DE2451021A1 - Speichervorrichtung zum einspeichern und wiederabgeben von bremsenergie - Google Patents

Speichervorrichtung zum einspeichern und wiederabgeben von bremsenergie

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DE2451021A1 DE19742451021 DE2451021A DE2451021A1 DE 2451021 A1 DE2451021 A1 DE 2451021A1 DE 19742451021 DE19742451021 DE 19742451021 DE 2451021 A DE2451021 A DE 2451021A DE 2451021 A1 DE2451021 A1 DE 2451021A1
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Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft
München, den 23. Oktober
Speichervorrichtung zum Einspeichern und Wiederabgeben von Bremsenergie
Die Erfindung bezieht sich auf eine Speichervorrichtung zum Einspeichern und Wiederabgeben von Bremsenergie und zum Ab~ bremsen bzw. Antreiben einer umlaufenden Welle durch ein Schwungrad.
Bei Fahrzeugen, bei denen zum Einspeichern der Bremsenergie ein Schwungradspeicher verwendet werden soll, tritt insbesondere das Problem auf, daß eine, mit den Rädern verbundene Welle aufgrund der Bremswirkung langsamer werden soll, während aufgrund der entzogenen Bremsenergie ein Schwungrad beschleunigt werden soll. Beim Abgeben der eingespeicherten Bremsenergie beispielsweise zum Beschleunigen des Fahrzeuges liegen die Verhältnisse umgekehrt: während das Schwungrad abgebremst werden soll, muß sich das Fahrzeug beschleunigen. Aufgrund des gegensätzlichen Drehzahlver-■ halt ens von Fahrwerk und Schwungrad mußte man bisher die Brems-, energie beispielsweise über einen elektrischen. Generator in elektrische Energie umwandeln und somit dem Schwungrad zuführen.
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Dies hat zum Nachteil, daß die gesamte Bremsleistung über einen entsprechend zu dimensionierenden Generator und Elektroantrieb dem Schwungrad zugeführt werden soll, wobei ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad beibehalten werden kann. Bei der Abgabe der Energie vom Schwungrad an die Räder des Fahrzeuges tritt wieder derselbe Wirkungsgrad auf, so daß sich der an sich bereits nicht sonderlich günstige Wirkungsgrad noch quadriert und somit zu einem schlechten Gesamtwirkungsgrad" führt.
Der bisherige Schwungmassenspeicher mußte somit über zwei, jeweils als Generator und als Motor verwendbare Einrichtungen verfügen, über die die gesamte Bremsenergie geführt werden mußte. Da derartige Einrichtungen verhältnismäßig aufwendig sind, war man bisher gezwungen, diese Einrichtungen und somit auch die Aufnahmefähigkeit des Schwungmassenspeichers zu limitieren, was dazu geführt hat, daß bei einer Bremsung, die unter Freiwerden einer verhältnismäßig hohen Bremsleistung stattgefunden hat, nur ein verhältnismäßig geringer Anteil dieser Bremsleistung tatsächlich dem Schwungmassenspeioher zugeführt werden konnte. Unter Zugrundelegung des verhältnismäßig schlechten Gesamtwirkungsgrades einer derartigen Anlage hat sich das Verwenden eines derartigen Schwungmassenspeichers im wesentlichen als unwirtschaftlich heraus* gestellt.
•Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speichervorrichtung der eingangs genannten Gattung zu finden, bei der das Einspeichern von Bremsenergie mit geringerem Aufwand und mit besserem Wirkungsgrad möglich ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die abzubremsende bzw. anzutreibende umlaufende Welle mit einem Getriebe mit zwei E'reiheitsgraden verbunden ist, dessen einer Ausgang mit dem Schwungrad und mit einer wahlweise als Generator oder Motor betre ibbaren Einrichtung verbunden ist, und dessen anderer Ausgang mit einer zweiten, als Generator und Motor betreibbaren Einrichtung verbunden ist, wobei beide Einrichtungen miteinander vorzugsweise über eine Puffereinrichtung zur Energieübertragung in Verbindung stehen.
