DE629771C - Energiespeicher zum Anlassen und Bremsen sowie Aufrechterhalten eines Gleichfoermigkeitsgrades von Drehbewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zum Anlassen und Abstellen sowie Aufrechterhalten eines Gleichförmigkeitsgrades von Drehbewegungen, z. B. bei Rohrmühlen, Pumpen mit langen Druckleitungen oder Fahrzeugen, unter Verwendung kleiner, rasch laufender Schwungräder und hydraulischer Kraftübertragung. Es sind schon Einrichtungen zum Beschleunigen von Eisenbahnzügen durch langsam laufende Verbrennungsmaschinen bekannt, welche mit Schwungrädern versehen sind, die von der Hauptwelle durch Übersetzung ins Schnelle aufgeladen werden. Dabei sollte die Kraftübertragung auf die Schwungmassen durch einö Zahnradübersetzung und durch eine oder mehrere abschaltbare Asynchronkupplungen elektrischer oder hydraulischer Art erfolgen. Schon hierbei war es möglich, beim Anfahren ein Mehrfaches der verfügbaren Dauerleistung des Motors für kurze Zeit zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung soll diese Art der Leistungserhöhung durch Speicherung auf umfangreichere Gebiete ausdehnen und wirtschaftlich verbessern, dabei die Nachteile beseitigen, welche dem bisherigen System anhaften und in der alleinigen Verwendung von Asynchronkupplungen begründet sind.
Hydraulische Asynchronkupplungen bestehen aus einem Primär- oder Pumpenrad und einem Sekundär- oder Turbinenrad ohne feste Reaktionsteile, insbesondere feste Leiträder. . Primär- und Sekundärmoment M₁ bzw. Af₂ sind daher gleich groß; weder eine Momentsteigerung (Übersetzung) noch eine Steigerung der Sekundärdrehzahl M₂ über die primäre M₁ hinaus ist möglich.

Praktisch muß sogar stets ein gewisser

Schlupf von ι bis 5 % auftreten.

Hält man die Primärdrehzahl M₁ mit Hilfe einer beliebig starken Kraftmaschine gleich und verändert die Sekundärdrehzahl M₂ durch Anlegen verschiedener Widerstände, so wird nach Abb. r beim: Anfahren (m₂ = 0) ein gewisses maximales Drehmoment M = M₁ = M₂ übertragen, das mit steigendem M₂ zuerst langsam und dann immer schneller abfällt und bei Synchronismus (M₂ = M₁) bis auf Null sinkt.

Im selbem Maß wie die Drehmomente verändern sich auch die bei gleichgehaltener Primärdrehzahl aufzuwendenden Primärpferdestärken.

Der Übertragungswirkungsgrad η (= Verhältnis der Pferdestärken W₂: N₁) steigt dabei linear von Null bis 100 °/₀ an.

Für viele Zwecke, z. B. den Antrieb von schweren Fahrzeugen ο. dgl. durch Verbrennungsmotoren, ergeben sich hieraus Nachteile l

r. Die Motoren laufen in den meisten praktischen Fällen mit gedrosselter Drehzahl; da-

her können die durch Schlupfkupplungen angeschlossenen Schwungräder fast niemals auf ihre höchstzulässige Drehzahl beschleunigt^ d. h. voll geladen und ausgenutzt werden..^f 2. Die Schlupfkupplungen werden ^ß tisch so dimensioniert, daß sie bei Sekundärdrehzahl M₂ und Dauerleistung g liehst geringen Schlupf (2 bis 5 ^p/₀) ergeben. Beim Anfahren des Schwungrades beträgt aber der Schlupf um 100 °/o-

Aus der Momentcharakteristik der Abb. 1 ersieht man, daß dann 10- bis 2omal höhere Motormomente beim Anfahren aufzuwenden sind als beim Dauerbetrieb. Da die meisten Motoren, insbesondere alle Verbrennungsmotoren, dies nicht aufzubringen vermögen, kann' die Motordrehzahl nicht, wie in Abb. 1 vorausgesetzt, gleichgehalten werden, sondern geht auf den 3. bis 4. Teil herunter. Damit sinkt auch die Motorleistung auf einen entsprechenden Bruchteil, d. h. auch der Motor kann beim Laden des Schwungrades nur zum kleinen Teil ausgenutzt werden.

3. Die geschilderte 10- bis 2ofache Drehmomentzunahme tritt nun auch beim Entladen des Schwungrades und Anfahren der Fahrzeugmassen o. dgl. auf, ist aber dort für viele Zwecke zu hoch, so daß die Gefahr des Brechens der Übertragungsteile, des Gleitens der Triebräder und etwaiger Reibkupplungen und der Entstehung unzulässigen Schlupfes in etwaigen nachgeschalteten Asynchronkupplungen entsteht. Anderenfalls mußten die letzteren außerordentlich groß, schwer und teuer ausgeführt werden.

Diese Nachteile werden nun erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß außer den oder an Stelle der leitradlosen Schlupfkupplungen ein oder mehrere Turbogetriebe mit Leiträdern, sogenannte Momentwandler oder kurz Wandler genannt, mit dem Schwungrad und den Zahnrädern zusammenarbeiten. ¹ Abb. 2 zeigt die Eigenschaften dieser Wandler, und zwar wieder unter Voraussetzung +5 gleichgehaltener Motordrehzahl M₁, in Abhängigkeit von der je nach den Widerständen veränderlichen Sekundärdrehzahl n₂. Das sekundäre. Drehmoment M₂ kann hier das Motormoment M₁ beim Anfahren {n₂ = O) um das 5- bis 8fache übertreffen, je nach der für Normalgang berechneten Übersetzung. Bei steigendem W₂ sinkt M₂ nach einer nach oben konkaven Linie ab-. Hier kann nun n₂ die dem synchronen Lauf einer. Kupplung entsprechende Drehzahl erheblich übersteigen, D. h. das Schwungrad kann auch bei gedrosseltem Motor voll ausgenutzt und sein Gewicht, entsprechend verringert· werden.

Die aufgenommenen Primärmomente M₁ und -leistungeri N₁ bleiben fast gleich, so daß der Motor leicht die höchste Primärdrehzahl n_t und Volleistung einhalten und voll ausgenutzt werden kann.

Ein übermäßiger Anstieg des Moments _v..^eim Entladen tritt nicht ein. Der Wirkungs- tfjk&d- η steigt bis zu einem Maximum und "JjIlIt dann wieder ab.

''"' Von besonderer Bedeutung ist die erhebliche Steigerung der Drehzahl durch den Wandler. '

Der Wandler kann erfindungsgemäß auch mit der, hydraulischen Schlupfkupplung vereinigt und wechselweise benutzt werden. Da der Wirkungsgrad eines Wandlers geringer ist als der einer Kupplung bei geringem Schlupf, so kann in dem Drehzahlbereich, in dem Primär- und Sekundärdrehzahl nicht sehr voneinander verschieden sind, an Stelle eines Wandlers eine Kupplung eingeschaltet werden, die dann kurz vor Erreichen der Synchrondrehzahl wieder abgeschaltet und zur Erreichung einer höheren Sekundärdrehzahl wieder durch den Wandler ersetzt wird. Dieses Betriebsverfahren gibt die höchsten Wirkungsgrade.

Auch für das Entladen der Schwungräder wird zweckmäßig zwischen Schwungmasse und Zahnradgetriebe ein besonderer Wandler eingeschaltet, bei dem Primär- und Sekundärrad' umgekehrt angeordnet sind, wie bei dem zum Laden dienenden Wandler. Beispielsweise kann dann beim Entladen zuerst wieder der genannte Wandler, dann die zum Läden und Entladen gleich geeignete Kupplung und zuletzt wieder der Wandler eingeschaltet werden.

In den Abb. 3 bis 6 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Abb. 3 die Vereinigung der zum Laden und Entladen der Schwungräder 13 und 13' geeigneten Schlupfkupplung K mit einem zum Laden dienenden Wandler W. Die Antriebsmaschine 1, z. B. ein Verbrennungsmotor, ist über die Hauptwelle 2 und das große Zahnrad 3 mit den Ritzeln 4 und 4' verbunden.

Um der bei den gesteigerten Drehzahlen der Schwungräder auftretenden Kreiselwirkung zu begegnen) ist zwischen Zahnrad 3 und dem Ritzel 4' ein Zwischenrad 4" eingeschaltet, so daß die beiden Schwungräder 13 und 13' mit entgegengesetzten Drehrichtungen und Kreiselwirkungen laufen. Das Ritzel 4 ist 'beispielweise auf Hohlwellen 5 gelagert, die mit dem einen Rad einer leitradlosen Kupplung K und K' und dem Pumpenrad 7 und 7' eines mit feststehendem Leitrad 14 versehenen Wandlers W fest verbunden sind.' Die Sekundärräder 10 und 11. der Kupplung K und des Wandlers W sind an einer in der Hohlwelle 5 laufenden Welle 9 befestigt, an derem anderen Ende das

Schwungrad 13 sitzt. Zwischen dem großen Zahnrad 3 und der angetriebenen Welle 16 ist eine lösbare Kupplung 17 vorgesehen, die als hydraulische oder mechanische oder kombinierte hydraulisch-mechanische Kupplung oder nach Art eines Freilaufes ausgebildet sein kann, der gegebenenfalls ausschaltbar ist.

Sollen bei stillstehendem Fahrzeug die Schwungräder 13 und 13' geladen werden, so wird die Kupplung 17 ab- und der Wandler ^F eingeschaltet. Die Drehzahl und Leistung des Antriebsmotors 1 können wegen der bereits erwähnten Eigenschaften des Wandlers voll ausgenutzt und die Schwungräder in kürzester Zeit mit- hohem Wirkungsgrad aufgeladen werden. Die Schwungradspeicher sind auch in der Lage, die Bremsenergie der Fahrzeugmassen aufzunehmen und für die Beschleunigungsperiode aufzuspeichern. Hierzu wird die Kupplung 17 eingeschaltet und der Motor gedrosselt.

Das Entladen der Schwungräder zur Beschleunigung des Fahrzeuges oder sonstiger Massen kann durch Einschalten der Kupplung K und K' und 17 erfolgen. Da die Kupplungen das Drehmoment verlustlos durchleiten, so steht für den Beginn der Beschleunigung ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung, dessen Größe durch entsprechende Füllung der Kupplung geregelt werden kann. Die Kupplung K kann auch, wie erwähnt, beim Laden der Schwungmasse verwendet werden, indem zunächst der Wandler W eingeschaltet und erst abgeschaltet wird, wenn zwischen Primär- und Sekundärdrehzahl nur noch ein Schlupf von beispielsweise 20 bis 15 °/o vorhanden ist. Hierauf übernimmt die Kupplung K die Übertragung, bis bei einem Schlupf von 2 bis 3 °/₀ wieder der Wandler W eingeschaltet wird, der die Schwungräder auf die übersynchrone Drehzahl bringt.

Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwischen Ritzel 4 und Schwungrad 13 noch ein weiterer Wandler W₁ eingeschaltet ♦5 ist, dessen Primärrad 12 mit der Schwungradwelle 9 und dessen Sekundärrad 8 mit der Hohlwelle 5 verbunden ist. Der Wandler W₁ gestattet, zusammen mit der Kupplung K₁ eine beliebige Regelung des Drehmomentes beim Entladen des Schwüngrades.

An Stelle eines zum Laden und Entladen der Schwungräder dienenden Übersetzungsgetriebes 3, 4 können auch nach Abb. 5 zwei Getriebe 3, 4, und zwar das eine zum Laden und das andere zum Entladen, verwendet werden. Die Schwungräder sitzen dabei z. B. zwischen den Ritzeln und sind nach jeder Seite hin durch einen Wandler W und eine Kupplung K von dem betreffenden Zahnradgetriebe abschaltbar. Die Anordnung besitzt den Vorteil, daß die auf der Hauptwelle sitzende Kupplung 17 nur für das größte Drehmoment des Antriebsmotors 1 bemessen zu sein braucht, während sie bei den früheren Beispielen auch noch das Zusatzmoment der Schwungräder übertragen und dementsprechend bemessen sein mußte.

Da sich bei sehr hohen Drehzahlen der Schwungmassen äußerst kleine Abmessungen für die hydraulischen Getriebe ergeben, die praktisch kaum ausführbar sind, so können die mechanischen Getriebe auch zweistufig ausgebildet und dann die hydraulischen Kupplungen und Wandler auf der Zwischenwelle angeordnet werden, wie dies in Abb. 6 dargestellt ist. Die Kupplungen K₁ K' und die Wandler W₁ W sitzen auf den Zwischenwellen 18 und 18', von denen aus über die Zahnräder 19 und 19' und 20 und 20' die Schwungräder 13 angetrieben werden.

Mit Hilfe der beschriebenen Betriebeanordnungen ist es beispielsweise möglich, von fahrenden Eisenbahnzügen, Triebwagen, Autos ο·, dgl. beim Bremsen und während des Stillstandes oder verringerter Motorleistung einen erheblichen Teil Energie in den Schwungrädern aufzuspeichern und diese Energie beim Wiederbeschleunigen auszunutzen. Das Fahrzeug benötigt dann einen verhältnismäßig schwachen Antriebsmotor. Die gleiche Anordnung kann auch für den Antrieb großer Arbeitsmaschinen, Mühlen, Pumpen, Hebe- und Transportmaschinen, Umformer und Maschinen, die z. B. bei Bahnbetrieben oder Walzwerken stoßweiser Belastung ausgesetzt sind, Verwendung finden.

Ein besonderer Vorteil ist dabei, daß z. B. bei elektrischem Antrieb sowohl das Verteilungsnetz als auch die Zentrale von hohen Spitzenbelastungen, insbesondere beim Bahnbetrieb, entlastet werden und daher die Maschinengrößen und damit die Anlagekosten verringert werden können.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Energiespeicher zum Anlassen und Bremsen sowie Aufrechterhalten eines Gleichförmigkeitsgrades von Drehbewegungen unter Verwendung kleiner, schnei- ^ll'° ler als die Hauptwelle laufender Schwungräder und hydraulischer Kraftübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung bzw. Entladung der Schwungräder mit Hilfe besonderer Turbogetriebe mit festen Leiträdern, sogenannter Momentwandler, erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschwungmassen zuerst durch Wandler bis in die Nähe der Synchrondrehzahl, darauf durch leitradlose Kupplungen und zuletzt wieder

durch Wandler geladen bzw. entladen werden.

3.' Anordnung nach' Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungräder durch vorher nicht zum Laden der Schwungräder benutzte Wandler entladen werden (Abb. 4).

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel mit dem Primärrad des Wandlers und der Kupplung durch eine Hohlwelle verbunden ist, während die Sekundärräder an einer in der Hohlwelle laufenden Welle zusammen mit dem Schwungrade befestigt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hohlwelle das Sekundärrad eines zweiten zur Entladung dienenden Wandlers· befestigt ist, dessen Primärrad auf der Welle der Schwungräder angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entladen der Schwungräder ein Zahnradgetriebe vorgesehen ist, das seine Leistung auf der Lastseite der Arbeitswellenkupplung abgibt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungräder zwischen den beiden Zahnradgetrieben laufen.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Antrieb der Schwungräder dienende mechanische Getriebe zweistufig ist, und daß die dabei benutzten hydraulischen Kupplungen und Wandler sich auf der Zwischenwelle befinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen