DE102015008778B4 - Hybrides Antriebskonzept für ein Kettenfahrzeug mit zwei angetriebenen Kettenpaaren - Google Patents

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Abstract

Leichtes Kettenfahrzeug, eine Fahrzeugwanne (1), einen Verbrennungsmotor (2), ein Schaltgetriebe (4), ein Differentialgetriebe (5), einen Generator (3), mindestens einen Elektromotor (8) und Antriebsketten (7) aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verbrennungsmotor (2) ein Schaltgetriebe (4) und einen Generator (3) antreibt, – das Schaltgetriebe (4) ein Differentialgetriebe (5) zum Lenken und zum Antrieb des leichten Kettenfahrzeugs antreibt, – das Differentialgetriebe (5) rechts- und linksseitig der Fahrzeugwanne (1) mit jeweils einer Antriebskette (7) verbunden ist, – der Generator (3) mindestens den einen Elektromotor (8) und einen elektrischen Energiespeicher (9) energetisch versorgt und – der mindestens eine Elektromotor (8) mit jeweils einer weiteren Antriebskette (10) rechts- und linksseitig der Fahrzeugwanne (1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein hybrides Antriebskonzept für leichte Kettenfahrzeuge.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 747 929 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Kettenfahrzeug bekannt. Der Hybridantrieb betrifft einen Antrieb für ein Kettenfahrzeug mit einer Antriebswelle, die zwei Kettenantriebsräder antreibt und mindestens einer Differentialgetriebeanordnung, durch welche eine Lenkdrehzahl eines Lenkantriebs auf mindestens ein Kettenantriebsrad überlagerbar ist, wobei die Antriebswelle mit mindestens einer elektrischen Maschine in Antriebsverbindung steht, welche als Generator oder Elektromotor betreibbar ist und wobei die Antriebswellen einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine über ein Überlagerungsgetriebe miteinander kuppelbar sind.
  • Weiter ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 009 030 A1 ein Antrieb für ein Kettenfahrzeug bekannt, mit einer Antriebswelle die zwei Kettenantriebsräder antreibt, und mindestens einer Differentialgetriebeanordnung, durch welche eine Lenkdrehzahl eines Lenkantriebs auf mindestens ein Kettenantriebsrad überlagerbar ist, wobei die Antriebswelle aus einer elektrischen Maschine in Antriebsverbindung steht, welche als Generator oder Elektromotor betreibbar ist und über eine schaltbare Kupplung mit einem Verbrennungsmotor koppelbar ist sowie ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist, der im Geratorbetrieb aufladbar ist.
  • Aus der Patentschrift DE 198 50 606 B4 ist ein Kettenfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einem Generator sowie einem auf beiden Seiten des Kettenfahrzeugs jeweils angeordneten Antrieb, bestehend aus einem elektrischen Fahrmotor und mindestens einem mechanischen Getriebe sowie mindestens einer mechanischen Bremse bekannt, wobei mindestens ein Bauelement innerhalb des Läufers des Elektromotors angeordnet ist, wobei der elektrische Fahrmotor in ein erstes, als Feststufe vorgesehenes Planetengetriebe eintreibt, welches wiederum ein Planetengetriebe antreibt, das mit der Kupplung schaltbar ist, wobei die Antreibe auch zum Lenken des Kettenfahrzeugs dienen.
  • Die Patentschrift US 5 517 416 A offenbart eine Traktionskontrolle für Kettenfahrzeuge. Die Erfindung betrifft eine Steuerung der Leistungsverteilung an Raupenketten im Gelände um einen wirksame Verbindung zwischen Raupenkette und Fahrbahn herzustellen. Erfindungsgemäß werden die Lasten an den Raupenketten aufgenommen und paarweise über die Diagonale (vorne rechte und hinten links bzw. vorne links und hinten rechts) aufsummiert. Sofern eine Raupenkette den Bodenkontakt verloren hat, ist die Differenz der Summen oberhalb eines bestimmten Wertes. Ist der Wert überschritten wird der Kettenkasten der Raupenkette verdreht, bis Bodenkontakt hergestellt wurde.
  • Und schließlich ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2011 111 822 A1 ein Kettenfahrzeug betroffen, mit beidseitig an dem Fahrzeug angeordneten Gleisketten, die jeweils durch ein heck- oder frontseitig an dem Kettenfahrzeug angeordnetes erstes Kettentriebrad antreibbar sind und die von den Kettentriebrädern axial gegenüberliegenden Umlenkräder gelenkt werden, wobei die ersten Kettentriebräder über mindestens ein Getriebe von einem als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmotor antreibbar sind, und wobei der Antriebsmotor zur Stromerzeugung elektrischer Verbraucher mit einem Generator verbunden ist. Um eine Steigerung der Antriebsleistung bei vorhandenen Kettenfahrzeugen zu erreichen, bei denen zwar ein leistungsstärkerer Antriebsmotor, aber das bereits vorhandene Getriebe weiter verwendet werden soll, schlägt die Erfindung vor, eine Leistungsverzweigung vorzusehen, wobei ein Teil der durch Einsatz des leistungsstärkeren Antriebsmotors sich ergebenden Leistung, wie bisher, durch das vorhandene Getriebe auf die Gleisketten übertragen wird, und wobei der sich ergebende Leistungszuwachs mit Hilfe mindestens eines mit dem Antriebsmotor verbundenen Generators in elektrische Energie umgewandelt wird, mit der dann auf die Umlenkräder wirkende Elektromotoren angetrieben werden. Dadurch wird über den elektrischen Anteil der Zuwachs an Motorleistung ebenfalls auf die Gleisketten übertragen und zur Mobilitätsverbesserung des Kettenfahrzeuges genutzt.
  • Leichte militärische Kettenfahrzeuge werden unter anderem zur Feuerunterstützung der Infanterie, zum Kampf sowohl gegen weiche Ziele als auch bedingt gegen harte Ziele, sowie gegen langsam und niedrig fliegende Luftfahrzeuge – insbesondere Hubschrauber eingesetzt. Sie dienen Aufklärungs-, Führungs-, Wirkungs- und Unterstützungszwecken.
  • Die Überlebensfähigkeit der Besatzung hängt aufgrund des eingeschränkten ballistischen Schutzes leichter Kettenfahrzeuge im Wesentlichen von der Mobilität derer ab. Diese wiederum wird konzeptionell bedingt durch eine Beschädigung bzw. Zerstörung einer Kette nahezu vollständig aufgehoben.
  • Aus dem Systemkontext des Kettenfahrzeugs ergeben sich weitere Anforderungen hinsichtlich des Antriebssystems, die z. T. gegensätzlicher Natur sind. Aus Gründen der Luftverladbarkeit ist einerseits eine geringe Gesamtmasse des Fahrzeuges gewünscht, die wiederum ein leichtes Antriebssystem bedingt. Um hingegen eine hohe Beweglichkeit unter verschiedensten Bedingungen zu gewähren, sind hohe Antriebsleistungen erforderlich, die bisweilen schwere, leistungsstarke Antriebsaggregate gefordert haben. Bekannte Lösungen hybrid angetriebener Kettenfahrzeuge mit beispielsweise seriellem Hybrid als Dieselelektrisches Antriebskonzept tragen aufgrund ihres zusätzlichen Gewichts weiter zur Verringerung der Beweglichkeit bei. Darüber hinaus wirkt sich die hiermit verbundene Reduzierung der Nutzlast negativ auf die Einsatztauglichkeit des Fahrzeugs aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein hybrides Antriebskonzept für leichte Kettenfahrzeuge vorzustellen, bei dem die Fortbewegung bei Ausfall einer Kette möglich ist, die Antriebsleistung steigerbar ist und der Aktionsradius bzw. die Durchhaltefähigkeit durch Energierückgewinnung vergrößerbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass ein leichtes Kettenfahrzeug mit einem geteilten Laufwerk – entsprechend zwei Ketten auf jeder Fahrzeuglängsseite – und zwei unterschiedlichen Antrieben ausgerüstet ist. Der erste Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor, welcher mit einem mehrstufigen Getriebe gekoppelt ist. Für zugkraftunterbrechnungsfreies Beschleunigen kommt ein Automatikgetriebe oder ein Doppelkupplungs-Schaltgetriebe zum Einsatz. Zu Gunsten einer besseren Gewichtsbilanz wird vorzugsweise ein Starter-Generator, anstelle des Wandlers beim Automatikgetriebe, bzw. anstelle des konventionellen Schwungrades beim Doppelkupplungs-Schaltgetriebe verbaut. Im Anschluss an das Schaltgetriebe ist eine sogenannte elektrische Lenkeinheit angeflanscht, welche ein gewöhnliches mechanisches Differentialgetriebe durch elektrische Komponenten ergänzt.
