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Insbesondere
bei Containerhafenanlagen besteht das Bedürfnis nach Antriebssystemen,
mit denen große
Lasten schnell bewegt werden können, um
auf diese Weise Umschlagszeiten für in Containern transportierten
Gütern
zu minimieren. Bisherige Rad-Schiene-Systeme
können
diese Anforderungen speziell bei sehr großen Containerhafenanlagen aufgrund
verhältnismäßig geringer
maximaler Beschleunigung im Bereich von ca. 0,4 m/s2 und
sich daraus ergebender langer Transportzeiten nur ansatzweise erfüllen. Deutlich
bessere Beschleunigungswerte und höhere Geschwindigkeiten bieten
in W. -R. Canders et al. „Linear
Motor Transfer Technology (LMTT) for Container Terminals" LDIA '98 Tokyo, Japan beschriebene
Linearmotorsysteme.
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Aus
DE 10 2004 019 922
A1 ist ein Fördersystem
bekannt, das eine Antriebseinheit mit einer Kette, Zahnrädern und
einer Bremseinheit umfaßt.
In
EP 0 247 524 A1 ist
eine Antriebseinheit beschrieben, die eine Antriebskette und dieser
zugeordnete Zahnräder
aufweist.
EP 0 416
446 A1 und
FR
2 228 012 A1 offenbaren Antriebssysteme mit zwei Antriebseinheiten
mit Ketten bzw. Riemen. Jedoch sind dort keine in Wechselwirkung
mit Zahnrädern
stehenden Bremseinheiten vorgesehen.
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Ausgehend
vom bekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Fahrzeugantriebssystem
anzugeben, das einen schnellen Transport schwerer Lasten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Fahrzeugantriebssystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
ge löst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in
den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß zwei entlang
eines Fahrweges umlaufend bewegliche Antriebsketten vorgesehen sind,
und daß das
erfindungsgemäße Fahrzeugantriebssystem
zumindest zwei an einem Fahrzeug vor gesehene Antriebseinheiten mit
jeweils zwei Zahnrädern
zum Eingriff in eine Antriebskette und jeweils einer auf die jeweils
zwei Zahnräder
wahlweise einwirkenden Bremseinrichtung aufweist.
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Eine
erste umlaufende Antriebskette ist entlang einer ersten seitlichen
Begrenzung eines Fahrweges beweglich, während eine zweite umlaufende Antriebskette
entlang einer zweiten seitlichen Begrenzung des Fahrweges beweglich
ist. Eine erste Fahrzeugantriebseinheit umfaßt ein erstes Zahnrad zum Eingriff
in einen sich in eine erste Richtung bewegenden Abschnitt der ersten
Antriebskette, ein zweites Zahnrad zum Eingriff in einen sich in
eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegenden
Abschnitt der ersten Antriebskette und eine auf das erste und/oder
zweite Zahnrad einwirkende Bremseinrichtung. Eine zweite Fahrzeugantriebseinheit
weist ein drittes Zahnrad zum Eingriff in einen sich in die erste
Richtung bewegenden Abschnitt der zweiten Antriebskette, ein viertes
Zahnrad zum Eingriff in einen sich in die zweite Richtung bewegenden
Abschnitt der zweiten Antriebskette und eine auf das dritte und/oder
vierte Zahnrad einwirkende Bremseinrichtung auf. Ein solches Fahrzeugantriebssystem
erlaubt für
Lasten von mehr als 100 t Gewicht Beschleunigungen mit mindestens
1 m/s2 und ermöglicht einen Lastenausgleich
in bezug auf die beiden Antriebsketten.
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Eine
besonders wirksame Kraftübertragung ergibt
sich, wenn zumindest ein Zahnrad formschlüssig in eine Antriebskette
greift.
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Eine
Bremseinrichtung kann entweder als Wirbelstrombremse oder als in
ein Stromnetz und/oder Batteriesystem zurückspeisender Gleichstrom-,
Wechselstrom oder Drehstrommotor ausge staltet sein. Auch eine Kombination
aus Wirbelstrombremse und zusätzlichem
elektrischen Generator zur Versorgung elektrischer Verbraucher im
Fahrzeug ist möglich.
