DE102015221552B4

DE102015221552B4 - System zur Rückgewinnung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015221552B4
Application number: DE102015221552.0A
Authority: DE
Inventors: Adrian Homutescu
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2035-11-04
Also published as: DE102015221552A1

Abstract

System (1) zur Rückgewinnung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug, wobei das System (1) eine Federeinheit (2) und eine Zahnradkupplung (6) aufweist,wobei die Federeinheit (2) aufweist- eine Federbatterie (3),- ein Federgehäuse (5), undwobei die Zahnradkupplung (6) aufweist- ein Achsrad (7), das starr an einer Fahrzeugachse (16) anbringbar ist, so dass das Achsrad (7) von der Fahrzeugachse (16) angetrieben werden kann,- ein Schwungrad (8), koaxial mit dem Achsrad (7),- ein Schaltrad (9), das das Achsrad (7) und das Schwungrad (8) derart verbindet, dass sich das Schwungrad (8) in eine Richtung entgegengesetzt zum Achsrad (7) dreht,- ein Antriebsrad (10), das in einem ersten Zustand über eine stirnseitige zweiseitige Kupplung (11) mit dem Achsrad (7) verbunden werden kann, oder das in einem zweiten Zustand über die stirnseitige zweiseitige Kupplung (11) mit dem Schwungrad (8) verbunden werden kann, oder das in einem dritten Zustand von dem Achsrad (7) und dem Schwungrad (8) getrennt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner aufweist- einen Federschieber (4),- eine Zahnstange (12), die das Antriebsrad (10) über den Federschieber (4) mit der Federbatterie (3) verbindet, wobei eine Drehbewegung des Antriebsrads (10) zu einer geradlinigen Bewegung der Zahnstange (12) führt und umgekehrt, und- eine Zahnradverbindungsvorrichtung (13), aufweisend mindestens ein Sperrteil (14) zum Sperren und Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Rückgewinnung und Speicherung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug, insbesondere bei einem hybrid oder elektrisch betriebenen Fahrzeug und weiterhin insbesondere bei einem hybrid oder elektrisch betriebenen Auto.
Es ist bekannt, dass beim Bremsen in einem hybrid und elektrisch betriebenen Fahrzeug ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs über einen elektrischen Energiegenerator in chemische Energie umgewandelt werden kann. Diese chemische Energie kann auf Anforderung verwendet werden, um das Fahrzeug anzutreiben, das heißt, die chemische Energie kann über einen Elektromotor wieder zurück in mechanische Energie umgewandelt werden. Es ist ferner bekannt, dass beim Bremsen bei Fahrzeugen, die mit einer hydraulischen Bremse zur Energierückgewinnung ausgestattet sind, ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs in Druckenergie umgewandelt werden kann, die als Bremsdruckmittel gespeichert werden kann. Diese Druckenergie kann auf Anforderung verwendet werden, um Bremsen des Fahrzeugs während des normalen Bremsens zu betätigen.
Gemäß den vorgenannten Techniken wird Energie in verschiedene Formen der Energie umgewandelt und wieder zurück gewandelt, wobei jede Umwandlung eine spezifische Effizienz und damit einen Verlust bedeutet. Außerdem ist die in solchen Technologien enthaltene Ausrüstung kostspielig. Ferner können Fahrzeuge ohne einen elektrischen oder hybriden Antrieb während des Bremsens keine größeren Mengen kinetischer Energie wiedergewinnen.
Die gattungsbildende DE 7 037 A offenbart eine Vorrichtung zur Speicherung der lebendigen Kraft der Pferdebahnwagen beim Anhalten aufzunehmen und beim Anfahren wieder zu benutzen.
DE 15 606 A offenbart eine Bremsbacke in Verbindung mit einer Feder und einem ausrückbaren Getriebe und einer durch Feder oder Coulisse geführten Sperrklinke.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives System zur Rückgewinnung und Speicherung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, wobei das System ein Anfahren des Fahrzeugs mit einem geringeren Verbrauch für einen Motor des Fahrzeugs unterstützen kann, das Bremsen des Fahrzeugs bei einem Notfall durch Ergänzen des normalen Bremsens unterstützen kann und ein ineffizientes Bremsen ausgleichen kann, wenn eine Betriebsbremsenfunktionalität verringert ist, d. h. wenn Bremsbeläge abgenutzt sind.
Das Problem wird durch das System nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche, die folgende Beschreibung und die Zeichnungen zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Rückgewinnung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug geeignet und weist eine Federeinheit und eine Zahnradkupplung auf.
Die Federeinheit weist eine Federbatterie, einen Federschieber und ein Federgehäuse auf. Das Federgehäuse ist ein Konstruktionselement, das mit einer Autostruktur verbunden werden kann und das die Federbatterie, die eine oder mehr Federn aufweisen kann, aufnehmen und führen kann. Der Federschieber ist ein Verbindungsteil zwischen der Zahnstange und der Federbatterie. Die Federeinheit kann skalierbar sein, wobei eine Vielzahl von speziellen Konfigurationen von einer oder mehreren Federn, insbesondere aus Stahl, möglich sein kann, die zu einem verfügbaren Raum passen und auch einen gewünschten Wert an gespeicherter Energie erreichen. Die Federbatterie kann eine nicht-lineare elastische Charakteristik haben, wodurch die Federbatterie Energie auf einem Betätigungsbereich entsprechend einem geringeren Bremsbedarf sowie einem höheren Bremsbedarf speichern kann. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann je nach den Abmessungen der Federbatterie bzw. des Federpakets und der Gestaltung des Antriebsstrangs des Fahrzeugs mehr oder weniger Energie speichern. Ferner kann das Federgehäuse Führungsflächen entsprechend Führungsstangen des Federschiebers aufweisen. Außerdem kann das Federgehäuse bzw. ein Federunterbringungsraum gekrümmt sein.
Die Zahnradkupplung weist ein Achsrad auf, das starr an einer Fahrzeugachse angebracht werden kann, so dass das Achsrad durch die Fahrzeugachse angetrieben werden kann. Nach einem Aspekt der Erfindung kann das Achsrad starr an einer Autoachse angebracht sein oder zusammen mit der Autoachse ein einteiliges Element bilden.
Ein Schwungrad der Zahnradkupplung ist mit dem Achsrad koaxial. Vorzugsweise können das Achsrad und das Schwungrad koaxial mit der Fahrzeugachse angeordnet sein.
Die Zahnradkupplung weist ferner ein Schaltrad auf, welches das Achsrad und das Schwungrad derart verbindet, dass sich das Schwungrad in eine Richtung entgegengesetzt zu der des Achsrads dreht. Mit anderen Worten dreht das Schaltrad die Drehrichtung des Achsrads in Bezug auf das Schwungrad um und umgekehrt.
Ein Antriebsrad der Zahnradkupplung kann - in einem ersten Zustand - über eine stirnseitige zweiseitige Kupplung mit dem Achsrad verbunden sein. In einem zweiten Zustand kann das Antriebsrad über die stirnseitige zweiseitige Kupplung mit dem Schwungrad verbunden sein. In einem dritten Zustand kann das Antriebsrad von dem Achsrad und dem Schwungrad getrennt sein. Das System weist Mittel auf, die dazu geeignet sind, das Antriebsrad derart zu bewegen, dass es sich entweder im ersten, im zweiten oder im dritten Zustand befindet. Außerdem kann ein Lager radial zwischen dem Antriebsrad und dem Achsrad angeordnet sein.
Die Zahnradkupplung weist auch eine Zahnstange auf, die das Antriebsrad über den Federschieber mit der Federbatterie verbindet, wobei eine Drehbewegung des Antriebsrads zu einer geradlinigen Bewegung der Zahnstange führt und umgekehrt. Die Zahnstange ist dazu geeignet, sich gemäß dem Zustand des Antriebsrads hin und her zu bewegen. Es können Führungsmittel vorgesehen sein, die dazu geeignet sind, die Zahnstange so zu führen, dass die beabsichtigte hin- und hergehende Arbeitsrichtung der Zahnstange bewahrt wird. Nach einem Aspekt der Erfindung können sich solche Führungsmittel auf dem Federgehäuse befinden.