Als Getriebe mit zwei Freiheitsgraden kann beispielsweise ein Differential- oder Planetengetriebe verwendet werden,-Die von der Welle abgegebene Bremsleistung wird hierbei vom Differentialgetriebe verzweigt. Ein Teil fließt direkt mit gutem mechanischen Wirkungsgrad in das Schwungrad. Der Rest fließt in den anderen Ausgang und treibt hier den als Generator geschalteten Antrieb ah. Die vom Generator erzeugte Energie wird dem als Motor geschalteten Antrieb auf der Welle des Schwungrades übermittelt. Das Schwungrad wird also zusätzlich durch diese Motorleistung beschleunigt. Der als Generator geschaltete Antrieb bestimmt mit seinem Bremsmöment die von der Welle abgegebene Gesamtbremsleistung, Im Differentialgetriebe herrscht an den beiden Ausgängen Momentengleichgewicht. Bis auf Verluste wird den beiden Ausgängen eine Teilleistung zugeführt, die den jeweiligen Ausgangswellendrehzahlen proportional ist. Falls am Beginn des Bremsvorganges beide Ausgangswellen gleich schnell laufen, nimmt zunächst jede die Hälfte der Bremsleistung auf. Die Drehzahl
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des generatorseitlgen Ausganges sinkt ab, während die Drehzahl des Schwungrades zunimmt. Der direkt mechanisch übertragene Anteil nimmt zu, während der indirekt über die beiden Antriebe übertragene Anteil abnimmt. Insbesondere unter Zuhilfenahme eines Schaltgetriebes in der abzubremsenden Welle kann man erreichen, daß während des gesamten Bremsvorganges der weitaus größere Teil der Brernsenergie mechanisch an das Schwungrad übertragen wird, während der Rest in gewohnter V/eise mit einem durch die beiden Antriebe bedingten schlechteren Wirkungsgrad dem Schwung rad zugeführt wird. Dadurch lassen sich außergewöhnlich gute Gesamtwirkungsgrade erreichen. Von erheblichem Vorteil ist ferner, daß die beiden Antriebe nur einen Teil der Bremsleistung übertragen, also kleiner dimensioniert werden können, als im herkömmlichen Fall.
Als Generator bzw. als Motor kann grundsätzlich jede für einen derartigen Zweck übliche Einrichtung verwendet werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist van besonderem Vorteil, daß jede der Einrichtungen ein mit einem Strömungsmittel betriebener Motor oder eine Pumpe ist. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Pufferbehälter verwendet, in dem Strömungsmittel mit einem hohen Energieniveau eingespeichert wird, das sich dann bei , Bedarf über die entsprechende Einrichtung entspannt und in entspanntem Zustand gegebenenfalls in einem Auffangbehälter bereitgehalten wird. Derartige von Generatorbetrieb auf Pumpbetrieb umstellbare Motoren sind weit verbreitet; hierdurch liegt einer der besonderen Vorteile der Erfindung darin, daß es nicht not-
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wendig ist, für diese Teile der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung Jeweils Neukonstruktionen vorzusehen, die ihrerseits noch erprobt werden müßten, sondern es kann auf bewährte Geräte zurückgegriffen werden.
Es ist möglich, als Strömungsmittel ein inkompressibles Strömungsmittel zu wählen, das den Vorteil hat, daß in diesem Fall ein direkte Abhängigkeit zwischen Motor- bzw. Pumpendrehzahl und beförderter Strömungsmittelmenge besteht. Soweit die erfindungsgemäße Einrichtung im Zusammenhang mit hydraulischen Systemen verwendet 'wird, kann sich in diesem Fall es als Vorzug erweisen, daß der Pufferbehälter der Druckvorratsbehälter für die Gesamtanlage ist, bzw. daß anstelle des Sammelbehälters eine der Sammelleitungen des gesamten Systems dient.
Es ist im Rahmen einer weiteren Ausbildung der Erfindung aber insbesondere von Vorteil, daß jede der Einrichtungen ein pneumatischer Motor bzw. Generator ist. Durch das Verwenden eines kompressiblen Strömungsmittels wird hierbei die Ausbildung des Pufferbehälters wesentlich vereinfacht; bei Verwenden von Luft kann darüber hinaus noch auf die Auffangbehälter verzichtet werden, da - gegebenenfalls über eine entsprechende Reinigungsvorrichtung - jeweils Außenluft bei Generatorbetrieb in den Puffer· behälter gefördert werden kann, bzw. bei Motorbetrieb entspannte Luft ins Freie austreten kann. Der Pufferbehälter kann gegebenenfalls durch eine entsprechende Regeleinrichtung ersetzt werden.
