DE102008007184A1

DE102008007184A1 - Maschine, die ein Stromversorgungssystem aufweist und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE102008007184A1
Application number: DE102008007184A
Authority: DE
Inventors: Satish D. Peoria Savant; Bradford A. Metamora Kough; David M. Groveland Fee; Jonathan M. Peoria Baumann; Matthew W. Brimfield Dames
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2008-10-09
Also published as: US7547981B2; JP5303151B2; JP2008196698A; US20080191492A1

Abstract

Eine Maschine (10) und ein Stromversorgungssystem (11) weisen einen Generator (18) auf, der einen Geschwindigkeitsbereich aufweist, der eine Resonanzgeschwindigkeit beinhaltet, die mit Resonanzvibrationen des genannten Systems (11) assoziiert ist. Eine Antriebskupplung (20) ist zwischen dem Generator (18) und einem Motor (16) angebracht, die gestaltet ist, um den Generator (18) zu drehen, und welche weiterhin gestaltet ist, um Drehmoment von dem Motor (16) zu dem Generator (18) zu übertragen, wobei die Antriebskupplung (20) weiterhin gestaltet ist, um einen relativen Schlupf zwischen ersten und zweiten Elementen (30, 34) zuzulassen, wenn der Generator (18) bei seiner Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird. Ein Verfahren zum Maschinenbetrieb umfasst das Rotieren eines Generators (18) mit einem Motor (16) und das Erzeugen von Resonanzvibrationen von zumindest entweder dem Motor (16) und/oder dem Generator (18) bei einer Resonanzgeschwindigkeit. Das Verfahren umfasst weiterhin das Unterbinden des Übertragens von Resonanzvibrationen zwischen dem Generator (18) und dem Motor (16), indem ein relativer rotatorischer Schlupf innerhalb der zwischen dem Motor (16) und dem Generator (18) angebrachten Antriebskupplung (20) zugelassen wird.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Maschinen, die ein System zur Erzeugung elektrischer Leistung und damit verbundene Betriebsstrategien aufweisen, und bezieht sich genauer auf ein elektrisches Leistungssystem und ein Verfahren, bei welchem eine Antriebskupplung innerhalb des Systems eingerichtet ist, um die Übertragung von Resonanzvibrationen zwischen einem Motor und einem Generator zu unterdrücken.
Stand der Technik
Die Verbindung eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor und einem Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung ist seit Jahren bekannt. Seit vergleichsweise kurzer Zeit wurden motorbetriebene Generatoren in elektrisch angetriebenen mobilen Maschinen verwendet, um elektrische Energie für den Antrieb und den Betrieb anderer Maschinensysteme bereitzustellen. In solchen Konzepten kann, statt dass ein vergleichsweise steiles Ansteigen und Absinken der benötigten Leistung benötigt wird, um den Änderungen in der Leistungsanforderung gerecht zu werden, ein vergleichsweise stabilerer und laufruhigerer Betrieb und eine Übertragung über den gesamte Leistungsabgabebereich des Motors erreicht werden. Mit anderen Worten, indem manche oder alle Systeme der Maschine mit elektrischer Energie angetrieben werden, die durch einen bordeigenen Motor und Generator bereitgestellt wird, können Verbrennungscharakteristiken und der allgemeine Motorbetrieb besser voraussagbar und Änderungen weniger schnell sein. Dies erlaubt es, breite und schnelle Schwankungen der Motorgeschwindigkeit und der mit Leistungsanforderungen an das System assoziierten Last zu vermeiden. Wenn der Motorbetrieb besser vorhersagbar ist und Änderungen der Motorleistung gradueller sind, wurde bereits eine bessere Kontrolle von Emissionen und anderen Faktoren wie Treibstoffeffizienz demonstriert, verglichen mit herkömmlichen Ausgestaltungen, in denen das Antriebssystem der Maschine, die Hydraulik etc. direkt vom Motor angetrieben wurden.
Während die zuvor genannten Entwicklungen Verbesserungen für bestimmte Maschinen geboten haben, insbesondere in Umgebungen, in denen juristische Bestimmungen vergleichsweise hohe Standards für Emissionen und Effizienz gesetzt haben, hat sich eine Vielzahl neuer Herausforderungen aufgetan. So ist beispielsweise in bestimmten Maschinen, insbesondere Großmaschinen wie Baumaschinen, Bergbaumaschinen etc. eine vergleichsweise große Generatorausgangsleistung nötig, um die für den Betrieb der Maschine ausreichende elektrische Energie bereitzustellen. Die meisten Generatoren verwenden Bauteile, deren Größe direkt mit der verfügbaren Generatorausgangsleistung korreliert. Somit verwenden elektrische Stromversorgungssysteme oft einen Generator mit einem vergleichsweise großen Rotor und anderen Bauteilen, was notwendigerweise die innere Massenträgheit des Generators erhöht. Die hohe Massenträgheit des Generators kann aufgrund von Vibrationen und der Widerspiegelung der Massenträgheit zwischen dem Motor und dem Generator Herausforderungen der Montage und andere, die die Hardware betreffen, hervortreten lassen.
In vielen Maschinensystemen, in denen ein Motor einen Generator direkt antreibt, können Vibrationen und Massenträgheit, die mit dem Betrieb des Systems assoziiert sind, zwischen dem Motor und dem Generator übertragen werden. Dies kann dann besonders problematisch sein, wenn die Massenträgheit des Generators derjenigen des Motors recht nahe ist. In einigen Fällen können Resonanzvibrationen im System zu signifikanten Drehmomentspitzen innerhalb des Systems führen, was zumindest Energie verschwendet und den Betrieb erschwert, und in einigen Fällen sogar Bauteile beschädigt. Während die Ausgestaltungen einiger Systeme ausreichend robust sind, um beim Beschleunigen oder Abbremsen durch einen Geschwindigkeitsbereich hindurch, in welchem Resonanzvibrationen auftreten können, Drehmoment spitzen zu widerstehen, können diese Systeme andere Nachteile aufweisen, wie beispielsweise höheres Gewicht und höhere Kosten.