Eine Verwendung eines generatorisch betreibbaren Elektromotors als
Bremseinrichtung bietet den Vorteil einer Energierückgewinnung
anstelle einer Umsetzung von kinetischer Energie in thermische Energie
wie bei herkömmlichen
Bremseinrichtungen.
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Zur
bedarfsgerechten Regelung von Beschleunigung und Verzögerung ist
eine Bremseinrichtung hinsichtlich ihres Bremsmoments vorzugsweise
zwischen Leerlauf und vollem Bremsmoment stufenlos regulierbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigt die
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Figur
ein schematisch dargestelltes Fahrzeugantriebssystem in der Draufsicht.
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Ein
in der Figur dargestelltes Fahrzeug 1 wird über zwei
umlaufende mechanische Ketten 21-22 angetrieben.
Dabei läuft
an einer Längsseite des
Fahrzeugs 1 eine erste Kette 21 in einer ersten Richtung 4 und
an der gegenüberliegenden
Längsseite
des Fahrzeugs 1 eine zweite Kette 22 sowie ein anderer
Abschnitt 212 der ersten Kette 21 in einer entgegensetzten
zweiten Richtung. Die umlaufenden Ketten werden 21-22 von
zentralen Antriebseinheiten 31-32 auf konstanter
Umlaufgeschwindigkeit gehalten. Diese konstante Umlaufgeschwindigkeit
kann beispielsweise so groß sein
wie die zu erreichende Endgeschwindigkeit eines Fahrzeugs 1.
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Am
Fahrzeug 1 sind im vorliegenden Beispiel mindestens zwei
Antriebseinheiten 11, 12 vorgesehen, die jeweils
zwei Ritzel 111-112, 121-122 zum Eingriff
in eine umlaufende Kette 21-22 aufweisen. Jeweils zwei
Ritzel 111-112, 121-122 sind
an eine Bremseinrichtung einer Antriebseinheit gekoppelt. Das Bremsmoment
einer Bremseinrichtung kann zwischen Leerlauf – kein Bremsmoment – und dem vollem
Bremsmoment – Blockieren
der Ritzel 111-112, 121-122 – stufenlos
variiert werden. Das Bremsmoment kann dabei einem vorgegebenen Sollwert
folgen.
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Eine
erste Antriebseinheit 11 weist ein erstes Ritzel 111 zum
Eingriff in einen sich in die erste Richtung 4 bewegenden
Abschnitt 211 der ersten Kette 21, ein zweites
Ritzel 112 zum Eingriff in einen sich in die zweite Richtung
bewegenden Abschnitt 212 der ersten Kette 21 und
eine auf das erste und/oder zweite Ritzel 111-112 einwirkende
Bremseinrichtung auf. In analoger Weise umfaßt die zweite Antriebseinheit 12 ein
drittes Ritzel 121 zum Eingriff in einen sich in die erste
Richtung 4 bewegenden Abschnitt 221 der zweiten
Kette 22, ein viertes Ritzel 122 zum Eingriff in
einen sich in die zweite Richtung bewegenden Abschnitt 222 der
zweiten Kette 22 und eine auf das dritte und/oder vierte
Ritzel 121-122 einwirkende Bremseinrichtung.
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Im
Leerlauf laufen die Ketten 21-22 frei am Fahrzeug 1 vorbei,
und es wird keine Kraft von den Ketten 21-22 auf
das Fahrzeug übertragen.
Das Fahrzeugs 1 befindet sich beispielsweise während des
Stillstandes im Leerlauf. Soll das Fahrzeug 1 in die erste
Richtung 4 als Fahrtrichtung bewegt werden, so wird am
ersten Ritzel 111 und am dritten Ritzel 121 ein
Bremsmoment vorgegeben. Entsprechend dem wirksamen Durchmesser der
Ritzel 111, 121 wird dadurch eine Vortriebskraft
von den umlaufenden Ketten 21-22 auf das Fahrzeug 1 übertragen. Die
Mitnehmerkraft einer Bremseinrichtung ergibt sich aus dem Quotienten
von Bremsmoment und wirksamem Radius des Ritzels 111, 121.
