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Antriebssatz mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor sowie mit einem hydro- mechanischen Getriebe, insbesondere für Schienenfahrzeuge
Bei elektrischen Lokomotiven und Triebwagen, denen die elektrische Energie von einer ortsfesten Fahrdrahtleitung über einen Stromabnehmer zugeführt wird, bereitet die Verwendung des in Industrienetzen normalerweise zur Verfügung stehenden Drehstromes für eine Frequenz von 50 Perioden/sek erhebliche Schwierigkeiten. Aus diesem Grunde hat man für den elektrischen Bahnbetrieb vielfach eigene Netze mit kleinerer Frequenz (meist mit 162/3 oder 25 Perioden/sek) ausgeführt, um als Fahrmotoren Kommutatormotoren mit ihrer guten Geschwindigkeitsregelung, ihrem hohen Leistungsfaktor und ihrem grossen Anfahrmoment verwenden zu können.
Dieser besondere Bahnstrom ist jedoch teurer als der übliche Landesnetzstrom. Ausserdem ist bei Kommutatormotoren ein elektrisches Bremsen nur durch Energievernichtung in Widerständen möglich, eine Nutzbremsung mit Rückspeisung ins Netz ist somit nicht anwendbar.
Ferner neigen Kommutatormotoren zur Funkenbildung, u. zw. umso stärker, je höher die Netzfrequenz ist.
Bei einer weiteren, vor allem im Ausland benutzten Ausführung sind die elektrischen Lokomotiven mit besonderen Gleichrichtern versehen, die den normalen 50-Hertz-Drehstrom in Gleichstrom umwandeln und wobei dann regelbare Gleichstrom-Fahrmotoren verwendet werden. Eine Nutzbremsung ist jedoch auch hiemit nicht möglich. Ferner werden auch sogenannte Umformerlokomotiven ausgeführt, die einen Elektromotor konstanter Betriebsdrehzahl, einen hievon angetriebenen Generator sowie Fahrmotoren aufweisen. Die letztgenannte Ausführung ermöglicht zwar eine Nutzbremsung, sie erfordert aber anderseits drei je für die volle Leistung ausgelegte elektrische Maschinengruppen und ist daher teuer und schwer.
Es ist auch schon ein elektrohydraulischer Antrieb mit einem einfachen Elektromotor und einem nicht regelbaren Strömungswandler (hydrodynamischen Wandler) vorgeschlagen worden.
Des weiteren weist ein ähnlicher vorbekannter Fahrzeugantrieb einen kollektorlosen Elektromotor und ein diesem nachgeschaltetes hydrodynamisches Getriebe mit Strömungskupplungen und gegebenenfalls noch mit einem Strömungswandler auf.
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a) Der oder die Antriebsmotoren sind Elektromotoren mit im wesentlichen konstanten oder nur in grossen Stufen änderbaren Drehzahlen, beispielsweise Kurzschlussläufer- oder Synchronmotoren ; b) das Getriebe hat einen rein mechanischen Kraftweg und mindestens einen hiezu parallel geschalteten hydraulischen Kraftweg, wobei der mechanische und jeder hydraulische Kraftweg über ein Planetengetriebe mit einer der beiden Hauptwellen des Getriebes in Triebverbindung stehen ;
c) jeder hydraulische Kraftweg weist eine regelbare Strömungskupplung und zumindest ein hydraulischer Kraftweg zusätzlich einen der Strömungskupplung nachgeschalteten, nicht regelbaren Strömungswandler auf.
Sämtliche Kraftwege des Getriebes können durch ein ihnen vorgeschaltetes LeistungsteilerPlanetengetriebe mit der Getriebeeingangswelle in Triebverbindung stehen. Es ist jedoch auch eine Ausführung möglich, bei der sämtliche Kraftwege über ein ihnen nachgeschaltetes Leistungssammler-Planetengetriebe zusammenarbeiten. Bei Antrieben mit zwei Elektromotoren ist es zweckmässig, wenn der eine mit dem mechanischen Kraftweg und der andere mit dem bzw. den hydraulischen Kraftwegen in unmittelbarer Triebverbindung steht. Als unmittelbare Triebverbindung soll dabei auch eine Triebverbindung beispielsweise über Zahnradvorgelege od. dgl. gelten, sofern sie nicht über das nachgeschaltete Leistungsverzweigungsgetriebe erfolgt.