Herausforderungen, die mit dem Betrieb elektrischer Stromerzeugungseinrichtungen von hoher Massenträgheit mit einem Motor assoziiert sind, wurden bereits erkannt. Die US Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003/0155202 A1 an Taniguchi bezieht sich auf ein System, in dem ein Wechselstromgenerator von einem Motor angetrieben wird. Der Wechselstromgenerator und der Motor sind mittels eines Antriebsriemens durch eine Freilaufkupplung verbunden, die das Motordrehmoment an den Wechselstromgenerator überträgt, und eine Drehmomentübertragung von dem Wechselstromgenerator an den Motor unterbindet, indem sie eine schwingende relative Rotation zulässt. Andere Strategien, die von Taniguchi ebenfalls beachtet wurden, verlassen sich auf die Verwendung von Torsionsfedern oder anderen Mitteln zum Einbringen einer Drehnachgiebigkeit in solche Wechselstromgenerator-Motor-Systeme. Keine der bekannten Strategien beschäftigt sich jedoch mit oder liefert jegliches geeignete Mittel zum Behandeln der oben genannten Resonanzvibrationsprobleme.
Die vorliegende Erfindung zielt auf eines oder mehrere der oben ausgeführten Probleme oder Nachteile ab.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung ein elektrisches Stromversorgungssystem für eine Maschine bereit, welche einen Generator aufweist, der gestaltet ist, um elektrische Energie für die Maschine zu erzeugen. Der Generator weist einen Geschwindigkeitsbereich auf, der eine Resonanzgeschwindigkeit bzw. -drehzahl umfasst, die mit Resonanzvibrationen des Systems assoziiert ist. Das Energiesystem weist weiterhin einen Motor auf, der gestaltet ist, um den Generator und eine Antriebskupplung zu drehen, die ein erstes Bauteil aufweist, das befestigt ist, um mit dem Motor zu rotieren, und ein zweites Bauteil, das befestigt ist, um mit dem Generator zu rotieren. Das erste und zweite Bauteil sind dazu eingerichtet, miteinander rotatorisch gekoppelt zu werden, um Drehmoment vom Motor an den Generator zu übertragen, wobei die Antriebskupplung weiterhin gestaltet ist, um einen relativen Schlupf zwischen den ersten und zweiten Bauteilen zuzulassen, wenn der Generator bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird.
In anderer Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung eine Maschine bereit, die einen Rahmen, einen am Rahmen befestigten Motor, und einen Generator aufweist, welcher gestaltet ist, um elektrische Energie für die Maschine zu erzeugen und der mit dem Motor gekoppelt ist. Der Generator weist einen Geschwindigkeitsbereich auf, der eine Resonanzgeschwindigkeit umfasst, welche mit Resonanzvibrationen von zumindest entweder dem Motor oder dem Generator assoziiert ist. Die Maschine weist weiterhin eine Antriebskupplung auf, welche gestaltet ist, um Drehmoment zwischen dem Motor und dem Generator zu übertragen, wobei die Antriebskupplung weiterhin gestaltet ist, um eine nicht-schwingende relative Rotation zwischen dem Motor und dem Generator zuzulassen, wenn der Generator bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird.
In noch einer weiteren Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine bereit, welches den Schritt umfasst, einen Generator des Maschinensystems mit einem Motor des Maschinensystems zu rotieren, wobei der Generator einen Geschwindigkeitsbereich aufweist, der eine mit Resonanzvibrationen des Systems assoziierte Resonanzgeschwindigkeit umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des Erzeugens von Resonanzvibrationen des Maschinensystems, indem der Generator mit Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird, und Unterdrücken der Übertragung von Resonanzvibrationen vom Generator zum Motor, was das Zulassen eines relativen rotatorischen Schlupfes innerhalb einer zwischen dem Motor und dem Generator angebrachten Antriebskupplung umfasst, wenn der Generator bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine seitliche schematische Ansicht einer Maschine, welche ein Stromversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel aufweist;
2 ist eine seitliche Schnittansicht, in mehrfachen Ausschnittsebenen, eines Teils einer Antriebskupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 ist eine andere seitliche Schnittansicht, ebenfalls is mehrfachen Ausschnittsebenen, einer Teils einer Antriebskupplung ähnlich der 2;
4 ist eine Explosionszeichnung eines Teils der in 2 und 3 gezeigten Antriebskupplung; und
5 ist ein Graph, der die Motorgeschwindigkeit relativ zur Generatorgeschwindigkeit während des Starts des Maschinen-/Stromversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
Genaue Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist eine Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Maschine 10 weist typischerweise eine mobile elektrische Antriebsmaschine mit einem Rahmen 12 auf, auf dem ein Stromversorgungssystem 11 angebracht ist. Das Stromversorgungssystem 11 kann einen Motor 16 aufweisen, der in der Lage ist, einen Generator 18 zu drehen, der in der Lage ist, elektrische Energie für die Maschine 10 zu erzeugen. Die Maschine 10 kann weiterhin einen Satz von Elementen aufweisen, die den Kontakt mit dem Boden herstellen, wie beispielsweise Ketten 14, von denen nur eine in 1 sichtbar ist, um die Maschine 10 anzutreiben. Die Maschine 10 weist typischerweise ebenso eine Antriebskupplung 20 auf, die in der Lage ist, Drehmoment zwischen dem Motor 16 und dem Generator 18 zu übertragen, welche eine Ausgestaltung und eine Arbeitsweise aufweist, die Vorteile gegenüber früheren Strategien bieten, insbesondere im Hinblick auf die Belastung von Maschinenbauteilen und Laufruhe im Betrieb, wie hier im Weiteren beschrieben.
