungszweig (12; 12.2; 12.3; 12.4) und einen zweiten mechanischen Leistungszweig (13; 13.2; 13.3; 13.4);

6. 1.6 im hydrostatischen Leistungszweig (12; 12.2; 12.3; 12.4) ist der hydrostatische Antrieb (6; 6.2; 6.3; 6.4) als hydrostatischer Getriebeteil (14; 14.2; 14.3; 14.4) integriert;

7. 1.7 das Leistungsverzweigungsgetriebe (11; 11.2; 11.3; 11.4) umfaßt einen Eingang (15; 15.2; 15.3; 15.4) und einen Ausgang (16; 16.2; 16.3; 16.4);

8. 1.8 der Eingang (15; 15.2; 15.3; 15.4) ist mit der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) und der Ausgang (16; 16.2; 16.3; 16.4) mit dem Generator (2; 2.2; 2.3; 2.4) verbunden.

2. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3; 1.4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (15; 15.2; 15.3; 15.4) direkt mit einer Antriebswelle (9; 9.2; 9.3; 9.4) der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) drehfest verbunden ist und der Ausgang (16; 16.2; 16.3; 16.4) direkt drehfest mit einer als Antriebswelle für den Generator (2; 2.2; 2.3; 2.4) fungierenden Generatorwelle (10; 10.2; 10.3; 10.4) verbunden ist.

3. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3; 1.4) nach einem der Ansprüche 1 oder 2; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 3.1 das Leistungverzweigungsgetriebe (11; 11.2; 11.3) umfaßt ein Verteilergetriebe (17; 17.2; 17.3) und ein Summiergetriebe (18; 18.2; 18.3);

2. 3.2 der Eingang (15; 15.2; 15.3) des Leistungsverzweigungsgetriebes (11; 11.2; 11.3) ist mit einem Eingang (24; 24.2; 24.3) des Verteilergetriebes (17; 17.2; 17.3) gekoppelt oder wird von diesem gebildet;

3. 3.3 das Verteilergetriebe (17; 17.2; 17.3) umfaßt zwei Ausgänge - einen ersten Ausgang (23; 23.2; 23.3) für einen ersten Leistungszweig (12; 12.2; 12.3) und einen zweiten Ausgang (25; 25.2; 25.3) für den zweiten Leistungszweig (13; 13.2; 13.3);

4. 3.4 das Summiergetriebe (18; 18.2; 18.3) ist beiden Leistungszweigen (12, 13; 12.2, 13.2; 12.3, 13.3) nachgeschaltet und umfaßt zwei Eingänge (26, 27; 26.2, 27.2; 26.3, 27.3), die jeweils mit einem Leistungszweig (12; 13) gekoppelt sind, und einen Ausgang (33; 33.2; 33.3), welcher mit dem Ausgang (16; 16.2; 16.3) des Leistungsverzweigungsgetriebes (11; 11.2; 11.3) verbunden ist oder diesen bildet.

4. Antriebssystem (1; 1.4) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1. 4.1 der hydrostatische Leistungszweig (12; 12.4) und der mechanische Leistungszweig (13; 13.4) sind parallel zueinander mit der Antriebswelle (9.4) der Antriebsmaschine gekoppelt und die Leistungsaufnahme für den hydrostatischen Leistungszweig (12.4) ist über die hydrostatische Pumpe (7.4) einstellbar;

2. 4.2 das Summiergetriebe (18; 18.2; 18.3) ist beiden Leistungszweigen (12, 13; 12.2, 13.2; 12.3, 13.3) nachgeschaltet und umfaßt zwei Eingänge (26, 27; 26.2, 27.2; 26.3, 27.3), die jeweils mit einem Leistungszweig (12; 13) gekoppelt sind, und einen Ausgang (33; 33.2; 33.3), welcher mit dem Ausgang (16; 16.2; 16.3) des Leistungsverzweigungsgetriebes (11; 11.2; 11.3) verbunden ist oder diesen bildet;

3. 4.3 der Eingang (27.4) des Summiergetriebes (18.4) wird von der Antriebswelle (9.4) gebildet.

5. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3; 1.4) nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 5.1 das Summiergetriebe (18; 18.2; 18.3; 18.4) ist als Planetenradgetriebe (28; 28.2; 28.3; 28.4), umfassend mindestens einen Planetenradsatz (29; 29.2; 29.3; 29.4), ausgeführt;

2. 5.2 der Planetenradsatz (29; 29.2; 29.3; 29.4), umfaßt einen Steg (34; 34.2; 34.3; 34.4), ein Sonnenrad (35; 35.2; 35.3; 35.4), ein Hohlrad (36; 36.2; 36.3; 36.4) und Planetenräder;

3. 5.3 ein erstes Element (30; 30.2; 30.3; 30.4) des Planetenradsatzes (29; 29.2; 29.3; 29.4) bildet den Eingang (26; 26.2; 26.3; 26.4) des Summiergetriebes (18; 18.2; 18.3; 18.4) und ist mit dem hydrostatischen Motor (8; 8.2; 8.3; 8.4) verbunden;

4. 5.4 ein zweites Element (31; 31.2; 31.3; 31.4) des Planetenradsatzes (29; 29.2; 29.3; 29.4) bildet den zweiten Eingang (27; 27.2; 27.3; 27.4) des Summiergetriebes (18; 18.2; 18.3; 18.4) und ist mit der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3; 4.4) verbunden;

5. 5.5 ein drittes Element (32; 32.2; 32.3; 32.4) des Planetenradsatzes (29; 29.2; 29.3; 29.4) bildet den Ausgang (33; 33.2; 33.3; 33.4) des Summiergetriebes (18; 18.2; 18.3; 18.4).

6. Antriebssystem (1; 1.2) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 6.1 das erste Element (30) wird vom Steg (34) des Planetenradsatzes (29) gebildet;

2. 6.2 das zweite Element (31) wird vom Sonnenrad (35) des Planetenradsatz (29) gebildet;

3. 6.3 das dritte Element (32) wird vom Hohlrad (36) des Planetenradsatzes (29) gebildet.

7. Antriebssystem (1; 1.3) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 7.1 das erste Element (30.3) wird vom Steg (34.3) gebildet;

2. 7.2 das zweite Element (31.3) wird vom Hohlrad (36.3) gebildet;

3. 7.3 das dritte Element (32.3) wird vom Sonnenrad (35.3) gebildet.

8. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Steges (34.2; 34.3) mit dem hydrostatischen Motor (8.2; 8.3) über eine Stirnradstufe (37.2; 37.3) erfolgt.

9. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3) nach einem der Ansprüche 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Pumpe (7; 7.2; 7.3) und der hydrostatische Motor (8; 8.2; 8.3) exzentrisch zur Antriebswelle (9; 9.2; 9.3) der Antriebsmaschine (4; 4.2; 4.3) und der Generatorwelle (10; 10.2; 10.3) angeordnet sind.

10. Antriebssystem (1; 1.2) nach Anspruch 9; dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der hydrostatischen Pumpe (7; 7.2) und des hydrostatischen Motors (8; 8.2) in axialer Richtung zwischen Antriebsmaschine (4; 4.2) und Generator (2; 2.2) betrachtet im Bereich einer axialen Ebene erfolgt.

11. Antriebssystem (1; 1.3) nach Anspruch 9; dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Pumpe (7; 7.3) und der hydrostatische Motor (8; 8.3) in axialer Richtung in zwei unterschiedlichen axialen Ebenen angeordnet sind und die hydrostatische Pumpe (7; 7.3) räumlich vor dem Summiergetriebe (18; 18.3) und der hydrostatische Motor (8; 8.3) räumlich hinter dem Summiergetriebe (18; 18.3) angeordnet sind.

12. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3) nach einem der Ansprüche 9 bis 11; dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilergetriebe (17; 17.2; 17.3) eine Stirnradstufe (20; 20.3) umfaßt und der Ausgang des Verteilergetriebes (23; 23.3) mit der hydrostatischen Pumpe (7; 7.3) gekoppelt ist.

13. Antriebssystem (1; 1.4) nach einem der Ansprüche 4 bis 7; dadurch gekennzeichnet, daß die hydrostatische Pumpe (7; 7.4) und der hydrostatische Motor (8; 8.4) jeweils koaxial zur Antriebswelle (9; 9.4) der Antriebsmaschine (4; 4.4) und der Generatorwelle (10; 10.4) angeordnet sind.

14. Antriebssystem (1; 1.2; 1.3; 1.4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eines der hydrostatischen Elemente - hydrostatische Pumpe (7; 7.2; 7.3; 7.4) und/oder der hydrostatische Motor (8; 8.2; 8.3; 8.4) - verstellbar ist.

15. Schienenfahrzeug mit einem Generator (2) zur Bereitstellung elektrischer Leistung für das Bordnetz und einer Antriebsmaschine (4) zum Antrieb der Räder mit einem Antriebssystem für den Generator (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Antriebsmaschine (4) von der Antriebsmaschine zum Antrieb der Räder gebildet wird.