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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung der Bewegungen eines Kraftfahrzeugs mit zwei im Boden des Kraftfahrzeugs gelagerten Schwungrädern, die um vertikale, konzentrisch zueinander verlaufende Achsen rotieren und im Betrieb gegenläufig antreibbar sind, wobei bei Bedarf die Rotationsgeschwindigkeit von mindestens einem der beiden Schwungräder gezielt veränderbar ist.
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Beim Betrieb von Kraftfahrzeugen kann es bei kritischen Fahrmanövern passieren, dass die Fahrzeuge ins Schleudern und/oder Wanken geraten, was schlimmstenfalls dazu führen kann, dass die Kraftfahrzeuge umkippen oder sich überschlagen. Derartige Fahrmanöver können bei überhöhter Geschwindigkeit in einer Kurve bzw. bei einem Aufprall oder einem drohenden Aufprall mit einem anderen Objekt auftreten.
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Zur Unterstützung und Stabilisierung der Bewegung von Kraftfahrzeugen ist bereits eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt (
DE 10 2013 111 624 A1 ). Bei dieser bekannten Vorrichtung sind zwei im Boden des Kraftfahrzeugs gelagerte Schwungräder vorgesehen, die um vertikale Achsen rotieren. Zu Beginn der Fahrt werden die beiden Schwungräder, die die gleiche Größe und das gleiche Trägheitsmoment aufweisen, in Rotation versetzt, und zwar werden die beiden Schwungräder gegenläufig angetrieben, sodass der Drehimpuls des Gesamtsystems gleich Null ist. Die Folge ist ein konstanter Komfort hinsichtlich der Stabilisierung der Karosserie durch die gleichbleibenden Kreiselkräfte. Durch gezielte Änderung der Rotationsgeschwindigkeit von mindestens einem der beiden Schwungräder können kritische Fahrmanöver positiv beeinflusst werden.
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Die bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund der übereinander angeordneten Schwungräder der Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs relativ weit oben liegt und dadurch die Stabilität des Fahrzeugs negativ beeinflusst wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompaktere Vorrichtung zur Unterstützung der Kraftfahrzeugbewegungen zu schaffen, um dadurch das Fahrverhalten der Kraftfahrzeuge zu verbessern und insbesondere bei kritischen Fahrmanövern die Stabilität des Fahrzeugs optimal beeinflussen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die beiden Schwungräder unterschiedliche Durchmesser aufweisen und etwa in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, dass das größere Schwungrad ringförmig ausgebildet ist und das kleinere Schwungrad konzentrisch umgibt und dass das kleinere Schwungrad mit höherer Drehzahl derart antreibbar ist, dass es im normalen Fahrbetrieb den gleichen Drehimpuls wie das größere Schwungrad aufweist.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion kann die Gesamthöhe der beiden Schwungräder sehr niedrig gehalten werden und somit optimal im unteren Bereich des Fahrzeugbodens angeordnet werden. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass der Schwerpunkt des Fahrzeugs sehr tief liegt, sodass bereits aufgrund dieser konstruktiven Maßnahme in Kombination mit der Kreiselkraft der Schwungräder eine optimale Stabilität der Karosserie und somit ein komfortables Fahrverhalten erzielt wird. Trotz der unterschiedlichen Durchmesser der Schwungräder können die Drehimpulse der beiden Schwungräder durch unterschiedliche Drehzahlen aufeinander abgestimmt werden, sodass sich die Drehimpulse der beiden Schwungräder im normalen Fahrbetrieb gegenseitig aufheben. Aufgrund der Tatsache, dass die beiden Schwungräder in der gleichen horizontalen Ebene liegen, tritt auch kein zusätzliches Moment auf, das die Stabilität des Systems schädlich beeinflusst. Zur Unterstützung der Bewegungen des Kraftfahrzeugs bei kritischen Fahrmanövern wird die Drehzahl von mindestens einem der Schwungräder verändert, vorzugsweise verzögert, wodurch aufgrund des sich ändernden Drehimpulses des Systems einem Schleudern oder Wanken des Fahrzeugs entgegengewirkt werden kann.
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Die beiden Schwungräder können mit einer elektrischen Maschine verbunden sein, die die beiden Schwungräder zu Beginn der Fahrt auf ihre optimalen Drehzahlen bringen bzw. die Drehzahlen während der Fahrt kontrolliert halten kann.
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Zwischen der elektrischen Maschine und dem jeweiligen Schwungrad können Kupplungsgetriebe vorgesehen sein, die auf die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten der Schwungräder abgestimmt sind.
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Darüber hinaus können die Schwungräder mechanisch mit mindestens einer der Achsen der Antriebsräder verbindbar sein, sodass der Antrieb der Schwungräder auch über die Antriebsräder erfolgen kann, wobei im Falle eines Bremsmanövers oder einer Talfahrt Energie in den Schwungrädern nach dem Rekuperationsprinzip gespeichert und später an die Antriebsräder wieder abgegeben werden kann.
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Die Verbindung zwischen den Schwungrädern und den Achsen der Antriebsräder erfolgt zweckmäßig über Wellen sowie einer zwischengeschalteten Kupplung, insbesondere einer Visco- oder Haldex-Kupplung.
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Die Verbindungswellen können über entsprechend ausgelegte Kegelradgetriebe mit den Schwungrädern gekoppelt sein.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die mit den unterschiedlichen Drehzahlen umlaufenden Schwungräder mit einem gemeinsamen Planetenradgetriebe verbunden sind und dass das mit den Planetenrädern verbundenen Kegelrad mit dem zu den Antriebsrädern führenden Verbindungswelle sitzenden Kegelrad kämmt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schwungräder als Rotoren einer elektrischen Maschine ausgebildet.
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Dabei kann der zu dem größeren, äußeren Schwungrad gehörende Stator dieses konzentrisch umgeben. Das kleinere, innere Schwungrad ist in diesem Falle ebenfalls zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet, wobei der Stator des kleineren Schwungrades radial innerhalb des Schwungrades angeordnet ist. Durch diese Maßnahmen entsteht eine kompakte Bauweise zweier ineinander geschachtelter elektrischer Maschinen.
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Die Beschleunigung des jeweiligen Schwungrades erfolgt zweckmäßig über Batteriebetrieb, wobei bei Verzögerung der Schwungräder die freiwerdende Energie zum Aufladen der Batterie verwendet werden kann.
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Die Ausbildung der Schwungräder als Rotoren einer elektrischen Maschine lässt sich insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen vorteilhaft anwenden.
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In den Schwungrädern können die für die Rotoren der elektrischen Maschinen erforderlichen Magnete und zumindest ein Teil der Batterien integriert sein. Dadurch kann die Masse der Schwungräder erheblich erhöht werden, wodurch der Schwungrad-Effekt vergrößert wird und die bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen erforderlichen Batterien sinnvoll untergebracht werden können.
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Die in den Schwungrädern vorgesehenen Magnete sind zweckmäßig als Elektromagnete ausgebildet, da diese eine größere Masse als alternativ einsetzbare Permanentmagnete aufweisen. Bei den Statoren spielt die dort untergebrachte Masse dagegen keine besondere Rolle, sodass hier ohne weiteres Permanentmagnete eingesetzt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführungsform ist vorzugsweise zwischen dem äußeren Schwungrad und dem inneren Schwungrad ein dritter Stator angeordnet, wobei dieser dritte Stator als rotierender Stator ausgebildet und über ein Kegelradgetriebe mit mindestens einer der beiden Radachsen verbunden ist. Diese Lösung erlaubt es, die Drehzahl der Schwungräder, getrennt vom Antrieb, weitestgehend individuell zu steuern. Damit ließe sich z.B. ein optimaler Fahrbetrieb dergestalt realisieren, dass sich die Drehzahl der beiden Schwungräder während der Fahrt nicht ändert. Die Folge ist ein konstanter Komfort hinsichtlich der Stabilität der Karosserie durch die gleichbleibenden Kreiselkräfte. Ferner könnte man mit dieser Ausführungsform viel Energie in den Schwungrädern speichern. Insofern wäre man bezüglich der Beeinflussung kritischer Fahrmanöver sehr flexibel, da beide Schwungräder individuell derart geregelt werden können, dass sich der jeweils gewünschte bzw. erforderliche optimale Drehimpuls ergibt. Bei dieser Ausführungsform ist lediglich der oben erwähnte, als Rotor betriebene dritte Stator über ein Kegelradpaar mit der Antriebsachse verbunden.