Zumindest ein Elektromotor 15 kann zudem vorgesehen sein, welcher mit dem Generator 18 gekoppelt ist, und dazu dient, die Ketten 14 anzutreiben. Der Motor 15 bildet mit den Ketten 14, der Antriebskupplung 20 und dem Stromversorgungssystem 11 ein Antriebssystem für die Maschine 10. Obwohl die Maschine 10 im Zusammenhang einer kettengetriebenen Arbeitsmaschine eines Typs gezeigt ist, wie sie meist auf Baustellen, im Bergbau, bei der Forstarbeit, im Straßenbau etc. verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Es sollte demzufolge auch ersichtlich sein, dass eine große Vielzahl an Maschinen, mobil und stationär, in den Bereich der vorliegenden Offenbarung fallen kann. Es ist jedoch vorherzusehen, dass bestimmte Maschinen mit elektrischem Antrieb, die einen vergleichsweise hohen Energiebedarf haben, und die vergleichsweise große Generatoren verwenden, durch die Umsetzung der hierin ausgeführten Lehren besonders profitieren werden.
Wie oben bereits erwähnt, ist die Antriebskupplung 20 in der Lage, Drehmoment zwischen dem Motor 16 und dem Generator 18 zu übertragen. Zu diesem Zweck kann die Antriebskupplung 20 ein Motorschwungrad 22 aufweisen oder daran gekoppelt sein, welches seinerseits durch eine Motorausgangswelle 23 angetrieben wird. Die Rotation des Schwungrads 22 dreht eine Generatoreingangswelle 24 mittels einer Antriebskupplung 20, welche ihrerseits den Generator 18 rotiert und elektrische Energie auf herkömmliche Weise erzeugt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Ausgangswelle 23 und Eingangswelle 24 in einer koaxialen Anordnung gezeigt, es können jedoch auch Getriebe mit parallelen Achsen, Antriebsketten, Riemen etc. in Ausführungsbeispielen verwendet werden, in denen Ausgangswelle 23 und Eingangswelle 24 nicht koaxial angeordnet sind. Zudem werden aus Gründen, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich sind, Systeme, die im Gegensatz zu anderen Stromerzeugungseinrichtungen herkömmliche Generatoren verwenden, eher dazu neigen, Probleme zu zeigen, die durch die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise angesprochen werden. Der Begriff „Generator" soll jedoch nicht so strikt eingeschränkt werden, dass er Wechselstromgeneratoren und ähnliches ausschließt.
Der Generator 18 kann beispielsweise eine Geschwindigkeitsspanne bzw. Drehzahlbereich aufweisen, die eine mit Resonanzvibrationen bzw. Resonanzschwingungen des Generator-/Motorsystems assoziierte Resonanzgeschwindigkeit bzw. Resonanzdrehzahl umfasst. In einem Ausführungsbeispiel kann das Rotieren des Generators 18 bei Resonanzgeschwindigkeit, beispielsweise bei 300–400 U/min dazu führen, dass Torsionsresonanzvibrationen von zumindest entweder dem Motor 16 oder dem Generator 18 an die Antriebskupplung 20 übertragen werden. Die Antriebskupplung 20 stellt Mittel zum Unterdrücken der Übertragung von Resonanzvibrationen zwischen der Eingangswelle 24 und der Ausgangswelle 23 und somit zum Unterdrücken der Übertragung solcher Resonanzvibrationen zwischen anderen Bestandteilen des Stromversorgungssystems 11 bereit. Das Unterdrücken der Übertragung von Resonanzvibrationen wie hierin beschrieben ist insbesondere dafür gedacht, um hohe Drehmomentspitzen zu vermeiden, die aus der Widerspiegelung/Wechselwirkung der Trägheit zwischen dem Motor 16 und dem Generator 18 resultieren. Dies sorgt für ein laufruhigeres Durchlaufen durch bestimmte Bereiche der Geschwindigkeitsspanne des Generators 18, als es ansonsten möglich gewesen wäre. Zudem neigen Resonanzvibrationen nicht nur dazu, Energie zu verschwenden und Bauteile zu beanspruchen, sondern können es in einigen Fällen erschweren oder sogar unmöglich machen, durch eine Geschwindigkeitsspanne hindurch zu beschleunigen oder abzubremsen, die eine Resonanzgeschwindigkeit umfasst. In einem Ausführungsbeispiel kann die Resonanzgeschwindigkeit in einem niedrigeren Bereich der Geschwindigkeitsspanne des Generators 18 liegen, beispielsweise in einem Teil der Geschwindigkeitsspanne, die beim Starten der Maschine 10 durchlaufen wird, und der vor einer Generatorgeschwindigkeit liegt, die ausreichend ist, um genügend elektrische Energie für einen gewöhnlichen Betrieb der Maschine zu produzieren. Mit anderen Worten, der Generator 18 kann eine Geschwindigkeitsspanne aufweisen, die sowohl einen Startbereich aufweist, der einer geringeren Motorgeschwindigkeit als dem niedrigen Leerlauf entspricht, und einen Arbeitsbereich, der Motorgeschwindigkeiten oberhalb dem niedrigen Leerlauf entspricht.
