WO2012175524A2 - Vorrichtung zur speicherung und umformung von energie - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for storing and transforming energy according to the preamble of patent claim 1.
  • the object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a device which can be used in a variety of ways and makes it possible to provide mechanical energy with high efficiency and adapted rotational speeds or torques.
  • this is a device for storing and transforming energy, with a working shaft, which is coupled to an energy storage device, and which alternatively with a first transmission and a first clutch device or with a second transmission and a second clutch device with a drive shaft is connectable, wherein the transmission ratio of the first transmission is different from that of the second transmission.
  • the energy storage device is preferably designed as a spring store, but may also include a flywheel.
  • the device comprises a plurality of independently operating shafts, which are each connected by a first and a second gear together with the coupling device with the one working shaft. In this way it is possible to initiate torque from a first energy storage at the first working shaft in the drive shaft and at the same time to use this torque to charge the corresponding energy storage at another working shaft.
  • the coupling devices of the individual energy storage devices are appropriately controlled by a corresponding control device in order to achieve the optimum results for the respective requirement.
  • a certain simplification of the control can be achieved in that the coupling device are designed as freewheels, so that the torque can always be transmitted only in a predetermined direction.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in the most general case.
  • Fig. 2 shows an extension of the device of FIG. 1 ;
  • Fig. 3 is a general diagram of the device according to the invention in one
  • FIGS. 4 and 5 details of the view of FIG. 3 in different operating conditions
  • 6 and 7 are longitudinal sections of the device according to the invention.
  • Fig. 8 is a flywheel in a side view.
  • the inventive device has a drive shaft 1, on which a first gear 2 and a second gear 3 are arranged to drive a working shaft 4 and to be driven by the working shaft 4.
  • a spring accumulator 5 is arranged at the working shaft 4.
  • a flywheel 6 is provided at the working shaft 4.
  • Bearings of the waves are indicated by 7 and 8 or 17 and 18.
  • the first transmission 2 consists of a first drive gear 2a, which is designed as a spur gear and meshes with a first output gear 2b.
  • a first coupling device 9 which is designed as a switchable coupling, is provided to selectively connect the transmission 2 to the working shaft 4 in a force-fitting manner.
  • the second transmission 3 consists of a second drive gear 3a and a second output gear 3b, which selectively connect to the working shaft 4 via a second clutch device 10, which is also designed as a switchable clutch. It is essential that the first drive gears 2a and 3a have different diameters or numbers of teeth, so that the transmission ratio of the first transmission 2 is different from that of the second transmission 3.
  • Schematically indicated at 11 is a working machine which, depending on the operating state, supplies or picks up mechanical work.
  • FIG. 2 shows an expanded device in which a plurality of devices of the type shown in FIG. 1 are shown in detail, which are shown schematically with 12a, 12b, 12c and 12d.
  • Each of these devices 12a, 12b, 12c, 12d consists of its own working shaft 4 with energy storage devices 5, 6 and two transmissions 2, 3 which components are not shown here for reasons of simplification. Due to the gear ratios of the gear 2, 3, therefore, in each operating state, a different speed on the working shaft 4 of each of the devices 12a, 12b, 12c, 12d are present. In this way, the energy of one of the devices 12a, 12b, 12c, 12d can be used to charge another device 12a, 12b, 12c, 12d.
  • FIG. 3 shows a concrete embodiment variant of the invention on the basis of the position of the individual transmission axes.
  • the drive shaft 1 is connected via a gear consisting of a first intermediate shaft 20, a second intermediate shaft 30 with the axis 30 a and a third intermediate shaft 50 with the working shaft 4, and it is explained above.
  • On the first intermediate shaft 20 with the axis 20a two gears 21, 22 are arranged with different diameters.
  • two gears 31, 32 are provided with different diameters on the second working shaft 30.
  • the working shaft 4 carries gears 41, 42 with different diameters.
  • the second working shaft 30 is pivotally mounted about the axis 40a of the working shaft 4, which is indicated by the double arrow 39. Thereby, a freewheel is realized, which represents the first clutch device 9 by the direction of transmission of the torque made an engagement of the gears 32 and 21 or not.
  • FIGS. 3 is shown to illustrate the function so that all of the associated gears are engaged. This is not a permissible operating state per se, since during operation one of the two transmission paths must always be open, which will now be explained with reference to FIGS. 4 and 5.
  • a first mode of operation is shown, realized in the above sense of the first transmission 2.
  • the drive shaft 1 is connected via its gear 19 with the first intermediate shaft 20 in connection by the gear 19 meshes with the second gear 22 of the first intermediate shaft 20.
  • This second gear 22 of the first intermediate shaft 20 further meshes directly with the gear 51 of the third intermediate shaft 50, which in turn is in communication with a first gear 41 of the working shaft 4.
  • the diameter of the gear 41 of the working shaft 4 is about twice as large as the diameter of the gear 19 of the drive shaft 1 so that a translation of 2: 1 and on the working shaft 4, a torque can be applied, which is about twice is great as the torque on the drive shaft.
  • Fig. 5 shows another operating state of the device realized in the above sense of the second transmission 3.
  • the gear 19 of the drive shaft 1 with the second gear 22 of the first intermediate shaft 20 is in intervention.
  • the further power flow via the first gear 21 of the second intermediate shaft 20 is directed to the second gear 32 of the second intermediate shaft 30 and further from the first gear 31 of the second intermediate shaft 30 to the second gear 42 of the working shaft 4.
  • this mode of operation is also used for an operating condition in which torque is required at the drive shaft 1. Since there is a large transmission ratio from the point of view of the working shaft 4, torque can be exerted on the drive shaft 1 with a relatively small release of the spring accumulator 5 over a relatively long period of time.
  • Fig. 6 shows a section through the axes 4a of the working shaft 4, 50a of the third intermediate shaft 50 and 30a of the second intermediate shaft 30.
  • first gear 41 of the working shaft 40 meshes with the gear 51 of the third intermediate shaft 50.
  • the larger diameter second gear 42 of the working shaft 4 meshes with the first gear 31 of the second intermediate shaft 30.
  • the drive shaft 1 can be seen.
  • the spring accumulator 5 is arranged on the working shaft 4, moreover, the spring accumulator 5 is arranged.
  • An arcuate sliding guide 58 allows the pivoting movement of the third intermediate shaft 50.
  • the Fig. 7 shows a section through the axes la of the drive shaft 1, 20a of the first intermediate shaft 20 and the axis 4a of the working shaft 4.
  • FIG. 8 shows a flywheel 26 with eccentric mass distribution which may be provided in addition to or in place of the flywheel 6 to improve power transmission and increase the speed of the drive shaft 1.
  • the flywheel 26 consists of a solid plate 27 with an arcuate recess 28 which is bounded by an edge 29.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Umformung von Energie, mit einer Arbeitswelle (4), die mit einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und die alternativ mit einem ersten Getriebe (2) und einer ersten Kupplungseinrichtung (9) bzw. mit einem zweiten Getriebe (3) und einer zweiten Kupplungseinrichtung (10) mit einer Antriebswelle (1) verbindbar ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des ersten Getriebes (2) unterschiedlich von dem des zweiten Getriebes (3) ist.

Description

Vorrichtung zur Speicherung und Umformung von Energie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Umformung von Energie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Es ist ein vielfach auftretendes Problem, Energie in passender Form zu speichern, umzuformen bzw. auch zu produzieren. So wird beispielsweise versucht, bei Hybridfahrzeugen Bremsenergie zwischenzuspeichern, um diese im Fahrbetrieb wieder einsetzen zu können, um Kraftstoff zu sparen. Eine mögliche Ausführung der Rückführung von Bremsenergie ist die Erzeugung elektrischer Energie über Generatoren, die in einer entsprechenden Batterie oder einem Super-Capacitor zwischengespeichert wird . Ein Problem dabei ist das Auftreten sehr hoher Leistungen, die Elektronik und Speichermedien vor hohe Herausforderung stellen. Ein anderes Problem sind die relativ hohen Verluste der mehrfachen Umwandlung der Energie. Von dem Standpunkt der Vereinfachung her gesehen sind daher mechanische Speicher, wie Schwungradspeicher oder Federspeicher vorzuziehen, wobei hier allerdings das Problem besteht, dass es schwierig ist, jeweils angepasste Drehzahlen bzw. Drehmomente aufzunehmen bzw. zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung anzugeben, die vielfältig einsetzbar ist und die Bereitstellung mechanischer Energie mit hohem Wirkungsgrad und angepassten Drehzahlen bzw. Drehmomenten ermöglicht.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Insbesondere handelt es sich hier um eine Vorrichtung zur Speicherung und Umformung von Energie, mit einer Arbeitswelle, die mit einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und die alternativ mit einem ersten Getriebe und einer ersten Kupplungseinrichtung bzw. mit einem zweiten Getriebe und einer zweiten Kupplungseinrichtung mit einer Antriebswelle verbindbar ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des ersten Getriebes unterschiedlich von dem des zweiten Getriebes ist.
Über die Antriebswelle wird nach Verfügbarkeit Energie in das System eingespeist bzw. aus dem erfindungsgemäßen System entnommen. Über das erste bzw. das zweite Getriebe kann die Arbeitswelle mit der Antriebswelle verbunden werden, um beispielsweise die Energiespeichereinrichtung aufzuladen. Um die Drehzahl bzw. das Drehmoment an die jeweiligen Verhältnisse anzupassen, wird die erste bzw. die zweite Kupplungseinrichtung geöffnet bzw. geschlossen, so dass die Energiespeichereinrichtung entweder schnell mit hohen Drehmoment oder langsam mit gerin- gen Drehmoment aufgeladen werden kann. Die Energiespeichereinrichtung ist bevorzugt als Federspeicher ausgebildet, kann aber auch ein Schwungrad umfassen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung mehrere unabhängig voneinander arbeitende Arbeitswellen umfasst, die jeweils für sich über ein erstes und ein zweites Getriebe samt Kupplungseinrichtung mit der einen Arbeitswelle verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, aus einem ersten Energiespeicher an der ersten Arbeitswelle Drehmoment in die Antriebswelle einzuleiten und gleichzeitig dieses Drehmoment zu benutzen, um an einer anderen Arbeitswelle den zugehörigen Energiespeicher aufzuladen.
Die Kupplungseinrichtungen der einzelnen Energiespeichereinrichtungen werden durch eine entsprechende Steuereinrichtung passend angesteuert, um die für den jeweiligen Bedarf optimalen Ergebnisse zu erzielen. Eine gewisse Vereinfachung der Steuerung kann dadurch erzielt werden, dass die Kupplungseinrichtung als Freiläufe ausgebildet sind, so dass das Drehmoment stets nur in eine vorgegebene Richtung übertragen werden kann.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im allgemeinsten Fall;
Fig. 2 eine Erweiterung der Vorrichtung von Fig . 1 ;
Fig. 3 ein allgemeines Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer
Axialansicht;
Fig. 4 und 5, Details der Ansicht von Fig . 3 in verschiedenen Betriebszustän- den;
Fig. 6 und 7 Längsschnitte der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 8 ein Schwungrad in einer seitlichen Ansicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine Antriebswelle 1, an der ein erstes Getriebe 2 und ein zweites Getriebe 3 angeordnet sind, um eine Arbeitswelle 4 anzutreiben bzw. durch die Arbeitswelle 4 angetrieben zu werden. An der Arbeitswelle 4 ist ein Federspeicher 5 angeordnet. Darüber hinaus ist ein Schwungrad 6 vorgesehen, um Drehmomentspitzen zu vermeiden. Lagerstellen der Wellen sind mit 7 und 8 bzw. 17 und 18 angedeutet.
Das erste Getriebe 2 besteht aus einem ersten Antriebszahnrad 2a, das als Stirnrad ausgebildet ist und mit einem ersten Abtriebszahnrad 2b kämmt. Eine erste Kupplungseinrichtung 9, die als schaltbare Kupplung ausgebildet ist, ist dazu vorgesehen, das Getriebe 2 wahlweise mit der Arbeitswelle 4 kraftschlüssig zu verbinden. In analoger Weise besteht das zweite Getriebe 3 aus einem zweiten Antriebszahnrad 3a und einem zweiten Abtriebszahnrad 3b, die über eine zweite Kupplungseinrichtung 10, die ebenfalls als schaltbare Kupplung ausgebildet ist, wahlweise die Verbindung mit der Arbeitswelle 4 herstellen. Wesentlich ist, dass die ersten Antriebszahnräder 2a und 3a unterschiedliche Durchmesser bzw. Zähnezahlen aufweisen, so dass das Übersetzungsverhältnis des ersten Getriebes 2 unterschiedlich von dem des zweiten Getriebes 3 ist. Schematisch mit 11 ist eine Arbeitsmaschine angedeutet, die je nach Betriebszustand mechanische Arbeit liefert bzw. aufnimmt.
In Fig . 2 ist eine erweiterte Vorrichtung gezeigt, bei der an der Antriebswelle 1 mehrere Einrichtungen des in Fig . 1 im Detail gezeigten Typs ausgekoppelt sind, die schematisch mit 12a, 12b, 12c und 12d dargestellt sind. Jede dieser Einrichtungen 12a, 12b, 12c, 12d besteht aus einer eigenen Arbeitswelle 4 mit Energiespeichereinrichtungen 5, 6 und zwei Getrieben 2, 3 welche Bauteile aus Vereinfachungsgründen hier nicht dargestellt sind . Bedingt durch die Übersetzungsverhältnisse der Getriebe 2, 3 kann daher in jedem Betriebszustand eine unterschiedliche Drehzahl an der Arbeitswelle 4 jeder der Einrichtungen 12a, 12b, 12c, 12d vorliegen. Auf diese Weise kann auch die Energie einer der Einrichtungen 12a, 12b, 12c, 12d zur Aufladung einer anderen Einrichtung 12a, 12b, 12c, 12d herangezogen werden.
In Fig . 3 ist eine konkrete Ausführungsvariante der Erfindung anhand der Lage der einzelnen Getriebeachsen dargestellt. Die Antriebswelle 1 ist über ein Getriebe bestehend aus einer ersten Zwischenwelle 20, einer zweiten Zwischenwelle 30 mit der Achse 30a und einer dritten Zwischenwelle 50 mit der Arbeitswelle 4 verbunden, sowie es oben erklärt ist. Auf der ersten Zwischenwelle 20 mit der Achse 20a sind zwei Zahnräder 21, 22 mit unterschiedlichen Durchmesser angeordnet. Ebenso sind auf der zweiten Arbeitswelle 30 zwei Zahnräder 31, 32 mit unterschiedlichen Durchmesser vorgesehen. Auch die Arbeitswelle 4 trägt Zahnräder 41, 42 mit unterschiedlichen Durchmessern.
Die zweite Arbeitswelle 30 ist um die Achse 40a der Arbeitswelle 4 schwenkbar gelagert, was durch den Doppelpfeil 39 angedeutet ist. Dadurch wird ein Freilauf realisiert, der die erste Kupplungseinrichtung 9 darstellt, indem jenach Übertragungsrichtung des Drehmoments ein Eingriff der Zahnräder 32 und 21 hergestellt oder nicht.
In analoger Weise wie oben ausgeführt ist die dritte Zwischenwelle 50 mit ihrer Achse 50a um die Achse 20a der ersten Zwischenwelle 20 schwenkbar, so dass hier ebenfalls ein Freilauf gebildet wird, da bei entsprechender Richtung des Drehmoments das Zahnrad 51 im Sinn des Doppelpfeils 59 vom Zahnrad 41 wegschwenken kann. Es ist anzumerken, dass die Fig . 3 zur Verdeutlichung der Funktion so dargestellt ist, dass alle einander zugeordneten Zahnräder in Eingriff sind. Dies ist an sich kein zulässiger Betriebszustand, da im Betrieb stets einer der beiden Übertragungswege geöffnet sein muss, die nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und Fig. 5 erklärt werden.
In Fig . 4 ist ein erster Betriebsmodus dargestellt, der im obigen Sinn des erste Getriebe 2 realisiert. In diesem Betriebsmodus steht die Antriebswelle 1 über ihr Zahnrad 19 mit der ersten Zwischenwelle 20 in Verbindung, indem das Zahnrad 19 mit dem zweiten Zahnrad 22 der ersten Zwischenwelle 20 kämmt. Dieses zweite Zahnrad 22 der ersten Zwischenwelle 20 kämmt weiterhin direkt mit dem Zahnrad 51 der dritten Zwischenwelle 50, das wiederum mit einem ersten Zahnrad 41 der Arbeitswelle 4 in Verbindung steht. Dies ist der Regel der Betriebsmodus, in dem der Federspeicher 5 an der Arbeitswelle 4 aufgeladen wird. Es ist ersichtlich, dass der Durchmesser des Zahnrads 41 der Arbeitswelle 4 etwa doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Zahnrads 19 der Antriebswelle 1 sodass eine Übersetzung von 2 : 1 vorliegt und an der Arbeitswelle 4 ein Drehmoment aufgebracht werden kann, das etwa doppelt so groß ist wie das Drehmoment auf der Antriebswelle 1.
Fig . 5 zeigt einen anderen Betriebszustand der Vorrichtung, der im obigen Sinn des zweite Getriebe 3 realisiert. In diesem Betriebsmodus steht wiederum das Zahnrad 19 der Antriebswelle 1 mit dem zweiten Zahnrad 22 der ersten Zwischenwelle 20 in Einriff. Dabei wird jedoch der weiter Kraftfluss über das erste Zahnrad 21 der zweiten Zwischenwelle 20 auf das zweite Zahnrad 32 der zweiten Zwischenwelle 30 gelenkt und weiter vom ersten Zahnrad 31 der zweiten Zwischenwelle 30 auf das zweite Zahnrad 42 der Arbeitswelle 4. Aus Sicht der Antriebswelle 1 stellt diese Schaltung eine Übersetzung ins Langsame mit einem relativ großen Übersetzungsverhältnis von 1 : 10 oder mehr dar. In der Praxis wird dieser Betriebsmodus jedoch auch für einen Betriebszustand eingesetzt, bei dem an der Antriebswelle 1 Drehmoment benötigt wird . Da aus Sicht der Arbeitswelle 4 ein großes Übersetzungsverhältnis vorliegt, kann mit einer relativ geringen Entspannung des Federspeichers 5 über einen längeren Zeitraum, Drehmoment auf die Antriebswelle 1 ausgeübt werden.
Fig . 6 zeigt einen Schnitt durch die Achsen 4a der Arbeitswelle 4, 50a der dritten Zwischenwelle 50 und 30a der zweiten Zwischenwelle 30.
Es ist ersichtlich, dass das erste Zahnrad 41 der Arbeitswelle 40 mit dem Zahnrad 51 der dritten Zwischenwelle 50 kämmt. Das im Durchmesser größere zweite Zahnrad 42 der Arbeitswelle 4, kämmt mit dem ersten Zahnrad 31der zweiten Zwischenwelle 30. Im Hintergrund ist die Antriebswelle 1 erkennbar. An der Arbeitswelle 4 ist überdies der Federspeicher 5 angeordnet. Eine bogenförmige Gleitführung 58 ermöglicht die Schwenkbewegung der dritten Zwischenwelle 50.
Die Fig . 7 stellt einen Schnitt durch die Achsen la der Antriebswelle 1, 20a der ersten Zwischenwelle 20 und der Achse 4a der Arbeitswelle 4 dar.
Es ist ersichtlich, dass das Zahnrad 19 der Antriebswelle 1 mit dem zweiten Zahnrad 22 der ersten Zwischenwelle 20 kämmt. Die weitere Kraftübertragung bis zur Arbeitswelle 4 ist in dieser Darstellung nicht ersichtlich.
Fig . 8 zeigt ein Schwungrad 26 mit exzentrischer Massenverteilung, das zusätzlich zum Schwungrad 6 oder an seiner Stelle vorgesehen sein kann, um die Kraftübertragung zu verbessern und die Drehzahl der Antriebswelle 1 zu erhöhen . Das Schwungrad 26 besteht aus einer Vollscheibe 27 mit einer bogenförmigen Ausnehmung 28, die durch einen Rand 29 begrenzt ist.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Vorrichtung zur Speicherung und Umformung von Energie, mit einer Arbeitswelle (4), die mit einer Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und die alternativ mit einem ersten Getriebe (2) und einer ersten Kupplungseinrichtung (9) bzw. mit einem zweiten Getriebe (3) und einer zweiten Kupplungseinrichtung (10) mit einer Antriebswelle (1) verbindbar ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des ersten Getriebes (2) unterschiedlich von dem des zweiten Getriebes (3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enener- giespeichereinrichtung als Federspeicher (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enenergiespeichereinrichtung ein Schwungrad (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Arbeitswellen (4) mit der Antriebswelle (1) verbunden sind .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste bzw. zweite Kupplungseinrichtung (9; 10) ein Freilauf vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste bzw. zweite Kupplungseinrichtung (9; 10) eine schaltbare Kupplung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein exzentrisches Schwungrad (26) vorgesehen ist. 06 20
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