An einem Fahrzeug 1 können
mehrere erste und zweite Antriebseinheiten angebracht sein. Da je
eine Längsseite
des Fahrzeugs 1 für
eine Fahrtrichtung zuständig ist,
ergibt sich die gesamte Vorschubkraft aus der Summe der Vorschubkräfte der
Antriebseinheiten an der entsprechenden Längsseite. Während das Fahrzeug 1 durch
die Mitnehmerkraft beschleunigt wird, verringert sich die Relativgeschwindigkeit
zwischen jeweiligen Abschnitten 211, 221 der Ketten 21-22 und dem
Fahrzeug 1. Wenn die Drehungen der Ritzel 111, 121 vollständig abgebremst
sind, dann läuft
das Fahrzeug 1 synchron zu den jeweiligen Abschnitten 211, 221 der
Umlaufketten 21-22.
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Es
ist möglich,
das Drehmoment, das von den Bremseinrichtungen erzeugt wird, durch
Getriebe auf die Ritzel 111-112, 121-122 anzupassen.
Insbesondere bei der Verwendung von generatorisch oder magnetisch
wirkenden Bremseinrichtungen kann dies sinnvoll sein.
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Die
Beschleunigung des Fahrzeugs 1 kann über das Bremsmoment der Antriebseinrichtungen 11, 12 vorgegeben
werden. Sofern die Ritzel 111, 121 formschlüssig in
die Ketten 21-22 ein greifen, sind wesentlich höhere Beschleunigungen
als mit Rad-Schiene-Systemen
möglich.
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Soll
das Fahrzeug 1 verzögert
werden, so kann Bremsmoment auf das zweite Ritzel 112 und das
vierte Ritzel 122 vorgegeben werden, die in die sich in
die zweite Richtung entgegen zur Fahrtrichtung bewegenden Abschnitte 212, 222 der
Umlaufketten 21-22 eingreifen. Auf diese Wiese
ist es möglich,
durch entsprechend dosierte Vorgabe von Bremsmomenten, das Fahrzeug 1 an
einer gewünschten
Position zum stehen zu bringen. Ist die gewünschte Position erreicht, kann
das Fahrzeug durch Blockieren von Tragrädern in der jeweiligen Position
gehalten werden. Das Verzögern
des Fahrzeugs 1 durch Eingriff in eine Gegenkette bzw.
in einen gegenläufigen
Kettenabschnitt ermöglicht
höhere
Verzögerungswerte
als dies reibungsgebundene Rad-Schiene-System zulassen würden.
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Zu
Begin einer Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung groß, weil
die Drehzahl eines Ritzels groß ist.
Gegen Ende des Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung gering,
weil die Drehzahl eines Ritzels gering ist. Da die Bremsleistung
zeitweise recht große
Werte annehmen kann, erweist es sich als vorteilhaft, als Bremseinrichtung
eine rückspeisefähige Einheit
vorzusehen. Wird auf die Rückspeisefähigkeit
verzichtet, dann vereinfacht sich der Aufwand. Die einzelnen Anwendungsszenerien
werden nachfolgend vorgestellt.
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BREMSEINRICHTUNG MIT PASSIVER
MECHANISCHER BREMSE OHNE RÜCKSPEISUNG
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Die
Leistungen einer Bremseinrichtung während des Beschleunigungsvorgangs
sind vergleichbar mit Bremsleistungen von Lastkraftwagen. Daher könnte als
Bremseinrichtung eine LKW-Bremse verwendet werden, die beispielsweise
pneumatisch oder hydraulisch angesteuert wird. Im Gegensatz zum
Sicherheitskonzept bei LKWs ist aber der sichere Zustand nicht die
Blockierung sondern die Öffnung der
Bremse, weil bei blockierter Bremseinrichtung der Fahrzeug synchron
zur Umlaufkette mitgezogen wird.
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Die
LKW-Bremse speist keine Energie zurück. Wenn dennoch elektrische
Energie, beispielsweise für
die Hilfs- und Steuerungsfunktionen, im oder auf dem Fahrzeug zur
Verfügung
stehen soll, dann können
zusätzlich
kleinere Generatoreinheiten am Fahrzeug angebracht sein, die bei
vorhandener Relativgeschwindigkeit zwischen Umlaufkette und Fahrzeug über das
Ritzel angetrieben werden. Wird das generatorische Drehmoment gleichmäßig auf zwei
entlang eines Fahrweges zueinander gegenläufige Kette aufgeteilt, dann
verschwindet die Kraftwirkung auf den Fahrzeug und stört die Positionierung nicht.