Fachleute werden verstehen, dass die Resonanzgeschwindigkeit des Generators 18 typischerweise mit der inneren Massenträgheit des Generators wie auch anderen Masse-Feder-Eigenschaften des Stromversorgungssystems 11 assoziiert ist. Vergleichsweise größere Generatoren, die in der Lage sind ausreichend elektrische Leistung für den Antrieb von Baumaschinen und Ähnlichem abzugeben, werden dazu neigen, vergleichsweise höhere innere Massenträgheiten aufzuweisen. Solche Generatoren werden demzufolge dazu neigen, mit den Vibrationen der ersten harmonischen Frequenzen eines Stromversorgungssystems assoziiert zu sein, dessen einer Teil der Generator ist, wenn er bei vergleichsweise geringeren Geschwindigkeiten als kleinere Generatoren rotiert wird. Während Änderungen in der Steifigkeit von Bauteilen und anderen Maschineneigenschaften verwendet werden kann, um das Masse-Feder-System zu modifizieren und somit den Wert der Generatorresonanzgeschwindigkeit zu beeinflussen, soll die vorliegende Offenbarung ein direktes Mittel zum Ansprechen der harmonischen Vibrationen bereitstellen, ohne auf eine Neugestaltung des Maschinensystems zurückzugreifen. Bis zu dem Ausmaß, dass die Resonanzgeschwindigkeit in dem vorliegenden Zusammenhang vollkommen angepasst sein kann, kann es vorteilhaft sein, wenn die Resonanzgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeitsspanne vergleichsweise niedrig eingestellt ist, um es zu ermöglichen, dass mit den anstehenden Problemen eher während des Startens umgegangen wird, anstatt in Situationen, in denen die Maschine 10 tatsächlich Arbeiten ausführt.
Das Unterdrücken der Übertragung von Resonanzvibrationen zwischen dem Generator 18 und dem Motor 16, wenn der Generator bei der Resonanzgeschwindigkeit (oder innerhalb einer Resonanzgeschwindigkeitsspanne) betrieben wird, kann erreicht werden, indem eine nicht-schwingende relative Rotation zwischen der Ausgangswelle 23 und der Eingangswelle 24 über die Antriebskupplung 20 zugelassen wird. Zu diesem Zweck kann die Antriebskupplung 20 derart gestaltet sein, dass sie einen relativen Schlupf zwischen ihren Bauteilen zulässt, anstatt das durch Resonanzvibrationen hervorgerufene Drehmoment zu übertragen. Insbesondere kann die Antriebskupplung 20 ein erstes Element 30 aufweisen, welches befestigt ist, um mit dem Motor 16 zu rotieren, und ein zweites Element, welches aus der mit einem Reibelement 28 gekoppelten Eingangswelle 24 bestehen kann, das befestigt ist, um mit dem Generator 18 zu rotieren. Wenn der Generator 18 bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird, kann das Reibelement 28 bezüglich des Elements 30 rutschen, beispielsweise ansprechend auf ein Drehmoment, das durch Resonanzvibrationen hervorgerufen wird. Eine Vorspanneinrichtung 26 kann vorgesehen sein, welche beispielsweise eine Federkraft aufweist, und welche gestaltet ist, um das Element 30 in einen vorgespannten Eingriff mit dem Reibelement 28 zu bringen. Es ist zu beachten, dass das Reibelement 28 in anderen Versionen zusätzlich zum Reibelement 28 auch bezüglich anderer Maschinenbauteile rutschen kann. Zudem kann, anders als eine Feder, auch ein Strömungsmittelaktuator oder eine andere Vorrichtung verwendet werden, um die jeweiligen Elemente in einen vorgespannten Eingriff zu bringen. Es ist weiter zu beachten, dass die 1 nur eine schematische Darstellung ist und dass die genaue Anordnung von Bauteilen, d. h. welches Element gegen welches andere Element vorgespannt wird etc., von dem in 1 Gezeigten abweichen kann. Dies wird aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden.
Die zuvor genannten Bestandteile, Element 30, Vorspanneinrichtung 26, und Reibelement 28 können Teile einer passiven Kupplung 19 sein, die eine Kupplungskraft bzw. Kupplungskapazität aufweist, die zumindest teilweise durch die Vorspanneinrichtung 26 definiert wird. Wenn ein ausreichendes Drehmoment oder eine ausreichende Drehmomentsdifferenz auf die Antriebskupplung 20 aufgebracht wird, wird eine das Reibelement 28 mit dem Element 30 in Verbindung haltende Reibkraft überwunden, und sie werden relativ zueinander rutschen, um das Übertragen des Drehmoments durch die Antriebskupplung 20 zu unterbinden. Der Motor 16 wird eine Ausgangsdrehmomentspanne aufweisen, und die Vorspanneinrichtung 26 kann beispielsweise eine Federkraft aufweisen, die eine Kupplungskraft bzw. Kupplungskapazität definiert, die höher ist als die Ausgangsdrehmomentspanne des Motors 16. Dies wird es der Antriebskupplung 20 erlauben, den relativen rotatorischen Schlupf zu verhindern, wenn der Motor innerhalb seiner Ausgangsdrehmo mentspanne betrieben wird, aber die Übertragung eines Drehmoments zu verhindern, das größer ist als dasjenige, für das der Motor 16, der Generator 18, oder andere Bauteile ausgelegt sind. In anderen Ausführungsbeispielen, in denen eine aktive Kupplung oder ähnliches verwendet wird, welche beispielsweise einen Strömungsmittelaktuator aufweisen, kann eine vergleichsweise präzisere Steuerung zur Verfügung stehen, so dass beispielsweise der Kupplungsdruck reduziert werden kann, um einen relativen Schlupf der jeweiligen Bauteile zueinander zuzulassen, wenn Resonanzvibrationen detektiert oder für wahrscheinlich erachtet werden. Wie hierin verwendet bezieht sich der „Schlupf" auf eine nicht-schwingende relative Rotation im Gegensatz zu derjenigen relativen Rotation, wie sie durch eine Federkupplung und Ähnlichem zugelassen werden würde. In einem aktiven Kupplungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung muss der Schlupf nicht notwendigerweise ansprechend auf Resonanzvibrationen auftreten, sondern könnte stattdessen zugelassen werden, wenn der Generator 18 davor steht, in einen Geschwindigkeitsbereich einzutreten, in dem Resonanzvibrationen möglich oder wahrscheinlich sind.
