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Antriebsbaugruppe mit Energiespeicher Die Erfindung betrifft eine
Antriebsbaugruppe für Arbeitsmaschinen mit stark instationärer Bettiebsweise, mit
einem in vierquadrantenbetrieb arbeitenden Energiewandler, einem als Schwungrad
ausgeführten Energiespeicher und einem Leistungssummiergetriebe, über das, das kbtriebsrad
der Antriebsaugruppe mit der Antriebswelle der jeseilligen anzustriebenden Arbeitsmaschine
gekoppelt ist.
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Wie hinreichena bekarn, wird der Energiewandler im Regelfall, nach
dem maximalen Leistungsbedarf der anzutreibenden Arbeitamaschine dimensioniert.
Da die meisten Kroeitsmaschinon, einen sohr stark schwankenden Leistungsbe@arf aufweisen
und nur ein Bruchteil der Betrichszeit die volle Leistung des Energiewandlere erfordern,
arbeiten diese wandlern vorwiegend im Teillastbereich, was normalerweise einen rlativ
schlechten
Wirkungsgrad der Energieunwandlung zur Folge hat.Außserdem,
wird die grundsätzlich gewinnbare Bremsenergie nicht ausgenützt.
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Angesichts des ständig steigenden Energiebedarfes und der erheblichen
Verteuerung der Energie im Allgemeinen, erscheint es sinnvoll, entsprechende Maßnahmen
zu treffen, die zur Verminderung der instationären Betriebsweise des Energiewandlers
der Arbeitsmaschinen, führen.
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Dadurch wird nicht nur die Verbesserung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung
sondern, anch die Verringerung des gesamten Energiebedarfes erreicht.
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Es ist bekannt, zur BrfüllunD dieser Erfordernisse, die Verwendung
von sogenannten Hybrindautriebe, insbesondere bei Strassenfahrzeuge, darunter auch
solche mit Schwungradspeicher, wobei ein Energiewandler zur Regelung der Be - und
Entladung des Schwungradspeichers erforderlich ist, welcher mit einem anderen Energiewandler
zusammen.
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wirkt, so daß, jede Antriebsanlage, mindestens zwei Energiewandlern
beinhaltet.
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Falls diese Energiewandlern gleichartig sind, z.B. zwei Elektromaschinen,
erscheint das hohe Gewicht und kosten der Wandlern und der Rerelungseinrichtung
als nachteilig.
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Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Antriebsbaugruppe
für
Arbeitsmaschinen mit stark instationärer Betriebsweise zu schaffen, welche die Verminderung
der instationären Betriebsweise des Energiewandlers und der Rückgewinnung der anfallenden
Bremsenergie ermöglicht, ohne den Nachteil des hohen Aufwandes für zwei gleichartige
Energiewandlern im Kauf nehmen zu mäßen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, indem die antriebsbaugruppe
aus einem in Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Energiewandler, welcher sowohl die
aufgabe der Hauptantriebskraftmaschine als auch die Aufgabe des Regelungswandlers
erfüllt, aus einem als Schwungrad ausgeführten Snergiespeicher, welcher die Deckung
des Spitzen-Energiebedarfes und Speicherung der gewinnbaren Bremsenergie übernimmt
und aus einem beistungssummiergetriebe zu-Sammengesetzt ist.
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Das £ieistungssummiergetriebe besteht aus einem herkömlichen I)ifferenti&lgetriebe,
welches von Ball zu Fall, als Keel - oder als Stirnrad-Planetengetriebe ausgeführt
werden kann. Das Abtriebsrad des teistungssummiergetriebes wird jeweils über weitere
Stirnräderen, Kegelrad mit Abtriebswelle, Keilriemen, Zahnriemen, Zahnketten oder
Derartiges, mit der Antriebswelle der Arbeitsmaschine gekoppelt.
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Um ein möglichst niedriges Gewicht des Schwungradspeichers zu erzielen,ist
es erforderlich, ein Drehzablüoersotzungsgetriobe zwischen diesem und dem Summiergetriebe
vorzu sehen.