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Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort anwendbar, wo in kurzer Folge Bremsenergie anfällt und Antriebsenergie aufgebracht werden muß; ein solcher Anwendungsfall liegt beispielsweise beim Kranbetrieb. Soweit die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die aus einer Wärmekraftmaschine besteht, ist es aber im Rahmen einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere von Vorteil, daß die Wärmeabgabeseite einer Wärmekraftmaschine mit dem Pufferbehälter in wärmetauschender Beziehung steht. Hierdurch wird die Auspuffwärme, die von einer antreibenden Wärmekraftmaschine wie beispielsweise einem Motor nutzlos an die Umgebung abgegeben wird, dazu verwendet, um innerhalb des Pufferbehälters an das eingespeicherte kompressible Strömungsmittel bzw. an die eingespeicherte Luft ihre Wäreme abzugeben, wodurch sich das Druckniveau und somit der Energieinhalt innerhalb des Pufferbehälters erhöht. Somit ist es möglich, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, den in einer Verbrennungskraftmaschine bzw. einem Motor nicht nutzbaren Restenergieanteil weiter zu nutzen.
Ein ganz besonderes zweckmäßiges Anwendungsgebiet für eine erfindungsgemäße Speichervorrichtung ist aber ihre Verwendung in einem Stadtlinienomnibus. Ein Stadtlinienomnibus, der in verhältnismäßig festliegender Folge bei den Haltestellen bis zum Stillstand abbremst und wieder bis zur vollen Fahrt beschleunigt, führt jeder Bremsleistungsrückgewinn zu einer Einsparung des zum. Antrieb verwendeten Mineralöls sowie somit zum Verringern der insbesondere in Ballungsgebieten schädlichen Emissionswerte des
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herkömmlichen Antriebs. Darüber hinaus sieht der Schwungmassenspeicher für einen Stadtlinienomnibus eine zusätzliche Leistungsreserve vor, so daß beispielsweise der vollbesetzte Omnibus fast genauso schnell beschleunigen kann, wie es der leere Omnibus kann. In diesem Anwendungsfall kann der Schwungmassenspeicher verhältnismäßig klein ausgelegt werden, d.h. er umfaßt im wesentlichen nicht mehr als die bei einer, oder bei einigen wenigen Abbremsungen freiwerdene Energie; so ist es beispielsweise sinnvoll, eine Kapazität vorzusehen, die etwa die zweifache kinetische Energie des sich mit 6o km/h bewegenden Fahrzeugs in beladenem Zustand aufweist. Die Erfindung wird anhand der beigelegten Zeichnung, anhand eines erfindungsgemäßen Fahrantriebs beispielsweise noch ■ näher erläutert.
Das Umlaufgetriebe 2 ist ein Getriebe mit 2 Freiheitsgraden, beispielsweise ein mechanisches Differentialgetriebe. Als An-4 triebe 3 und 4 können beispielsxveise Hydraulikmotoren vorgesehenwerden, die im Vierquadranten-Betrieb betreibbar sind, d.h. bei positiver und negativer Drehzahl als Pumpen oder Motoren arbeiten können. Im folgenden wird die Erfindung noch näher anhand verschiedener Fahrzustände des Fahrzeugs, das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist, beschrieben.
Zunächst wird ein stabiler Fahrzustand beschrieben:
Es wird.hierbei in das Schwungrad weder Energie eingespeichert noch von ihm Energie entnommen. Die beiden Antriebe J5 und 4 ■verhalten sich derart, daß die Welle, die die beiden Differential-
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getriebe 1 und 2 miteinander verbindet, frei und ungehindert drehen kann; der Antrieb J5 läuft mit der gleichen Drehzahl um wie das Schwungrad 5. Während die Drehzahl der Welle zwischen den beiden Differentialgetrieben 1 und 2 vorgegeben ist, läuft derAntrieb 4 in Leerlast mit einer hierzu komplementären Geschwindigkeit um. Mit Ausnahme der mechanischen Verluste wird von der erfindungsgemäßen Einheit dem Fahrzeug keine Energie entnommen.
Setzt der Bremsvorgang ein, dann wird der Antrieb 4 abgebremst er arbeitet als Pumpe - und formt hierbei mechanische Energie in hydraulische bzw. pneumatische Energie um. Während der Antrieb abgebremst wird, erhöht sich analog zur Geometrie des Differentialgetriebes 2 die Drehzahl des Antriebs J5 und somit auch die Drehzahl des Schwungrades 5· Hierbei wird die im Antrieb 4 erzeugte Energie gleichzeitig mit der mechanischen Energie über den Pufferbehälter und den Antrieb 3 dem Schwungrad 5 zugeführt. Somit wird ein Teil der verbrauchten Bremsenergie direkt mechanisch dem Schwungrad zugeführt, während der andere Teil dem Schwungrad über die Antriebe J5 und 4 zugeführt wird.