In den 2 und 3 ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Antriebskupplung 20 dargestellt, das einige ihrer inneren Bestandteile zeigt, und ebenfalls Teile des Generators 18 und einen Teil seines Rotors 17 zeigt. Die Antriebskupplung 20 kann ein Gehäuse 21 umfassen, das darin ein Getriebe 50 aufweist, welches mehrere Zahnräder 50a und 50b aufweist. Das Gehäuse 21 kann mit dem Generator 18 gekoppelt sein und sich um das Schwungrad 22 derart erstrecken, dass das Getriebe 50, das Schwungrad 22 und verschiedene andere Bauteile innerhalb einer umschlossenen Umgebung untergebracht sind. Insbesondere kann das Gehäuse 21 einen Innenraum 60 definieren, in dem die Bauteile untergebracht sind, der eine Ölnebelumgebung bildet. Maschinen wie die Maschine 10 können in staubigen oder nassen Umgebungen operieren, und können in einigen Fällen einige der Bestandteile ihres Antriebsstrangs in Wasser eintauchen. An und für sich kann ein ölgekühltes System für die Kupplung 19 und andere Bauteile innerhalb des Gehäuses 21 eine praktische Umsetzungsstrategie sein, obwohl die vorliegende Offenbarung darauf nicht beschränkt ist und eine andere Kühlstrategie in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden könnte.
Nun mit Bezug insbesondere auf 3 kann sich ein Ölzuführdurchlass 68 für das Getriebe in dem Zahnrad 50a befinden, und kann mit einer Vielzahl von Verteilungsdurchlässen 70 verbunden sein, die gestaltet sind, um Öl in den Raum 60 und auf verschiedene der anderen Bauteile zur Kühlung und Schmierung derselben zu schleudern. Ein Spalt 74 kann durch das Gehäuse 21 und eine hier beschriebene Gegendruckplatte 30 definiert werden, um es Öl oder Ölnebel zu gestatten, von einer Seite der Gegendruckplatte 30 zur anderen zu gelangen. Ein weiterer Satz Ölverteilungsdurchlässe 72 kann sich im Schwungrad 22 befinden, um es Öl oder Ölnebel zu gestatten, durch das Schwungrad 22 hindurch zu gelangen. Noch ein weiterer Satz Ölverteilungsdurchlässe 76 kann in der Gegendruckplatte 30 selbst vorgesehen sein. Eine in 2 gezeigte Rücklauföffnung 33 kann vorgesehen sein, um Öl aus dem Gehäuse 21 zur darauf folgenden Kühlung und Wiederverteilung abzuleiten.
Auch mit Bezug auf 4 wird eine Explosionsansicht einiger Bauteile der Antriebskupplung 20 gezeigt. Die Gegendruckplatte 30 kann mit dem Schwungrad 22 mittels einer Vielzahl von Bolzen 40 gekoppelt sein. Eine Feder- oder Torsionskupplung 34, die an einem Nabenadapter 38 angebracht und eingerichtet ist, um darauf die Eingangswelle 24 anzubringen, die Reibscheibe 28, der Kolben 32 und eine Vorspanneinrichtung 26 können alle durch das Verschrauben der Gegendruckplatte 30 mit dem Schwungrad 22 miteinander gekoppelt werden. Der Kolben 32 kann mit dem Schwungrad 22 mittels einer Verzahnung im Eingriff stehen, und der Nabenadapter 38 kann ebenfalls mit der Eingangswelle 24 mittels einer Verzahnung im Eingriff stehen, wenn alle jeweiligen Bauteile in der Maschine 10 zusammengesetzt sind. Es ist zu beachten, dass die gezeigte Ausgestaltung der Federkupplung 34 nur beispielhaft ist und eine große Vielzahl anderer Anordnungen stattdessen verwendet werden kann. In noch weiteren Ausführungsbeispielen könnte eine Federkupplung auch aus der Ausgestaltung weggelassen werden.
