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Antriebssystem für Autobusse für städtischen
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Linienverkehr Die Erfindung betrifft ein Antriebs system für Autobusse,
die zumeist im Rahmen kommunaler Verkehrsbetriebe den städtischen Linienverkehr
bedienen.
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Eine der am meisten geforderten technischen Verbesserungen an Stadtlinienbussen
ist die Verringerung ihres Energieverbrauchs.
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Stadtlinienbusse konventioneller Konstruktion haben in aller Regel
ein bei Kraftfahrzeugen übliches Antriebssystem, welches aus einer Verbrennungskraftmaschine,
zumeist einem Dieselmotor, und einem Getriebe besteht, welches auf die Antriebsräder
einwirkt. Die an derartige Autobusse gestellten Anforderungen speziell hinsichtlich
eines rationellen Einsatzes der Primärenergie,einer Erhöhung des Fahrkomforts und
der durchschnittlichen Reisegeschwindigkeit sowie der Verminderung der Geräusch-und
Abgasbelastüng der Umwelt können die konventionellen Antriebssysteme in vielerlei
Hinsicht nicht oder nur zu einem Teil erfüllen Nicht erfüllbar ist beispielsweise
die Rückgewinnung der Bremsenergie und auch die Möglichkeit des Anfahrens von der
Haltestelle aus ohne Inanspruchnahme der Antriebsmotorleistung.
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Zur Lösung der vorstehend angesprochen Probleme sind bereits zahlreiche
Vorschläge gemacht worden, insbesondere hinsichtlich unterschiedlich ausgebildeter
Hybridkonzeptionen. Im Rahmen derartiger Hybridsysteme finden hydrostatische Antriebskomponenten
neben der üblichen Antriebskomponente Anwendung, wobei die beiden Antriebskomponenten
entweder parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind.
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Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, daß die Ergebnisses die
sich mit den vorgenannten Systemen erzielen lassen, noch nicht in vollem Umfange
zu befriedigen vermögen.
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Um ein günstigereres als bisher erreichtes Ergebnis hinsichtlich eines
Hybridantriebsystems für Stadtlinienbusse zu erzielen, wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, ein verbessertes Hybridantriebssystem für Stadtlinienbusse in der
Weise auszubilden daß dem Antriebsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, unmittelbar
ein Planeten-Umlaufrädergetriebe nachgeschaltet ist> bei welchem der bis zum
Stillstand abbremsbare Steg des mit der Abtriebswelle des Antriebsdieselmotors direkt
gekuppelten offenen Planetengetriebesüber ein Vorgelege mit wenigstens einer Hydropumpe
gekuppelt ist welche saugseitig mit einem Flüssigkeitsreservebehälter und druckseitig
mit einem Druckflüssigkeitsspeicher in Verbindung stehet, und daß wenigstens ein
zuflußseitig mit dem Druckflüssigkeitsbehälter und abflußseitig mit dem Elüssigkeitsreservebehälter
verbundener Hydrowandler über ein Vorgelege direkt mit dem zum Differentialgetriebe
führenden Teil der Antriebswelle gekuppelt ist. Die in diesem System vorgesehene
Hydropumpe ist vorzugsweise eine verstellbare Hydropumpe, um sie den jeweiligen
Erfordernissen entsprechend einstellen bzw. steuern zu können.
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Der Druckflüssigkeitsbehälter besteht zweckmäßigerweise aus mehreren
hydraulisch parallel zueinander geschalteten Behältern; entsprechendes gilt auch
für die Flüssigkeitsreservebehälter.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten
Antriebssystems ergibt sicht wenn dieses für einen die Beförderung von ca. 100 Personen
dienenden Autobus mit etwa 16 t Gesamtgewicht wie folgt ausgelegt ist:
a)
die Leistung des Dieselmotors beträgt etwa 60 bis 110 kW, vorzugsweise etwa 70 kW;
b) die im Durchsatzaverstellbare Förderleistung der Hydropumpe beträgt ca. 40 bis
80 cm3/Us vorzugsweise etwa 60 cm3/UX und zwar bei einem Druck von ca. 300 bis 400
bar; c) der Druckflüssigkeitsbehälter hat eine Energiekapazität von ca. 300 bis
400 Wh und ein Volumen von ca. 150 bis 200 1; d) der im Durchsatz verstellbare Hydrowandler
hat ein Durchsatzvolumen von ca. 200 bis 300 cm3/Ua vorzugsweise etwa 250 cm3/U
(bei Flüssigkeitsdrücken bis zu etwa 400 bar).
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemäß ausgebildete Antriebssystem
anhand einer schematischen Prinzipskizze dargestellt und nachstehend im einzelnen
wie folgt erläutert.
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Der als Antriebsmotor dienende Dieselmotor 11 ist unmittelbar mit
der Antriebs- bzw0 Sonnenradwelle 12 des offenen Planetenradgetriebes 13 gekuppelt.
Die Abtriebswelle 14 des Getriebes 13 ist mit der zum Differentialgetriebe der Antriebsachse
führenden Kardanwelle verbunden.
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An den Steg 15 des Getriebes 13 ist das Zahnrad 16 angeflanscht, welches
das Antriebszahnrad 17 der Hydropumpe 18 antreibt. Auf der Abtriebswelle 14 des
Getriebes 13 ist das Zahnrad 19 aufgekeils, welches mit dem Zahnrad 20 in Eingriff
steht welches von der Antriebswelle 21 des Hydrowandlers 22 angetrieben wird.
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Die verstellbare Hydropumpe fördert aus dem Flüssigkeitsreservebehälter
23 Hydraulikflüssigkeit über die Ansaugleitung 24 und die Druckleitung 25 in den
Druckflüssigkeitsbehälter bzw.
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-speicher 26 üblicher Bauart. Der Hydrowandler wird zwecks Ausnutzung
des Energieinhalts des Druckflüssigkeitsspeichers über die Leitung 27 mit Druckflüssigkeit
beaufschlagt. Nach Arbeitsleistung wird die hydraulische Flüssigkeit vom Hydrowandler
22 über die Leitung 28 in den Flüssigkeitsreservebehälter 23 zurückgeführt0 Die
Wirkungsweise des erfindungsgemäß ausgebildeten hydrostatischen Hybridantriebssystems
für Stadtlinienbusse ist folgende: a) Beim Beschleunigen des Autobusses ohne dieselmotorische
Leistung steht die Hydropumpe 18 still und der Energieinhalt des Druckflüssigkeitsspeichers
26 entleert sich> indem der Hydrowandler 22 als Hydromotor über das Vorgelege
21, 20 19 Leistung an die Abtriebswelle 14 des Getriebes 13 abgibt.
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Die Leistung kann durch Regelung des Durchsatzvolumens des Hydrowandlers
22 beeinflußt werden.
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b) Beim Beschleunigen des Autobusses ohne zusätzliche Leistung aus
dem Druckflüssigkeitsspeicher 26 wird dieser abgesperrt.
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Die Leistung des Dieselmotors 11 wird bei durch das Bremsband 29
ungebremstem Steg 15 des Planetengetriebes 13 in zwei Teilleistungen verzweigt.
Die eine Teilleistung wird über das Vorgelege 16 17 zur Hydropumpe 18 geführt die
andere Teilleistung geht direkt auf die Abtriebswelle 14 des Getriebes 13. Die zur
Hydropumpe 18 geführte Teilleistung wird hydrostatisch zum als Hydromotor arbeitenden
Hydrowandler 22 übertragen. Dieser gibt die Leistung über die Antriebswelle 21 und
das Getriebe 20, 19 auf die Abtriebswelle 14. Die hydraulische Teilleistung kann
über die Hydropumpe 18 und den als Hydromotor arbeitenden Hydrowandler 22 über dessen
den hydraulischen Durchsatz verstellende Einrichtung beeinflußt werden wodurch insgesamt
ein in der Übersetzung stufenlos verstellbares Getriebe entsteht.
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Durch Abbremsen des Steges 15 mit Hilfe des Bremsbandes 29 wird die
Antriebswelle der Hydropumpe 18 stillgesetzt und die gesamte Leistung des Dieselmotors
11 geht bei festem Übersetzungsverhältnis über die Antriebswelle 12 und die Planetenräder
auf die Abtriebswelle 140 Dieser Betrieb mit rein mechanischem Durchtrieb hat einen
besseren Wirkungsgrad als der Betrieb mit Leistungsverzweigung0 c) Beim Anfahren
des Autobusses mit der Leistung aus dem Druckflüssigkeitsbehälter 26 und dem Dieselmotor
11 werden die Betriebsarten beim Anfahren gemäß a) und b) miteinander kombiniert.
Der Druckflüssigkeitsbehälter 26 ist zu den Druckleitungen 25 und 27 offen.
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Die Abtriebswelle 14 erhält einerseits eine mechanische Teilleistung
des Verzweigungsgetriebes 13 bei offenem Bremsband 29 und damit ungebremstem Steg
159 andererseits eine hydranlische Teilleistung vom als Hydromotor arbeitenden Hydrowandler
22 über dessen Antriebswelle 21 und das Getriebe 2O, 19. Diese hydraulische Teilleistung
setzt sich jedoch am Hydrowandler 22 zusammen aus der hydraulischen Teilleistung
des Dieselmotors 11, welche über die Hydropumpe 18 über die Druckleitungen 25 und
27 an den Hydrowandler abgegeben wird und der hydraulischen Leistung aus dem Druckflüssigkeitsspeicher
26, der sich hierbei über die Druckleitung 27 den Hydrowandler 22 und die Leitung
28 in den Reservebehälter 23 entleert.
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Die im Druckflüssigkeitsspeicher 26 enthaltene Energie wird im wesentlichen
für die Beschleunigung des Fahrzeugs aufgebraucht. Für die kontinuierliche Fahrt
bei etwa gleichbleibender Geschwindigkeit sorgt die Abtriebsieistung des Dieselmotors0
d)
Beim Abbremsen des Fahrzeugs wird die Verstelleinrichtung für die Veränderung des
Durchsatzvolumens des Hydrowandlers 22 derart verstellt, daß dieser als Hydropumpe
läuft. Dadurch pumpt er aus dem Vorratsbehälter 23 HYdraulikflüssigkeit über die
Druckleitung 27 in den Druckflüssigkeitsspeicher 26. Die hierfür notwendige Leistung
entnimmt der als Hydropumpe arbeitende Hydrowandler 22 über die Antriebswelle 21
und das Getriebe 20 19 der Abtriebswelle 14, die mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs
verbunden ist; dadurch wird das Fahrzeug abgebremst. Die Bremsenergie des Fahrzeugs
wird dadurch zurückgewonnen und im Druckflüssigkeitsspeicher für ein anschließendes
Anfahren des Fahrzeugs zwischengespeichert.
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Der Antriebsdieselmotor 11 läuft bei diesem Bremsvorgang in der Regel
im Leerlauf und die Verstelleinrichtung für die Veränderung des Durchsatzes der
Hydropumpe 18 ist auf "Nullförderung" eingestellt.
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e) Die Auf- bzw. Nachladung des Druckflüssigkeitsspeichers 26 kann
bei Stillstand des Fahrzeugs direkt mit Hilfe des Antriebsdieselmotors 11 erfolgen.
Hierzu wird die Abtriebswelle 14 über die Fahrzeugbremse festgehalten, die Durch
flußverstelleinriohtung des Hydrowandlers 22 steht auf Null, der Steg 15 des Planetensatzes
ist frei, d.h. dass das Bremsband 29 nicht angezogen ist. In diesem Betriebszustand
arbeitet das Getriebe 13 als festes Übersetzungsgetriebe zwischen dem Dieselmotor
11 bzw. der Antriebswelle 12 und der Hydropumpe 18.
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Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Antriebssystems lassen sich,
wie ausgedehnte Versuche mit einem Stadtlinienbus über eine Fahrtstrecke von über
7000 km gezeigt haben eine Minderung des Kraftstoffverbrauchs in der Größenordnung
zwischen 24 und
27 % sowie eine gegenüber der mittleren Reisegeschwindigkeit
von 25 km/h um 2,2 km/h höhere mittlere Reisegeschwindigkeit von 27,2 km/h erreichen.
Durch Abbremsen des Steges 15 des Getriebes 13 mit Hilfe des Bremsbandes 29 ist
es möglich, den Dieselmotor von einer Mindestgeschwindigkeit von etwa 15 bis 20
km/h mechanisch direkt an die Radantriebsachsen zu kuppeln, um dadurch einen relativ
hohen Ubertragungslfirkungsgrad zu erzielen. Im Stadium des Anfahrens des Fahrzeugs
kann der Antriebsdieselmotor im Leerlauf bzw. mit Teillast betrieben werden insbesondere
um die Abgas- und Geräuschbeeinträchtigung der Umwelt zu vermindern. In technisch-konstruktiver
Hinsicht ist von Vorteil, daß ein Getriebe mit einem Minimum an bewegten Teilen
Anwendung finden kann2 d.h. daß es keiner Kupplung zwischen dem Antriebsmotor und
dem sonst üblichen Vechselradgetriebe oder automatischen Getriebe bedarfs die bisher
üblicherweise eingesetzt werden mußten.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Antriebssystem in der erwähnten Dimensionierung
ermöglicht dem Fahrzeug eine Spitzengeschwindigkeit von etwa 65 km/h, was für den
vorgesehenen Zweck, nämlich den Betrieb von Autobussen im Stadtverkehr, voll und
ganz ausreicht. Bei halber Nutzlast verleiht das Antriebssystem dem Fahrzeug eine
mittlere Beschleunigung von etwa 2 1a3 m/s sowie eine Spitzenbeschleunigung aus
dem Stillstand von etwa 1,6 m/s². Letzteres bedeutet, daß die mittlere Beschleunigung
des Fahrzeugs um 0,5 m/s² über derjenigen von Fahrzeugen mit konventionellem Antriebssystem
liegt. Entsprechend günstig liegen die Werte für die Nutzbremsverzögerung, die etwa
-1,3 m/s² im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0 und 50 km/h betragen.
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Die Steigfähigkeit des Fahrzeugs mit dem vorgeschlagenen Antriebssystem
reicht aus, um bei voller Nutzlast eine Steigung von 14 ° noch befahren zu können.
Dieser Wert erscheint ausreichend im Hinblick darauf, daß in Städten mit relativ
ebenem Gelände
Steigungen mit höheren Steigungsverhältnissen selten
vorkommen. Soll ein Stadtlinienbus in in hügeliger Landschaft gelegenen Städten
eingesetzt werden, so muß das vorgeschlagene Antriebssystem entsprechend modifiziert
werden was dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Erwähnenswert ist auch
noch, daß in bezug auf ein Gesamtgewicht des Fahrzeugs von 16 t das Mehrgewicht
des vorgeschlagenen Antriebssystems in der Größenordnung von 100 kg praktisch überhaupt
nicht von Bedeutung ist. Entscheidend für die Gewichtserhöhung sind die Flüssigkeitsbehälter.
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Wie aus Vorstehendem hervorgeht, ist als wesentlicher Vorteil des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Antriebssystems einerseits die Einsparung an Kraftstoff
und andererseits die Reduzierung der Umweltbeeinträchtigung durch Verringerung von
Abgas und Lärm zu werten.
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Der Gegenstand der Erfindung läßt sich nicht nur bei Fahrzeugen der
in Betracht gezogenen oder verwandten Art mit Erfolg anwenden sondern grundsätzlich
überall dort> wo es gilt> Massen wechselweise zu beschleunigen und wieder
abzubremsen, und zwar gleichgültig ob in horizontaler oder vertikaler oder in st,nstiger
Richtung, z.B. bei Walzwerkantriebens Förderanlagen u.dgl..