  • Die elektrische Lenkeinheit ist idealerweise mit einer Nullwelle versehen, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Drehzahlen der Nullwelle werden der der Differentialausgänge in je einem Planetengetriebe pro Abtriebsseite überlagert. Diese Form der Einleitung der Lenkbewegung erlaubt im Gegensatz zu der reinen elektrischen Lenkung (jeweils ein Elektromotor pro Antriebsseite) einen deutlich geringeren Leistungsbedarf aller elektrischer Komponenten und baut daher wesentlich kompakter und leichter.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen leichten Kettenfahrzeugs ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Die Überlebensfähigkeit eines militärischen Fahrzeugs ist unter anderem abhängig von dessen Mobilität. Ein wesentlicher Nachteil von Kettenfahrzeugen ist der völlige Verlust der Mobilität beim Ausfall einer Kette. Das erfindungsgemäße Antriebskonzept ist derart ausgelegt, dass die Elekktromotoren der hinteren Ketten in Kombination mit der gespeicherten elektrischen Energie in den Energiespeichern in der Lage sind, das leichte Kettenfahrzeug auch ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors über kurze Distanzen anzutreiben. Der Verlust einer Kette führt daher bei der geteilten Kettenlaufwerksanordnung nicht mehr zwangsläufig zum völligen Verlust der Mobilität. Vielmehr ist es nun möglich das Fahrzeug im signaturarmen rein elektrischen Modus zu betreiben.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 beschrieben. Lenkgetriebe von Kettenfahrzeugen sind bekanntermaßen Differentialgetriebe, deren Ausgangswellen über ein Summierungsgetriebe durch eine Nullwelle die notwendige Differenzdrehzahl aufsummiert wird. Die Nullwelle wird dabei hydrostatisch angetrieben und je nach notwendigem Kraftbedarf hydrodynamisch unterstützt. Für leichte Kettenfahrzeuge ist dieser Mehraufwand aufgrund geringerer Drehmomente nicht notwendig. Erfindungsgemäß wird auf den hydraulischen Antrieb inklusive der hydraulischen Verrohrungen und entsprechender Leitungen sowie auf die hydrodynamische Unterstützung verzichtet. Die Aufgabe Drehzahlunterschiede an den Abtriebsachsen des Lenkgetriebes zu erzeugen, geschieht erfindungsgemäß rein elektrisch, durch einen Elektromotor, welcher die Nullwelle antreibt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 4 beschrieben. Zur Steigerung der Überlebensfähigkeit ist es vorteilhaft zwei Ketten auf einer Fahrzeuglängsseite anzubringen, um eine Restmobilität des Fahrzeugs bei Ausfall einer Kette zu gewährleisten. Um die Größe der Elektromotoren hierbei möglichst gering zu halten, werden die Anforderungen an die Fahrleistungen und die minimal fahrbaren Lenkradien reduziert. Alternativ können die Elektromotoren durch eine Überlagerung von Bremsmomenten – hervorgerufen durch mechanische Reibbremsen – bei Lenkmanövern unterstützt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine der Kettenpaare einen hybridisierten Antriebsstrang aufweist (elektrisch-mechanisch in einer parallelen bzw. leistungsverzweigten Anordnung) und das zweite Kettenpaar rein elektrisch angetrieben wird. Durch diese Anordnung kann die maximale Effizienz des gesamten Antriebsstranges bei minimalem Gesamtgewicht erzielt werden. Darüber hinaus können alle der nachstehend aufgelisteten Betriebsmodi realisiert werden:
    Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors (durch zusätzliche Last der Elektromotoren der vorderen oder der hinteren Kettenpaare), rekuperatives Bremsen (Elektromotoren der vorderen oder der hinteren Kettenpaare oder beide gleichzeitig), rein elektrischer Fahrbetrieb (durch reinen Antrieb der hinteren Kettenpaare), Notbetrieb mit verminderter Performance (durch den Antrieb jeweils eines Kettenpaares), Boosting des Verbrennungsmotors (durch zusätzliche Unterstützung der Elektromotoren der vorderen oder der hinteren oder beider Kettenpaare).
  • Die Energiespeicher können getrennt für die Versorgung der vorderen oder der hinteren Kettenpaare ausgeführt sein, oder komplett vernetzt sein. Die Reichweite im rein elektrischen Modus kann missionsspezifisch durch die bedarfsgerechte Installation von Energiespeichermodulen angepasst werden (in Kombination mit Kraftstofftank)
  • Je nach Betriebspunkt- und Strategie kann dem Verbrennungsmotor eine zusätzliche Last durch einen Elektromotor auferlegt werden. Das kann z. B. ein parallel zum Schaltgetriebe angeordneter Starter-Generator sein, aber auch Elektromotoren, die im elektrischen Lenkdifferential eingebunden sind. Denkbar ist ebenfalls eine „Erzeugung” elektrischer Energie mit Hilfe der Elektromotoren der hinteren Kettenteile, welche über den Untergrund mit den vorderen Ketten kraftschlüssig verbunden sind.