Die Vorspanneinrichtung 26 besteht aus einer Tellerfeder, die zusammengedrückt wurde, um ihre Federkraft gegen den Kolben 32 auszuüben und dadurch die Reibscheibe 28 zwischen dem Kolben 32 und der Gegendruckplatte 30 einzuspannen. Andere Federarten können verwendet werden. Die Vorspanneinrichtung 26 kann eine Federkraft aufweisen, die eine Kapazität der Kupplung 19 definiert, wobei die Kapazität der Kupplung auf einem Ausgangsdrehmoment des Motors 16 basiert, wie ebenfalls hierin beschrieben. Die Reibscheibe 28 kann auf der Federkupplung 34 mit jeglichen geeigneten Mitteln montiert sein, wie beispielsweise mit Bolzen oder einer Verzahnung, und befestigt sein, um damit zu rotieren. Die Federkupplung 34 kann möglicherweise eine Vielzahl von Federn 35 aufweisen und ist gestaltet, um eine schwingende Drehnachgiebigkeit zwischen dem Generator 18 und dem Motor 16 zuzulassen. In dem gegenwärtig beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Kolben 32 und die Gegendruckplatte 30 befestigt, um mit dem Schwungrad 22 zu rotieren, wohingegen der Nabenadapter 38, die Federkupplung 34 und die Reibscheibe 28 befestigt sind, um mit der Generatoreingangswelle 24 zu rotieren. Wenn durch die Eingangswelle 24 genügend Drehmoment auf den Nabenadapter 38 aufgebracht wird, beispielsweise verursacht durch Resonanzvibrationen des Systems 11, wird die Reibscheibe 38 rutschen, was schliesslich eine nicht-schwingende relative Rotation zwischen dem Motor 16 und dem Generator 18 erlaubt.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben besprochen, kann die erste harmonische Frequenz des Systems 11 mit einer Generatorgeschwindigkeit assoziiert sein, die sich in einem niedrigeren Bereich befindet, wie beispielsweise in einer unteren Hälfte einer Generatorgeschwindigkeitsspanne, obwohl die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Somit wird der Generator 18 in vielen Ausführungsbeispielen die Resonanzgeschwindigkeit beim Starten und auch beim Abschalten durchlaufen. Es ist weiter zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung einer Resonanzgeschwindigkeit nicht derart verstanden werden soll, dass angedeutet wird, dass nur eine exakte Anzahl an Umdrehungen pro Minute (RPM) mit Resonanzvibrationen assoziiert sein wird. Resonanzvibrationen können zu jedem Zeitpunkt beginnen, sich aufzubauen, an dem der Generator innerhalb einer bestimmte Spanne an Geschwindigkeiten betrieben wird. Der genaue zeitliche Ablauf des Schlupfes oder nicht-schwingender relativer Rotation kann eher von dem Drehmoment abhängig sein, das von den Torsionsvibrationen im System hervorgerufen wird, als von der tatsächlichen Generatorgeschwindigkeit. Somit werden in manchen Fällen die harmonischen Vibrationen umso größer werden, je länger der Generator 18 bei einer Resonanzgeschwindigkeit betrieben wird. Dann könnte die Tatsache, ob und wann die Antriebskupplung 20 rutscht, nicht nur von der bestimmten Generatorgeschwindigkeit abhängig sein, sondern auch davon, wie schnell die Generatorgeschwindigkeit steigt oder fällt. Wenn eine ausreichende Drehmomentdifferenz durch die Kupplung 20 hindurch auftritt, wird die Reibscheibe 28 rutschen, was das Übertragen von Drehmoment durch die Antriebskupplung 20 unterbindet. In Ausführungsbeispielen, in denen eine aktive Kupplung anstelle einer passiven Kupplung 19 verwendet wird, kann der Schlupf innerhalb der Antriebskupplung 20 beispielsweise durch Verringern des Kupplungsdrucks zugelassen werden.
In 5 ist ein Graph gezeigt, der die Generatorgeschwindigkeit mittels der Linie G und die Motorgeschwindigkeit mittels der Linie E während eines typischen Starts zeigt. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Motor 16 anfangen, den Generator 18 anzutreiben. Die Generatorgeschwindigkeit wird typischerweise rasch mit der Motorgeschwindigkeit ansteigen. Schließlich wird der Generator 18 beginnen, in einen Geschwindigkeitsbereich einzutreten, der mit Resonanzvibrationen des Systems assoziiert ist, beispielsweise zu einem Zeitpunkt t₁. Wie hierin beschrieben, können Resonanzvibrationen ein Drehmoment in dem System hervorrufen, das zu dem von dem Motor 16 ausgegebenen Drehmoment hinzugefügt wird oder ihm entgegenwirkt, oder wechselweise beides tut. Wenn eine Differenz in dem Drehmoment, das auf diejenigen Bauteile der Antriebskupplung 20 wirkt, die gestaltet sind, um zu rutschen, eine Schwelle erreicht, die die Kapazität der Kupplung 19 überschreiten kann, dann wird ein Schlupf auftreten. Der Schlupf innerhalb des Systems wird dazu neigen, das Übertragen von Resonanzvibrationen zwischen dem Generator 18 und dem Motor 16 zu unterbinden und wird folglich das Übertragen potentiell beschädigender, ärgerlicher, zu Verschwendung führender und aus sonstigen Gründen unerwünschter Drehmomente und Gegendrehmomente an den Motor 16 verhindern.
Es ist zu beachten, dass der Graph der 5 nur anschaulich ist und die Generator- und Motorgeschwindigkeitsabweichungen etwas überhöht sein können. In einigen Fällen kann die Verfolgung der Geschwindigkeit nicht tatsächlich einen klar zu identifizierenden Zeitpunkt darstellen, an welchem der Schlupf und/oder das Wiedereingreifen der Antriebskupplung 20 stattfindet. Wenn anstelle der Geschwindigkeit das Drehmoment überwacht wird, dann werden Drehmomentspitzen, wie sie mit Systemen assoziiert werden, die keine Antriebskupplung 20 aufweisen, dazu neigen, während einer Zeitspanne, in der Resonanzvibrationen auftreten, besonders intensiv zu sein. Bei Verwendung einer Antriebskupplung 20 werden solche Drehmomentspitzen zu Zeiten, die dem Auftreten von Schlupf innerhalb der Antriebskupplung 22 entsprechen, typischerweise zu geringerer Größe gestutzt.
Es ist zu beachten, dass der Motor 16 fortfährt, den Generator 18 anzutreiben, auch wenn Schlupf auftritt, und die durchschnittliche Generatorgeschwindigkeit G weiterhin steigt, trotz Geschwindigkeitsschwankungen, die aufgrund der Resonanzvibrationen auftreten können. Schließlich wird die Generatorgeschwindigkeit ungefähr zum Zeitpunkt t₂ über einen Bereich hinaus angestiegen sein, in dem Resonanzvibrationen gehäuft auftreten, und wird schließlich zum Zeitpunkt t₃ bis zu einem mehr oder weniger beständigen Bereich ansteigen, der einem niedrigen Leerlaufbereich des Motors 16 entspricht.