Eine Zahnradverbindungsvorrichtung der Zahnradkupplung weist mindestens ein Sperrteil zum Sperren und Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads auf. Die Zahnradverbindungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, die durch irgendein Betätigungsverfahren zum Überführen (bei Bedarf) und Halten des Antriebsrads entweder im ersten, im zweiten oder im dritten Zustand geeignet ist. Eine mögliche Instanziierung einer solchen Zahnradverbindungsvorrichtung, die eine beabsichtigte Betätigung bereitstellt, kann ein Solenoid sein mit einer neutralen, einer nicht erregten und einer Mittelposition, was die Entwicklung einer Kraft ermöglicht, um das Antriebsrad in Kontakt mit entweder dem Achsrad, dem Schwungrad oder keinem von diesen über die Geometrie der stirnseitigen zweiseitigen Kupplung zu bringen und zu halten. Das Sperrteil ist dazu geeignet, eine Drehbewegung des Antriebsrads zu sperren, falls sich das Antriebsrad in seinem dritten Zustand befindet, d. h. das Antriebsrad ist von dem Achsrad und dem Schwungrad getrennt, wobei das Antriebsrad insbesondere in der Mitte zwischen dem Achsrad und dem Schwungrad positioniert ist. Falls sich das Antriebsrad in seinem ersten oder zweiten Zustand befindet, d. h. es entweder mit dem Achsrad oder dem Schwungrad verbunden ist, wobei sich das Antriebsrad insbesondere in einer Position in Kontakt mit dem Achsrad oder dem Schwungrad befindet, ist das Sperrteil dazu geeignet, eine Drehbewegung des Antriebsrads zuzulassen. Nach einem Aspekt der Erfindung können mehrere Sperrteile vorgesehen sein.
Das System gemäß der Erfindung kann insbesondere in einem Auto verwendet werden, in dem das Achsrad von einer Autoachse angetrieben wird. Ein oder mehrere Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung können an einem Fahrzeug montiert werden, um sowohl aktive als auch passive Achsen zu unterstützen. Nachstehend wird dieser spezifische Anwendungsbereich ohne Einschränkung zur Beschreibung der Erfindung gewählt, wobei andere Anwendungsbereiche auch möglich und beabsichtigt sind. Das System gemäß der Erfindung bietet eine Lösung zur Rückgewinnung und Speicherung von Energie durch Umwandeln von kinetischer Energie während des Bremsens in elastische Energie, Speichern von dieser, Umwandeln von dieser von elastischer Energie in kinetische Energie und Rückgewinnung dieser nach Bedarf in einem Fahrzeug oder einem anderen System, das durch die Notwendigkeit einer Steuerung und Optimierung der Beschleunigung und Bremsung gekennzeichnet ist. Das Achsrad, das Schwungrad, das Schaltrad und das Antriebsrad können Kegelräder sein. Ausführungsformen mit Stirnrädern können jedoch auch vorgesehen sein.
Nachstehend wird die Funktionalität des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine der Hauptfunktionalitäten des Systems besteht darin, elastische Energie während des Bremsens zu speichern und sie bei Bedarf zurückzugewinnen, insbesondere an einer Fahrzeugachse, normalerweise beim Anfahren des Fahrzeugs nach einem vollständigen Halt. Um dies zu erreichen, kann das System insbesondere in einem ausgerückten, entspannten Zustand, in einem eingerückten belastenden Zustand, in einem belasteten Zustand und in einem Antriebszustand betrieben werden, wobei ein Übergang von einem Zustand in den anderen durch die die Zahnräder verbindende Betätigungsvorrichtung erfolgen kann.
Im ausgerückten, entspannten Zustand bewegt sich das Auto, und die Autoachse sowie das Achsrad drehen sich, wobei das Achsrad kein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad dreht sich, wenn sich das Achsrad dreht, wobei das Schaltrad kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad dreht sich, wenn sich das Achsrad dreht, wobei das Schwungrad kein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad befindet sich in seinem dritten Zustand, d. h. das Antriebsrad ist von dem Achsrad und dem Schwungrad getrennt, wobei das Antriebsrad in der Mitte zwischen dem Achsrad und dem Schwungrad positioniert ist. Eine Drehbewegung des Antriebsrads wird ferner von dem Sperrteil gesperrt. Das Paket aus Antriebsrad, Zahnstange und Federschieber kann eine geringe, vernachlässigbare Vorspannung aufweisen.
Im eingerückten belastenden Zustand hat eine Kupplung des Fahrzeugs normalerweise bereits einen Motor und Räder des Autos entkoppelt und das Bremsen wird ausgeführt. Die Autoachse und das Achsrad drehen sich, während sich das Auto immer noch bewegt, wobei das Achsrad ein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad dreht sich, während sich das Achsrad dreht, wobei das Schaltrad ein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad dreht sich, während sich das Achsrad dreht, wobei das Schwungrad ein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad wurde seitlich verschoben und befindet sich in seinem zweiten Zustand, wobei es über die stirnseitige zweiseitige Kupplung mit dem Schwungrad verbunden ist. Der Sperrteil sperrt nicht das Antriebsrad und das Antriebsrad dreht sich, während sich das Schwungrad dreht. Das Antriebsrad wandelt das Drehmoment in eine auf die Zahnstange ausgeübte Kraft um. Daraus ergibt sich, dass die Drehbewegung des Antriebsrads zu einer Bewegung der Zahnstange zum Federgehäuse führt. Hierbei komprimiert die Zahnstange die Federbatterie über den Federschieber. Das Paket aus Antriebsrad, Zahnstange, Schieber und Federbatterie wird gespannt und elastische Energie wird in der Federbatterie gespeichert. Die belastende Sequenz hält an, solange die folgenden Bedingungen gleichzeitig bewahrt bleiben: Das Drehmoment der Autoachse ist höher als ein Reaktionsdrehmoment des Antriebsrads, das Reaktionsdrehmoment des Antriebsrads ist geringer als ein maximales Antriebsrad-Reaktionsdrehmoment und eine Zahnstangenverschiebung ist geringer als eine maximale Zahnstangenverschiebung. Da während der belastenden Sequenz der Wert des Reaktionsdrehmoments des Antriebsrads auf den Wert des Drehmoments der Autoachse steigt, ist das System dazu geeignet, automatisch einen Übergang zum ausgerückten belasteten Zustand wie nachstehend beschrieben auszulösen.
Im ausgerückten, belasteten Zustand drehen sich die Autoachse und das Achsrad, wenn sich das Auto bewegt, wobei das Achsrad kein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad dreht sich, wenn sich das Achsrad dreht, wobei das Schaltrad kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad dreht sich, wenn sich das Achsrad dreht, wobei das Schwungrad kein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad ist durch das Sperrteil gesperrt und wurde seitlich verschoben, zurück zur Position, die es in dem ausgerückten entspannten Zustand des Systems eingenommen hatte, somit befindet sich das Antriebsrad wieder in seinem dritten Zustand. Das Paket aus Antriebsrad, Zahnstange, Federschieber und Federbatterie wird gespannt, wobei bereits elastische Energie in der Federbatterie gespeichert wird. Nachdem dieser ausgerückte belastete Zustand erreicht wurde, kann das System entweder in den eingerückten, belastenden Zustand übergehen, wodurch der bereits gespeicherten Energie mehr elastische Energie hinzugefügt wird, oder es geht in den eingerückten Antriebszustand über, wie im Folgenden beschrieben wird.
Im eingerückten Antriebszustand hat die Kupplung des Fahrzeugs normalerweise bereits den Motor und die Räder des Autos gekoppelt oder ist dabei, sie zu koppeln. Das Paket aus Antriebsrad, Zahnstange, Federschieber und Federbatterie entspannt sich, wobei in der Federbatterie gespeicherte elastische Energie durch den Federschieber an die Zahnstange abgegeben wird. Die Zahnstange bewegt sich vom Federgehäuse weg. Dabei treibt die Zahnstange das Antriebsrad an. Die Zahnstange wandelt elastische Kraft in ein auf das Antriebsrad ausgeübtes Drehmoment um, wobei sich das Antriebsrad dreht. Das Antriebsrad wurde seitwärts versetzt und wird über die stirnseitige zweiseitige Kupplung an das Achsrad gekoppelt (das Antriebsrad befindet sich in seinem ersten Zustand). Das Sperrteil sperrt keine Drehbewegung des Antriebsrads. Das Achsrad überträgt ein Drehmoment auf die Autoachse, wobei sich das Achsrad und die Autoachse drehen, während das Auto in Bewegung gesetzt wird. Das Schaltrad dreht sich, während sich das Achsrad dreht, wobei das Schaltrad kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad dreht sich, während sich das Achsrad dreht, wobei das Schwungrad kein Drehmoment überträgt. Der eingerückte Antriebszustand hält ohne Motorunterstützung solange an, bis ein Trägheitsdrehmoment des Autos kleiner ist als das durch das Antriebsrad übertragene Drehmoment. Falls diese Bedingung nicht zu Beginn erreicht wird, ist ein Verschmelzen des Systems und des Motors erforderlich, um das Auto in Bewegung zu setzen. Der eingerückte Antriebszustand kann mit Motorunterstützung solange anhalten, wie das System nicht vollständig entspannt ist, d. h. so lange elastische Energie in der Federbatterie gespeichert wird. Wie während des Antriebszustands sinkt der Wert des von dem Antriebsrad übertragenen Drehmoments auf null ab, das System ist dazu geeignet, einen automatischen Übergang in den ausgerückten entspannten Zustand auszulösen.