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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Gelenkwelle, eine E-Maschine, die als Motor oder als Generator betrieben werden kann, einen elektrischen Speicher und zwei Radsatzgetriebe, wobei Antriebsdrehmoment vom Verbrennungsmotor und vom Elektromotor auf die Radsatzgetriebe übertragen werden kann. Weiterhin betrifft sie ein Drehgestell für ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang umfassend eine Tragstruktur des Drehgestells, zwei Radsatzwellen mit je zwei Treibrädern, eine E-Maschine, die sowohl als Motor oder als auch als Generator betrieben werden kann, und zwei Radsatzgetriebe. Ein solcher Antriebsstrang, bei dem sowohl von einem Verbrennungsmotor als auch von einer E-Maschine Antriebsmoment für die Traktion des Schienenfahrzeugs erzeugt werden kann, wird Hybrid-Antrieb genannt.
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Der Vorteil von Hybrid-Antrieben für Schienenfahrzeuge ist, dass sie zeitweise emissionsfrei und mit geringerer Geräuschentwicklung betrieben werden können, beispielsweise beim Ein- oder Ausfahren oder beim Stehen im Bahnhof. Zusätzlich kann beim Bremsen des Fahrzeugs mit der E-Maschine im Generatorbetrieb Energie zurückgewonnen und in einem elektrischen Speicher gespeichert werden.
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Ein Hybrid-Antrieb für Schienenfahrzeuge ist beispielsweise aus der
DE 102013223409 A1 bekannt. Hier wird ein Verbrennungsmotor mit zwei E-Maschinen in Reihe geschaltet, um über ein Umlaufgetriebe das Achsgetriebe auf der Fahrzeugachse anzutreiben. Nachteilig an bekannten Hybrid-Antrieben ist, dass viel Bauraum für die E-Maschinen im Fahrzeug benötigt wird.
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Ein Drehgestell mit E-Motor für die Traktion ist zum Beispiel aus der
DE 102017111190 A1 bekannt. Dieses ist allerdings nicht für einen Hybrid-Antrieb geeignet.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen verbesserten Hybrid-Antriebsstrang zu entwickeln, der einfacher, bauraumsparender und kostengünstiger aufgebaut ist, sowie ein geeignetes Drehgestell für ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang.
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Die Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, beziehungsweise durch ein Drehgestell gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale für den Antriebsstrang und das Drehgestell sind in den abhängigen Ansprüchen genannt. Die verschiedenen beschriebenen Merkmale können nicht nur einzeln sondern auch in Kombination genutzt werden, um die erfindungsgemäße Ausführung weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der Antriebsstrang dadurch aus, dass die E-Maschine in Längsrichtung zwischen den beiden Radsatzgetrieben angeordnet ist und mit diesen jeweils so verbunden ist, dass Antriebsdrehmoment sowohl von der E-Maschine als auch vom Verbrennungsmotor auf die beiden Radsatzgetriebe übertragen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Drehgestell zeichnet sich dadurch aus, dass eines der Radsatzgetriebe einen Anschluss für eine Gelenkwelle hat, derart dass Antriebsdrehmoment von einem außerhalb des Drehgestells angeordneten Verbrennungsmotor über eine Gelenkwelle auf das Radsatzgetriebe übertragen werden kann, wobei die E-Maschine in Längsrichtung zwischen den beiden Radsatzgetrieben angeordnet und jeweils derart mit diesen verbunden ist, dass zwischen der E-Maschine und beiden Radsatzgetrieben Drehmoment übertragen werden kann, und wobei die E-Maschine in Querrichtung zwischen den jeweiligen Treibrädern einer Radsatzwelle angeordnet ist.
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Als Querrichtung wird hier die Richtung parallel zu den Radsatzwellen im Drehgestell also quer zur Fahrtrichtung eines Fahrzeugs angesehen und als Längsrichtung die Richtung senkrecht zu den Radsatzwellen in Fahrtrichtung.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass die E-Maschine bauraum-sparend und ohne weitere Gelenkwellen zwischen den Radsatzgetrieben untergebracht werden kann. Dadurch dass die E-Maschine im Drehgestell angeordnet ist, muss kein zusätzlicher Bauraum im Fahrzeug vorgesehen werden. Und es entfällt die mechanische und elektrische Integration in oder an einem Traktionsgetriebe. Das vereinfacht die Ausführung.
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Um solch eine Ausführung zu ermöglichen, müssen allerdings die E-Maschine und die Kupplungen so ausgelegt sein, dass sie die Schwingungen am Drehgestell aushalten und gegen Beschädigungen aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen geschützt sind. Weiterhin müssen die E-Maschinen so gestaltet sein, dass sie nur eine geringe Relativbewegung der beiden Radsatzwellen zueinander und nur eine definierte maximale Verdrehung der Radsatzgetriebe um die Radsatzwellen bei Traktion zulassen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang für einen Hybrid-Antrieb kann das volle Spektrum eines Hybrid-Antriebs genutzt werden. So kann der Antrieb rein elektrisch also emissionsfrei erfolgen, als Überlagerung von Verbrennungsantrieb und elektrischem Antrieb oder rein mit dem Verbrennungsantrieb. Neben der Nutzung der Bremsenergie zum Aufladen des elektrischen Speichers ist es auch möglich, den Verbrennungsantrieb zum Aufladen des elektrischen Speichers über den generatorischen Betrieb der E-Maschine zu verwenden.