Das Einregulieren der gewünschten Fahrleistung geschieht durch das Getriebe, in dem die regelbare Strömungskupplung auf einen bestimmten Schlupf eingestellt und dadurch eine bestimmte Wandlereingangsdrehzahl festgelegt wird. Je nach dieser Eingangsdrehzahl nimmt dann der Strömungs-
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n3 (N=Auf-auf.
Auf Grund der Leistungsverzweigung wirkt sich der mässige Wirkungsgrad der beiden hintereinandergeschalteten Strömungskreisläufe (Strömungskupplung und Wandler) nur geringfügig auf den Gesamtwirkungsgrad aus, da ein Teil der Motorleistung stets über den rein mechanischen Kraftweg mit bestem Wirkungsgrad übertragen wird. Dabei ist dieser rein mechanisch übertragene Leistungsanteil gerade in dem wichtigsten oberen Fahrbereich-der ausserdem zeitlich am ausgedehntesten ist-prozentual am grössten, was sich auf den Gesamtwirkungsgrad ebenfalls günstig auswirkt.
Die Hauptvorteile des erfindungsgemässen Antriebes sind : Verwendungsmöglichkeit des billigen und überall verbreiteten 50-Hertz-Drehstromes ; Anwendbarkeit einfacher, nichtregelbarer und betriebssicherer Elektromotoren, insbesondere von Kurzschlussläufermotoren ; hohe Anfahrzugkräfte, die sowohl durch den Strömungswandler als auch durch den weiteren Umstand bedingt sind, dass die Leistungsteilung des Getriebes eine Motorüberlastung im Anfahrzustand ermöglicht ; hohe Betriebssicherheit des Getriebes, da verschleissfreie und für grösste Leistungen bereits bewährte Strömungskreisläufe (nichtregelbare Wandler, regelbare Strömungskupplung) verwendet werden ; kontinuierliche Regelfähigkeit von Vollast bis herab auf Null ;
geringer Raumbedarf und geringes Gewicht des hydrodynamischen Getriebes, unter anderem wegen der Leistungsteilung und des Fehlens von Drehschwingungen ; geringster Aufwand für elektrische Steuerungen ; günstige Kühlver- hältnisse für die Elektromotoren, da deren Belastung nur bei voller Drehzahl erfolgt ; leichte Motoren wegen der möglichen hohen Netzfrequenz ; ein Durchbrennen der Elektromotorwicklungen ist selbst bei schwerstem Anfahren nicht möglich, da die maximale Motorbelastung durch eine entsprechende Auslegung des Strömungswandlers begrenzt werden kann ; Anwendbarkeit kollektorloser Elektromotoren und somit auch hoher Betriebsspannungen ; geringere Schleudergefahr und-empfindlichkeit gegenüber Triebfahrzeugen mit elektrischem Einzelachsantrieb.
Es sei noch auf einen bekannten Fahrzeugantrieb mit einem nichtregelbaren Elektromotor sowie mit einem nachgeschalteten regelbaren hydrodynamischen Getriebe verwiesen. Hiebei ist jedoch jeder Strömungskreislauf für sich regelbar, während sich beim Erfindungsgegenstand mit einer einzigen Regelkupplung sämtliche Getriebegänge stufenlos regeln lassen ; die übrigen Strömungskreisläufe (Wandler) können somit von einfachster und sehr betriebssicherer Bauart sein. Ferner lassen die beim bekannten Antrieb insbesondere zur Verwendung kommenden Strömungswandler keine Nutzbremsung und ausserdem, vor allem im Anfahrpunkt, keine Leistungsregelung bis herab auf Null zu. Des weiteren sind regelbare Wandler für hohe Leistungen bei kleinsten Abmessungen nicht so einfach und betriebssicher zu gestalten wie regelbare Strömungskupplungen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen der bzw. die hydraulischen Kraftwege des
Getriebes, die nur eine Strömungskupplung und keinen Wandler umfassen, je eine mechanische
Schaltkupplung auf, die der Strömungskupplung nachgeschaltet ist und zum Erzielen einer weiteren
Gangstufe ein Überbrücken der Strömungswandler ermöglicht. Hiedurch wird nicht nur in dem wichtigsten oberen Arbeitsbereich ein
Gang mit gutem Wirkungsgrad geschaffen, sondern ausserdem eine Nutzbremsung ermöglicht ; denn sowohl die mechanische Kupplung als auch die
Strömungskupplung ermöglichen einen umge- kehrten Kraftfluss, nämlich von den Treibrädern zum Motor hin.