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine Lösung zur Energierückgewinnung zur Verfügung, das für Straßenfahrzeuge geeignet ist, wobei das System nicht das Vorliegen eines Stromgenerators und einer Speicherbatterie im Fahrzeug bedeutet. Ferner ist das System in der Lage, ein ineffizientes Bremsen auszugleichen, wenn die Betriebsbremsenfunktionalität verringert ist, z. B. wenn die Bremsbeläge abgenutzt sind. Außerdem kann das System die maximale Leistung des Fahrzeugs in kurzen „sich entladenden“ Aufladungen nach Bedarf ergänzen, z. B. um Hindernisse zu überwinden, für eine steilere Beschleunigung, Rennen usw. Das System ist ferner in der Lage, die Betätigung für ein ASP und ASR zu ergänzen (falls das Fahrzeug an jedem Rad mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist), und es kann CO₂-Emissionen senken und die Abnutzung von Bremsbelägen verringern.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Federbatterie mindestens zwei Federn jeweils mit unterschiedlicher Steifheit auf. Die Nutzung von Federbatterien mit unterschiedlicher Steifheit ist eine wirksame Möglichkeit, eine resultierende Charakteristik der Federbatterie einzustellen.
Die Federbatterie kann ferner drei in Reihe angeordnete geradlinige Schraubenfedern aus einem Draht mit rechteckigem Querschnitt mit einer zunehmenden Steifheitscharakteristik aufweisen. Die unterschiedliche Steifheit jeder der drei Federn kann eine Verschiebung der Zahnstange bei einem besonders großen Bereich von Achsdrehmomenten gewährleisten.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Federbatterie einem schraubenförmigen Weg folgen. Dadurch kann sie insbesondere in einer X-Richtung der Autokoordinate besonders kompakt sein. Ferner kann, falls es die Umgebung zulässt oder erfordert, das Federgehäuse auch auf einem schraubenförmigen Weg angeordnet werden.
Um in der Lage zu sein, das Auto ohne Unterstützung des Motors in Bewegung zu setzen, kann die Geometrie des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Startdrehmomentanfrage des spezifischen Autos ausgerichtet sein. Um zu gewährleisten, dass das Antriebsrad ein ausreichendes Drehmoment liefert, um das Auto in Bewegung zu setzen, kann das System ein zusätzliches Zahnrad zwischen dem Antriebsrad und der Zahnstange aufweisen, wobei das zusätzliche Zahnrad als ein Drehmomentmultiplikator dient.
Die stirnseitige zweiseitige Kupplung kann eine Gruppierung von Vorsprüngen, die auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsrads vorliegen, und eine Gruppierung von passenden Ausnehmungen auf dem Achsrad und dem Schwungrad aufweisen. Diese einfache aber wirksame Konfiguration gestattet ein besonders zuverlässiges Einkuppeln bzw. Auskuppeln des Antriebsrads entweder in das oder aus dem Achsrad oder Schwungrad.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Sperrteil eine Stange aufweisen, die zum Sperren einer Drehbewegung des Antriebsrads in eine passende Geometrie in dem Antriebsrad geschoben werden kann und die zum Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads aus der passenden Geometrie geschoben werden kann.
Das Steuern des Energieflusses zum System gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein kritischer Aspekt, um eine Zerstörung von Teilen des Systems zu verhindern. Basierend auf einer geregelten, mit Sensor versehenen Drehmomentmessung der Autoachse kann eine Entscheidung zur Auslösung eines Übergangs von dem eingerückten belastenden Zustand in den ausgerückten belasteten Zustand des Systems getroffen werden. Basierend auf einer geregelten, mit Sensor versehenen Kraftmessung in dem Paket aus Zahnstange, Federschieber und Federbatterie und/oder einer Positionsmessung der sich bewegenden Geometrie (z. B. des Federschiebers oder der Zahnstange) kann eine Entscheidung zur Auslösung eines Übergangs von dem eingerückten belastenden Zustand in den ausgerückten belasteten Zustand des Systems getroffen werden.
Eine solche Regelung könnte jedoch in einem Zeitbereich reagieren, was gegebenenfalls entweder zu Aufprallen bzw. zu Überbelastungen von mechanischen Teilen (falls die Reaktion zu spät erfolgt) oder, im Gegensatz dazu, zu einem vorzeitigen vorbeugenden Beenden des eingerückten belastenden Zustands (falls die Reaktion zu früh erfolgt) führt, wodurch das physikalische Potential, Energie in der Federbatterie des Systems zu speichern, verringert wird.
Somit ist ein Schutz gegen ein zu starkes Drehmoment bereitgestellt, wobei das System Mittel zum Begrenzen des Drehmoments aufweisen kann, das auf das Achsrad übertragen werden kann. Solche Mittel können eine Kupplung aufweisen, die die Autoachse an das Achsrad koppelt, wenn ein von der Autoachse übertragenes Drehmoment unter einem Schwellenwert liegt, und welche die Autoachse vom Achsrad entkoppelt, wenn ein von der Autoachse übertragenes Drehmoment den Schwellenwert übersteigt. Diese Ausführungsform kann sicherstellen, dass eine Zerstörung des Systems oder von Teilen von diesem wirksam verhindert werden kann.
Falls das System Mittel zum Begrenzen des Drehmoments, das auf das Achsrad übertragen werden kann, aufweist, kann das System ferner die Autoachse aufweisen, die koaxial zum Achsrad und zum Schwungrad ist. Dabei weist das Achsrad ein hohles Zentrum auf, durch welches die Autoachse hindurch geht, wird das Achsrad auf der Autoachse gehalten, weist das Achsrad eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, weist die Autoachse eine Stellmutter und eine Lamellenfedergruppierung auf, die in die Ausnehmungen des Achsrads eingreift, und ist die Lamellenfedergruppierung dazu geeignet, aus den, Ausnehmungen ausgerückt zu werden, falls ein Schwellenwert für das Drehmoment überschritten wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Achsrad weder an der Autoachse angebracht noch ist es der gleiche Teil wie die Autoachse. Ferner soll kein Drehmoment direkt von der Autoachse zum Achsrad übertragen werden. Diese Ausführungsform bietet eine Lösung für eine weitere Herausforderung betreffend das Einbeziehen des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung in ein Auto, nämlich das Problem der axialen und radialen Messwerteinstellung. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer besonders kurzen axialen Messwerteinstellung, wobei sie sehr kosteneffizient ist und eine einfache Einstellung des Schwellenwerts ermöglicht.
Die Lamellenfedergruppierung kann bequem aus Stahlblech hergestellt werden, und zwar entweder als Einzelteil oder als eine Vielzahl von Federmodulen. Eine unabhängige Herstellung jeder Lamellenfeder ist mit dem Ziel einer Normung, einer Kostensenkung für die Formen zum Umformen und einer Mannigfaltigkeit von Ausführungsformen (daher Schwellenwerte) unter Beibehaltung einer begrenzten Anzahl an separaten Teilen vorzuziehen.
Das Variieren der Schwellenwerte ist besonders wichtig, wenn es darum geht, eine Flotte von unterschiedlichen Automodellen mit einem solchen Konzept der Drehmomentschutzkupplung auszurüsten, da jedes Auto basierend auf der besonderen Motorisierung, dem Gewicht und dynamischen Spezifikationen einen anderen Schwellenwert erfordern würde.
Ein besonderer Vorteil, der durch das Konzept erreichbar ist, besteht darin, dass die teureren Elemente (Bezugszeichen 7, siehe Figuren) und (Bezugszeichen 16, siehe Figuren) für jedes Fahrzeug nicht unbedingt modifiziert werden müssen.
Die Anzahl an Schwellenwerten für die resultierende Drehmomentschutzkupplung wäre wesentlich größer als die Anzahl von individuell gebauten Federteilen.
Nachstehend wird eine der wichtigsten Mitwirkenden am Schwellenwert der Kupplung erwähnt und erläutert.
Sobald eine bestimmte Zahl solcher Lamellenfedern hergestellt wurde, kann die Lamellenfedergruppierung wiederum modular hergestellt werden, sodass sie folgendes beinhaltet:

- eine Anzahl n von Federn gleich der Anzahl von Federausnehmungen oder kleiner als diese, mindestens zwei, was den Aufbau von verschiedenen Konfigurationen mit unterschiedlichen Schwellenwerten gestattet, während nicht unbedingt eine Modifikation an den teureren Elementen (Bezugszeichen 7 und 16, siehe Figuren) erforderlich ist;
- eine Kombination von mehreren Arten von Federn, die sich in irgend einem Aspekt, wie zum Beispiel der Topologie, der Dicke des Grundmetalls oder der Art des Grundmetalls, unterscheiden, was den Aufbau von verschiedenen Konfigurationen mit unterschiedlichen Schwellenwerten ermöglicht, während keine Modifikation an den teureren Elementen (Bezugszeichen 7 und 16, siehe Figuren) erforderlich ist.

Von mehreren möglichen Topologien für individuelle Lamellenfedern wird eine spezifische Ausführungsform wegen ihrer Einfachheit und Kosteneffektivität bevorzugt, wie sie in gespannter, nominaler montierter Stellung in den 30, 31a und 31b dargestellt ist.
Zwei Winkelwerte sind zum Feststellen des Beitrags einer solchen Lamellenfeder zum Schwellenwert der Kupplung besonders wichtig:

- Wert alpha an der Spitze der Feder, wie in 5 dargestellt (auch in 32a, b sichtbar), ein Wert, der sich zwischen der entspannten und der montierten Stellung der Lamellenfeder nicht oder nur wenig ändert;
- und der Wert beta, wie in 8, Ausschnitt H instanziiert bei 165°, dargestellt, auch sichtbar in den 32a, b, ein Wert, der sich ständig zwischen
- - der entspannten (in 32a, b gezeigte Beispiele) und
- - der montierten Stellung (in 33a, b gezeigt) der Lamellenfeder ändert, die die erste in der ist, die eine Vorspannung der Kupplung und ferner das erforderliche Entkoppeln bereitstellt.

30

31a

33a, b

Eine entkoppelte Stellung der Lamellenfeder wurde in 32a gezeigt, die einen Betawert von 188° zeigt.
Zwei lineare Werte sind zum Feststellen des Beitrags einer solchen Lamellenfeder zum Schwellenwert der Kupplung besonders wichtig:

- der mittlere Radius der Kontaktspitze der Feder in Bezug auf die Drehachse nach der Montage in der Kupplung,r
- die flexible Länge der Lamellenfeder, der einzige Teil, der stets eine Verschiebung bereitstellt, die vom äußeren Rand der Stellmutter (Bezugszeichen 103, siehe 29) hinüber bis zur Kontaktspitze der Feder reicht, wie in 9 dargestellt ist.

Des Weiteren kann die flexible Länge der Lamellenfeder leicht durch einfache Änderung der Stellmutter (Bezugszeichen 103 in 29) mit einer anderen eingestellt werden; ein größerer Außenranddurchmesser der Einstellung würde nicht zu einem höheren Schwellenwert für die Kupplung führen, während ein kleinerer Außenranddurchmesser der Einstellung nicht zu einem kleineren Schwellenwert für die Kupplung führen würde.
Eine solche Änderung kann bei Bedarf ohne weiteres an bestehenden Systemen vorgenommen werden, wie durch einen Sanierungsschritt oder auch, um eine kosteneffektive Mannigfaltigkeit des Produkts zu unterstützen.
Falls ein einfacher Abstandhalter zwischen die Stellmutter (Bezugszeichen 103, siehe 29) eingebracht wird, dann sollte eine einfache Änderung der Stellmutter mit einer anderen von einem anderen Außendurchmesser unmittelbar eine Einstellung des Schwellenwertes für die Kupplung gestatten, während keine Modifikation an den teureren Elementen (Bezugszeichen 7 und 16, siehe Figuren) oder der Stellmutter (103, siehe 29) erforderlich sind.
All diese vorgenannten Werte, alpha, beta, r und die flexible Länge der Lamellenfeder können ohne weiteres mit kleineren oder gar keinen Modifikationen an der Werkzeugausstattung sowie an der Dicke oder der Art des Basismaterials geändert werden.
Durch Einstellen der entspannten Stellung, der Winkelwerte alpha und beta und der linearen Werte r und der flexiblen Länge der Lamellenfeder kann der Schwellenwert der Kupplung weiter variiert werden.

Ein Beispiel für berechnete Schwellenwerte M, für Instanziierungen der Anzahl von Federn, alpha (entspannte Stellung), beta (entspannte Stellung) und r ist nachstehend für eine Feder aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 1 mm dargestellt. Die flexible Länge der Lamellenfeder wurde wie bei der in 9 dargestellten Ausführungsform als 40 mm angenommen.

M	n	Fa	α	β	r
Nm	-	N	deg	deg	m
218,7	30	20	25	175	0,17
109,4	15	20	25	175	0,17
280,2	30	20	20	175	0,17
140,1	15	20	20	175	0,17
380,7	30	20	15	175	0,17
190,3	15	20	15	175	0,17
233,3	32	20	25	175	0,17
116,7	16	20	25	175	0,17
58,3	8	20	25	175	0,17

Natürlich dienen die hier dargestellten berechneten Werte als einfache Instanziierungen der Möglichkeiten des Konzepts. Durchweg höhere oder niedrigere Werte können durch Einstellen des erwähnten Mitwirkenden erhalten werden.
Solange das durch die Autoachse übertragene Drehmoment kleiner ist als ein maximales zulässiges Drehmoment des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung kann das System zum Beibehalten eines gekoppelten Zustands zwischen der Autoachse und dem Achsrad über die Mittel zur Begrenzung des Drehmoments, insbesondere der Lamellenfedergruppierung, angepasst werden. Die Ereignisse eines Entkoppelns des Systems und eines Sperrens des Antriebsrads müssen idealerweise so schnell wie möglich nacheinander erfolgen, wobei das erste Ereignis das letztere auslösen sollte.
Somit bilden nach noch einer weiteren Ausführungsform die Autoachse, die Lamellenfedergruppierung, das Achsrad, das Schaltrad, das Schwungrad und ein Lager zwischen dem Schwungrad und der Autoachse eine elektrische Steuerschaltung, wobei das Achsrad einen nicht leitenden Bereich zwischen mindestens zwei aneinander angrenzenden Ausnehmungen aufweist und wobei eine Strom- oder Spannungserfassungsvorrichtung zum Erkennen des Vorliegens eines Stroms oder einer Spannung in der elektrischen Steuerschaltung vorgesehen ist. Der mindestens eine nicht leitende Bereich kann auf verschiedenartige Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Beschichten einer jeweiligen Oberfläche (von jeweiligen Oberflächen) mit Teflon oder durch Montieren von keramischen Teilen auf der jeweiligen Oberfläche (den jeweiligen Oberflächen).
Diese Ausführungsform stellt eine Regelschleifenüberwachung des von der Achse übertragenen Drehmoments bzw. eine Überwachung, ob das Achsrad in die Autoachse eingerückt ist oder nicht, bereit. Diese Informationen können verwendet werden, um folglich einen Übergang des Systems vom eingerückten belastenden Zustand in den ausgerückten belasteten Zustand auszulösen. Somit kann sichergestellt werden, dass das Antriebsrad rechtzeitig durch das Sperrteil gesperrt wird und auch die Federbatterie rechtzeitig gesperrt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Federbatterie zurückwirkt, unbeabsichtigt entlastet wird und somit einen Betrag der gespeicherten Energie verliert.
Die Position des Strom- oder Spannungssensors kann zwischen dem Schwungrad und der Autoachse liegen. Es sind jedoch andere geeignete Positionen möglich. Solange eine Drehmomentübertragung von der Lamellenfedergruppierung zum Achsrad vorliegt, erkennt die Erfassungsvorrichtung das Vorliegen eines Stroms bzw. einer Spannung. Diese Informationen können verwendet werden, um den Zustand des Systems zu steuern.
Wenn das Achsrad ausgekoppelt wird, wird ein mechanischer Kontakt, jedoch kein elektrischer Kontakt, zwischen dem Achsrad und der Lamellenfedergruppierung beibehalten. Die mechanischen Kontakte können, solange das von der Autoachse übertragene Drehmoment oberhalb des Schwellenwertes liegt, über den nicht leitenden Bereichen angeordnet werden. Folglich wird die elektrische Steuerschaltung unterbrochen, was durch die Strom- bzw. Spannungserfassungsvorrichtung erfasst wird. Das System kann wiederum zum rechtzeitigen Auslösen eines Übergangs vom eingerückten belastenden Zustand in den ausgerückten belasteten Zustand angepasst werden. Sobald der Übergang abgeschlossen ist, soll die durch das System gebildete mechanische Last nicht mehr als solche auf die Lamellenfedergruppierung wirken, und folglich soll die Lamellenfedergruppierung wieder in die Ausnehmungen fallen, wodurch die elektrische Steuerschaltung wiederhergestellt wird.
In der folgenden Beschreibung werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei

1 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sich das System in einem ausgerückten entspannten Zustand befindet,
2 bis 7 mehrere Ansichten mit Ausschnitten des Systems gemäß 1 zeigen,
8 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform des Systems gemäß 1 zeigt, wobei sich das System in einem eingerückten belastenden Zustand befindet,
9 bis 12 mehrere Ansichten mit Ausschnitten des Systems gemäß 8 zeigen,
13 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform des Systems gemäß 1 zeigt, wobei sich das System in einem eingerückten Antriebszustand befindet,
14 bis 17 mehrere Ansichten mit Ausschnitten des Systems gemäß 13 zeigen,
18 ein Kraft/Energie-Verschiebungsdiagramm einer Federbatterie als ein Teil des Systems gemäß den 1 bis 17 zeigt,
19 eine Feder zeigt, die dafür ausgebildet ist, in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems verwendet zu werden,
20 eine weitere Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei das System Mittel zum Begrenzen des Drehmoments aufweist,
21 bis 26 Ausschnitte des Systems gemäß 20 zeigen,
27 und 28 verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei das System Mittel zum Begrenzen des Drehmoments und eine elektrische Steuerschaltung aufweist,
29 eine Seitenansicht einer Federkupplung ist;
30 ein Ausschnitt davon ist,
31a, b einen Teil einer Ausführungsform der Kupplung zeigen.

Die Veranschaulichungen in den Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgerecht und der Einfachheit und Deutlichkeit halber zeigt nicht jede Figur jede Einzelheit bzw. jedes Merkmal der Erfindung und nicht jede Figur enthält alle Bezugszeichen eines jeden Merkmals.
Die 1 bis 17 zeigen ein System 1 zur Rückgewinnung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug, in diesem Beispiel einem Auto (nicht gezeigt).
Das System 1 weist eine Federeinheit 2 mit einer Federbatterie 3, einem Federschieber 4 und einem Federgehäuse 5 auf. Die Federbatterie 3 weist drei in Reihe angeordnete geradlinige Schraubenfedern aus Stahl 3a, 3b, 3c aus Draht mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer zunehmenden Steifheitscharakteristik auf. Das Federgehäuse 5 weist Führungsflächen 5g (3) entsprechend einer Querschnittsausführung von Führungsstangen 4r des Federschiebers 4 auf.
Das System 1 weist ferner eine Zahnradkupplung 6 (5a, b und 5c) mit einem Achsrad 7 auf, das starr und koaxial an einer Autoachse angebracht ist (in den 1 bis 7 nicht gezeigt), so dass das Achsrad 7 durch die Autoachse angetrieben werden kann. Die Zahnradkupplung 6 weist auch ein Schwungrad 8, koaxial mit der Autoachse und mit dem Achsrad 7, und ein Schaltrad 9, das das Achsrad 7 und das Schwungrad 8 miteinander verbindet, auf, so dass sich das Schwungrad 8 in eine Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des Achsrads 7 dreht.
Ein Antriebsrad 10 der Zahnradkupplung 6 kann in einem ersten Zustand über eine stirnseitige zweiseitige Kupplung 11 mit dem Achsrad 7 (14b) oder in einem zweiten Zustand über die stirnseitige zweiseitige Kupplung 11 mit dem Schwungrad 8 verbunden sein (9b) oder in einem dritten Zustand von dem Achsrad 7 und dem Antriebsrad 10 getrennt sein (2a, 2b) . Zu diesem Zweck weist die stirnseitige zweiseitige Kupplung 11 eine Gruppierung von Vorsprüngen 11p, die auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsrads 10 vorliegen, und eine Gruppierung von passenden Ausnehmungen 11r auf dem Achsrad 7 und dem Schwungrad 8 auf (2).
Eine Welle 7s des Achsrads 7 erstreckt sich durch eine Mittelbohrung 10b des Antriebsrads 10 und eine Mittelbohrung 8b des Schwungrads 8 (5c). Der Durchmesser der Mittelbohrung 10b des Antriebsrads 10 ist größer als der Durchmesser der Welle 7s des Achsrads 7. Somit wird ein Raum SB für ein Lager zwischen dem Antriebsrad 10 und dem Achsrad 7 gebildet. Der Durchmesser 8b des Schwungrads 8 passt zum Durchmesser der Welle 7s des Achsrads 7, wodurch eine Zentrierung des Schwungrads 8 ermöglicht wird.
Die Zahnradkupplung 6 weist ferner eine Zahnstange 12 auf, die das Antriebsrad 10 über den Federschieber 4 mit der Federbatterie 3 verbindet, wobei eine Drehbewegung des Antriebsrads 10 zu einer geradlinigen Bewegung der Zahnstange 12 führt und umgekehrt. Eine Zahnradverbindungsvorrichtung 13 der Zahnradkupplung 6 weist mindestens ein Sperrteil 14 zum Sperren und Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads 10 auf.
Wie genauer in 6a und 6b gezeigt ist, weist das Sperrteil 14 eine Stange 14r auf, die in eine passende Geometrie 14m in dem Antriebsrad 10 zum Sperren einer Drehbewegung des Antriebsrads 10 geschoben werden kann, wobei die Stange 14r zum Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads 10 aus der passenden Geometrie 14m gezogen werden kann.
Nachstehend wird die Funktionalität des Systems 1 anhand der 1 bis 17 beschrieben. Eine der Hauptfunktionalitäten des Systems 1 besteht darin, elastische Energie während des Bremsens zu speichern und sie bei Bedarf zurückzugewinnen, normalerweise beim Anfahren des Fahrzeugs nach einem vollständigen Halt. Um dies zu erreichen, kann das System 1 insbesondere in einem ausgerückten, entspannten Zustand, in einem eingerückten belastenden Zustand, in einem belasteten Zustand und in einem Antriebszustand betrieben werden, wobei ein Übergang von einem Zustand in den anderen durch die Zahnradbetätigungsvorrichtung 6 erfolgen kann.
Im ausgerückten entspannten Zustand, der in den 1 bis 7 gezeigt ist, bewegt sich das Auto und die Autoachse sowie das Achsrad 7 drehen sich, wobei das Achsrad 7 kein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad 9 dreht sich, wenn sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schaltrad 9 kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad 8 dreht sich, wenn sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schwungrad 8 kein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad 10 befindet sich in seinem dritten Zustand, d. h. das Antriebsrad 10 ist von dem Achsrad 7 und dem Schwungrad 8 getrennt, wobei das Antriebsrad 10 in der Mitte zwischen dem Achsrad 7 und dem Schwungrad 8 positioniert ist (2, 5, und 7). Eine Drehbewegung des Antriebsrads 10 wird ferner von dem Sperrteil 14 gesperrt, wobei die Stange 14r in die passende Geometrie 14m des Antriebsrads 10 geschoben wird. Das Paket aus Antriebsrad 10, Zahnstange 12 und Federschieber 4 hat eine geringe, vernachlässigbare Vorspannung.
Im eingerückten belastenden Zustand, der in den 8 bis 12 gezeigt ist, hat die Kupplung des Fahrzeugs bereits einen Motor und Räder des Autos entkoppelt. Die Autoachse und das Achsrad 7 drehen sich, während sich das Auto bewegt, wobei das Achsrad 7 ein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad 9 dreht sich, während sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schaltrad 9 ein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad 8 dreht sich, während sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schwungrad 8 ein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad 10 wurde seitlich verschoben und befindet sich in seinem zweiten Zustand, wobei es über die stirnseitige zweiseitige Kupplung 11 mit dem Schwungrad 8 verbunden ist (9, 10 und 12). Das Sperrteil 14 sperrt nicht das Antriebsrad 10 und das Antriebsrad 10 dreht sich, während sich das Schwungrad 8 dreht (11 und 12). Das Antriebsrad 10 wandelt das Drehmoment in eine auf die Zahnstange 12 wirkende Kraft um. Daraus ergibt sich, dass die Drehbewegung des Antriebsrads 10 zu einer Bewegung der Zahnstange 12 zum Federgehäuse 5 führt. Hierbei drückt die Zahnstange 12 die Federbatterie 3 über den Federschieber 4 zusammen. Das Paket aus Antriebsrad 10, Zahnstange 12, Federschieber 4 und Federbatterie 3 wird gespannt und elastische Energie wird in der Federbatterie 3 gespeichert. Die Belastungssequenz hält an, solange die folgenden Bedingungen gleichzeitig erhalten bleiben: Das Drehmoment der Autoachse ist höher als ein Reaktionsdrehmoment des Antriebsrads 10, das Reaktionsdrehmoment des Antriebsrads 10 ist geringer als ein maximales Reaktionsdrehmoment des Antriebsrads 10, und eine Verschiebung der Zahnstange 12 ist geringer als eine maximale Verschiebung der Zahnstange 12. Da während der Belastungssequenz der Wert des Reaktionsdrehmoments des Antriebsrads 10 auf den Wert des Drehmoments der Autoachse steigt, ist das System dazu geeignet, automatisch einen Übergang zum ausgerückten belasteten Zustand wie nachstehend beschrieben auszulösen.
Da sich während der Belastungssequenz die Position der Zahnstange 12 der innersten Position annähert, löst das System 1 den Übergang zum ausgerückten belasteten Zustand aus. Ein ausgerückter belastender Zustand des Systems 1, in dem die Verschiebung der Zahnstange 12 nahezu ihren Höchstpunkt erreicht hat, ist in 8 gezeigt. Die Kompression der Federbatterie 3 ist sichtbar, ebenso wie die Dimensionsreduktion bei jeder der drei individuellen Federn 3a, 3b, 3c. In 8 sind die weicheren Federn als nur über ihre funktionelle, minimale Länge komprimiert gezeigt. Die Federbatterie 3 kann, hin zu einer höchsten ausgeübten Kompressionskraft, die weicheren Federn aufweisen entweder

- komprimiert (Wicklung auf Wicklung), wobei die Funktionalität auf reine Abstandhalter reduziert ist,
- komprimiert, aber den Mindestabstand zwischen den Wicklungen haltend, mittels nicht gezeigter zwischengeschobener Abstandhalterelemente (Wicklung, zusätzliches Abstandhalterelement, Wicklung, zusätzliches Abstandhalterelement, Wicklung usw.), um den empfohlenen Mindestabstand zwischen den Wicklungen zu bewahren. Ein Aufbau, bei dem keine zusätzlichen Abstandhalterteile erforderlich sind, ist vorzuziehen.

Im ausgerückten, belasteten Zustand drehen sich die Autoachse und das Achsrad 7, wenn sich das Auto bewegt, wobei das Achsrad 7 kein Drehmoment überträgt. Das Schaltrad 9 dreht sich, wenn sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schaltrad 9 kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad 8 dreht sich, wenn sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schwungrad 8 kein Drehmoment überträgt. Das Antriebsrad 10 wird durch das Sperrteil 14 gesperrt und wurde seitlich verschoben, zurück zur Position, das es in dem ausgerückten, entspannten Zustand des Systems 1 eingenommen hatte, somit befindet sich das Antriebsrad 10 wieder in seinem dritten Zustand (ähnlich wie bei den 6 und 7). Das Paket aus Antriebsrad 10, Zahnstange 12, Federschieber 4 und Federbatterie 3 wird gespannt, wobei bereits elastische Energie in der Federbatterie 3 gespeichert wird. Nachdem dieser ausgerückte, belastete Zustand erreicht wurde, kann das System 1 entweder in den eingerückten, belastenden Zustand übergehen, wodurch der bereits gespeicherten Energie mehr elastische Energie hinzugefügt wird, oder es kann in den eingerückten Antriebszustand übergehen, wie im Folgenden beschrieben wird.
Im eingerückten Antriebszustand, der in den 13 bis 17 gezeigt ist, hat die Kupplung des Fahrzeugs normalerweise bereits den Motor und die Räder des Autos gekoppelt oder ist dabei, diese zu koppeln. Das Paket aus Antriebsrad 10, Zahnstange 12, Federschieber 4 und Federbatterie 3 entspannt sich, wobei in der Federbatterie 3 gespeicherte elastische Energie durch den Federschieber 4 an die Zahnstange 12 abgegeben wird. Die Zahnstange 12 bewegt sich vom Federgehäuse 5 weg. Dabei treibt die Zahnstange 12 das Antriebsrad 10 an. Die Zahnstange 12 wandelt elastische Kraft in auf das Antriebsrad 10 ausgeübtes Drehmoment um, wobei sich das Antriebsrad 10 dreht. Das Antriebsrad 10 wurde seitwärts versetzt und wird über die stirnseitige zweiseitige Kupplung 11 mit dem Achsrad 7 gekoppelt (das Antriebsrad befindet sich in seinem ersten Zustand, 14, 15 und 17). Das Sperrteil 14 sperrt keine Drehbewegung des Antriebsrads 10 (15 und 16). Das Achsrad 7 überträgt ein Drehmoment auf die Autoachse, wobei sich das Achsrad 7 und die Autoachse drehen, während das Auto in Bewegung gesetzt wird. Das Schaltrad 9 dreht sich, während sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schaltrad 9 kein Drehmoment überträgt. Das Schwungrad 8 dreht sich, während sich das Achsrad 7 dreht, wobei das Schwungrad 8 kein Drehmoment überträgt. Der eingerückte Antriebszustand hält ohne Motorunterstützung solange an, wie ein Trägheitsdrehmoment des Autos kleiner ist als das durch das Antriebsrad 10 übertragene Drehmoment. Falls diese Bedingung nicht zu Beginn erreicht wird, ist ein Verschmelzen des Systems 1 und des Motors erforderlich, um das Auto in Bewegung zu setzen. Der eingerückte Antriebszustand kann mit Motorunterstützung solange anhalten, wie das System 1 nicht vollständig entspannt ist, d. h. so lange elastische Energie in der Federbatterie 3 gespeichert wird. Wie während des Antriebszustands sinkt der Wert des von dem Antriebsrad 10 übertragenen Drehmoments auf null ab, das System 1 ist dazu geeignet, einen automatischen Übergang in den ausgerückten, entspannten Zustand auszulösen.
Das System 1 gemäß den 1 bis 17 weist drei geradlinige Schraubenfedern 3a, 3b, 3c aus Stahl aus einem Draht mit rechteckigem Querschnitt mit einer zunehmenden Steifheitscharakteristik auf, wobei die Federn 3a, 3b, 3c in Reihe angeordnet sind. Die unterschiedlichen Steifheiten gewährleisten die Verschiebung der Zahnstange in einem weiten Bereich von Achsdrehmomenten.
Die gesamte Federbatterie 3 hat drei Funktionsbereiche:

Bereich 1: Alle drei Federn 3a, 3b, 3c sind aktiv und die Steifheit der Federbatterie 3 beträgt kt1.
Bereich 2: Feder 3b und Feder 3c sind aktiv; Feder 3a wurde vollständig komprimiert und ist als reiner Abstandhalter vorhanden; die Steifheit der Federbatterie 3 beträgt kt2.
Bereich 3: Feder 3c ist aktiv; Feder 3a und Feder 3b wurden vollständig komprimiert und sind nur als Abstandhalter vorhanden; die Steifheit der Federbatterie beträgt kt3. Daher hat die gesamte Steifheit der Federbatterie 3 drei Bereiche, je nach Zustand des Systems 1. Die gesamten Steifheiten kt1, kt2 und kt3 können wie folgt berechnet werden: $kt1 = \frac{k1 * k 2 * k 3}{k 1 * k 2 + k 1 * k 3 + k 2 * k 3};$
$kt 2 = \frac{k2 * k3}{k 1 + k 3};$
$kt 3 = k3 .$

Die Geometrie der drei Federn 3a, 3b, 3c ist in der folgenden Tabelle beschrieben:

Feder 3a Feder 3b Feder 3c

L0 650 740 940 mm

Lmin 300 390 535 mm

D 138 138 138 mm

b 14 20 24 mm

h 10 12 14 mm

p 40 44,8 43,4 mm

n 16 16 21 [-]

k 6,21 17,1 25,22 N/mm
Somit sind die gesamten Steifheiten

kt1 = 3,86 N/mm
kt2 = 10,19 N/mm
kt3 = 25,22 N/mm.

