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Fahrzeugantrieb
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Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb, insbesondere für Nahverkehrsbusse
mit einem Antriebsmotor, einem mechanischen und einem hydrostatischen Getriebe und
mindestens einem Schwungrad, die das Fahrwerk antreiben, wobei die kinetische Energie
des Schwungrades zur Beschleunigung des Fahrzeuges benutzt und die Geschwindigkeitsenergie
des Fahrzeuges bei der Verzögerung in das Schwungrad zurück übertragen wird.
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Bei Fahrzeugen, die von Brennkraftmaschinen angetrieben und die insbesondere
im innerstädtischen Nahverkehr eingesetzt werden, wird der Kraftstoffverbrauch wesentlich
durch die Energie mitbestimmt, die zum Beschleunigen der Fahrzeuge aufgewendet werden
muß. Die Beschleunigungsenergie wird bei diesen Fahrzeugen nicht zurück gewonnen
sondern beim Verzögern in Wärme umgewandelt.
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Der durch die große Anfahrhäufigkeit bedingte hohe Kraftstoffverbrauch
hat zusätzlich zur Folge, daß eine entsprechend große Abgasmenge erzeugt wird.
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Weiterhin wird die Fahrzeugbeschleunigung durch die Leistung des Antriebsmotors
begrenzt. Um innerhalb des üblichen Fahrgeschwindigkeitsbereiches hohe Beschleunigungswerte
zu erzielen, muß die Motorleistung wesentlich größer sein, als es zur Überwind.ung
der übrigen Fahrwiderstände notwendig ist. Andernfalls geht die Beschleunigung mit
zunehmender -Fahrgeschwindigkeit sehr stark zurück.
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Als Alternative zum Antrieb mit Brennkraftmaschinen haben sich bei
den nicht schienengebundenen Fahrzeugen elektrische Antriebe bisher nicht durchsetzen
können. Die in einem Akkumulator gespeicherte Energie reicht nur für relativ kurze
Fahrstrecken. Außerdem ist bei diesen Antrieben einerseits die Fahrzeugmasse recht
groß und andererseits der Wirkungsgrad sehr niedrig. Bei der Energiezufuhr durch
Oberleitungen sind dagegen die Fahrzeuge an festgelegte Leitungsführungen gebunden,
die außerdem hohe Investitions- und Instandhaltungskosten verursachen.
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Es sind Schwungradantriebe für Nahverkehrsbusse bekannt, bei denen
ein Schwungrad als Ersatz für einen Antriebsmotor den gesamten Energiebedarf des
Fahrzeuges für eine begrenzte Fahrstrecke deckt. Dieses Antriebssystem hat sich
nicht durchgesetzt, weil das Schwungrad schon nach relativ kurzer Fahrstrecke durch
Energiezufuhr von außen wieder auf eine hohe Drehzahl gebracht werden muß. Abgesehen
davon, daß der Wirkungsgrad eines solchen Systems niedrig ist, muß in relativ kurzen
Streckenabständen die Möglichkeit zur Energiezufuhr in das Schwungrad vorhanden
seine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb zu schaffen, bei dem ein Schwungrad
die zum Beschleunigen eines Fahrzeuges erforderliche Energie liefert, die bei der
Verzögerung des Fahrzeuges wieder in das Schwungrad zurück übertragen
wird,
während der Antriebsmotor, in der Regel eine Brennkraftmaschine, den Leistungsbedarf
zur Überwindung der übrigen Fahrwiderstände deckt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß neben der Verbindung
des Fahrwerks über ein mechanisches Getriebe mit dem Schwungrad eine weitere Verbindung
zwischen dem mechanischen Getriebe und dem Schwungrad über ein hydrostatisches Getriebe
vorhanden ist, wobei die Drehzahl des Schwungrades und eines hydrostatischen Pumpen-
bzw. Motorteiles der Drehzahl eines anderen hydrostatischen Pumpen-bzw. Motorteiles
derart überlagert ist, daß aus den überlagerten Drehzahlen die Fahrwerksdrehzahl
gebildet wird.
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Die mit einem solchen Antrieb versehenen Fahrzeuge sind mit Bezug
auf Länge der Fahrstrecke und Linienführung ebenso unabhängig wie konventionelle
von Brennkraftmaschinen angetriebene Fahrzeuge, Jedoch ist ihr Energiebedarf geringer,
weil die Beschleunigungsenergie zurück gewonnen wird. Außerdem ist die erreichbare
Fahrzeugbeschleunigung nicht von der Leistung des Antriebsmotors sondern der Dimensionierung
dejenigen Antriebs elemente abhängig, die die Energie vom Schwungrad auf die angetriebenen
Räder und zurück übertragen.
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Über den Bereich der Fahrzeugtechnik hinaus läßt sich der Antrieb
in allen den Fällen sinnvoll einsetzen, in denen die kinetische Energie rotierender
oder translatorisch bewegter Massen zurückgewonnen oder die zur Beschleunigung installierte
Leistung klein gehalten werden soll, z.B. bei Prüfmaschinen für Dauerfestigkeitsuntersuchungen,
Zentrifugen, Reversierwalzwerken usw.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Eine einfache Ausführung eines derartigen Antriebes ist in Fig. 1
gezeigt. Dabei sind die bekannten Nebenaggregate 6 zur Vorspannung, zum Spülen und
zum Verstellen des hydrostatischen Getri.ebes nicht detailliert dargestellt.
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Ein Antriebsmotor 1, der in der Regel mit konstanter Drehzahl n1 arbeitet,
treibt eine der beiden Eingangswellen 7 -eines Getriebes 3 und gleichzeitig über
eine weitere Welle 8 das Pumpenteil 2 eines hydrostatischen Getriebes an. Das Pumpenteil
2 versorgt ein Motorteil 4 mit Druckflüssigkeit.
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Dieses Motorteil 4, das mit einem Schwungrad 5 gekuppelt ist, treibt
die andere Eingangswelle 9 des Getriebes 3 mit der Drehzahl n2 an. Das Verdrängungsvolumen
des Motorteiles 4 und/oder des Pumpenteiles 2 ist verstellbar, so daß die Drehzahl
des Motorteiles 4 verändert werden kann.
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In dem Getriebe 3 findet eine Überlagerung der beiden Eingangsdrehzahlen
n1 und n2 in der Form statt, daß bei einem bestimmten Verhältnis von n1 zu n2 die
Drehzahl n5 der Ausgangswelle 10, mit der das Fahrzeug angetrieben wird, gleich
Null ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kegelradgetriebe 3 ist dieses Drehzahlverhältnis
1, d.h. die Ausgangsdrehzahl n5 ist Null, wenn beide Eingangsdrehzahlen n1 und n2
gleich groß sind und beide Eingangswellen 7, 9 in Pfeilrichtung drehen.
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Die Ausgangswellendrehzahl ns wird dadurch von Null auf endliche Werte
gebracht, daß durch Verstellen des Pumpen teiles 2 und/oder des Motorteiles 4 die
Drehzahl n2 des Motorteiles 4 verringert wird. Dabei stützt sich das Motorteil 4
über eine der beiden Leitungen 12 13 auf dem Pumpenteil 2 ab, wobei Pumpenteil 2
und Motorteil 4 ihre Funktion wechseln und das Pumpenteil 2 nun als Motor wirkend
an die Eingangswelle 7 des Getriebes 3 ein Drehmoment abgibt. Das beim Abbremsen
vom Schwungrad 5 abgegebene Drehmoment treibt über die Welle 14 das Motorteil 4
an, das nun als Pumpe arbeitet und auch mit einem anteiligen Drehmoment von der
Getriebeeingangswelle 9 angetrieben wird.
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Eine Verzögerung des Fahrzeuges 11 wird erreicht mit einer Steigerung
der Drehzahl n2 und dadurch mit einer Beschleunigung des Schwungrades 5. Hierbei
vollzieht sich der umgekehrte Vorgang wie bei der Beschleunigung, d.h. die Verstellung
von Pumpen bzw. Motorteil, Drehmomente und Drücke wirken in entgegengesetzter Richtung.
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während der Beschleunigung des Fahrzeuges nimmt dessen kinetische
Energie zu, während sich die kinetische Energie des Schwungrades verringert. Durch
entsprechende Abstimmung der Schwungraddimensionen auf die zu beschleunigenden Fahrzeugmassen
läßt sich erreichen, daß der Zuwachs an kinetischer Energie im Fahrzeug gleich der
Abnahme an kinetischer Energie im Schwungrad ist. Die Summe der kinetischen Energien
von Fahrzeug und Schwungrad wäre dann konstant.
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Eine Abwandlung dieses Antriebes ist in Fig. 2 dargestellt.
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Auch hier sind die hydraulischen Nebenaggregate 15 nicht detailliert.
Bei dieser Lösung wirkt der Antriebsmotor 16 nicht direkt auf das Getriebe 17 sondern
treibt nur ein Pumpenteil 18 an, das verstellbar sein kann, wodurch das Anlaufen
des Schwungrades bzw. der Schwungräder 19, 20 von der Drehzahl Null auf Betriebsdrehzahl
erleichtert und eine bessere Anpassung des Schwungrades bzw. der Schwungräder 19,
20 an die Masse des Fahrzeuges 21 erreicht wird.
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Außerdem ist bei dieser Lösung der Antriebsmotor 16 in seiner räumlichen
Zuordnung zum Getriebe 17 nicht mehr festgelegt.
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Die beiden Eingangswellen 22, 23 des Getriebes 17 werden von je einem
Motorteil 24, 25 angetrieben, die auch als Pumpe arbeiten können. Wenigstens eines
von beiden ist verstellbar und mit einem Schwungrad 19, 20 gekuppelt, das die Beschleunigungsenergie
für das angetriebene Fahrzeug 21 liefert und diese beim Verzögern wieder aufnimmt.
Wenn
beide Motorteile 24, 25 verstellbar und mit einem Schwungrad 19, 20 gekuppelt sind,
kann die Getriebeausgangswelle 26 in beiden Drehrichtungen in der angegebenen Weise
beschleunigt bzw. verzögert werden. Dabei liefert jeweils eines der beiden Schwungräder
19, 20 die Beschleunigungsenergie für das Fahrzeug 21, während das andere seine
Drehzahl im wesentlichenbeibehält.
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