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Dieses Ubebsetzungsgetriebe wird für die erfindungsmäßige Antriebsbaugruppe
ausnahmslos als Planetensatz ausgeführt, dessen Hollrad und Planetenträger ( Steg
), je nach Bedarf der Leistungsregelung, durch je eine Bremse, festgehalten oder
freigegeben werden können.
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Ist das Hollrad z.B. festgehalten und der Planetenträger freigegeben,
arbeitet der Energiewandler als Antriebskraftmaschine und trejibt über das Differentialgetriebe
und dessen Abtriebsrad aie rntriebswelle der Arbeitsmaschine an.
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Die Drehzahl des Energiewandlers wird jeweils ins Langsame übersetzt,
wobei das Ubersetzungsverhältnis von der Ausführung des Summiergetriebes als Kegel
-oder Stirnraddifferentialgetriebe abhängig ist.
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Die Übersetzung ins Langsame wird durch die Detätigung der Wandlerseitig
angeordneten Kupplung (Differentialsperre) aufgehoben, indem die Welle des Wandlers
mit dem Gehause des Summiergetriebes verbunden wird, so daß die Drehzahl des Abtriebrades
der Antriebsbaugruppe gleich der Drehzahl des Energiewandlers ist.
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Währenddessen, ist der Schwungradspeicher abgekoppelt und dreht sich
ins leere mit einer beliebigen Drehzahl.
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Die Antriebsbaugrungs funktioniert praktisch wie ein Antriebsaggregat
mit nachgoschaltetem Zweiganggetriebe.
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Durch die Freigabe des Hohlrades und das Festhalten des flanetenträgers
wird der Schwungradspeicher eingeschaltet
und der Energiewandler
mit dem Vierquadrantenbetrebsbereich erfüllt die Aufgabe des Regelungswandlers.
Dur Energiewandler ermöglicht Energiespeicherung in dem Schvungradspeicher oder
Energieentnahme, je nach dem Leistungsbedarf der Erbeitsmaschine.
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Der Energieaustausch zwischen den Schwungradspeicher und der Antriebswelle
der Arbeitsmaschine erfolgt in beiden Richtungen mit einem sehr hohen Wirkungsgrad,
da der größte Teil der gespeicherten oder entaommenen Energie als mechanische Energie
übertragen wird und nur ein kleiner Teil durch den Regelungswandler von mechanischer
in einer anderen Energieform und ungekehrt, umgewandelt wird.
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Für einige Anwenkungsfälle aber, z.B. Fahrzeuge oder Industrieanlagen,
die nach einem festgelegten Betriebszyklus arbeiten, ist @das Ein-und Auskuppeln
des Schwungradspeichers nicht erforderlich.
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Energisspeicherung und - Ejntnahme aus dem Schwungrad ist zu jedem
beliebigen Zeitpunkt, durch die zweckentspreobenne Steuerung des Energieflußes bzw.
der Leistungsregelung des Energiewandlers, welcher seine Aufgabe als Antriebskraftmaschine
und als Regelungswandler getrennt oder gleichzeitig erfüllen kann, möglich.
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Das bedoutet ei e sehr große Anpassungsfähigkeit der Antriebsbaugruppe
an den sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen erschiedener Gattungen von Arbeitsmaschinen.
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Die der Antriebsaangruppe zugeordneten Aggregate und
zwar:der
Energiewandler, das Leistungssummiergetriebe, der Ubersetzungsplanetensatz und der
Schwungradspeicher können nach Bedarf, in der angegebenen Reihenfolge, parallel,
senkrecht, oder an beiden Seiten der antriebswelle der Arbeitsmaschine angeordnet
werden, so daß die Anpassungsfähigkeit der erfundenen Antriebsbaugruppe an den räumlichen
Einbauverhältnissen der jeweiligen Rrbeitsmaschine, gewährleistet bleibt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestellten ins besondere
darin, daß - die instalierte Leistung des Energiewandlers, und damit auch der Aufwand
an Regelungseinrichtungen, in manchen Fällen bis zur Rälfte reduziert werden kann;
- die Bclastung des Energiezufuhrnetzes mit Spitzenwerte der entnommenen Leistung
die ein Mchrfaches der Durchschnittleis sll-nJ be Jragen, verhindert wird; ( das
Gleiclie ,ile auc für Fahrzouge mit bateriespeicher ); - der spezifische Energieverorauch,
durch den Betrieb des iaiidlers in seinem günstigen Arbeitsbereich und durch die
Ausnützung der Bremsenergie, herabgesetzt wird.
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Mchrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschreiben.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Antriebsbaugruppe mit der grundlegenden Anordnung der Einzelaggregate,
i?ig. 2 ein eit - Drehzahldiagramm, in das die Drehzahlen der Abtriebswelle, des
Energiespeichers und des Energiewandlers für einen vollen Arbeitszyklus eingetragen
sind, Fig. 3 ein zweites mögliches Zeit - Drehzahldiagramm in das die Drehzahlen
der einzelnen Aggregate für ein Antrieb ohne Kraftschlußunterbrechung eingetragen
sind, Fig. 4 ein drittes Zeit - Drehzahldiagramm, in das die Drehzahlen der einzelnen
Aggregate für ein Antrieb mit Konstanter Drehzahl der Abtriebswelle eingetragen
sinds Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsbaugruppe,
Fig. 6 eine Anordnung der Aggregate entsprechend P'ig. 1
für den
Antrieb eines Schienenfahrzeuges, Fig. 7 eine andere Anordnung der Aggregate entsprechend
rig. 5 für den Antrieb eines Schienenfahrzeuges.
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In der Fig. 1 gezeigten schematischen Darstellung einer erfindungsgemäßen
Antriebsbaugruppe, ist der in vierquadranten betreibbare Energiewandler mit 1 ,
der als Schwungrad ausgebildete Energiespeicher mit 2 , das Leistungsummiergeoriebe
mit 3 , das Abtriebsrad mit 4 , und die Abtriebswelle der Antriebsbaugsuppe mit
5 bezeichnet.
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Das Hohlrad 6 und der Steg 7 des Planetensatzes 8 sind mit je einer
bremse 9 bzw. lo vorgeschen.
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Der Abtriebswelle 5 is-t ebenso eine Feststellbremse 11 zugeordnet.
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Die Kupplung 12 dient zur Überbrückung der Funktion des Summiergetriebes
3, indem sie die Welle des Energiewandlers 1 mit dem Abtriebsrad 4 verbindet.
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Zwecks Verdeutlichung der Betriebsweise der erfindungsmägigen Antriebsbaugruppe
werden, anhand der in den Fig.
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2, 3 unU '+ dargestellten Zeit - Drehzahldiagramme, einige Antriebsbeispiele
näher beschrieben.
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Als erstos Reispiel wird der Antrieb eines mit elektrischen Batterien
angotriebenen Stadtbuses, betrachtet.
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Wie hinreie end bekannt, steigt die erforderliche Beschleunigungsleistung
mit der zu erreichenden Geschwindigkeit
im eugarat und erreicht
Werte, die im Regelfall die Antriobsleistung für die Fahrt mit nstanter Geschwindigkeit,
um ein Mehrfaches üoersteigen.Der Antriejsirotor muf deswegen überdimensioniert
werden, uas sowohl aus Gewichts - und Kostengründen als auch wegen des schlechteren
Wirkungsgrades zu vermeiden ist.
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Die erfindungsmäßige Antriebsbaugruppe ermöglicht das, indem die Deckung
des hohen kurzzeitigen Energiebedarfes nicht der Batterie und ihren Energiewandlers
1 übertragen, sondern dem Energiespeichers 2 überlassen wird.
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Dem entsprechend, wird der als Schwungrad ausgebildete Energiespeicher
2, vor dem Anfahrvorgang aufgeladen.
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Dies geschieht durch den Energiewandler 1, welcher über das Leistungssummiergetriebe
3, das Rad 12, das freilauf ende xad 13 und der Planetensatz 8,das Schwungrad 2
auflädt. Die Bremse 1o tEld 11 sind angezogen und die Bremse 9 geöffnet. Durch das
Lösen der Bremse 7 und Schlichen der Bremse 9, wird der Energiewandler 1 zum Stillstund
gebracht und tier Energiespeicher 2 dreht- sich ins Leere. Zum Anfahren wird die
Feststellbremse 11 geöffnet und der Enorgiewandler 1 arbeitet als Xlektromotor,
dessen Leistung über das Summiergetriebe 3 und das Abtriebsrad 4, der Abtriebswelle
5, mit einer Drehzahl bzw. Drchmomentübersetzung von 2:1, übertragen wird.
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Der Energiospeicher 2 dreht sich ins Leere, so daß die Ausgangswelle
des Übersetzungsplanetensatzes 8 still
steht ( nGW = 0 ).
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Schald die Drchzahl des Enorgiowandlers (hE) einen Sollwert erreicht
hat, wird die nergiezufuhr unterbrochen, die Bremse 9 gelöst und die bremse 7 Seschlossen.
Das erzwingt die Steigerung der Drehzahl der hohlradseitig angcordneten Welle (nGW)
bis zu einem Wert, welcher von der jeweiligen Drehzahl des Energiespeichers 2 und
von dem Untersetzungsvorhältnis des Planetensatzes 8 bestimmt ist. Dem entsprechend,
wird der Energiewandler 1 abgebremst, so daß seine Drehzahl folgende Bedingung erfüllt:
nE = nA - nGW Falls das Leistungssummieretriebe 3 nicht als einfaches Kegelraddifferential
ausgeführt ist, lautet die Gleichung: nE = nA - nGW . für doppeltes Planetensatzgetriebe,
oder
für einen einfachen Planetensatz, wobei i, die Ubersetzung zwischen Hohl - und sonnenrad
darstellt.
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Von nun an, erfüllt der Energiewandler die Rolle einer Regelkomponente,
dessen Leistung mit der Leistung des Energiespeichers 2 in dem Sammiergetriebe 3
addiert und über das Abtriebsrad 4 an die Abtriebswelle 5 der Antriebsbaugruppe
abgegeben wird. Laut Fig.2 arbeitet der hergiewandler zunächst, ganz kurz als Generator
mit ständig absinkender Drehzahl, und dann. als Elextromotor mit ständig steigender
Drehzahl.
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Sobald die Drehzahl nA der Abtriebswelle 5 der Sollwert erreicht hat,
wird wiederum die Energiszufuhr unterbrocken, die bremse 7 geöffnet und die Bremse
9 und die Kupplung 12 geschlossen. Der Energiespeicher 2 ist damit ausgeschaltet
und dreht sich ins Leere, die hohlradseitig angeordnete Ausgangswelle steht still
( nGW = o ) und der Energiewandler 1, arbeitet als Elektomoter und treibt das Fahrzeug
mit konstanter Geschwindigkeit weiter an. Der hohe Energiebedarf an der abtriebswelle
5 in der zweiten rhase des Anfahvorganges, wird also zum größten Teil von dem Energiespeicher
2 und nicht von dem Energiewandler 1 gedeckt, was eine wesentlich niedrigere Bemessung
des bnergiewandlers und eine schonende belastung der Batterie ermöglicht.
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Der Bremsvorgang wird durch die Unterbrechung der Energiezufuhr, das
Lösen der bremse 9 und das Schlieren der Bremse 16 eingeleitet. Das bewirkt eine
umsteuerung der Drehzahl und Richtung des Energiewandlers 1 von negativen zu den
positiven drehzahlen und eine entsprechende Erhöhung der Drehzahl der hohlradseitig
angeordneten Ausgangswelle (nGW) des Energiespeichers 2.
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von nun an beginnt der tatsächliche Bremsvorgang und der Energiewandler
1 erfüllt wiederholt eine Regelangsaufgabe.
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Er arbeitet zunächst als Geaerator mit ständig sinkender Dreh: uid
dann, nach dem umkehr der Drehrichtung, als Elektromoter. Die erfingungsmäßige Antriebsbaugruppe,
ermöglicht
die Rückgewinnung der gesamten,an die Abtriebswelle
5 aufallende Bramsenergie, ohne die Uberdimonsienierung des Energiewandlers und
der Batterie im Kauf nehmen zu müßen, da nur ein kleiner flteil der gewinnbaren
Bremsenergie über den Energiewandler 1 flieFlt.
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Der größte eil dieser Energie wird direkt mechanich, mit hohem wirkungsgrad,
in den Energiespeicher 2 geleitet.
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Für andere Enwendungsfälle aber, ist es vorteilhaft, die erfindungsmäßige
Antriebabaugruppe, gemäß Fig. 3 einzusetzen.
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Hierbei erfolgt der Antieb der Ebtriebswelle 5, ohne Kraftschlußunterbrechnung
nicht nur während des Bremsvorganges sondern auch während des Beschlounigungsvorganges
des Fahrzeuges.
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Bei Stillstand der Abtriebswelle 5, drehen sich der Energiewandler
1 und die hohlradseitig ungeordnete Ausgangswelle des Energiespeichers 2 entgeeno-.esetzt.
Zum beschleunien öffnet man die Feststellbresse 11, und man läßt den Energiewandler
1 als Generator arbeiten. infolgedessen wird er abgebremst bis zum Stillstand, kehrt
die Drehrichtung um, und arbeitet weiter als Elektromotor, mit stündig steigender
Drehzahl.
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Die Drehzahl der Abtriebswelle 5 steigt und die Drehzahl des Energiespeickers
2 nimmt ständig ab. Solange der Energeiwandler 1 als Generator arbeitet, Wil'd energie
nur aus dem Energiespeicher 2 entnommen.
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In der zweiten lhase des Beschlannigungsvorgenges, bekommt die Abtriobswelle
Energie sorohl von dem Energiespeicher 2 als auch von der Batterie, über den Energiewandler
1 und dem Summiergetriebe 3.
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Ist die boll- Drehzahl der Abtriebswelle 9 erreicht worden, wird die
Bremse lo geöffnet, und die Bremse 9 und dii- Kupplung 12 geschlossen, so daß die
Kbtriobswelle 5 nur von dem Energiewandler 1 angetrieben wird. Der Bremsvor5ang
erfolgt genauso wie in den o. b. Fall.
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Fig.4 zeigt schließlich den Fall einer Arbeitsmaschine derer Geschwindigkeit
trotzt der sehr unterschiedlichen Belastung konstant bleiben muß.Das ist z. B. ein
Fahrstuhl oder ein Kran.
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Hierbei, ist das Ein- und Auskuppaln des Energiespeichers 2 nicht
erforderlich, so daß die Kupplung 12 sowie die Bremsen 9 und 10, entfallen können.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der antriebsbaugruppe, indem
der Energiewandler 1 , das Summiergetriebe 3 das Abtriebsrad 4, der Planetensatz
8 und der Energiespeicher 2, in der genannten Reihenfolge, parallel zu der Abtriebswelle
5 angeordnet sind.
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Der in Vierquadrantenbetrieb arbeitende Energiewandler 1 1:ann ein
Generator/ Elektromotor ,eine hydrostatische -oder eine pueumatische Einheit sein.
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Fig. 6 veranschaulicht eien mögliche Anordnung der Aggrogate der Antriebsbaugruppe,
für den Antrieb des Kadsatzes eines Schionenfahrzeuges, entsprechend Fig. 1 wobei
die in Fig.2 oder Fig.3 dargestellte Botriebsweise möglich ist.
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Fig. 7 zeigt eine andere vorteilhafte Anordnung der Aggregate der
Antriebsbaugruppe parallel zu der Achse des Radsatzes eines Schienenfahrzeuges.
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Die vollgefederte Aufhängung der erfindungsmäßigen Antriebsbaugruppe
erlaubt im Bezug auf den Antrieb von Schienen und Strassenfahrsengen zahlreiche
Anordnungsmög lichkeiten.