In vielen bekannten Systemen werden Generatoren verwendet, die entweder nicht dazu neigen, Resonanzvibrationen innerhalb ihrer Betriebsgeschwindigkeitsspanne zu erleben oder hervorzurufen, oder die wenn sie es tun, nicht auf unerwünschte Weise mit anderen Systembauteilen interagieren. In ande ren Fällen können möglicherweise Steifigkeit, Masseneigenschaften und Drehmomentkopplungen in dem Versuch angepasst werden, die Geschwindigkeit, bei der harmonische Vibrationen auftreten, zu senken oder zu erhöhen, um sie außerhalb einer normalen Geschwindigkeitsspanne eines bestimmten Systems zu platzieren. Ein Nachteil eines solchen Ansatzes ist, dass neue mechanisch-dynamische Probleme erzeugt werden können. Die vorliegende Offenbarung stellt ein direktes Mittel zum Ansprechen der die Resonanzvibrationen begleitenden Probleme bereit, ohne Systembauteile neu gestalten zu müssen. Mit anderen Worten, es ist unnötig, die Bauteilsteifigkeit, die Masseneigenschaften und ähnliches um die Notwendigkeit herum anzupassen, Vibrationen zu vermeiden. Die Verwendung einer Antriebskupplung, wie hierin beschrieben, ermöglicht es auch, dass die Federkupplung 34 verwendet wird, um das gesamte Massen-Feder-System getrennt von der Steuerung der Generatorresonanzvibrationen anzupassen. Weiterhin kann die vorliegende Offenbarung, obgleich sie nicht streng auf ein Ölkühlstrategie beschränkt ist, insbesondere auf ölgekühlte Kupplungen anwendbar sein, weil diese häufig eine vergleichsweise geringere Toleranz gegenüber Winkelabweichungen als luftgekühlte Kupplungen aufweisen, und in Anwendungsfällen wünschenswert sind, in denen das System zumindest teilweise unter Wasser getaucht sein kann.
Die vorliegende Beschreibung dient nur zu anschaulichen Zwecken und sollte nicht derart interpretiert werden, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung in jeglicher Weise eingeschränkt wird. Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den vorliegenden offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne von dem gesamten und fair?? Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können, obwohl sich die vorliegende Offenbarung primär auf die Verwendung einer passiven Kupplung konzentriert, andere Mittel wie beispielsweise aktive Kupplungen, in denen der Kupplungsdruck variiert werden kann, um den Schlupf zuzulassen, vorgesehen werden. Weiterhin können in solchen Systemen anstelle des Ermöglichens von Schlupf andere Mittel zum Zulassen einer nicht-schwingenden relativen Rotation verwendet werden, beispielsweise das wechselweise Ein- und Ausrücken einer Antriebskupplung. Andere Aspekte, Eigenschaften und Vorteile werden durch eine Untersuchung der beiliegenden Zeichnungen und anhängenden Patentansprüche deutlich werden.

Claims

Ein Stromversorgungssystem (11) für eine Maschine (10), welches folgendes aufweist: einen Generator (18), der gestaltet ist, um elektrische Energie für die genannte Maschine (10) zu erzeugen, wobei der genannte Generator (18) einen Geschwindigkeitsbereich aufweist, der eine Resonanzgeschwindigkeit beinhaltet, die mit Resonanzvibrationen des genannten Systems 11 assoziiert ist; einen zur Drehung des Generator (18) ausgebildeten Motor (16); und eine Antriebskupplung (20), die ein erstes Element (30) aufweist, das befestigt ist, um mit dem genannten Motor (16) zu rotieren, und ein zweites Element (34), das befestigt ist, um mit dem Generator (18) zu rotieren, wobei die genannten ersten und zweiten Elemente (30, 34) gestaltet sind, um sich drehend aneinander anzukoppeln, um Drehmoment von dem Motor (16) zu dem Generator (18) zu übertragen, wobei die genannte Antriebskupplung (20) weiterhin gestaltet ist, um einen relativen Schlupf zwischen den genannten ersten und zweiten Elementen (30, 34) zu erlauben, wenn der Generator (18) bei der genannten Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird.
Das System (11) gemäß Anspruch 1, wobei der Motor (16) eine Ausgangsdrehmomentspanne aufweist, und wobei die Antriebskupplung (20) eine Kupplung (19) aufweist, die eine Kupplungskapazität aufweist, die einem Drehmoment entspricht, das höher als die genannte Ausgangsdrehmomentspanne ist.
Das System (11) gemäß Anspruch 2, wobei der Geschwindigkeitsbereich des Generators (18) eine Arbeitsspanne für das genannte Stromversorgungssystem (11) und eine zweite, niedrigere Spanne als die genannte Arbeitsspanne aufweist, und wobei sich die Resonanzgeschwindigkeit innerhalb der zweiten Spanne befindet.
Das System (11) gemäß Anspruch 2, wobei: die genannte Kupplung (19) weiterhin eine Reibscheibe (28) aufweist, die gestaltet ist, um Drehmoment zwischen den ersten und zweiten Elementen (30, 34) zu übertragen, sowie eine Vorspanneinrichtung (26), die die genannte Reibscheibe (28) gegen die ersten und zweiten Elemente (30, 34) vorspannt, wobei die genannte Vorspanneinrichtung (26) zumindest teilweise die genannte Kupplungskapazität bestimmt und gestaltet ist, um es der Reibscheibe (28) zu gestatten, ansprechend auf Resonanzvibrationen bezüglich zu einem der beiden ersten und zweiten Elemente (30, 34) zu rutschen; die Kupplung (19) eine passive Kupplung mit einem Kolben (32) und einer Gegendruckplatte (30) aufweist, wobei die genannte Gegendruckplatte (30) drehbar mit entweder dem Motor (16) oder dem Generator (18) gekoppelt ist; und die Vorspanneinrichtung (26) eine Tellerfeder mit einer Federkraft aufweist und gestaltet ist, um die Reibscheibe (28) zwischen dem genannten Kolben (32) und der Gegendruckplatte (30) mittels der genannten Federkraft einzuspannen.