Der Hydraulikantrieb 4 lädt zunächst den Pufferbehälter 6 in der Übertragungsleitung auf einen von einem Regelungssystem 7 vorgegebenen Druck auf. Sobald dieser erreicht ist Setzt das Regelsystem 7 den als Motor geschalteten Antrieb j5 ein. Er wird so geregelt, daß im Puffer 6 stets der gewünschte Druck oder eine vorgegebene Toleranzbreite des Druckes herrscht.
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Mit langsamer werdender Fahrzeuggeschwindigkeit sinkt die Drehzahl des Antriebs 4 auf Null. Das Regelsystem 7 regelt über den Druck im Puffersystem dabei auch den Antrieb 3 auf Nulleistung herunter. Der Nulldurchgang des Antriebs 4 muß im Regelsystem 7 ein Signal zur Umschaltung der Antriebseinheit 3 von Motor- auf Generator (Pumpen) -betrieb geben. Die Pumpenleistung von 5 wird wieder über den Pufferdruck geregelt. Im negativen Drehzahlbereich des Antriebes 4 arbeitet dieser nun als Motor.
Alternativ zu diesem Regelvorgang ist es auch möglich, nur mit dem Pufferdruck zu regeln. Dabei wird beim Bremsen.die bei positiver Drehzahl laufende Einheit 4 als Pumpe geschaltet. Diese Einheit läuft dann bei negativer Drehzahl automatisch als Motor, Der maximal im Puffer zugelassene Druck wird von der Regelung vorgegeben. Bei starker Verzögerung wird ein hoher Pufferdruck, bei schwacher Verzögerung ein kleiner Pufferdruck vorgegeben. Die Einheit 2 läuft nur mit positiver Drehzahl. Sie wird vom Regelungssystem als Motor geschaltet sobald der maximal im Puffer zugelassene Druck überschritten wird. Sie wird umgekehrt als Generator oder Pumpe geschaltet, solange im Puffer ein vorgegebener Minimaldruck unterschritten wird. Zwischen diesen Drücken wird die Einheit 3 auf Leerlast geschaltet.
Wird vom Fahrzeug Energie zum Beschleunigen benötigt, dann gibt das Schwungrad 5 mechanische Leistung an das Umlaufgetriebe 2 ab. Gleichzeitig wird mechanische Leistung des Schwungrads 5 im
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Antrieb 4 in hydraulisch/pneumatische Energie umgewandelt., die dem Pufferbehälter zugeführt wird. Der Antrieb 4, der bisher (ira Fahrzeugstillstand) mit negativer Drehzahl umläuft, gibt, trotz seiner negativen Drehzahl, ein positives Drehmoment an das Umlaufgetriebe 2 ab, wodurch das Umlaufgetriebe 2 über die Welle an-das Differentialgetriebe des Fahrzeugs sowohl direkte mechanische Energie aus dem Schwungrad als auch vom Schwungrad 5 ausgehende, hydraulische übertragende Energie abgibt.
Sobald beim Beschleunigungsvorgang die Antriebseinheit 4 durch die Drehzahl Mull geht, schaltet das Regelsystem 7 den Antrieb 8 auf Pumpbetrieb mit einer Leistung, die durch den Pufferdruck geregelt wird. Der Antrieb 4 arbeitet bei positiver Drehzahl als Motor.
Es wird beim Abbremsen des Fahrzeuges bewirkt, daß bei abnehmender Drehzahl der Welle, die die beiden Getriebe 1 und 2 miteinander verbindet, gleichzeitig die Drehzahl des Antriebs 4 absinkt und die Drehzahl des Antriebes J5 ansteigt, und beim Beschleunigen des Fahrzeuges die Drehzahl des Antriebs 4 von negativen Werten auf .positive steigt und zugleich die Drehzahl des Schwungmassenspeichers 5 und des Antriebs 3 absinkt. Hierbei können die beiden Antriebe 1 und 2 über ein Schaltgetriebe 8 verbunden werden.
.In der Zeichnung ist der Antriebsmotor des Fahrzeugs nicht dargestellt. Es kann vorgesehen werden, daß beispielsweise bei Standzeiten der gegebenenfalls leere Schwungmassenspeicher 5 durch den Fahrzeugmotor wieder aufgeladen wird.