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Vorteilhaft können die Schwungräder mit Lüfterflügeln versehen werden, deren Luftstrom zur Kühlung oder Heizung der Batterie herangezogen werden kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft veranschaulicht und im nachstehenden im Einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: einen Schnitt entlang der Linie II-II aus 1
- 3: eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
- 4: einen Schnitt entlang der Linie IV-IV aus 3,
- 5: ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6: einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus 5,
- 7: ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8: einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII aus 7,
- 9: ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 10: einen Schnitt entlang der Linie X-X aus 9
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In 1 und 2 ist die einfachste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Danach besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus zwei drehbar gelagerten Schwungrädern 1 und 2, die um vertikale, konzentrisch zueinander verlaufende Achsen 3 und 4 rotieren. Die beiden Schwungräder 1 und 2 weisen unterschiedliche Durchmesser auf, wobei das größere Schwungrad 1 ringförmig ausgebildet ist und das kleinere Schwungrad 2 konzentrisch umgibt. Beide Schwungräder 1 und 2 sind etwa in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
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Im Betrieb werden die beiden Schwungräder 1 und 2 gegenläufig angetrieben. Das kleinere Schwungrad 2 wird mit höherer Drehzahl derart angetrieben, dass es im normalen Fahrbetrieb den gleichen Drehimpuls wie das größere Schwungrad 1 aufweist, sodass sich die beiden gegenläufigen Impulse zu Null addieren.
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Wie aus 1 hervorgeht, werden die beiden Schwungräder 1 und 2 durch eine elektrische Maschine 5 über entsprechende Kopplungsgetriebe 6 und 7 angetrieben. Die elektrische Maschine 5 wird durch eine Batterie 8 gespeist.
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Ferner ist ein Steuergerät 9 vorgesehen, welches zu Beginn der Fahrt sicherstellt, dass beide Schwungräder 1 und 2 derart angetrieben werden, dass sie den gleichen Drehimpuls erhalten, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen.
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Wenn während der Fahrt kritische Fahrmanöver auftreten, beispielsweise unkontrolliertes Schleudern oder ein Wanken des Fahrzeugs, so kann durch Abbremsung eines der beiden Schwungräder 1 oder 2 die Bahnführung des Fahrzeugs über das Steuergerät 9 korrigiert werden.
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In 3 und 4 der Zeichnung sind die Schwungräder 11 und 12 als Rotoren einer elektrischen Maschine ausgebildet. Der zu dem äußeren Schwungrad 11 gehörende Stator 13 umgibt das äußere Schwungrad konzentrisch. Das kleinere, innere Schwungrad 12, welches ebenfalls als Rotor einer elektrischen Maschine ausgebildet ist, ist ebenfalls ringförmig ausgebildet, wobei der dazugehörige Stator 14 radial innerhalb des kleineren Schwungrades 12 angeordnet ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Schwungräder 11 und 12 über Kegelradgetriebe 15 und 16 und Wellen 17 und 18 mit dem Differentialgetriebe 19 der Hinterachse 20 und somit mit den Antriebsrädern 10 verbunden. Dem Differentialgetriebe 19 ist zusätzlich noch eine Visco- oder Haldex-Kupplung 21 vorgeschaltet.
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In die beiden als Rotoren ausgebildeten Schwungräder 11 und 12 sind die für die Funktion erforderlichen Magnete, im vorliegenden Fall Elektromagnete 22 integriert, da diese eine größere Masse aufweisen als alternativ einsetzbare Permanentmagnete. Dadurch kann die Masse der Schwungräder 11 und 12 und damit der Schwungradeffekt erhöht werden.
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Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden zumindest ein Teil der in großer Anzahl vorhandenen schweren Batterien in die Schwungräder 11 und 12 eingebaut, um deren Masse und damit deren Schwungradeffekt noch weiter zu erhöhen.
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Die Schwungräder 11 und 12 sind so groß wie möglich ausgebildet und können im Extremfall fast die gesamte Breite des Fahrzeugs einnehmen. Da die Schwungräder 11 und 12 im Boden des Fahrzeugs an der tiefstmöglichen Stelle angeordnet sind, wird dadurch zusätzlich die Stabilität des Fahrzeugs verbessert.
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Zur Beschleunigung des Fahrzeugs, bei stärkeren Steigungen oder bei aerodynamischer Belastung ist eine Stromzufuhr von den Batterien 23 erforderlich. Bei Talfahrten oder bei Bremsungen können die Batterien 23 über Rekuperation aufgeladen werden.
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Zur positiven Beeinflussung kritischer Fahrmanöver wird zweckmäßig das mit der größeren Schwungmasse versehene äußere Schwungrad 11 entweder beschleunigt oder verzögert. Vorzugsweise wird das Schwungrad 11 verzögert, da dadurch die gewünschte Reaktion schneller erfolgen kann.
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Das in 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ähnlich konstruiert wie das in 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel. Demgemäß sind auch für identische Teile die gleichen Positionszahlen verwendet worden.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind das äußere Schwungrad 11 und das innere Schwungrad 12 als Rotoren einer elektrischen Maschine ausgebildet. Der zu dem äußeren Schwungrad 11 gehörende Stator 13 umgibt das äußere Schwungrad 11 konzentrisch, während der Stator 14 des kleineren, inneren Schwungrades 12 innerhalb des Schwungrades 12 angeordnet ist.