Die Nutzbremsung ist gerade im Zugbetrieb von erheblicher wirtschaftlicher
Bedeutung, da hier ein grosser Teil der Antriebs- energie für Hub-und Beschleunigungsarbeit aufzuwenden ist und daher beim Bremsen
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teilweise wiedergewonnen werden kann, während die nicht rückgewinnbare Arbeit zur Überwindung der Laufwiderstände nur verhältnismässig gering sein kann. Ferner lässt sich bei dieser Antriebsausbildung die Bremswirkung durch die Regeleinrichtung der Strömungskupplung willkürlich steuern.
Das Schalten der mechanischen Kupplung wird dadurch erleichtert, dass sie nur einen Teil der Motorleistung zu übertragen hat. Ausserdem kann die regelbare hydraulische Kupplung als Synchronisiereinrichtung für das Schalten der mechanischen Kupplung herangezogen werden.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden polumschaltbare Elektromotoren verwendet, so dass man diese beispielsweise auf die Hälfte der Normaldrehzahl umschalten kann. Hiedurch wird ein sehr leistungsfähiges Nutzbremsen ermöglicht, was sonst durch einen besonderen Bremsgang eines Nachschaltgetriebes bewirkt werden müsste. Ausserdem lässt sich bei Polumschaltung auf eine kleine Motorbetriebsdrehzahl sogar bei volleingeschalteter Regelkupplung (grösster Kupplungswirkungsgrad !) eine kleine Fahrleistung mit optimalem hydraulischem Wirkungsgrad übertragen, was z. B. für Rangierbetrieb vorteilhaft ist.
Des weiteren ist bei Antriebssätzen, bei denen ein hydraulischer Kraftweg einen Strömungswandler für den Anfahrgang aufweist, zweckmässig, den Anfahrwandlergang so auszulegen, d. h. eine solche Bemessung und Schaufelauslegung des Wandlers sowie Auslegung der zugehörigen Zahnradübersetzungen einschliesslich des Leistungsteiler-Planetengetriebes vorzusehen, dass im Anfahrzustand (Getriebe-Antriebsdrehzahl gleich oder fast Null) und bei Vollasteinstellung der Strömungskupplung das Getriebe etwa die höchstzulässige Stundenleistung des Elektromotors aufnimmt. Auf diese Weise wird die zulässige Überlastbarkeit des Elektromotors innerhalb der Sicherheitsgrenzen hinreichend aus- genützt und eine weitere Steigerung der Anfahr- zugkräfte erzielt.
Da die Anfahrüberlastung infolge des Einflusses des Planetengetriebes mit zu- nehmender Fahrgeschwindigkeit rasch zurück- geht, ist eine unzulässige lange Überlastung des
Motors nicht zu befürchten.
Die erfindungsgemässe Antriebsausbildung ist besonders für Schienentriebfahrzeuge geeignet, lässt sich jedoch auch für ortsfeste Anlagen verwenden, beispielsweise für Tiefbohranlagen,
Winden u. dgl.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Hiebei zeigen : Fig. 1 einen Antrieb mit Kurz- schlussläufermotor und hydromechanischem Ge- triebe, das zwei Wandlergänge und einen Kupp- lungsgang sowie ein Leistungsteiler-Planeten- getriebe aufweist, Fig. 2 einen Antrieb mit einem
Elektromotor und einem Getriebe, das einen
Wandlergang und ein Leistungssammler-Planeten- getriebe besitzt, Fig. 3 einen sehr ähnlichen
Antrieb, der jedoch abweichend von Fig. 2 zwei Elektromotoren aufweist, und Fig. 4 das Antriebsund Steuerschema für eine Lokomotive mit einem Induktionsmotor, der über jede Stirnseite mit je einem hydromechanischen Getriebe in Triebverbindung steht.
Bei dem Antrieb nach Fig. 1 treibt der Kurzschlussläufermotor 1 mit konstanter Betriebsdrehzahl über die Getriebeeingangswelle 2 den Planetenträger 3 eines Leistungsteiler-Planetengetriebes an. Dessen Planetenräder 4 stehen einerseits über den Innenzahnkranz 5 und den Aussenzahnkranz 6 mit dem Stirnrad 8 auf der Getriebeausgangswelle 9 in Triebverbindung ; dies ist der mechanische Kraftweg des Getriebes.
Ausserdem treiben die Planetenräder 4 über das Sonnenrad 7 und die Verbindungswelle 11 das Pumpenrad 12 einer regelbaren Strömungskupplung an. Deren Turbinenrad 13 ist mit dem Pumpenrad 14 des Anfahrwandlers 15, ferner mit dem Pumpenrad 16 des Wandlers 17 für den zweiten Gang sowie mit der Nabe 18 der Lamellenkupplung 19 für den dritten Gang starr verbunden. Ist der Anfahrwandler 15 gefüllt, dann verläuft der hydraulische Kraftweg über die Regelkupplung 12, 13, ferner über das Pumpenrad 14 und das Turbinenrad 20 des Wandlers 15 sowie über das Zahnradvorgelege 21, 22 zur Ausgangswelle 9 (= 1. Wandlergang).
Ist der Anfahrwandler 15 entleert und der hydraulisch anders übersetzte Strömungswandler 17 gefüllt, so wird die Leistung des hydraulischen Kraftweges von der Regelkupplung 12, 13 über das Pumpenrad 16 und das Turbinenrad 23 des Wandlers 17 und anschliessend wiederum über das Zahnradvorgelege 21, 22 zur Abtriebswelle 9 übertragen (= 2. Wandlergang). Im dritten und höchsten Gang sind schliesslich beide Wandler entleert und die Lamellenkupplung 19 ist dann eingeschaltet, so dass der hydraulische Kraftweg von der Regelkupplung 12, 13, der Lamellenkupplung 19 und dem Zahnradvorgelege 24, 25 gebildet wird.
Durch Verschwenken oder Verschieben des Schöpf rohres 26 lässt sich die Füllung der Strömungskupplung 12, 13 und damit auch deren Antriebsdrehzahl stufenlos verändern. Da die Abtriebsdrehzahl der Strömungskupplung gleichzeitig Eingangsdrehzahl der beiden Strömungswandler 15 und 17 ist, wird durch die Schöpfrohr- steuerung zugleich auch die Wandleraufnahmeleistung und damit auch die gesamte vom Getriebe aufgenommene Leistung verändert. Ähnliches gilt auch für den dritten Gang mit eingeschalteter Lamellenkupplung 19.
Die Lamellenkupplung 19 ist an dem rechten Stirnende des Getriebes angeordnet und nach Lösen des Gehäusedeckels 27 zwecks Kontrolle und Überholung leicht zugänglich.
Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 treibt der nichtregelbare Elektromotor 31 über die Zwischenwelle 32, das Zahnradvorgelege 33, 34 und die Welle 35 das Sonnenrad 36 eines Leistungssammler-Planetengetriebes an (= mechanischer Kraftweg). Der hydraulische
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Kraftweg verläuft hier über die regelbare Strömungskupplung 37, 38, über den Strömungswandler 40 mit Pumpenrad 41 und Turbinenrad 42 und ferner über das Zahnrad 43 sowie den aussenund innenverzahnten Zahnkranz 44 des Leistungssammler-Planetengetriebes. Dessen Planetenräder 45 vereinigen die beiden Kraftwege und geben die Getriebeleistung an den Planetenradträger 46 und die mit diesem starr verbundene Getriebeausgangswelle 47 ab. Dieses Getriebe ermöglicht somit nur einen Wandlergang.
Die Leistungsregelung erfolgt ebenfalls durch Verstellen des Schöpfrohres 39 der Strömungskupplung.
Eine dem vorbeschriebenen Antrieb sehr ähnliche Ausbildung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Bauelemente der beiden parallelgeschalteten Kraftwege und des Leistungssammler-Planetengetriebes mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet sind. Abweichend von letzterer steht jedoch hier jeder der beiden Getriebe-Kraftwege mit je einem Elektromotor 51 bzw. 52 unmittelbar in Triebverbindung.
Da die beim Erfindungsgegenstand in Betracht kommenden nicht regelbaren Elektromotoren sehr betriebssicher sind, ist für Lokomotiven insbesondere grosser Leistung eine Ausführung nach Fig. 4 günstig. Hienach ist in der Mitte der Lokomotive ein einziger, starker und daher wirkungsgradmässig günstiger Kurzschlussläufermotor 61 angeordnet, der von jeder Stirnseite aus über Verbindungswellen 62, 63 je ein hydromechanisches Leistungsteilergetriebe 64 bzw. 65 etwa gemäss Fig. 2 antreibt. Durch diese Anordnung des Motors wird das Massenträgheitsmoment der Lokomotive um ihre Hochachse auf ein Minimum gebracht, was sich auf das Kurvenfahren günstig auswirkt. Die beiden Getriebe 64, 65 stehen über Nachschaltgetriebe 66 bzw. 67, ferner über angedeutete Kardanwellen und Achstriebe mit den Treibachsen 68-71 in Triebverbindung.
Der Fahrstrom wird von dem Fahrdraht 72 über den Stromabnehmer 73 und die Leitung 74 mit Schalter 75 dem Elektromotor zugeführt.
Die Leistungsaufnahme des Getriebes 64 kann mittels des Hebels 75 verändert werden, der mit dem Schöpf rohr 39 gemäss Fig. 2 in hier nicht dargestellter Weise in Verbindung steht. In gleicher Weise lässt sich auch die Leistungsaufnahme des Getriebes 65 durch Verschwenken des Hebels 76 steuern. Beide Hebel 75 und 76 sind ausserdem über Stangen 77 bzw. 78 mit dem vom Fahrzeugführer betätigten Fahrhebel 79 verbunden. Diese Verbindungsstangen sind dabei so ausgebildet, dass sich bei der Stellung 0 des Fahrhebels 79 beide Getriebehebel 75 und 76 ebenfalls in ihren (in der Zeichnung voll ausgezogen dargestellten) Ausschaltstellungen befinden.
Bei der mittleren Fahrhebelstellung I ist lediglich der Hebel 75 in die strichliert gezeichnete Stellung 75'verschwenkt, bei der das Getriebe 64 seine volle Leistung aufnimmt, während sich der Hebel 76 weiterhin in seiner Ausschalt- stellung befindet. Erst nach weiterem Verschwenken des Fahrhebels 79 wird auch der Getriebehebel 76 verstellt, wobei der Vollaststellung 11 des Fahrhebels 79 die Vollaststellung 76'des Getriebehebels 76 entspricht. Nunmehr nimmt auch das Getriebe 65 seine volle Leistung auf.
Diese Ausbildung der Getriebesteuerung stellt somit sicher, dass das Einschalten des zweiten und eventuell auch eines dritten Getriebes usw. stets erst dann möglich ist, wenn das erste bzw. zweite Getriebe usw. bereits auf seine volle Leistung einreguliert worden ist.
Hiedurch wird der Gesamtwirkungsgrad erhöht, da nämlich die erfindungsgemässen hydromechanischen Getriebe bei Vollast mit einem besseren Wirkunggrad arbeiten als bei Teillast (grosser Kupplungsschlupf bei Teillast !). Bei der Lokomotive nach Fig. 4 ist somit in dem Betriebsbereich zwischen halber und voller Lokomotivleistung das Getriebe 64 stets voll eingeschaltet, es arbeitet also dann mit maximalem Wirkungsgrad, während nur das zweite Getriebe 65 mit seinem geringen Anteil an der Gesamtleistung auf die entsprechende Teilleistung herabgeregelt zu werden braucht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Antriebssatz mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor sowie mit einem hydromechanischen Getriebe, insbesondere für Schienentriebfahrzeuge, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale, a) der oder die Antriebsmotoren (1) sind Elektromotoren mit im wesentlichen konstanten oder nur in grossen Stufen änderbaren Drehzahlen, beispielsweise Kurzschlussläufer- oder Synchronmotoren ; b) das Getriebe hat einen rein mechanischen Kraftweg (4, 5, 6, 8, 9) und mindestens einen
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der mechanische und jeder hydraulische Kraftweg über ein Planetengetriebe (3-7) mit einer der beiden Hauptwellen Eingangswelle (2) oder Ausgangswelle (47) des Getriebes in Triebverbindung stehen ;
c) jeder hydraulische Kraftweg weist eine regelbare Strömungskupplung (12, 13, 26) und zumindest ein hydraulischer Kraftweg zusätzlich einen der Strömungskupplung nachgeschalteten nicht regelbaren Strömungswandler (15, 17) auf.