Die Berechnung der maximalen elastischen Energie, die in der Federbatterie 3 gespeichert werden kann, beträgt mindestens W = 5639,4 J. Beim Belasten über eine Verschiebung von etwa 1100 mm erhöht sich die Belastungskraft bis zu 10,2 kN. Bei einem Radius des Antriebsrads 10 von 60/50/40/30 mm kann diese Kraft basierend auf einem Achsrad-Drehmoment von 612/510/408/306 Nm aufgebaut werden. Um in der Lage zu sein, das Auto ohne Motorunterstützung in Bewegung zu setzen, wird die Geometrie des Systems 1 mit dem Startdrehmoment des Autos ausgerichtet. Ferner kann das System ein zusätzliches Zahnrad (nicht gezeigt) zwischen dem Antriebsrad 10 und der Zahnstange 12 als Drehmomentmultiplikator aufweisen.
18 veranschaulicht, wie das System 1 auf eine Belastung reagiert, nämlich eine Belastungskraft vs. Verschiebung und gespeicherte Energie vs. Verschiebung. Ein Auto, das gemäß den 1 bis 17 mit zwei Systemen 1 ausgestattet ist, kann in der Lage sein, während des Bremsens einen Betrag an Energie von bis zu etwa 11,25 kJ zu speichern. Ein solcher Energiebetrag reicht aus, um ein Auto von mittlerer Größe in Bewegung zu setzen. Das System 1 ist skalierbar. Der Betrag an zu speichernder elastischer Energie kann durch Wählen von Federn von unterschiedlichen Durchmessern oder Längen eingestellt werden. Das Verhältnis der Verschiebung einer linearen Zahnstange 12 zu einer Winkelverschiebung eines Achsrads 7 kann ferner unter Verwendung von zusätzlichen Zahnradschritten skaliert werden, die die Achsgeschwindigkeit verringern oder außer Kraft setzen würden.
Die 19a und 19b zeigen, dass die Federbatterie 3 alternativ einem schraubenförmigen Weg folgen kann, wobei sich die Federbatterie 3 in 19a in einem entspannten Zustand und in 19b in einem belasteten Zustand befindet.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 1, das in den 20 bis 26 gezeigt ist, ist ähnlich dem System 1, das in den 1 bis 17 gezeigt ist. Die Unterschiede werden nachstehend beschrieben. Das System 1 gemäß den 20 bis 26 weist Mittel 15 zum Begrenzen des Drehmoments auf, das auf das Achsrad 7 übertragen werden kann. Insbesondere weist das System 1 eine Autoachse 16 auf, die koaxial zum Achsrad 7 und zum Schwungrad 8 ist. Das Achsrad 7 weist ein hohles Zentrum 17 auf, durch welches die Autoachse 16 hindurchgeht (21b zeigt eine Querschnittsansicht der Zahnradkupplung 6), und das Achsrad 7 ist auf der Autoachse 16 gehalten. Ferner weist das Achsrad 7 eine Vielzahl von Ausnehmungen 18 auf ( 23). Eine Stellmutter 19 (21) und eine Lamellenfedergruppierung 20 sind an der Autoachse 16 angebracht (24a und 24b zeigen die Autoachse 16 in zwei verschiedenen Perspektivansichten) und greifen in die Ausnehmungen 18 des Achsrads 7 ein.
Die Lamellenfedergruppierung 20 wird aus den Ausnehmungen 18 ausgerückt, wenn ein von der Autoachse 16 übertragenes Drehmoment höher als ein Schwellenwert ist.
Das angepasste Achsrad 7, die Autoachse 16 und eine axiale Messwerteinstellung des Systems 1 sind in einem größeren Maßstab in 21 dargestellt. Die Zahnradkupplung 6 ohne Autowelle 16 ist in einem größeren Maßstab in 22 dargestellt. Das System 1 ist in einem größeren Maßstab ohne die Autoachse 16 in 23 dargestellt. 24 zeigt die Autoachse 16 mit der Lamellenfedergruppierung 20 und der Stellmutter 19. 25 zeigt das System 1 in einem größeren Maßstab mit Haupt-Lehrenmaßen. 26 zeigt das System 1 in einem ausgerückten Zustand in einer axonometrischen Ansicht.
In dem in den 27 und 28 gezeigten System bilden die Autoachse 16, die Lamellenfedergruppierung 20, das Achsrad 7, das Schaltrad 9, das Schwungrad 8 und ein Lager (nicht gezeigt) zwischen dem Schwungrad 8 und der Autoachse 16 einen elektrischen Steuerkreis 21, wobei das Achsrad 7 einen nicht leitenden Bereich 22 zwischen jeweils zwei angrenzenden Ausnehmungen 18 aufweist und wobei eine Strom- oder Spannungserfassungsvorrichtung 23 zum Erkennen des Vorliegens eines Stroms oder einer Spannung in dem elektrischen Steuerkreis 21 vorgesehen ist.
Wenn das Achsrad 7 ausgekoppelt wird, wird ein mechanischer Kontakt, jedoch kein elektrischer Kontakt, zwischen dem Achsrad 7 und der Lamellenfedergruppierung 20 erhalten. Die mechanischen Kontakte befinden sich, solange das von der Autoachse 16 übertragene Drehmoment oberhalb des Schwellenwertes liegt, über den nicht leitenden Bereichen 22. Folglich wird die elektrische Steuerschaltung 21 unterbrochen, was durch die Strom- bzw. Spannungserfassungsvorrichtung 23 erfasst wird. Das System 1 ist wiederum zum rechtzeitigen Auslösen eines Übergangs von dem eingerückten belastenden Zustand in den ausgerückten belasteten Zustand angepasst. Sobald der Übergang abgeschlossen ist, soll die durch das System 1 gebildete mechanische Last nicht mehr als solche auf die Lamellenfedergruppierung 20 wirken, und folglich soll die Lamellenfedergruppierung 20 wieder in die Ausnehmungen 18 fallen, wodurch die elektrische Steuerschaltung 21 wiederhergestellt wird.
29 zeigt eine Seitenansicht einer Zahnradkupplung mit einer Lamellenfedergruppierung 102 und einer Federwelle 101. Die Federwelle 101 greift in Ausnehmungen in Form von Kerben ein. Eine Stellmutter 103 in Form eines hohlen Zylinders ist um den Umfang der Federwelle 101 angeordnet. Die Stellmutter 103 ist an Federn angebracht, die in die Ausnehmungen eingreifen. Eine Ausnehmungswelle 104 liegt der Federwelle 101 entgegengesetzt. Die Ausnehmungswelle 104 öffnet sich zur Federwelle 101. Die Ausnehmungswelle weist die Ausnehmungen auf einer Oberfläche auf, die zur Federwelle 101 weist. Die Lamellenfedergruppierung 102, die an der Federwelle 101 angebracht ist, greift in die Ausnehmungen 103 ein. Die Federn der Lamellenfedergruppierung 102 erstrecken sich radial von der Federwelle 101. Die Ausnehmungen der Ausnehmungswelle 104 erstrecken sich auch radial von der Federwelle 101. Die Ausnehmungen und die Federgruppierung sind miteinander ausgerichtet. Sobald sie montiert sind, ist eine gegenseitige axiale Bewegung zwischen den Wellen 101 und 104 weder möglich noch beabsichtigt. Eine Verbindung zwischen den Wellen 101, 104 erfolgt über die Lamellenfedergruppierung. Das Entkoppeln der Wellen 101 und 104 wird über den vorbestimmten, durch die Ausführung vorgeschriebenen Wert für einen Überdrehmomentschutz gesteuert. Im entkoppelten Zustand ändert die lineare Federgruppierung ihre Stellung und ist in der Lage, in die nominale Stellung zurückzukehren, sobald das Antriebsdrehmoment unter den Schwellenwert fällt.
30 zeigt einen gedrehten axialen Ausschnitt aus 29, in dem eine Feder der Federgruppierung 102 durch die Mitte geschnitten ist; die Welle 101 ist nicht angezeigt. Die Federgruppierung 102 hat bereits in die Ausnehmungen 105 der Ausnehmungswelle 104 zur nominalen, gespannten Stellung eingegriffen. Die in 30 gezeigte Ausnehmung hat die Form eines Schachts. Die Feder 105 folgt der Krümmung der Ausnehmung und erstreckt sich jenseits von Kanten der Ausnehmung.
Die 31a, b zeigen die Ausnehmungswelle 104 sowie die Federgruppierung 102. Die Anzahl von Ausnehmungen in der Ausnehmungswelle 104 ist größer als die Anzahl von Federn der Federgruppierung 102. In der in den 31a, b gezeigten Ausführungsform gibt es 30 Federn und 60 Federausnehmungen. Die Anzahl von Ausnehmungen kann ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl von Federn sein; das Vielfache kann wie in den 31a, b 2 sein, oder sie kann 2, 3, 4 oder mehr betragen. 31b ist der Ausschnitt D, der sich in 31a befindet.
Die 32a und b zeigen eine Feder 202 in verschiedenen Ansichten (32a - seitliche Ansichten, Draufsicht, Ansicht von unten) sowie in unterschiedlichen Perspektivansichten ( 32b). Die Federgruppierung 102 ist aus einer Vielzahl dieser Federn gebildet. Die 32a, b zeigen die Feder in einer entspannten Position (nicht montiert). Die Feder 202 hat eine L-Form und weist einen Bodenabschnitt 202a und einen Seitenrissabschnitt 202b in einem Winkel dazu auf (d. h. mit einem Winkel von etwa 90°). Der Seitenrissabschnitt 202b stößt an einen Endabschnitt oder einen Eingriffsabschnitt 202c an. Die Feder ist aus geformtem Metallblech (federnd) gefertigt. Der Bodenabschnitt 202a ist an der Federwelle 101 angebracht, wie in 29 gezeigt ist. Der Bodenabschnitt 202a erstreckt sich entlang der Rotationsachse der Federwelle. Der Seitenrissabschnitt 202b und der Eingriffsabschnitt 202c erstrecken sich radial von der Welle.
Die Feder 202 ist aus geformtem Metallblech gefertigt. Der Bodenabschnitt 202a ist mehr oder weniger eben. Eine Krümmung von etwa 90° bildet einen Übergang zwischen dem Bodenabschnitt 202a und dem Seitenrissabschnitt 202b. Im Seitenrissabschnitt 202b ist die Breite der Feder 202 zum Eingriffsabschnitt 202c verringert. Dies ermöglicht eine verringerte Federung innerhalb des Bodenabschnitts 202a, um die Feder 202 richtig an der Federwelle anzubringen, und eine erhöhte Federung an dem Seitenrissabschnitt 202b. Der Bodenabschnitt 202a ist steifer als der Seitenrissabschnitt 202b. Der Eingriffsabschnitt 202c folgt dem sich verjüngenden Teil des Seitenrissabschnitts 202b und einem Teil mit konstanter Breite, der dem sich verjüngenden Teil folgt. Da die 32a, b eine entspannte Feder zeigen, ist der Endabschnitt leicht von der Richtung, in die der Bodenabschnitt 202a weist, weg gekrümmt. Der Endabschnitt 202 hat die Form eines Schachts. Die Endabschnitte 202c sind aus einer ersten Schachtseite w1 gebildet, die sich zu einem Grundabschnitt w2 des Schachts erstreckt. Auf der Seite des Grundabschnitts w2 gegenüber der ersten Schachtseite w1 erstreckt sich eine zweite Schachtseite w3. Die erste Schachtseite und die zweite Schachtseite w1, w3 verlaufen bogenförmig von dem Grundabschnitt w2. Der Winkel ist kleiner als 90°, insbesondere etwa 70° bis 80°. Eine dritte Schachtseite w4 und eine vierte Schachtseite w5 erstrecken sich auch bogenförmig von dem Grundabschnitt w2 (mit einem Winkel von weniger als 90°, insbesondere etwa 70° bis 80°). Die dritte Schachtseite w4 und eine vierte Schachtseite w5 liegen einander gegenüber.
Die 33a und b zeigen eine Feder 202 in verschiedenen Ansichten (33a - seitliche Ansichten, Draufsicht, Ansicht von unten) sowie in unterschiedlichen Perspektivansichten ( 33b). Die Federgruppierung 102 ist aus einer Vielzahl dieser Federn gebildet. Die 33a, b zeigen die Feder in einer eingerückten Position (montiert, Kupplung geschlossen). In dieser Position greift die Federgruppierung in die Ausnehmungen 105 der Ausnehmungswelle 104 ein (30; 31b). Der Endabschnitt 202c ist in den Ausnehmungen angeordnet, wobei die Ausnehmungen eine Kraft zur Rotationsachse der Federwelle anlegen. Somit wird der Endabschnitt 202c von der zugehörigen Ausnehmung weg gebogen, d. h. er wird in die Richtung gebogen, in die sich der Grundabschnitt 202a erstreckt (ausgehend von dem Seitenrissabschnitt 202b). Es ist in 33a, b zu sehen, dass der Winkel zwischen dem Seitenrissabschnitt 202a und dem Grundabschnitt 202a größer als der in 32a, b, gezeigte Winkel ist, z. B. etwa 90°. Ferner erstrecken sich der Endabschnitt 202c und der Seitenrissabschnitt 202b entlang einer Geraden, die senkrecht zum Grundabschnitt 202a ist.
Die 34a und b zeigen eine Feder 202 in verschiedenen Ansichten (34a - seitliche Ansichten, Draufsicht, Ansicht von unten) sowie in unterschiedlichen Perspektivansichten ( 34b). Die Federgruppierung 102 ist aus einer Vielzahl dieser Federn gebildet. Die 34a, b zeigen die Feder in einer Position, in der die Feder montiert ist, aber die Kupplung nicht eingerückt ist. Es ist ersichtlich, dass der Winkel innerhalb des Grundabschnitts 202a in 34a, b (188°) größer ist als der zugehörige Winkel, der in den 33a, b gezeigt ist (180°, Kupplung eingerückt), und kleiner ist als der zugehörige Winkel, der in den 32a, b gezeigt ist (165°, Feder nicht montiert, entspannte Position).