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Anstelle
von LKW-Bremseinrichtungen können
auch Wirbelstrom-Bremseinrichtungen
mit mechanisch oder elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld eingesetzt
werden. Eine Wirbelstrom-Bremseinrichtung
mit elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld kann beispielsweise ein
Norm-Asynchronmotor sein, der mittels Gleichstrom erregt wird. Die
Schlupfkennlinie eines solchen Norm-Asynchronmotors läßt sich
dann mittels Getriebe an das erforderliche Drehmoment des Mitnehmerritzels
anpassen.
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BREMSEINRICHTUNG MIT AKTIVER
RÜCKSPEISUNG ÜBER DREHSTROMMOTOREN
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Als
Bremseinrichtungen können
bürstenlose Drehstrommotoren
eingesetzt werden. Das Motormoment kann auch hier mittels Getriebe
an das erforderlich Drehmoment des Ritzels angepaßt werden. Beim
Bremsen wird die Energie in einen Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist.
Damit die Zwischenkreisspannung während des Bremsens konstant
bleibt, sollte der Gleichspannungszwischenkreis batteriegestützt sein.
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Da
beim Beschleunigen und Verzögern
des Fahrzeugs stets Energie zurückgespeist
wird, sollte drauf geachtet werden, daß die Energiebilanz des batteriegestützten Gleichspannungszwischenkreises ausgeglichen
ist. Gegebenenfalls sollte überschüssige Energie
wieder aus dem Zwischenkreis entnommen werden. Dies kann beispielsweise
beim Stillstand des Fahrzeugs geschehen. Im Fahrzeugstillstand können die
Bremseinrichtungen motorisch betrieben werden. Wenn das Moment gleichmäßig auf die
beiden gegenläufigen
Ketten verteilt wird, hebt sich die Kraftwirkung auf das Fahrzeug
auf und beeinträchtigt
nicht die Genauigkeit der Positionierung. Die Kette wird die zugeführte mechanische
Energie dann an die zentralen Antriebseinheiten abgeben, wobei die
Motoren der zentralen Antriebseinheiten die Energie generatorisch
in ein Stromnetz zurückspeisen.
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Ein
Ausgleich der Zwischenkreis-Energiebilanz kann auch dadurch erfolgen,
daß die
Kette mit geringerer Geschwindigkeit umläuft, als für die Endgeschwindigkeit der
Fahrzeugs vorgesehen ist. In einer ersten Beschleunigungsphase wird
das Fahrzeug durch Bremsen des Ritzels und Mitziehen auf die Geschwindigkeit
der Kette beschleunigt. In einer zweiten Phase werden die Bremseinrichtungen
motorisch betrieben, so daß das
Fahrzeug gegenüber der
Kette beschleunigt wird und eine höhere Geschwindigkeit als die
der Kette annimmt.
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Als
Motoren für
die aktive Rückspeisung
mit Drehstrommotoren kommen grundsätzlich sowohl Synchron- als
auch Asynchronmotoren in Frage.
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BREMSEINRICHTUNG MIT AKTIVER
RÜCKSPEISUNG ÜBER GLEICHSTROMMOTOREN
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Beim
Bremsen mit Drehstrom-Bremseinrichtungen sind erforderliche Umrichter
grundsätzlich
für eine
der Antriebsleistung des Fahrzeugs entsprechende Leistung auszulegen.
Für typische
Anwendungsfälle
können
dies mehrere 100 kW sein. Die Umrichterleistung kann verkleinert
werden, indem ein fremderregter Gleichstrommotor für die Bremseinrichtung
verwendet wird. Durch Ansteuerung der Erregerwicklung läßt sich
ein gewünschtes
Bremsmoment einstellen. Im Vergleich zur Antriebsleistung ist dann
zum Ansteuern der Erregerwicklung nur ein Bruchteil der Leistung
notwendig.
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Die
Motorwicklung kann an einen Zwischenkreis geschaltet sein und Strom
in diesen zurückspeisen.
Im Leerlauf – Stillstand
des Fahrzeugs – kann die
Motorwicklung vom Zwischenkreis getrennt werden.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt.