WO2010115804A2 - Modul eines hybridantriebes und hybridantrieb für wasserfahrzeuge - Google Patents

Modul eines hybridantriebes und hybridantrieb für wasserfahrzeuge Download PDF

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WO2010115804A2
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coupling
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Michele Zottele
Paolo Stasolla
Andrea Pellegrinetti
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the invention relates to a module of a hybrid drive for watercraft according to the preamble of claim 1 and a hybrid drive for watercraft according to the preamble of claim 13.
  • Hybrid drives are known not only for motor vehicles, but also for watercraft, especially seagoing vessels. Recently, hybrid drives for yachts, i. H. both motor yachts and sailing yachts proposed.
  • a true hybrid has two different drive sources, e.g. As a diesel and an electric motor, and accumulators (batteries) for storing energy, especially electrical energy.
  • the aim of the hybrid drive is to reduce the specific consumption of the diesel engine, since the diesel engine runs only in a narrow range (usually the full load range) with optimum efficiency. At partial load, however, the specific consumption of the internal combustion engine increases. In this area, the electric motor, which is powered by the batteries, take over the propulsion. This achieves more flexibility and a reduction in emissions.
  • serial hybrid the combustion engine (diesel engine) drives a generator of an electric machine, which charges the batteries and thus stores electrical energy.
  • An electric motor which is mechanically decoupled from the internal combustion engine, takes over only the propulsion, ie the drive of the propeller shaft.
  • the intended for the drive electric motor can also work as a generator in braking mode and feed the braking energy into the batteries.
  • An advantage of the serial hybrid is that the internal combustion engine can only run at its optimum operating point. The disadvantage is that the mechanical energy of the internal combustion engine is first converted into electrical energy and then converted back to mechanical energy for propulsion.
  • the parallel hybrid is an internal combustion engine and an electric machine that operates both as a motor and as a generator, and a battery for storing electrical energy. Both engines, the combustion engine and the electric motor, can be used as drive motors, which drive the propeller shaft via a gearbox. Either the internal combustion engine alone or the electric motor alone or the combustion engine and the electric motor can drive onto the propeller shaft.
  • An advantage of the parallel hybrid is that the combustion engine drives directly, ie without energy conversion losses, to the propeller.
  • the electric motor can be used for reinforcement, ie as a so-called booster.
  • Known boat drives have an internal combustion engine, in particular a diesel engine and a downstream reduction gear and reverse gear, via which a guided out of the boat hull propeller shaft is driven by the ship's propeller.
  • a module is provided with a housing in which a flexible coupling with a drive shaft, an electric machine, an output shaft connected to a rotor and a clutch coaxially arranged are.
  • the module according to the invention comprises all drive elements to make a Hybhdantheb from a conventional boat drive.
  • the module between the engine and boat transmission is used, wherein the output shaft or the flywheel of the internal combustion engine drives the drive shaft of the module via the elastic coupling.
  • the drive shaft can be connected to the output shaft of the module and thus with the propeller shaft of the yacht, so that drives the internal combustion engine on the propeller.
  • the electric machine can be switched as a motor and thus used as a booster for the internal combustion engine.
  • the electric machine can be switched as a generator, so that the internal combustion engine drives both the propeller shaft and the generator, which charges the batteries of the hybrid drive.
  • This can be realized with a single module, which is used in an existing interface between the engine and transmission, a hybrid drive, which is similar to the known parallel hybrid.
  • the clutch comprises a first and a second coupling half, wherein the first coupling half is connected via the drive shaft with the internal combustion engine and the second coupling half via an output shaft with the electric machine.
  • the coupling halves on entrainment elements which engage positively in the engaged state of the coupling, d. H. form a positive connection between the two coupling halves.
  • the torque is transmitted lossless from the drive shaft to the output shaft.
  • the clutch is designed as a dog clutch, which is switched on and disengaged by axial displacement of the coupling halves.
  • the driving elements are designed as spur gears on both coupling halves. This results in minimal axial paths for engagement and disengagement of the clutch.
  • the first coupling half is arranged to be axially displaceable on the drive shaft, which is advantageous for reasons of the installation space, in particular for the activation of the coupling.
  • the first coupling half is axially displaceable via an adjusting mechanism, d. H. the clutch can be engaged and disengaged from the outside to make or break the connection between the drive shaft and the output shaft.
  • the adjusting mechanism preferably comprises an eccentric shaft or a cranked shaft arranged perpendicular to the drive shaft, a connecting member and a shift fork for displacing the first coupling half. This creates a reliable and compact switching mechanism for engaging and disengaging the clutch.
  • the stator of the electric machine is cooled by a coolant, whereby a higher power of the electric machine can be achieved with the same space.
  • the stator has a cylindrical cooling jacket, which is inserted into the housing and forms with this cooling channels.
  • the cooling channels communicate with coolant connections arranged in the housing.
  • the cooling channels can be connected to a coolant circuit, so that an effective liquid cooling of the electric machine is achieved.
  • the electric machine is an integral part of a module of the aforementioned type.
  • This has the advantage that the hybrid-specific components in a pre-assembled and interchangeable Module are included.
  • the module can be used for retrofitting conventional drives to hybrid drives or for the original equipment of a hybrid drive.
  • the module has a drive-side connecting flange, via which it can be fastened to the internal combustion engine. Further, the module has a Abthebs districten connection flange, via which it is attached to the transmission. Through these two flanges, the module is inserted into the drive train and becomes an integral part of the hybrid propulsion system for the ship propeller.
  • the module on the drive side also comprises a flexible coupling, via which the drive shaft of the module is connected to the internal combustion engine, in particular its flywheel. This attenuated by the internal combustion engine outgoing torsional vibrations and compensated for any axle deviations.
  • Fig. 3 is a block diagram of the hybrid drive according to the invention.
  • Hybrid module Fig. 4a, 4b perspective views of the hybrid module with a view of the
  • Fig. 7a, 7b are sectional views of the switching mechanism with the clutch disengaged and engaged
  • Fig. 8 is a partial section through the stator of an electric machine with cooling jacket and coolant connections.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a hybrid drive 1 according to the invention for a yacht 2, of which only the fuselage 2a and the rudder 2b are shown.
  • the hybrid drive 1 comprises an internal combustion engine 3, preferably a diesel engine, a reduction and reverse gear 4, hereinafter referred to as gear 4, and a arranged between the engine 3 and 4 gearbox module 5, also called hybrid module 5.
  • a propeller shaft 6 is connected, which is passed through the hull 2a and connected to a arranged before the rudder 2b ship propeller 7, hereinafter referred to as a short propeller 7, is connected.
  • the yacht 2 can be a motor yacht, a sailing yacht or a motor glider, so a vehicle of recreational shipping.
  • the module 5 shows the hybrid module 5 (see Fig. 1) in a schematic representation as a single unit.
  • the module 5 has a substantially cylindrically shaped housing 8 with an end flange 8a arranged on the side of the lift and a front flange 8b arranged on the lift-off side.
  • a drive shaft 9 is arranged with a first coupling half 10a, which is axially displaceable, indicated by a double arrow P, but rotationally fixed on the drive shaft 9 is arranged.
  • an output shaft 11 is arranged, on the end of a second coupling half 10b is fixedly arranged.
  • the two coupling halves 10a, 10b form a switchable coupling 10, also called a clutch 10, which is preferably designed as a dog clutch 10.
  • a clutch 10 which is preferably designed as a dog clutch 10.
  • an electric machine 12 is further arranged, which has a stationary stator 12a and a rotor 12b, which is arranged rotationally fixed on the output shaft 11.
  • the electric machine 12 can be used as a motor for driving the output shaft 11, d. H. of the propeller 7 (see Fig. 1) or operated as a generator.
  • the clutch 10 which is shown in Fig. 2 in the open (disengaged) state, the drive shaft 9 and the output shaft 11 can be coupled or disconnected.
  • FIG. 3 shows in a block diagram the entire drive system designed as a hybrid drive, the hybrid module 5 being characterized by a rectangle shown in dashed lines.
  • the reference numerals 10 designate the shifting clutch and the reference numeral 12 the electric motor which can be operated as a motor and generator, which is connected to a battery 13, also called an accumulator 13.
  • the internal combustion engine 3 (see Fig. 1) is associated with a tank 14 with fuel, in particular diesel fuel.
  • an electronic control unit 15 is provided, which is connected via control lines 15a, 15b on the one hand to the internal combustion engine 3 and on the other hand to the hybrid module 5.
  • the illustrated hybrid drive can be operated in the following operating modes:
  • the internal combustion engine 3 drives through, d. H.
  • the speed of the engine 3 is reduced via the reduction gear 4 and the direction of rotation for forward and reverse can be reversed.
  • the electric machine 12 can either run as a generator, as a result of which the battery 13 is charged, or as a motor, where it acts as a so-called booster and amplifies the drive of the internal combustion engine 3. This allows a larger torque to be transmitted to the propeller 7.
  • the control of the switching of motor and generator operation takes place via the electronic control unit 15th
  • the drive is purely electric, d. H. the electric machine 12 operates as a motor and draws its electrical energy from the battery 13 or other generators not shown on board. With the purely electric drive eliminates the noise of the diesel engine 3 and its exhaust gases. Thus, a quiet and emission-free propulsion of the yacht is possible.
  • FIGS. 4a and 4b show the hybrid module 5 respectively in a perspective view from the drive side and from the output side.
  • the drive shaft 9 can be seen with a drive flange, which is connected to an elastic coupling 16.
  • a connection box 17th attached for the connection of electrical cables for the electrical machine (not visible).
  • a servomotor 18 for the circuit of the clutch (not visible) attached.
  • Fig. 4a shows the anthebs districten end flange 8a
  • Fig. 4b shows the output side of the housing 8 with the output shaft 11 and end flange 8b.
  • Fig. 5 shows a section through a structural design of the hybrid module 5, wherein the same reference numerals are used for functionally identical parts as in the previous figures.
  • the drive shaft 9 via rolling bearings 19, 20 relative to the housing 8 and against the output shaft 11 is supported.
  • the drive shaft 9 is connected via a drive flange 9a with the elastic coupling 16, which in turn is connected in a manner not shown with the flywheel of the internal combustion engine.
  • the output shaft 11 is rotatably connected to the rotor 12 b of the electric machine 12.
  • the stator 12 a is fixedly connected to the housing 8.
  • the first coupling half 10a of the clutch 10 is axially movable, but non-rotatably mounted on the drive shaft 9.
  • the second coupling half 10b is rotatably connected to the output shaft 11 and supported via roller bearings 21 on the drive shaft 9.
  • the coupling halves 10a, 10b shown in the disengaged state, have entrainment elements in the form of serrations 10c, 10d on their mutually facing end faces, which engage in a form-fitting manner when the coupling is engaged.
  • the axially displaceable first coupling half 10a is actuated by a switching mechanism which comprises an eccentric shaft 22 with an eccentric pin 22a and a connecting member 23 in the form of a tab. Details of the adjusting or switching mechanism are shown in Figures 6, 7a, 7b.
  • Fig. 6 shows a perspective view of the clutch 10 and a shift fork 24, which is guided on a housing-fixed guide pin 25 and actuated by the connecting member 23.
  • the servomotor 18 drives via a worm gear, not shown, on the eccentric shaft 22, which adjusts the connecting member 23 and thus the shift fork 24 in the axial direction.
  • Fig. 7a, Fig. 7b show the clutch in the disengaged (decoupled) and in the engaged (coupled) state. Both figures show the housing-fixed guide pin 25 on which the shift fork 24 is guided.
  • Fig. 7a is the eccentric pin 22a of the eccentric shaft 22 in the drawing in a left position and pulls the connecting member 23 and thus the shift fork 24 in the drawing to the left.
  • the clutch 10 is opened.
  • Fig. 7b is the eccentric pin 22a in the drawing in a right position.
  • the shift fork 24 is pressed by a closing spring 26 in the drawing to the right, ie in the closed position of the clutch 10.
  • Both coupling halves 10a, 10b couple and form a positive connection in the manner of a dog clutch.
  • This type of clutch can be switched to avoid wear damage only load-free and with equal speed of both coupling halves.
  • the compression spring formed as a closing spring 26 is compressed.
  • the clutch 10 is blocked in the engaged state shown in FIG. 7b by a ball trap 27, which is released when opening the clutch.
  • FIG. 8 shows a section of the stator 12a and its arrangement in the housing 8.
  • the stator 12a is surrounded by a cooling jacket 28, which forms cooling channels 29 with the housing 8.
  • the cooling channels 29 are connected via radial bores 30 with coolant connections 31. Coolant can be supplied and removed via the coolant connections 31 from a coolant circuit, not shown, so that the stator 12a is cooled by liquid circulation cooling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (5) eines Hybridantriebes für Wasserfahrzeuge, insbesondere Yachten. Es wird vorgeschlagen, dass das Modul ein Gehäuse (8) umfasst, welches eine Antriebswelle (9), vorzugsweise mit elastischer Kupplung (16), eine elektrische Maschine (12) mit einem Stator (12a) und einem Rotor (12b), eine Abtriebswelle (11) sowie eine schaltbare Kupplung (10), welche die Antriebswelle (9) und die Abtriebswelle (11) trennt oder kuppelt, aufnimmt.

Description

Modul eines Hybridantriebes und Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge
Die Erfindung betrifft ein Modul eines Hybridantriebes für Wasserfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.
Hybridantriebe sind nicht nur für Kraftfahrzeuge, sondern auch für Wasserfahrzeuge, insbesondere Seeschiffe bekannt. Neuerdings wurden auch Hybridantriebe für Yachten, d. h. sowohl Motoryachten als auch Segelyachten vorgeschlagen.
Ein echter Hybrid weist zwei unterschiedliche Antriebsquellen auf, z. B. einen Diesel- und einen Elektromotor, sowie Akkumulatoren (Batterien) zur Speicherung von Energie, insbesondere elektrischer Energie. Ziel des Hybridantriebes, insbesondere bei Seeschiffen ist es, den spezifischen Verbrauch des Dieselmotors zu senken, da der Dieselmotor nur in einem eng begrenzten Bereich (meistens der Volllastbereich) mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Bei Teillast dagegen steigt der spezifische Verbrauch des Verbrennungsmotors. In diesem Bereich kann der Elektromotor, der aus den Batterien gespeist wird, den Vortrieb übernehmen. Damit erreicht man mehr Flexibilität und eine Reduktion der Emissionen.
Man unterscheidet den so genannten seriellen Hybrid und den Parallelhybrid. Beim seriellen Hybrid treibt der Verbrennungsmotor (Dieselmotor) einen Generator einer elektrischen Maschine an, welcher die Batterien auflädt und damit elektrische Energie speichert. Ein Elektromotor, der vom Verbrennungsmotor mechanisch entkoppelt ist, übernimmt ausschließlich den Vortrieb, d. h. den Antrieb der Propellerwelle. Der für den Antrieb vorgesehene Elektromotor kann auch als Generator im Bremsbetrieb arbeiten und die Bremsenergie in die Batterien einspeisen. Vorteilhaft beim seriellen Hybrid ist, dass der Verbrennungsmotor ausschließlich in seinem optimalen Betriebspunkt laufen kann. Nachteilig ist, dass die mechanische Energie des Verbrennungsmotors zunächst in elektrische Energie umgewandelt und anschließend wieder in mechanische Energie zum Vortrieb umgewandelt wird. Beim Parallelhybrid sind ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine, die sowohl als Motor als auch als Generator arbeitet, sowie eine Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen. Beide Motoren, der Verbrennungsmotor und der Elektromotor, können als Antriebsmotoren eingesetzt werden, welche über ein Sammelgetriebe die Propellerwelle antreiben. Dabei können entweder der Verbrennungsmotor allein oder der Elektromotor allein oder der Verbrennungsmotor und der Elektromotor auf die Propellerwelle treiben. Vorteilhaft beim Parallelhybrid ist, dass der Verbrennungsmotor direkt, d. h. ohne Energieumwandlungsverluste auf den Propeller treibt. Der Elektromotor kann zur Verstärkung, d. h. als so genannter Booster verwendet werden. Darüber hinaus kann über die elektrische Maschine, wenn sie als Generator geschaltet ist, elektrische Energie in die Batterien eingespeist werden, d. h. entweder vom Verbrennungsmotor oder vom Propeller, wenn dieser - z. B. beim Segeln - als Wasserturbine betrieben wird.
Bekannte Bootsantriebe weisen eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor sowie ein nachgeschaltetes Untersetzungs- und Wendegetriebe auf, über welches eine aus dem Bootsrumpf herausgeführte Propellerwelle mit dem Schiffspropeller angetrieben wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konventionellen Bootsantrieb mit einfachen und kostengünstigen Mitteln in einen Hybridantrieb umzurüsten, insbesondere für Bootsantriebe von Yachten. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher unter Verwendung von herkömmlichen Antriebselementen wie dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe sowie der Propellerwelle vorzuschlagen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Modul mit einem Gehäuse vorgesehen, in welchem eine elastische Kupplung mit einer Antriebswelle, eine elektrische Maschine, eine mit einem Rotor verbundene Abtriebswelle und eine Schaltkupplung koaxial angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Modul umfasst sämtliche Antriebselemente, um aus einem konventionellen Bootsantrieb einen Hybhdantheb zu machen. Dazu wird das Modul zwischen Brennkraftmaschine und Bootsgetriebe eingesetzt, wobei die Abtriebswelle oder das Schwungrad der Brennkraftmaschine über die elastische Kupplung die Antriebswelle des Moduls antreibt. Durch die Schaltkupplung kann die Antriebswelle mit der Abtriebswelle des Moduls und damit mit der Propellerwelle der Yacht verbunden werden, so dass der Verbrennungsmotor auf den Propeller durchtreibt. Zusätzlich kann die elektrische Maschine als Motor geschaltet und damit als Booster für den Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Damit können höhere Leistungen, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen erreicht werden. Alternativ kann die elektrische Maschine als Generator geschaltet werden, so dass der Verbrennungsmotor sowohl die Propellerwelle als auch den Generator antreibt, welcher die Batterien des Hybridantriebes lädt. Damit kann mit einem einzigen Modul, welches in eine bestehende Schnittstelle zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe eingesetzt wird, ein Hybridantrieb realisiert werden, welcher dem bekannten Parallelhybrid ähnlich ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltkupplung eine erste und eine zweite Kupplungshälfte umfasst, wobei die erste Kupplungshälfte über die Antriebswelle mit der Brennkraftmaschine und die zweite Kupplungshälfte über eine Abtriebswelle mit der elektrischen Maschine verbunden ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Kupplungshälften Mitnahmeelemente auf, welche im eingerückten Zustand der Kupplung formschlüssig ineinander greifen, d. h. einen Formschluss zwischen beiden Kupplungshälften bilden. Damit wird das Drehmoment verlustfrei von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen.
Bevorzugt ist die Schaltkupplung als Klauenkupplung ausgebildet, welche durch Axialverschiebung der Kupplungshälften ein- und ausrückbar ist. Bevorzugt sind die Mitnahmeelemente als Stirnverzahnungen auf beiden Kupplungshälften ausgebildet. Dadurch ergeben sich minimale axiale Wege zum Ein- und Ausrücken der Kupplung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kupplungshälfte axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet, was aus Gründen des Bauraumes, insbesondere für die Ansteuerung der Kupplung von Vorteil ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kupplungshälfte über einen Verstellmechanismus axial verschiebbar, d. h. die Schaltkupplung kann von außen ein- und ausgerückt werden, um die Verbindung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle herzustellen oder zu unterbrechen.
Bevorzugt umfasst der Verstellmechanismus eine senkrecht zur Antriebswelle angeordnete Exzenterwelle oder eine gekröpfte Welle, ein Verbindungsglied sowie eine Schaltgabel zur Verschiebung der ersten Kupplungshälfte. Damit wird ein zuverlässiger und kompakter Schaltmechanismus zum Ein- und Ausrücken der Kupplung geschaffen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stator der elektrischen Maschine durch ein Kühlmittel kühlbar, womit eine höhere Leistung der elektrischen Maschine bei gleichem Bauraum erreichbar ist.
Bevorzugt weist der Stator einen zylindrischen Kühlmantel auf, welcher in das Gehäuse eingesetzt ist und mit diesem Kühlkanäle bildet. Die Kühlkanäle stehen mit im Gehäuse angeordneten Kühlmittelanschlüssen in Verbindung. Damit können die Kühlkanäle an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, so dass eine wirksame Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist ferner bei einem Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge, insbesondere für Yachten vorgesehen, dass die elektrische Maschine integrierter Bestandteil eines Moduls der vorgenannten Bauart ist. Damit ergibt sich der Vorteil, dass die hybridspezifischen Bauteile in einem vormontierbaren und austauschbaren Modul enthalten sind. Das Modul kann dabei zur Nachrüstung von konventionellen Antrieben auf Hybridantriebe oder auch für die Erstausrüstung eines Hybridantriebes verwendet werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Modul einen antriebs- seitigen Verbindungsflansch auf, über welchen es an der Brennkraftmaschine befestigt werden kann. Ferner weist das Modul einen abthebsseitigen Verbindungsflansch auf, über welchen es mit dem Getriebe befestigt wird. Über diese beiden Flansche ist das Modul in den Antriebsstrang eingesetzt und wird zum integralen Bestandteil des Hybridantriebes für den Schiffspropeller.
Bevorzugt umfasst das Modul auf der Antriebsseite auch eine elastische Kupplung, über welche die Antriebswelle des Moduls mit der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Schwungrad verbunden wird. Damit werden von dem Verbrennungsmotor ausgehende Drehschwingungen gedämpft und etwaige Achsabweichungen kompensiert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben, wobei sich aus der Zeichnung und/oder der Beschreibung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb für eine Yacht,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Hybridmodul,
Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit
Hybridmodul, Fig. 4a, 4b perspektivische Darstellungen des Hybridmoduls mit Blick auf die
Antriebs- und die Abtriebsseite, Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Hybridmoduls,
Fig. 6 eine 3-D-Ansicht des Hybridmoduls mit Schaltmechanismus,
Fig. 7a, 7b Schnittdarstellungen des Schaltmechanismus bei aus- und eingerückter Schaltkupplung, Fig. 8 einen Teilschnitt durch den Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlmantel und Kühlmittelanschlüssen. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Hybrid- antrieb 1 für eine Yacht 2, von welcher lediglich der Rumpf 2a und das Ruder 2b dargestellt sind. Der Hybridantrieb 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 3, vorzugsweise einen Dieselmotor, ein Untersetzungs- und Wendegetriebe 4, im Folgenden kurz Getriebe 4 genannt, sowie ein zwischen Brennkraftmaschine 3 und Getriebe 4 angeordnetes Modul 5, auch Hybridmodul 5 genannt. An die Ausgangsseite des Getriebes 4 ist eine Propellerwelle 6 angeschlossen, welche durch den Rumpf 2a hindurchgeführt und mit einem vor dem Ruder 2b angeordneten Schiffspropeller 7, im Folgenden kurz Propeller 7 genannt, verbunden ist. Die Yacht 2 kann eine Motoryacht, eine Segelyacht oder ein Motorsegler sein, also ein Fahrzeug der Sportschifffahrt.
Fig. 2 zeigt das Hybridmodul 5 (vgl. Fig. 1 ) in schematischer Darstellung als einzelne Baueinheit. Das Modul 5 weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 8 mit einem anthebsseitig angeordneten Stirnflansch 8a und einem abthebsseitig angeordneten Stirnflansch 8b auf. Innerhalb des Gehäuses 8 ist eine Antriebswelle 9 mit einer ersten Kupplungshälfte 10a angeordnet, welche axial verschiebbar, angedeutet durch einen Doppelpfeil P, jedoch drehfest auf der Antriebswelle 9 angeordnet ist. Koaxial zur Antriebswelle 9 ist eine Abtriebswelle 11 angeordnet, auf deren Ende eine zweite Kupplungshälfte 10b fest angeordnet ist. Die beiden Kupplungshälften 10a, 10b bilden eine schaltbare Kupplung 10, auch Schaltkupplung 10 genannt, welche bevorzugt als Klauenkupplung 10 ausgebildet ist. Innerhalb des Gehäuses 8 ist ferner eine elektrische Maschine 12 angeordnet, welche einen ortfesten Stator 12a sowie einen Rotor 12b aufweist, welcher drehfest auf der Abtriebswelle 11 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 12 kann als Motor zum Antrieb der Abtriebswelle 11 , d. h. des Propellers 7 (vgl. Fig. 1 ) oder als Generator betrieben werden. Über die Schaltkupplung 10, die in Fig. 2 in geöffnetem (ausgerücktem) Zustand dargestellt ist, können die Antriebswelle 9 und die Abtriebswelle 11 gekuppelt oder getrennt werden.
Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild die gesamte als Hybridantrieb ausgebildete Antriebsanlage, wobei das Hybridmodul 5 durch ein in gestrichelten Linien dargestelltes Rechteck gekennzeichnet ist. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 bezeichnen die Bezugszahlen 10 die Schaltkupplung und die Bezugszahl 12 die als Motor und Generator betreibbare elektrische Maschine, welche mit einer Batterie 13, auch Akkumulator 13 genannt, verbunden ist. Der Brennkraftmaschine 3 (vgl. Fig. 1 ) ist ein Tank 14 mit Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff zugeordnet. Schließlich ist eine elektronische Steuereinheit 15 vorgesehen, welche über Steuerleitungen 15a, 15b einerseits mit dem Verbrennungsmotor 3 und andererseits mit dem Hybridmodul 5 verbunden ist.
Der dargestellte Hybridantrieb kann in folgenden Betriebsarten betrieben werden:
Bei eingerückter Schaltkupplung 10 treibt der Verbrennungsmotor 3 durch, d. h. es besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und der Propellerwelle 6, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 über das Untersetzungsgetriebe 4 reduziert wird und die Drehrichtung für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt umgekehrt werden kann. Die elektrische Maschine 12 kann bei eingerückter Schaltkupplung 10 entweder als Generator laufen, wodurch die Batterie 13 geladen wird, oder als Motor, wobei sie als so genannter Booster wirkt und den Antrieb des Verbrennungsmotor 3 verstärkt. Damit kann ein größeres Drehmoment auf den Propeller 7 übertragen werden. Die Steuerung der Umschaltung von Motor- und Generatorbetrieb erfolgt dabei über die elektronische Steuereinheit 15.
Bei ausgerückter Schaltkupplung 10 ist die Brennkraftmaschine 3 von der Propellerwelle 6 getrennt, der Antrieb erfolgt rein elektrisch, d. h. die elektrische Maschine 12 arbeitet als Motor und bezieht ihre elektrische Energie aus der Batterie 13 oder anderen nicht dargestellten an Bord befindlichen Generatoren. Mit dem rein elektrischen Antrieb entfallen die Geräusche des Dieselmotors 3 und dessen Abgase. Somit ist ein leiser und emissionsfreier Antrieb der Yacht möglich.
Fig. 4a und Fig. 4b zeigen das Hybridmodul 5 jeweils in einer perspektivischen Ansicht von der Antriebsseite und von der Abtriebsseite her. In Fig. 4a ist die Antriebswelle 9 mit einem Antriebsflansch erkennbar, welcher mit einer elastischen Kupplung 16 verbunden ist. Am zylindrischen Gehäuse 8 ist ein Anschlusskasten 17 für den Anschluss von elektrischen Kabeln für die elektrische Maschine (nicht sichtbar) befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist am Gehäuse 8 ein Stellmotor 18 für die Schaltung der Kupplung (nicht sichtbar) befestigt. Fig. 4a zeigt den anthebsseitigen Stirnflansch 8a, Fig. 4b zeigt die Abtriebsseite des Gehäuses 8 mit Abtriebswelle 11 und Stirnflansch 8b.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine konstruktive Ausführung des Hybridmoduls 5, wobei für funktionell gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in den vorherigen Figuren verwendet werden. Im Gehäuse 8 des Moduls 5 ist die Antriebswelle 9 über Wälzlager 19, 20 gegenüber dem Gehäuse 8 bzw. gegenüber der Abtriebswelle 11 abgestützt. Die Antriebswelle 9 ist über einen Antriebsflansch 9a mit der elastischen Kupplung 16 verbunden, welche ihrerseits in nicht dargestellter Weise mit dem Schwungrad der Brennkraftmaschine verbunden wird. Die Abtriebswelle 11 ist mit dem Rotor 12b der elektrischen Maschine 12 drehfest verbunden. Der Stator 12a ist mit dem Gehäuse 8 fest verbunden. Die erste Kupplungshälfte 10a der Schaltkupplung 10 ist axial beweglich, jedoch drehfest auf der Antriebswelle 9 angeordnet. Die zweite Kupplungshälfte 10b ist drehfest mit der Abtriebswelle 11 verbunden und über Wälzlager 21 auf der Antriebswelle 9 abgestützt. Die Kupplungshälften 10a, 10b, dargestellt im ausgerückten Zustand, weisen auf ihren einander zugekehrten Stirnflächen Mitnahmeelemente in Form von Stirnverzahnungen 10c, 10d auf, welche bei eingerückter Kupplung formschlüssig ineinander greifen. Die axial verschiebbare erste Kupplungshälfte 10a wird durch einen Schaltmechanismus, welcher eine Exzenterwelle 22 mit einem Exzenterbolzen 22a sowie ein Verbindungsglied 23 in Form einer Lasche umfasst, betätigt. Einzelheiten des Verstell- bzw. Schaltmechanismus sind in den Figuren 6, 7a, 7b dargestellt.
Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung die Schaltkupplung 10 und eine Schaltgabel 24, welche auf einem gehäusefesten Führungszapfen 25 geführt und von dem Verbindungsglied 23 betätigt wird. Der Stellmotor 18 treibt über einen nicht dargestellten Schneckentrieb auf die Exzenterwelle 22, welche das Verbindungsglied 23 und damit die Schaltgabel 24 in axialer Richtung verstellt. Fig. 7a, Fig. 7b zeigen die Kupplung im ausgerückten (entkuppelten) und im eingerückten (gekuppelten) Zustand. Beide Figuren zeigen den gehäusefesten Führungszapfen 25, auf welchem die Schaltgabel 24 geführt wird. In Fig. 7a befindet sich der Exzenterbolzen 22a der Exzenterwelle 22 in der Zeichnung in einer linken Position und zieht das Verbindungsglied 23 und damit die Schaltgabel 24 in der Zeichnung nach links. Die Kupplung 10 ist damit geöffnet. In Fig. 7b befindet sich der Exzenterbolzen 22a in der Zeichnung in einer rechten Position. Die Schaltgabel 24 wird durch eine Schließfeder 26 in der Zeichnung nach rechts, d. h. in die Schließposition der Kupplung 10 gedrückt. Beide Kupplungshälften 10a, 10b kuppeln ein und bilden eine formschlüssige Verbindung nach Art einer Klauenkupplung. Diese Art von Kupplung kann zur Vermeidung von Verschleißschäden nur lastfrei und bei Drehzahlgleichheit beider Kupplungshälften geschaltet werden. Beim Wiederöffnen der Kupplung 10 wird die als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 26 zusammengedrückt. Die Schaltkupplung 10 wird im eingerückten Zustand gemäß Fig. 7b durch eine Kugelfalle 27 blockiert, die beim Öffnen der Kupplung freigegeben wird.
Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt des Stators 12a und seine Anordnung im Gehäuse 8. Der Stator 12a ist von einem Kühlmantel 28 umgeben, welcher mit dem Gehäuse 8 Kühlkanäle 29 bildet. Die Kühlkanäle 29 sind über Radialbohrungen 30 mit Kühlmittelanschlüssen 31 verbunden. Über die Kühlmittelanschlüsse 31 kann aus einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf Kühlmittel zu- und abgeführt werden, so dass der Stator 12a durch Flüssigkeitsumlaufkühlung gekühlt wird.
Bezugszeichen
Hybπdantπeb
Yacht a Rumpf b Ruder
Brennkraftmaschine
Getriebe
Hybridmodul
Propellerwelle
Propeller
Gehäuse a Stirnflansch b Stirnflansch
Antriebswelle a Antriebsflansch 0 Schaltkupplung 0a erste Kupplungshälfte 0b zweite Kupplungshälfte 0c Stirnverzahnung Od Stirnverzahnung 1 Abtriebswelle 2 Elektrische Maschine 2a Stator 2b Rotor 3 Batterie (Akku) 4 Tank 5 elektrische Steuereinrichtung 5a Steuerleitung 5b Steuerleitung 6 elastische Kupplung Anschlusskasten
Stellmotor
Wälzlager
Wälzlager
Wälzlager
Exzenterwelle
Exzenterbolzen
Verbindungsglied
Schaltgabel
Führungszapfen
Schließfeder
Kugelfalle
Kühlmantel
Kühlkanal
Radialbohrung
Kühlmittelanschluss

Claims

Patentansprüche
1. Modul eines Hybhdanthebes für Wasserfahrzeuge, insbesondere Yachten, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (8), welches eine Antriebswelle (9), vorzugsweise mit elastischer Kupplung (16), eine elektrische Maschine (12) mit einem Stator (12a) und einem Rotor (12b), eine Abtriebswelle (11 ) sowie eine schaltbare Kupplung (10) aufnimmt.
2. Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung (10) eine erste sowie eine zweite Kupplungshälfte (10a, 10b) umfasst, wobei die erste Kupplungshälfte (10a) mit der Antriebswelle (9) und die zweite Kupplungshälfte (1 Ob) mit der Abtriebswelle (11 ) und dem Rotor (12b) verbunden sind.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungshälften (10a, 10b) Mitnahmeelemente (10c, 10d) aufweisen, welche im eingerückten Zustand der Kupplung (10) formschlüssig ineinander greifen.
4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung als Klauenkupplung (10) ausgebildet ist.
5. Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmeelemente als Stirnverzahnungen (10c, 10d) ausgebildet sind.
6. Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplungshälfte (10a) axial verschiebbar auf der Antriebswelle (9) angeordnet ist.
7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplungshälfte (10a) über einen Verstellmechanismus (18, 22, 23) verschiebbar ist.
8. Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus eine senkrecht zur Antriebswelle (9) angeordnete Exzenterwelle (22), ein Verbindungsglied (23) und eine Schaltgabel (24) zur Verschiebung der ersten Kupplungshälfte (1 Oa) umfasst.
9. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12a) durch ein Kühlmittel kühlbar ist.
10. Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12a) einen zylindrischen Kühlmantel (28) aufweist, welcher mit dem Gehäuse (8) Kühlkanäle (29) bildet.
11. Modul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (8) Kühlmittelanschlüsse (31 ) für einen Kühlmittelkreislauf angeordnet sind.
12. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) einen anthebsseitigen Stirnflansch (8a) und einen abtriebsseitigen Stirnflansch (8b) aufweist.
13. Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge, insbesondere Yachten, umfassend eine Brennkraftmaschine (3), eine als Motor oder Generator betreibbare elektrische Maschine (12), Akkumulatoren (13) zur Speicherung von elektrischer Energie, ein Getriebe (4) zum Antrieb mindestens eines Propellers (7) über mindestens eine Propellerwelle (6), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) integrierter Bestandteil eines Moduls (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
14. Hybridantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (5) mit seinem antriebsseitigen Stirnflansch (8a) an der Brennkraftmaschine (3) befestigbar ist.
15. Hybridantrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (5) mit seinem abtriebsseitigen Stirnflansch (8b) an dem Getriebe (4) befestigbar ist.
16. Hybridantrieb nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Kupplung (16) an einem Schwungrad der Brennkraftmaschine (3) befestigbar ist.
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