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Antriebsvorrichtung für elektrische Kraftfahrzeuge. Gegenstand vorliegender
Erfindung ist ein Antrieb für Kraftfahrzeuge mit einem Elektrometer mit im wesentlichen
konstanter Umlaufzahl (Nebenschlußcharakteristik), und zwar insbesondere mit Dtehstrommotoren
mit Käfiganker. Einem solchen Antriebe stehen die wichtigsten fahrtechnischen Anforderungen
entgegen, da das Anfahren so stetig (stoßfrei) als möglich bei geringsten Leistungsverlusten
und Dauerfahrt mit in weiten Grenzen -wechselndem Lastdrehmoment erfolgen soll.
Die Erfindung stellt eine allgemeine Lösung dieses dar: Bei den elektrischen Kraftfahrzeugen
erfolgte bisher der Antrieb mittels Gleichstrom- oder Wechselstr@ommotoren, die
Reguliereinrichtungen im elektrischen Stromkreise besitzen, um die verschiedenen
Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeuges einstellen zu können, d. h. es wird die Veränderung
der Fahrgeschwindigkeit durch Änderung der Drehzahl des :Motors erzielt. Hierbei
ergeben sich folgende Nachteile: Beim Anfahren und auch bei Regulierungen nach dem
Anfahren weist die Stromkurve jäh ansteigende Spitzen auf; die Beschleunigung erfolgt
dements2rechend ruckweise, und das Energiediagramm hat einen recht geringen Völligkeitsgrad,
wodurch wieder eine wesentliche Verlängerung der Beschleunigungsperiode bedingt
ist. Dies gilt für alle elektromotorischen Antriebe, bei welchen im elektrischen
Stromkreise reguliert wird, wie bespielsweise mittels Kontroller oder Bürstenverstellung
u. dgl. Einrichtungen. Überdies bedingen die häufigen Stromunterbrechungen starken
Verschleiß. Die den 1lotoren mit Hauptstromcharakteristik eigene Schmiegsamkeit
in der Umdrehungszahl bei starken Belastungen (Bergfahrt) hat bisher dazu geführt,
den Nachteil solcher Klotoren in Kauf zu nehmen, daß bei geringer Fahrgeschwindigkeit
große Stromstärken und damit größere -#,"erluste entstehen; der 'Motor wird stärker
erwärmt, und zwar bei niedrigerer Umdrehungszahl, bei welcher die Abkühlungsverhältnisse
wesentlich ungünstiger sind. Anderseits sind die bekannten Reibungsübersetzungsgetri:ebe
für den Antrieb von Kraftfahrzeugen unverwendbar.
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Alle diese Nachteile werden durch eine Antriehsvorrichtung vermieden,
bei welcher zum Antrieb ein Drehstrommotor dient, der auf die anzutreibende Radachse
mittels eines Cbersetzungsgetriebes und einer Reibungskupplung einwirkt, die derart
ausgebildet ist, daß sich in der Beschleunigungsperiode ein stetiges Anwachsen der
Netzbelastung ergibt. Derselbe ergibt durchaus stetigen Verlauf der Stromkurve -
auch beim Anfahren --, dabei kürzeste Beschleunigungsperiode infolge der größeren
Völligkeit der Diagrammfläche und normale Belastung des Motors auch bei Bergfahrten
sowie infolge der im Wesen
stets gleichbleibenden Umdrehungszahl
des Elektromotors günstige Kühlungsverhältnisse und gleichförmigen Wirkungsgrad
desselben, sowohl für die Fahrt in der Ebene als auch für Bergstrecken. Die Vermeidung
der Scharen von Spitzen ermöglicht die gleichzeitige Benutzung der Bahnleitung für
Beleuchtungs- und andere Kraftübertragungszwecke. In den folgenden Ausführungen
ist beispielsweise die Verwendung eines Drehstroniniotors mit Käfiganker für den
Antrieb angenommen.
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Alle Vorteile des Drehstrommotors und Drehstrombetriebes «-erden damit
in den Dienst des Antriebes gestellt.
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Abb. i der Zeichnung zeigt das Energiediagramm' eines Hauptstrombahnmotors
mit üblicher Serienparallelschaltung mit zweistufigem Vorschaltwiderstand, während
Abb.3 das entsprechende Diagramm eines Antriebes gemäß der Erfindung mit einem Drehstrounbali.nniotor
zeigt. In den Abb.2 und -. sind die zugehörigen Geaschwindigkeitisdiagramme dargestellt.
Als Abszisse wurde in allen vier Abbildungen die Zeit (Anfahrzeit) aufgetragen;
die Ordinaten der Abb. i und 3 sind Kilowatt, so daß die Diagraininflächen ein Maß
der Arbeit darstellen. In den Abb. 2 und 4. ist die stündliche Kilometergeschwindigkeit
als Ordinate aufgetragen.
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Die Flächen a entsprechen der Straßenreibung, die hier Nutzleistung
ist; die Flächen h stellen die Beschleunigungsarbeit dar und die Flächen c die in
den Vorschaltwiderständen verrichtete Arbeit. Die Flächen d entsprechen den niechanisch-elektrischen
Verlusten im ganzen Triebwerk.
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Die Flächen a-d sind im mehrstufigen Diagramin (Abb. i) mit dem Index
i für die Serienschaltung und mit dem Index z für die Parallelschaltung versehen.
Die Flächen c und d sind für die Unterstufen je mit höchgestellten Beistrichen unterstrichen.
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Die Abb. i zeigt wie beim Übergang von Serien- auf Parallelschaltung
die Leistung sogar auf Null sinkt und wie dieselbe bei fiedeln Schaltvorgange jäh
hochschnellt, um hierauf unter Bildung einer scharfen' Spitze flächenarm abzufallen.
Laie Wirkung zeigt sich klar im zugehörigen Geschwindigkeitsdiagramm (Abb. 2). Dieses
gibt ein Bild, wie die Geschwindigkeit ruckweise, d. h. diskontinuierlich, entsprechend
jedem Spitzenpunkte des Energiediagrammes anwächst und sogar beim Übergange auf
die Parallelschaltung abfällt. Der Völligkeitsgrad des schematischen Diagrammes
der Abb. i beträgt etwa 33 Prozent, wobei der asymptotische Kurvenlauf vernachlässigt
wurde, d. h. eire Rechteck zugrunde gelegt wurde, dessen obereBegrenzung durch eine
Achsenparallele durch den höchsten Spitzenpunkt und dessen rechtsseitige Begrenzung
durch eine Ordinate durch den funkt 7' in Abb. i gebildet ist. Aus Abb. 2 ergibt
sich auch die .selbstverständliche Folge, claß durch das Abfallen der Geschwindigkeit
und d:e stoßweise Beschleunigung die Zeitdauer der Anlaufperioden wesentlich in
die Länge gezogen wird.
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Abb.3, die im folgenden erläutert wird, entspricht einem Antrieb gemäß
der Erfindung, und zwar beispielsweise finit einem Drehstrommnotor mit Kurzschlußanker.
Der Motor wird unbelastet an das Netz angeschlossen und erreicht nahezu einen svnchronen
Lauf. Dabei wird vom Motor nur Leerlaufarbeit geleistet. Die entsprechende Leistung
.ist in Abb. 3 durch die Ordinate der Geraden "g" gegeben. Wird nun eine die Motorwelle
mit der Triebwelle des Fahrzeuges verbindende Kupplung, deren Teile gegeneinanderschlüpfen
können (Schlupfkupplung), wie beispielsweise eine Reibungskupplung, angestellt,
.so wird der Motor ansteigend belastet. Dabei steigt die effektive Motorleistung
längs der Kurve o-4, die je nach Bedarf steileren oder flacheren Anstieg aufweisen
kann, je nachdem die Kupplung rascher oder langsamer betätigt wird. In: Punkte 4
werden beide Kupplungsteile finit vollem Druck (beispielsweise Federdruck aneinandergepreßt.
Infolge der noch geringen Fahrgeschwindigkeit dies Wagens ist die Schlüpfung der
beiden Kupplungsteile gegeneinander groß. Die Größe des Reibungskoeffizienten nimmt
nun finit fallender Relativgeschwindigkeit zu; es ist daher bei gleichem Anpreßdruck
bei der großen Relativgoschwindigkeit (Punkt .4) der beiden Kupplungsteile gegeneinander
der Reibungskoeffizient und damit Üe Mobsrleistung kleiner als an Ende der Beschleunigungsperiode,
wo der Reibungskoeffizient der Ruhe (Schlüpfung gleich Null) zur Wirkung kommt und
damit die größte Motorleistung erreicht wird (Punkt 5). Bei diesen Verhältnissen
würde das Stück 4-5 annähernd eine im Punkte 5 endigende, unterhalb der Kurve 4-5
liegende Gerade sein. Durch Verwendung einer ILupplung mlit einer Regeleinrichtung,
die die Änderung des Anpreßdruckes zwischen den Kupplungsstellen nach irgendeinem
bestimmten Gesetz gestattet, wird die Lage jedes Punktes der Kurve4-5 bestimmt durch
das zugehörige Produkt des Reibungskoeffizienten mit denn durch die Regeleinrichtung
eingestellten Anpreßdruck. Bei dem gezeichneten Diagranntn ist angenommen, claß
die erwähnte Regeleinrichtung derart wirkt, daß die Änderung des Anpreßdruckes der
Änderung des. Reibungskoeffizienten entgegenwirkt, ohne sie vollkommen auszugleichen,
so
daß ein flacherer Verlauf der Kurve q.-5 entsteht. Die Kurve
5-6 zeigt den Abfall der Motorleistung von der maximalen (Punkt 5) auf die der Dauerfahrt
entsprechende Leistung. Vom Punkt 5 an wirkt die Kupplung wie eine starre. Der Verlauf
der Kurve 5-6 ist allein durch die Charakteristik des Antriebsmotors bestimmt. -
Die Fläche o, .4, 3, 6, 7, o ist ein -Maß der nutzbaren Motorleistung während der
Beschleunigungsperiode. Die Fläche o, i, 2, 3, 7, o zeigt dagegen die dem Motor
gleichzeitig zugeführte elektrische Arbeit. Die Differenz beider Flächen stellt
das Äquivalent der elektrisch-mechanischen Verluste dar.
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Die nutzbare Motorleistung zerfällt nun in folgende Teile: Fläche
o, q., 5 (Fläche f) stellt die in der Kupplung in Reibungswärme umgesetzte Arbeit
(Verlustarbeit) dar, und die Fläche o, 5, 6, o (Fläche b) entspricht der Beschleunigungsarbeit
des Fahrzeuges (entsprechend der im Fahrzeug aufgespeicherten kinetischen Energie).
Die Fläche o, 6, 7, o ist die von der Nutzleistung (Fortbewegung des Fahrzeuges)
bedingte Straßenreibung (Nutzarbeit). Das Diagramm zeigt die Möglichkeit, mit einenn
Antriebe gemäß der Erfindung den Völligkeitsgrad der Diagrammfläche auf einen hohen
Wert zu bringen (Abb. 3 weist hei gleicher Ausmittlung wie bezüglich des Diagrammes
Abb. i einen Völligkeitsgrad von etwa 77 Prozent auf). Das Gesamtbild der Beschleunigungsarbeit
(Fläche b) zeigt ein stetes Anwachsen im Gegensatz zu denn Bilde der entsprechenden
Flächen in Abb. i (Flächen b1, b2).
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Die konstante Beschleunigung der zu bewegenden Nassen erfordert die
Erhöhung der - zugeführten Leistung proportional der 1lIomentangeschwindigkeit gemäß
folgender Formel
daher AI - in p v - K # v bei konstanter Beschleunigung p.
Die Leistung muß daher proportional v (Geschwindigkeit) sich ändern: Für den Anlauf
(Il - o bis v - vn normal) wäre die theoretisch entsprechende Form
der Arbeitsfläche b die eines rechtwinkligen Dreiecks, dessen Schlußseite eine Senkrechte
von der Spitze (Punkt 5) auf die Abszüssenachse wäre. Dieser theoretischen Fornn
nähert sich die Fläche b der Abb. 3 in hervorragendem Maße, während die entsprechenden
Flächen der Abb. i (b1, b2) zwar dreiecksähnliche Formen zeigen, jedoch in verkehrter
Lage, denn die Hypothenuse liegt rauf der anderen Seite der Schlußseite des Dreiecks.
Darin ist der prinzipiell verschiedene Verlauf der Geschwindigkeitskurven (Abb.2
und 4.) begründet.
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Aus diesen Darlegungen ergibt sich, daß die Beschleunigungsperiode
durch den Antrieb gemäß der Erfindung wesentlich verkürzt wird, wie der Vergleich
der Abb.2 und q. zeigt. Der Verlauf der Geschwindigkeitskurve in Abb.4 ist ein durchaus
stetiger, d. h. es ist jede stoßweise Geschwindigkeitsänderung ausgeschlossen; hierdurch
wird die Abnutzung der Getriebsteile, der Wagenbereifung usw. verringert und ein
sicheres, ruhiges Anfahren erzielt.
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Das Problem einer wirtschaftlich und fahrtechnisch günstigen Bewältigung
der Anfahrperiode für Kraftfahrzeuge bei Antrieb durch Elektromotoren mit konstanter
Tourenzahl ist somit durch die Erfindung gelöst und damit auch zum ersten Male ein
stoßfreies, stetiges Anfahren bei elektrischer Traktion erzielt.
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Die Verwendung eines Stufengetriebes -beispielsweise eines vierstufigen
Wechselgetriebes bekannter Art, das von einem Handhebel betätigt wird - mit dem
oben beschriebenen Antriebe ergibt nun die Möglichkeit der Änderung des Lastdrehmonnentes
in den erforderlichen weiten Grenzen unter Erzielung von Schaltperioden mnit dem
in Abb. 3 dargestellten Verlaufe. Alle auftretenden Beschleunigungsperioden zeigen
daher bei diesem Antriebe den bereits erläuterten wirtschaftlich und fahrtechnisch
günstigen Verlauf gleichgültig, welche Stufen aufeinanderfolgend zur Schaltung gelangen;
so kann beispielsweise auch von der Ruhelage aus unmittelbar unter Überspringung
der i. Schaltstufe auf eine höhere Schaltstufe übergegangen werden. Bei Un i-schaltung
des Getriebes bei Bergfahrt auf eine niedere Geschwindigkeitsstufe wird bei gleicher
Motorleistung ein größeres Drehmonnent wirksam. Bei der Talfahrt findet eine Rückgewinnung
der Energiestatt.
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Zusammenfassend' ergibt sich, d.aß der Antrieb, gemäß der Erfindung
mit Elektromotoren mit konstantef Umlaufzahl (Drehstrommotoren mit Käfiganker),
ein ruhiges und rasches Anfahren, die Änderung der Fahrgeschwindigkeit bei Bergfahrt,
den dauernden Betrieb des Elektromotors bei besten Kühlverhältnissen und gleichförmigen
Wirkungsgrad und trotzdem infolge Vermeidung der Spitzenbildungen im Energiediagramm
den Anschluß von Lichtleitungen an die Kraftleitungen ermöglicht. Es ergeben sich
sehr einfache mechanische Triebwerksregeleinrichtungen, einfachste Bedienung
ohne
besondereSchulung, leichteÜberwachung und Reparatur der Einrichtungen. Diese Vorteile
aber bedingen recht eigentlich die Verwendbarkeit, ja Lebensfähigkeit schienenloser
elektrischer Kraftfahrzeuge, die vor allem ins Auge gefaßt sind.
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Im folgenden ist nur beiGpielsweise eine Kupplung beschrieben mit
Regeleinrichtung für den Anpreßdruck, die für den erfindungsgemäßen Antrieb verwendet
werden kann. Die Abb. 5 zeigt die Kupplung im Querschnitt, Abb. 6 in einer Seitenansicht.
Abb. 7 ist ein schematisches Bild der ganzen Kupplung. Das Übersetzungsgetriebe
kann in irgendeiner seiner gewöhnlichen Bauarten Verwendung finden und erfordert
daher hier keine besondere Darstellung und Beschreibung.