Das System (11) gemäß Anspruch 4, welches weiterhin eine Federkupplung (34) aufweist, die gestaltet ist, um eine schwingende Drehnachgiebigkeit zwischen dem Generator (18) und dem Motor (16) vorzusehen.
Eine Maschine (10), welche aufweist: einen Rahmen (12); einen an dem genannten Rahmen (12) angebrachten Motor (16); einen Generator (18), der gestaltet ist, um elektrische Energie für die Maschine (10) zu erzeugen und der mit dem Motor (16) gekoppelt ist, wobei der Generator (18) einen Geschwindigkeitsbereich aufweist, der eine Resonanzgeschwindigkeit beinhaltet, die mit Resonanzvibrationen des genannten Systems (11) assoziiert ist; und eine Antriebskupplung (20), die gestaltet ist, um Drehmoment von dem Motor (16) zu dem Generator (18) zu übertragen, wobei die Antriebskupplung (20) weiterhin gestaltet ist, um einen relativen Schlupf zwischen den ersten und zweiten Elementen (30, 34) zu erlauben, wenn der Generator (18) bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird.
Die Maschine gemäß Anspruch 6, welche ein Antriebssystem für die Maschine (10) aufweist, welches den Generator (18), den Motor (16), und die Antriebskupplung (20) aufweist, sowie elektrisch angetriebene mit dem Boden in Eingriff tretenden Elemente (14), die mit dem Generator (18) gekoppelt sind, um die Maschine (10) anzutreiben; wobei der Motor (16) eine Ausgangswelle (23) aufweist und der Generator (18) eine mit der Ausgangswelle (23) koaxiale Eingangswelle (24) aufweist, wobei die Antriebskupplung (20) weiterhin eine Kupplung (19) aufweist, die mit jeder der Eingangs- und Ausgangswellen (24, 23) gekoppelt ist und gestaltet ist, um zu rutschen, um eine nicht-schwingende Rotation zwischen den genannten Eingangs- und Ausgangswellen (23, 24) zuzulassen, ansprechend auf Resonanzvibrationen von zumindest entweder dem genannten Motor (16) und/oder dem genannten Generator (18).
Die Maschine (10) gemäß Anspruch 7, welche eine elektrisch angetriebene Gleiskettenzugmaschine umfasst, die eine erste Kette (14) und eine zweite Kette aufweist, die die genannten mit dem Boden in Eingriff tretenden Elemente (14) umfassen, wobei die Antriebskupplung (20) weiterhin eine Federkupplung (34) aufweist, die gestaltet ist, um eine schwingende Drehnachgiebigkeit zwischen der Ausgangswelle (23) und der Eingangswelle (24) und einer Reibscheibe (28) zuzulassen, welche gestaltet ist, um Drehmoment zwischen der Ausgangswelle (23) und der Eingangswelle (24) zu übertragen, wobei die Reibscheibe (28) weiterhin befestigt ist, um mit entweder der Eingangswelle (24) oder Ausgangswelle (23) zu rotieren, und gestaltet ist, um bezüglich der anderen der Eingangswelle (24) und der Ausgangswelle (23) zu rutschen, um die genannte nicht-schwingende relative Rotation zuzulassen.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Maschinensystems (11), das die folgenden Schritte umfasst: Rotieren eines Generators (18) des Maschinensystems (11) mittels eines Motors (16) des Maschinensystems (11), wobei der genannte Generator (18) einen Geschwindigkeitsbereich aufweist, der eine Resonanzgeschwindigkeit be inhaltet, die mit Resonanzvibrationen des genannten Systems 11 assoziiert ist; Erzeugen von Resonanzvibrationen des Maschinensystems (11), indem der Generator (18) bei der Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird; und das Unterbinden der Übertragung von Resonanzvibrationen zwischen dem Generator (18) und dem Motor (16), was das Zulassen eines relativen rotatorischen Schlupfes innerhalb einer Antriebskupplung (20) umfasst, welche zwischen dem Motor (16) und dem Generator (18) angebracht ist, wenn der Generator (18) bei Resonanzgeschwindigkeit rotiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei: der Schritt des Rotierens das Rotieren des Generators (18) mittels eines Drehmoments innerhalb einer Motorausgangsdrehmomentspanne umfasst, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Verhinderns eines relativen rotatorischen Schlupfes innerhalb der Antriebskupplung (20) umfasst, wenn der Generator (18) durch ein Drehmoments innerhalb der Motorausgangsdrehmomentspanne mittels einer Kupplung (19) rotiert wird, welche eine Kapazität aufweist, die zumindest teilweise auf der Motorausgangsdrehmomentspanne basiert; der Schritt des Zulassens eines relativen rotatorischen Schlupfes weiterhin das Zulassen eines relativen rotatorischen Schlupfes mittels der Kupplungen (19) umfasst; und der Schritt des Erzeugens von Resonanzvibrationen zudem das Erzeugen von Resonanzvibrationen bei einer Generatorgeschwindigkeit umfasst, die innerhalb einer unteren Hälfte des Generatorgeschwindigkeitsbereichs liegt und einer Motorgeschwindigkeit entspricht, die geringer ist als eine Motorleerlaufdrehzahl.