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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie beim Betrieb eines auf Rädern bewegten Fahrzeuges.
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Der Betrieb eines Fahrzeuges ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine meist durch einen eigenen Antrieb erzeugte translatorische Bewegung ausführt, die geradlinig oder kurvenförmig sein kann. Zur Steuerung des Fahrzeuges wird diese translatorische Bewegung in ihren Parametern häufig verändert, was insbesondere im Eisenbahnverkehr einen hohen Energiebedarf mit sich bringt. Denn gerade im Eisenbahnverkehr müssen die Züge mit einem hohen Leergewicht oft anhalten und wieder anfahren, wobei insbesondere beim Anfahren aufgrund der hohen Masse viel Energie benötigt wird, um den Zug auf die gewünschte Geschwindigkeit zu bringen. Andererseits wird beim Abbremsen des Zuges die in der Bewegung des Zuges steckende kinetische Energie in Wärme umgesetzt und verbleibt somit ungenutzt.
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Es gab Bestrebungen, diese kinetische Energie beim Verzögern des Schienenfahrzeuges in Schwungmassenspeichern zwischenzuspeichern, wodurch die so gespeicherte Energie dann im nächsten Anfahrprozess verwendet werden kann. Allerdings hat die Speicherung in Schwungmassenspeichern den Nachteil, dass diese Speicher sehr groß und schwer sind und daher mit einem vertretbaren Volumen nur ein sehr geringer Anteil der Energie speicherbar ist. Darüber hinaus verursachen derartige Schwungmassenspeicher enorme Kosten und Massen auf den Fahrzeugen.
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Eine Speicherung der kinetischen Energie in Form von elektrischer Energie in Akkumulatoren hat sich im Bereich des Eisenbahnverkehrs als nicht wirtschaftlich herausgestellt, da die benötigten Kapazitäten auf den Schienenfahrzeugen enorme Kosten für die Anschaffung und für die Wartung mit sich bringen. Die dadurch eingesparte Energie steht hierzu in keinem vernünftigen Verhältnis.
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Aus der
DE 10 2011 100 307 A1 ist eine Entkopplungsvorrichtung für ein landgebundenes Personenkraftfahrzeug bekannt, die zur verbesserten Entkopplung der Karosserie von Anregungen der Räder des Kraftfahrzeuges dient, welche durch Unebenheiten in der Fahrbahn induziert werden. Zu diesem Zweck sind zwei Entkopplungsteile vorgesehen, wobei das erste Entkopplungsteil eine Pneumatikfeder oder eine Stahlfeder ist und dazu dient, überwiegenden den statischen Teil der Lagerkraft zwischen Rad und Karosserie aufzubringen. Das zweite Entkopplungsteil weist eine verstellbare Hydraulikanordnung auf, mit deren Hilfe die Federdämpfercharakteristik variiert werden kann und dient dazu, überwiegend den dynamischen Anteil der Lagerkraft zwischen Rad und Karosserie aufzufangen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie beim Betrieb eines auf Rädern bewegten Fahrzeuges anzugeben, mit der insbesondere im Eisenbahnverkehr die Speicherung und Rückgewinnung von kinetischer Energie möglich ist, ohne dass große Massen oder kostenverursachende Zusatzelemente auf den Fahrzeugen installiert werden müssen.
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 sowie mit Vorrichtungen mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 7 und 9 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie beim Betrieb eines auf Rädern bewegten Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, vorgeschlagen, das eine Hebe- und Senkvorrichtung zum vertikalen Anheben und Absenken eines bewegbaren Teils des Fahrzeuges hat. Die Hebe- und Senkvorrichtung weist hierbei eine Getriebeanordnung auf, die eine Rotationsbewegung, die beispielsweise von den Rädern oder der Antriebswelle geliefert werden kann, in eine Hebebewegung bzw. Hubbewegung des bewegbaren Teils des Fahrzeuges und andersherum umsetzen kann. Mit der Hebe- und Senkvorrichtung lässt sich somit kinetische Energie aus der Rotationsbewegung der Räder oder der Antriebswelle in Form von potentieller Lageenergie durch Anheben des bewegbaren Teils des Fahrzeuges speichern. Andersherum lässt sich dabei durch die Anhebung gespeicherte potentielle Lageenergie durch Absenkung zurückgewinnen, wobei bei der Absenkung des bewegbaren Teils des Fahrzeuges die translatorische Bewegung der Absenkung in eine Rotationsbewegung und dazugehörige Kräfte umgesetzt wird.
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Des Weiteren ist eine schaltbare Kupplung vorgesehen, die zum lösbaren Verbinden der Getriebeanordnung der Hebe- und Senkvorrichtung mit mindestens einem Rad und/oder mindestens einer Antriebswelle des Fahrzeuges zum Übertragen von Drehmomenten ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich die Hebe- und Senkvorrichtung im Betrieb variabel zu- bzw. abschalten, so dass die Hebe- und Senkvorrichtung in einem Verzögerungsbetrieb bzw. in einem Beschleunigungsbetrieb des Fahrzeuges zugeschaltet ist, während sie im Übrigen Betrieb abgeschaltet ist.
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Schließlich ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche die Hebe- und Senkvorrichtung und die enthaltene Getriebeanordnung so ansteuert, dass zur Speicherung von Energie mittels der schaltbaren Kupplung die Verbindung zwischen dem mindestens einem Rad und/oder der mindestens einen Antriebswelle und der Getriebeanordnung der Hebe- und Senkvorrichtung hergestellt wird, wobei die Getriebeanordnung dann so angesteuert wird, dass die Rotationsbewegung des mindestens einen Rades und/oder der mindestens einen Antriebswelle in ein Anheben des bewegbaren Teils des Fahrzeuges mittels der Hebe- und Senkvorrichtung umgesetzt wird. Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung so eingerichtet, dass sie zur Rückgewinnung von Energie eine Verbindung zwischen dem mindestens einem Rad und/oder der mindestens einen Antriebswelle und der Getriebeanordnung der Hebe- und Senkvorrichtung mittels der schaltbaren Kupplung herstellt, wobei die Getriebeanordnung dann so angesteuert wird, dass die Absenkung des bewegbaren Teils des Fahrzeuges in eine Rotationsbewegung des mindestens einen Rades und/oder der mindestens einen Antriebswelle mittels der Hebe- und Senkvorrichtung umgesetzt wird.
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Für ein Schienenfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung bedeutet dies, dass beispielsweise im Bremsbetrieb, beispielsweise vor einem Bahnhof, die schaltbare Kupplung eine Verbindung zwischen den Rädern/Antriebswelle und der Getriebeanordnung herstellt, so dass aufgrund der Rotationsbewegung der Räder/Antriebswelle ein Anheben des bewegbaren Teils des Fahrzeuges bewirkt wird. Gleichzeitig wird das Schienenfahrzeug aufgrund der Umwandlung der Energie (von kinetischer Energie hin zu potenzieller Lageenergie) verlangsamt, wodurch insbesondere auch die Bremsung unterstützt werden kann. Im Bahnhof selber steht dann dem Schienenfahrzeug aufgrund der Anhebung des bewegbaren Teils des Fahrzeuges eine entsprechende Energiereserve zur Verfügung, die dann durch eine entsprechende Ansteuerung der Getriebeanordnung so genutzt werden kann, dass durch ein Absenken des bewegbaren Teils des Fahrzeuges eine Rotationsbewegung und die damit einhergehenden Drehmomente erzeugt werden, so dass der Anfahrprozess hierdurch unterstützt oder gar vollständig aus dem Energiespeicher durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Getriebeanordnung mindestens ein Getriebe auf, das eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung zum Anheben des bewegbaren Teils des Fahrzeuges und/oder eine Translationsbewegung beim Absenken des bewegbaren Teils des Fahrzeuges in eine Rotationsbewegung umsetzt.
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Die Getriebeanordnung ist darüber hinaus so ausgebildet, dass je nach Drehrichtung einerseits die Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung zum Anheben des Fahrzeuges umgesetzt werden kann, andererseits die Translationsbewegung beim Absenken des bewegbaren Teils des Fahrzeuges in eine gewünschte Drehrichtung für eine Rotationsbewegung umgesetzt werden kann. Somit kann sichergestellt werden, dass zum einen im Vorwärtsfahrbetrieb mit Hilfe der Getriebeanordnung ein Anheben des bewegbaren Teils des Fahrzeuges realisiert werden kann und darüber hinaus beim Absenken ebenfalls eine Rotationsbewegung erzeugt werden kann, die zum Antreiben der Räder beziehungsweise zum Anlegen eines Antriebsdrehmomentes für eine Vorwärtsbewegung genutzt werden kann. Denkbar ist allerdings auch, dass hierfür zwischen der Hebe- und Senkvorrichtung und den Rädern/Antriebswelle ein zusätzliches Getriebe vorgesehen ist, um die Drehrichtung zu steuern.
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Vorteilhafterweise weist die Getriebeanordnung mindestens ein mechanisches, elektrisches, elektromagnetisches, pneumatisches und/oder hydraulisches Getriebe auf. Ein solches Getriebe kann beispielsweise zur Drehmomentwandlung und/oder zum Umsetzen einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung ausgebildet sein.
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So kann die Getriebeanordnung beispielsweise ein mechanisches Getriebe aufweisen, das insbesondere ein Zahnradgetriebe, ein Schraubgetriebe, ein Reibradgetriebe, ein Zugmittelgetriebe, ein Koppelgetriebe, ein Schubkurbelgetriebe oder eine Kombination dieser Getriebearten sein kann.
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Darüber hinaus kann die Getriebeanordnung mindestens ein Getriebe mit wenigstens einer Gewindestange, wenigstens einem übersetzten Seilzug und/oder wenigstens einem Kniehebel aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist es denkbar, dass die Getriebeanordnung mindestens ein pneumatisches Getriebe mit wenigstens einem Druckluftzylinder und/oder Luftfederbalg aufweist und/oder Teil der Luftfederung des Fahrzeuges ist. So ist es vorteilhaft, wenn die Getriebeanordnung in die Luftfederung des Fahrzeuges integriert wird, sodass Teile einer bereits vorhandenen Luftfederungsanordnung als Teil eines pneumatischen Getriebes verwendet werden können. Somit kann das pneumatische Getriebe der Hebe- und Senkvorrichtung dazu eingerichtet sein, zur Federung und/oder Niveauregulierung des Fahrzeuges beizutragen und/oder Bestandteil der Federung und/oder Niveauregelung des Fahrzeuges zu sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Kupplung beispielsweise eine hydraulische Kupplung sein.
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Darüber hinaus ist es denkbar, dass die schaltbare Kupplung mit dem Bremssystem derart verbunden ist, dass durch ein Betätigen des Bremssystems automatisch ein Schalten der Kupplung zum Verbinden mindestens einen Rades und/oder mindestens einer Antriebswelle mit der Getriebeanordnung der Hebeund Senkvorrichtung ausgelöst wird. So ist es beispielsweise bei Schienenfahrzeugen denkbar, dass die Kupplung automatisch mit dem Abfall des Luftdrucks in der Bremsluftleitung auf den regulären Bremsdruck angelegt wird.
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Anheben und Absenken im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet immer eine (netto) Bewegung in Richtung entgegengesetzt (Anheben) oder mit (Absenken) der Erdanziehungskraft.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 – schematische Darstellung eines Schienenfahrzeuges mit erfindungsgemäßer Vorrichtung.
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1 zeigt ein Schienenfahrzeug 1, dass eine Mehrzahl von Rädern 2 hat, auf denen das Schienenfahrzeug 1 spurgebunden auf Schienen fahren kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 stehen die Räder 2 mechanisch mit jeweils einem Getriebe 3 in Verbindung, wobei die Getriebe 3 zusammen die Getriebeanordnung bilden. Zusammen mit Führungselementen 4, an denen der Wagenkasten 5 gegenüber den Rädern 2 vertikal geführt bewegt werden kann, wird die Hebe- und Senkvorrichtung geschaffen, mit der der Wagenkasten 5 des Schienenfahrzeuges 1 gegenüber den Rädern 2 vertikal angehoben und abgesenkt werden kann.
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In der mechanischen Verbindung zwischen den Rädern 2 und dem jeweiligen Getriebe 3 ist eine Kupplung 6 vorgesehen, welche eine mechanische Verbindung zwischen den Rädern 2 und dem jeweiligen Getriebe 3 herstellen und auflösen kann. Über eine Steuereinrichtung 7 können sowohl die Getriebe 3 als auch die Kupplungen 6 entsprechend der vorliegenden Erfindung gesteuert werden. Dies soll nun kurz erläutert werden.
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Befindet sich das Schienenfahrzeug 1 in Bewegung und bedingt die vorliegende Streckenführung eine Bremsung des Schienenfahrzeuges 1 aufgrund eines Einlaufens in einen Bahnhof, so soll die bei der Bremsung in Wärmeenergie umgewandelte kinetische Energie möglichst effizient gespeichert werden. Hierfür steuert die Steuereinrichtung 7 die Kupplungen 6 so an, dass die Kupplungen 6 geschlossen werden, so dass eine mechanische Wirkverbindung zwischen den Rädern 2 und dem Getriebe 3 besteht. Die Getriebe 3 sind dabei so ausgebildet, dass sie eine Rotationsbewegung, die von den Rädern des Schienenfahrzeuges bereitgestellt wird, in eine translatorische Bewegung umsetzen, so dass hierüber die kinetische Energie der Rotationsbewegung in eine potentielle Lageenergie umgewandelt werden kann.