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Die· Verbindung zwischen den beiden Antriebs einrichtungen 3 und und der Regeleinrichtung 7 wird über Signalleitungen 9 vorgenommen; diese Signalleitungen können gegebenenfalls hydraulische oder pneumatische Signalleitungen sein. Ferner ist der Pufferbehälter mit der Regeleinrichtung 7 durch eine weitere Signalleitung 9 verbunden, die der Regeleinrichtung 7 den Druck innerhalb des Pufferbehälters 6 mitteilt.
Werden hydraulische Motoren bzw. Pumpen 3 und 4 verwendet, so ist.ein Auffangbehälter Io jedem Motor bzw. jeder Pumpe zugeordnet; diese beiden Auffangbehälter können miteinander in Verbindung stehen.
Wird ein pneumatisches System verwendet, dann kann der Pufferbehälter 6 mit einer Wärmeaustauscheinrichtung 11 versehen sein, die mit dem Antriebsmotor des Fahrzeuges in Verbindung steht. Als Wärmeaustauscheinrichtung kann beispielsweise eine Rohrleitung dienen, durch die Auspuffgase durchgeleitet werden. Gegebenenfalls kann noch eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen werden, die die Wärmetauscheinrichtung überbrückt bzw. abstellt, um beispielsweise bei vollem Druckbehälter, bei vollem Pufferbehälter 6, bei mit Nermdrehzahl umlaufendem Schwungrad 5 und bei stehendem Fahrzeug verhindert, daß dem Pufferbehälter 6 zusätzlich Wärme zugeführt wird. Ferner kann der Pufferbehälter 6 mit einem Sicherheitsventil, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ausgestattet sein, das durch den Innendruck im Pufferbehälter 6 und/, oder durch die Regeleinrichtung 7 angesteuert wird. Ferner kann dieses Ventil noch willkürlich angesteuert werden, beispielsweise
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um bei Reparaturen am System den etwa noch gefüllten"Pufferbehält er 6 zu entladen.
Das Getriebe mit zwei Freiheitsgraden kann gegebenenfalls ein pneumatisches oder hydraulisches Getriebe sein,·was bei Verwenden eines entsprechenden erfindungsgemäßen Systemes von Vorteil sein kann. Ebenso kann anstelle des Schaltgetriebes 8 beispielsweise ein hydraulisch oder pneumatisch wirkendes bzw. gesteuertes automatisches Getriebe vorgesehen werden. Es ist somit möglich, die erfindungsgemäße Speichervorrichtung, sowie das Schaltgetriebe des Fahrzeugs entweder mit einer ohnehin notwendigen Fahrzeughydraulik oder mit der ohnehin notwendigen pneumatischen Einrichtung des Fahrzeugs wie beispielsweise der pneumatischen Bremse zu einer Einheit zusammenzufassen, wodurch sich insbesondere Kostenvorteile ergeben, da die erfindungsgemäße Erfindung mit ihren leistungsfähigen Pumpen bzw. Motoren 3 und 4 bereits hinlänglich für das Bereitstellen der im gesamten Fahrzeug benötigten Menge von Druckmedium sorgen kann, zumal die., Regeleinrichtung 7 bei wegen überhöhtem Druckmittelverbrauch im Pufferbehälter 6 vorliegenden Druckabfall diesen,selbsttätig wieder solange beaufschlagt, bis sein Nenndruck erreicht ist.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Speichervorrichtung zum Einspeichern und Wiederabgeben von Bremsenergie und zum Abbremsen bzw. Antreiben einer umlaufenden Welle durch ein Schwungrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle mit einem Getriebe (2) mit zwei Freiheitsgraden verbunden ist, dessen einer Ausgang mit dem Schwungrad (5) und mit einer wahlweise als Generator oder Motor betreibbaren Einrichtung (3) verbunden ist, und dessen anderer Ausgang mit einer zx^eiten, als Generator oder Motor betreib- ■ baren Einrichtung (4) verbunden ist, wobei beide Einrichtungen (3j» 4) miteinander vorzugsweise über eine Puffereinrichtung (6) zur Energieübertragung in Verbindung stehen.
    2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einrichtungen (3* 4) ein mit einem Strörnungs-' mittel betriebener Motor oder eine Pumpe ist.
    3. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn-., zeichnet, daß jede der Einrichtungen (3, 4) ein pneumatischer Motor bzw. Generator ist*
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    4. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Einrichtungen (3, 4) ein hydraulischer Motor bzw. Generator ist.
    5. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1/2 und J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeseite einer Wärmekraftmaschine mit dem Pufferbehälter (6) in wärmetauschender Beziehung (11) steht.
    6. Speichervorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Stadtlinienomnibus .
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    23.I0.1974
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