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Die beiden rotierenden Schwungräder 11 und 12 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel über ein Getriebe mit dem Differentialgetriebe 19 der Hinterachse 20 verbunden. Die Kraftübertragung erfolgt über ein Planetenradgetriebe (Powersplit) 24, wobei das als mit den Planetenrädern verbundene Kegelrad über ein auf einer Welle 26 sitzendes Kegelrad 27 das Drehmoment auf das Differentialgetriebe 19 der Hinterachse 20 überträgt.
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Das in 7 und 8 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen insbesondere dadurch, dass zwischen dem äußeren Schwungrad 11 und dem inneren Schwungrad 12 ein dritter Stator 28 vorgesehen ist, der im Prinzip ein rotierender Stator mit Permanent- oder Elektromagneten ist. Diese Lösung erlaubt es, die Drehzahl der Schwungräder 11 und 12, getrennt vom Antrieb, weitestgehend individuell zu steuern. Dadurch ist es leicht zu realisieren, dass sich die Drehzahl der beiden Schwungräder 11 und 12 während der Fahrt nicht ändert. Die Folge ist ein konstanter Komfort hinsichtlich der Stabilisierung der Karosserie durch die gleichbleibenden Kreiselkräfte, die bei beiden gegenläufig umlaufenden Schwungrädern 11 und 12 den gleichen Drehimpuls aufweisen, wobei das innere, kleinere Schwungrad 12 mit entsprechend höherer Drehzahl umläuft. Ferner kann auf diese Art und Weise viel Energie in den Schwungrädern 11 und 12 gespeichert werden, und man ist sehr flexibel bei der Beeinflussung kritischer Fahrmanöver, da beide Schwungräder 11 und 12 individuell geregelt werden können, um den jeweils gewünschten Drehimpuls zu erzielen. Die Kraftübertragung auf das Differentialgetriebe 19 der Hinterachse 20 erfolgt über eine einzige Welle 29, die über ein mit dem rotierenden dritten Stator 28 verbundenes Kegelradgetriebe 30 antreibbar ist.
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Bei dem in 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein gesonderter Elektromotor / Generator 31 mit dem Differentialgetriebe 19 der Hinterachse 20 verbunden. Die Schwungräder 11 und 12 bilden zusammen mit den Statoren 13 und 14 konventionelle Elektromotoren, die konzentrisch ineinander geschachtelt sind. Die Stromübertragung erfolgt entsprechend konventionell über Kohlekontakte oder bei der Ausführung als Induktionsmotoren bürstenlos. Je nach Bedarf erfolgt entweder die Abnahme von Strom aus den Batterien oder eine Speisung der Batterien im Rekuperationsfall.
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Die Erfindung wirkt sich besonders vorteilhaft bei Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen aus. Die in diesen Fahrzeugen vorhandenen großen Batterie-Massen und Elektromotor(Generator)-Massen können problemlos in die im Unterbodenbereich angeordneten Schwungräder 11 und 12 zumindest teilweise integriert werden und tragen zur Erhöhung des Fahrkomforts bei, nämlich durch die Stabilisierung der Karosserie durch die hohen Kreiselkräfte. Gleichzeitig erfolgt eine positive Beeinflussung von kritischen Fahrmanövern durch die schnelle Einstellung von Drehzahldifferenzen zwischen den beiden Schwungrädern 11 und 12. Auch verbessern die großen Massen die Energiespeicherung in den Schwungrädern 11 und 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- äußeres Schwungrad
- 2
- inneres Schwungrad
- 3
- Achse des äußeren Schwungrades
- 4
- Achse des inneren Schwungrades
- 5
- elektrische Maschine
- 6
- Kopplungsgetriebe
- 7
- Kopplungsgetriebe
- 8
- Batterie
- 9
- Steuergerät
- 10
- Antriebsräder
- 11
- äußeres Schwungrad (Rotor)
- 12
- inneres Schwungrad (Rotor)
- 13
- äußerer Stator
- 14
- innerer Stator
- 15
- Kegelradgetriebe
- 16
- Kegelradgetriebe
- 17
- Welle
- 18
- Welle
- 19
- Differentialgetriebe
- 20
- Hinterachse
- 21
- Visco- bzw. Haldex-Kupplung
- 22
- Elektromagnete
- 23
- Batterien
- 24
- Planetenradgetriebe
- 25
- Kegelrad
- 26
- Welle
- 27
- Kegelrad
- 28
- dritter Stator
- 29
- Welle
- 30
- Kegelradgetriebe
- 31
- Elektromotor / Generator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013111624 A1 [0003]