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Auf der Motorwelle 8 sitzt fest die Nabe 9, die Nabe io umgreift -
lose die Nabe 9 und trägt die eine Kupplungshälfte i i. Die andere Kupplungshälfte
12 .sitzt auf der Treibradwelle 13 des Fahrzeuges. Die beiden Kupplungshälften werden
durch die Feder 1:I gegeneinandergepreßt und können gelüftet werden durch das Kupplungspedal
15. Der Motor ist mit 16 und das Triebrad des Fahrzeuges mit 17 bezeichnet. Auf
dem Mantel der Nabe 9 ist fest ein Ansatz 18 angeordnet. Im Innern der Nabe io ist
ein entsprechender Ansatz i9 befestigt. Zwischen diesen Ansätzen können in einem
entsprechend.- ausgestalteten Käfig Kugeln 2o vorgesehen sein. Zweckmällig sind
in den einander gegenüberliegenden Flächen beider Ansätze Nuten für die Kugeln eingeschnitten.
Die wirksamen Flächen der Ansätze selbst bzw. diese Nuten verlaufen nach einer Schraubenlinie.
Angenommen die Triebwelle 13 sei belastet, so pflanzt sich, da die Kupplungsteile
durch die Feder 1.4 zusammengepreßt sind, das entsprechende Drehmoment über die
Kupplung 12-11 auf die äußere Nabe -io fort. Die hierdurch in den Kugeln 2o zwischen
den Anschlägen 18 und i9 zur Wirkung gelangende Kraft D (Abb. 6) pflanzt sich auf
die - Innennabe 9 und damit auf den Motor 16 fort.. Durch die gegen die Kraftrichtung
geneigte Lage der Anschläge 18 und i g entsteht eine Achsialkamponenfie
A .der Drehkraft. D. Diese Komponente A wirkt dem Drucke der Feder
14 entgegen. _ Steigt das Drehmoment der Belastung, so vergrößert sich die Achsial-.
komponente A, d. h. die der Feder 14. entgegenwirkende Kraft wird vergrößert und
damit der resultierende Anpreßdruck der Kupplungsteile verkleinert. Der Anpreßdruck
in der Kupplung hängt also von der Größe des Drehmomentes und damit der Dlrehkraft
ab. je nach der Steigung der Schraubenlinie ,ist die Größe der Achsialkomponente
bei gleicher Drehkraft verschieden.
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Ändert sich die Schlüpfung der beiden Kupplungsteile, was während
jeder Anfahrpemiode des Kraftfahrzeuges eintritt, se ändert sich, wie bereits erwähnt.
der Reibungskoeffizient, und zwar nimmt derselbe bei Verringerung der Schlüpfung
zu. Bei einer einfachen Schlupfkupplung würde daher entsprechend die Belastung des
Motors zunehmen. Der Verlauf der Kurve (d.-5) in Abb. 3 wäre ein steilerer. Bei
der beschriebenen Kupplung jedoch wirkt dem Einflosse der Zunahme des Reibungskoeffizienten
die dabei eintretende Vergrößerung der Achsialkomponente A entgegen. Die Stärke
dieser Gegenwirkung ist von der Steigung der Schraubenlinie abhängig, so daß durch
entsprechende Gestaltung der Anschläge 18, i 9 der Verlauf der Kurve q.-5 bestimmt
werden kann. Die Kurve q.-5 kann äußerstenfalls in eine Horizontale durch 5 übergeführt
werden, in welchem Falle die Wirkung der Änderung des Reibungskoeffizienten vollkommen
ausgeglichen ist. Durch die Regelung wird aber auch ermöglicht, die Höhenlage des
Punktes q. (Abb. 2) herabzudrücken und damit die Verlustfläche f zu verkleinern
und trotzdem dem Endstück der Kurve 4-5 einen mehr horizontalen Auslauf zu geben,
wodurch selbst bei wesentlich geänderter Belastung (Änderung der Beschleunigungsarbeit
b) eine nur geringe Änderung der maximalen Motorleistung erzielt wird.
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Düe beschriebene Regeleinrichtung der Kupplung wirkt überdies als
Sicherung gegen 'Überlastung des Motor; über die gewählte zulässige Grenze, da bei
zu großem Lastdrehmoment die entsprechend vergrößerte Achsialkomponente A die Schlüpfung
der Kupplung veranlaßt.