Claims

System (1) zur Rückgewinnung von Energie durch das Bremsen in einem Fahrzeug, wobei das System (1) eine Federeinheit (2) und eine Zahnradkupplung (6) aufweist, wobei die Federeinheit (2) aufweist - eine Federbatterie (3), - ein Federgehäuse (5), und wobei die Zahnradkupplung (6) aufweist - ein Achsrad (7), das starr an einer Fahrzeugachse (16) anbringbar ist, so dass das Achsrad (7) von der Fahrzeugachse (16) angetrieben werden kann, - ein Schwungrad (8), koaxial mit dem Achsrad (7), - ein Schaltrad (9), das das Achsrad (7) und das Schwungrad (8) derart verbindet, dass sich das Schwungrad (8) in eine Richtung entgegengesetzt zum Achsrad (7) dreht, - ein Antriebsrad (10), das in einem ersten Zustand über eine stirnseitige zweiseitige Kupplung (11) mit dem Achsrad (7) verbunden werden kann, oder das in einem zweiten Zustand über die stirnseitige zweiseitige Kupplung (11) mit dem Schwungrad (8) verbunden werden kann, oder das in einem dritten Zustand von dem Achsrad (7) und dem Schwungrad (8) getrennt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner aufweist - einen Federschieber (4), - eine Zahnstange (12), die das Antriebsrad (10) über den Federschieber (4) mit der Federbatterie (3) verbindet, wobei eine Drehbewegung des Antriebsrads (10) zu einer geradlinigen Bewegung der Zahnstange (12) führt und umgekehrt, und - eine Zahnradverbindungsvorrichtung (13), aufweisend mindestens ein Sperrteil (14) zum Sperren und Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads (10).
System (1) nach Anspruch 1, wobei die Federbatterie (3) mindestens zwei Federn (3a, 3b, 3c) jeweils mit einer anderen Steifheit aufweist.
System (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Federbatterie (3) drei in Reihe angeordnete geradlinige Schraubenfedern (3a, 3b, 3c) aus einem Draht mit rechteckigem Querschnitt mit einer ansteigenden Steifheitscharakteristik aufweist.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ein zusätzliches Zahnrad zwischen dem Antriebsrad (10) und der Zahnstange (12) aufweist, wobei das zusätzliche Zahnrad als ein Drehmomentmultiplikator wirkt.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die stirnseitige zweiseitige Kupplung (11) eine Gruppierung von Vorsprüngen (11p), die auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsrads (10) vorhanden sind, und eine Gruppierung von dazu passenden Ausnehmungen (11r) auf dem Achsrad (7) und dem Schwungrad (8) aufweist.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sperrteil (14) eine Stange (14r) aufweist, die in eine passende Geometrie (14m) in dem Antriebsrad (10) zum Sperren einer Drehbewegung des Antriebsrads (10) geschoben werden kann, wobei die Stange (14r) zum Entsperren einer Drehbewegung des Antriebsrads (10) aus der passenden Geometrie (14m) gezogen werden kann.
System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (1) Mittel (15) zum Begrenzen des Drehmoments aufweist, das auf das Achsrad (7) übertragen werden kann.
System (1) nach Anspruch 7, wobei das System die Fahrzeugachse (16) aufweist, die koaxial zum Achsrad (7) und zum Schwungrad (8) ist, wobei - das Achsrad (7) ein hohles Zentrum aufweist, durch das die Fahrzeugachse (16) hindurchgeht, - das Achsrad (7) an der Fahrzeugachse (16) gehalten ist, - das Achsrad (7) eine Vielzahl von Ausnehmungen (18) aufweist, - die Fahrzeugachse (16) eine Stellmutter (19) und eine Lamellenfedergruppierung (20) aufweist, die in die Ausnehmungen (18) des Achsrads (7) eingreift, und - wobei die Lamellenfedergruppierung (20) dazu geeignet ist, aus den Ausnehmungen (18) ausgerückt zu werden, wenn ein Schwellenwert für das Drehmoment überschritten wird.
System (1) nach Anspruch 8, wobei die Fahrzeugachse (16), die Lamellenfedergruppierung (20), das Achsrad (7), das Schaltrad (9), das Schwungrad (8) und ein Lager zwischen dem Schwungrad (8) und der Fahrzeugachse (16) einen elektrischen Steuerkreis (21) bilden, wobei das Achsrad (7) einen nicht leitenden Bereich (22) zwischen mindestens zwei angrenzenden Ausnehmungen (18) aufweist und wobei eine Strom- oder Spannungserfassungsvorrichtung (23) zum Erkennen des Vorliegens eines Stroms oder einer Spannung in dem elektrischen Steuerkreis (21) vorgesehen ist.