  • Der elektrische Antrieb bietet darüber hinaus den Vorteil auf einfache Weise Bremsenergie in den Speicher zurückzuleiten (Rekuperation) Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 5 beschrieben.
  • Weitere Vorteile des Antriebskonzeptes liegen in der flexibleren Anordnung einzelner Komponenten, wie z. B. die Leistungselektronik und die Energiespeicher. Insbesondere durch die geeignete Positionierung letzterer wird die Schwerpunktlage des Fahrzeuges positiv beeinflusst.
  • In Patentanspruch 6 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beschrieben, indem für eine kurzzeitige Leistungssteigerung die Elektromotoren mit Energie aus dem Energiespeicher versorgt werden und der Verbrennungsmotor lediglich die mechanisch angetriebenen Ketten antreibt. In Verbindung mit den elektrisch angetriebenen Ketten steigt die Antriebsleistung des leichten Kettenfahrzeugs über die installierte Leistung des Verbrennungsmotors (Boosting).
  • Es zeigt die einzige 1 den Antriebsstrang eines erfindungsgemäßen leichten Kettenfahrzeugs in der Draufsicht.
  • Es zeigt 1 eine Fahrzeugwanne 1 in der ein Verbrennungsmotor 2, ein an den Verbrennungsmotor 2 angeflanschter Starter-Generator 3 und an diesen angeflanscht ein mehrstufiges Schaltgetriebe 4, untergebracht sind. An das mehrstufige Schaltgetriebe 4 schließt sich ein Differential-Summierungsgetriebe 5 an. Die Lenkbewegung des leichten Kettenfahrzeugs wird erzeugt von einem Elektromotor 6, welche die Nullwelle des Differential-Summierungsgetriebes antreibt. Die Antriebswellen des Differential-Summierungsgetriebes 5 sind verbunden mit jeweils einer Antriebskette 7 einer Seite des leichten Kettenfahrzeugs. Weiterhin werden die Akkumulatoren 9 und die Elektromotoren 8 des zweiten Kettenpaares 10 durch den Starter-Generator 3 energetisch versorgt. Das zweite Kettenpaar 10 wird rein elektrisch angetrieben, während das erste Kettenpaar 7 hybridisch angetrieben ist. Zur Verbesserung der Fahrleistungen im rein elektrischen Fahr- und Notfallbetrieb sind die Steckachsen der Differential-Summierungsgetriebe mit Scheibenbremsen 11 ausgestattet, die u. a. zur Unterstützung der Lenkbewegung dienen. Die Elektromotoren 8 sind darüber hinaus geeignet als Generator zu fungieren und durch rekuperatives Bremsen die Akkumulatoren 9 entsprechend zu speisen. Darüber hinaus sind die Elektromotoren 8 zur Einsparung von Bauraum direkt in das Summierungslenkgetriebe integriert.

Claims (6)

  1. Leichtes Kettenfahrzeug, eine Fahrzeugwanne (1), einen Verbrennungsmotor (2), ein Schaltgetriebe (4), ein Differentialgetriebe (5), einen Generator (3), mindestens einen Elektromotor (8) und Antriebsketten (7) aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verbrennungsmotor (2) ein Schaltgetriebe (4) und einen Generator (3) antreibt, – das Schaltgetriebe (4) ein Differentialgetriebe (5) zum Lenken und zum Antrieb des leichten Kettenfahrzeugs antreibt, – das Differentialgetriebe (5) rechts- und linksseitig der Fahrzeugwanne (1) mit jeweils einer Antriebskette (7) verbunden ist, – der Generator (3) mindestens den einen Elektromotor (8) und einen elektrischen Energiespeicher (9) energetisch versorgt und – der mindestens eine Elektromotor (8) mit jeweils einer weiteren Antriebskette (10) rechts- und linksseitig der Fahrzeugwanne (1) verbunden ist.
  2. Leichtes Kettenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Elektromotors (8) und des Energiespeichers (9) zum Betrieb des leichten Kettenfahrzeugs ausreicht.
  3. Leichtes Kettenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe (5) ein elektrisch betriebenes Lenkgetriebe ist.
  4. Leichtes Kettenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass rechts- und linksseitig der Fahrzeugwanne mindestens zwei Ketten mit Antrieb angeordnet sind und ein Antrieb hybridisch und ein Antrieb elektrisch ist.
  5. Leichtes Kettenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) zur Rückgewinnung der Bremsenergie geeignet ist.
  6. Leichtes Kettenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors (2) Energie aus dem Energiespeicher (9) nutzt.
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