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Hierfür steuert die Steuereinheit 7 die Getriebe 3 so an, dass bei der vorliegenden Drehrichtung der Räder 2 die Getriebe 3 eine translatorische Bewegung ausführen, die zum Anheben des Wagenkastens 5 führt. Sind die Kupplungen 6 geschlossen, so wird die Rotationsbewegung der Räder 2 auf die Getriebe 3 übertragen, so dass sich der Wagenkasten 5 des Schienenfahrzeuges 1 langsam anhebt.
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Die Getriebe 3 sind hoch übersetzte Getriebe, beispielsweise mechanische, elektrische, elektromagnetische, pneumatische und/oder hydraulische Getriebe und können so die relativ schnelle Drehbewegung der Räder 2 in eine langsame und stetige translatorische Bewegung zum Anheben des Wagenkastens 5 umsetzen. Das Anheben des Wagenkastens 5 erfolgt dabei entgegengesetzt zur Erdanziehungskraft.
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Wurde die maximale Anhebehöhe der Hebe- und Senkvorrichtung erreicht, so werden die Kupplungen 6 getrennt und die Getriebe 3 so angesteuert, dass eine Arretierung des Wagenkastens 5 in der angehobenen Höhe erfolgt. So kann ein unbeabsichtigtes Absenken des Wagenkastens 5 verhindert werden.
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Nach dem Einlaufen im Bahnhof wird das Schienenfahrzeug vollständig in den Stillstand heruntergebremst. Der Wagenkasten 5 ist dabei vorzugsweise auf seine maximale Höhe angehoben. Erhält der Fahrzeugführer des Schienenfahrzeuges nun die Freigabe zur Weiterfahrt, so benötigt das Schienenfahrzeug für die Anfahrt relativ viel Energie.
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Für diesen Fall steuert die Steuereinheit 7 nun sowohl die Kupplungen 6 als auch die Getriebe 3 entsprechend so an, dass zum einen eine mechanische Wirkverbindung zwischen den Getrieben 3 und den jeweiligen Rädern 2 besteht und zum anderen das durch ein Absenken des Wagenkastens 5 die Getriebe 3 die beim Absenken des Wagenkastens 5 entstehende translatorische Bewegung in eine rotatorische Bewegung in Fahrrichtung umsetzen.
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Die durch das Anheben des Wagenkastens 5 gespeicherte potentielle Lageenergie kann nun in Form eines Antriebsmomentes über die Getriebe 3 auf die Räder 2 umgesetzt werden, so dass die Anfahrt des Schienenfahrzeuges 1 wesentlich unterstützt werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass durch das Absenken des Wagenkastens 5 ein entsprechendes Antriebsmoment auf die Räder 2 aufgebracht werden kann, kann der Energieverbrauch zum Beschleunigen des Schienenfahrzeuges auf die gewünschte Fahrgeschwindigkeit deutlich reduziert werden.
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Nach dem vollständigen Absenken des Wagenkastens 5 auf die minimale Senkhöhe werden die Kupplungen 6 geöffnet und dadurch die Verbindung zwischen Rädern 2 und Getriebe 3 aufgelöst.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, insbesondere bei schweren Fahrzeugen, wie beispielsweise Schienenfahrzeugen, die in einem derartigen Fahrzeug bei Bewegung innewohnende kinetische Bewegungsenergie beim Abbremsen in eine potentielle Lageenergie umzuwandeln und bei Bedarf die so gespeicherte potentielle Lageenergie wieder zurück in eine kinetische Bewegungsenergie umzusetzen. Dies geschieht durch das Anheben und Absenken des Wagenkastens des jeweiligen Fahrzeuges 1 bzw. des in vertikaler Richtung bewegbaren Teils des Fahrzeuges
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug, Schienenfahrzeug
- 2
- Rad, Räder
- 3
- Getriebeanordnung, Getriebe
- 4
- Führungselemente
- 5
- bewegbares Teil, Wagenkasten
- 6
- Kupplung
- 7
- Steuereinrichtung, Steuereinheit