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Weiterhin ist es für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang ebenso wie für das Drehgestell von Vorteil, wenn die E-Maschine über zumindest eine Kupplung mit den Radsatzgetrieben, insbesondere über eine elastisch und/oder kardanisch wirkende Kupplung verbunden ist. Die E-Maschine ist dann beispielsweise mit einem Radsatzgetriebe über ein starres Verbindungselement und mit dem anderen Radsatzgetriebe über die Kupplung verbunden. Oder sie ist mit beiden Radsatzgetrieben über je einen Kupplung verbunden. Als Kupplung besonders geeignet sind hierfür zum Beispiel elastische Kupplungen wie Keilpaketkupplungen oder Membrankupplungen, sowie Verzahnungskupplungen.
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Zusätzlich können noch eine oder zwei Rutschkupplungen gegen Überlastung vorgesehen sein.
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Die E-Maschine kann in einer besonderen Bauform aus mehreren, über Kupplungen oder Verbindungselemente miteinander verbundenen E-Maschinen aufgebaut sein. Die Verbindung kann starr oder elastisch oder kardanisch ausgeführt sein. So kann eine stärkere E-Maschine aus zwei oder mehreren kleineren und hintereinander geschalteten E-Maschinen aufgebaut sein.
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Ebenso anwendbar ist die Erfindung für dreiachsige Antriebe oder Drehgestelle. Dabei wird noch ein drittes Radsatzgetriebe zum Antrieb einer dritten Radsatzwelle über eine weitere Gelenkwelle oder eine weitere E-Maschine und entsprechende Kupplungen mit einem der beiden Radsatzgetriebe verbunden.
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Der elektrische Speicher kann bevorzugt insbesondere als Kondensator (sogenannter Supercap) oder als aufladbare Batterie ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist im Antriebsstrang ein insbesondere schaltbares Traktionsgetriebe vorgesehen, welches bevorzugt zwischen Verbrennungsmotor und Gelenkwelle angeordnet ist. Ein Umkehrgetriebe zum Wechseln der Fahrtrichtung kann am Traktionsgetriebe oder im Traktionsgetriebe integriert oder am Radsatzgetriebe vorgesehen sein.
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In einer besonderen Ausführung kann das Traktionsgetriebe als Parallel-Hybrid-Getriebe mit mindestens einem weiteren integrierten oder angebundenen E-Motor ausgebildet sein. Für den weiteren E-Motor und den E-Motor zwischen den Radsatzgetrieben ergibt sich damit eine Serienschaltung. Damit kann die elektrische Antriebsleistung für das Schienenfahrzeug erhöht werden.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn im Antriebsstrang eine weitere E-Maschine zwischen Verbrennungsmotor und der Gelenkwelle vorgesehen wird. Auch hier sind die weitere E-Maschine und die E-Maschine zwischen den Radsatzgetrieben in Serie geschaltet.
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Für das erfindungsgemäße Drehgestell ist es von Vorteil, wenn die E-Maschine in Längsrichtung ausgerichtet im Drehgestell angeordnet ist. Dadurch lässt sie sich gut an die Radsatzgetriebe anbinden und nutzt in optimaler Weise den vorhandenen Bauraum.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die E-Maschine elastisch im Drehgestell, in besondere an einer Tragstruktur des Drehgestells befestigt ist. So ist die E-Maschine etwas gegen Vibrationen, die über die Radsatzwellen ins Drehgestell eingetragen werden, geschützt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein Umrichter an der E-Maschine oder an anderer Stelle im Drehgestell, insbesondere an einer Tragstruktur des Drehgestells angebaut. Durch die Einplanung des Umrichters im Drehgestell wird zusätzlich der Bauraum, der für weitere Komponenten des Hybrid-Antriebs im Fahrzeug nötig ist, reduziert.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn ein elektrischer Speicher im Drehgestell angeordnet ist, der mit der E-Maschine elektrisch verbunden ist und beim Bremsen generierte Energie speichern und gespeicherte Energie zum Antrieb wieder abgeben kann. Dieser elektrische Speicher kann der gesamte im Fahrzeug vorhandene elektrische Speicher sein oder nur ein Teil davon. Der Vorteil besteht unter anderem darin, dass der zusätzlich im Fahrzeug benötigte Bauraum reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Achsabstand der Radsatzwellen im Drehgestell mehr als 2 m, insbesondere mindestens 2,1 m und höchstens 2,9 m. Damit kann die E-Maschine gut erfindungsgemäß zwischen den Radsatzwellen untergebracht werden.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- 1 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs
- 2 Schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Antriebsstrangs
- 3 Erfindungsgemäßes Drehgestell
- 4 Weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Drehgestells
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1 zeigt schematisch die Ausführung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 10. Der Verbrennungsmotor 1.1 ist über die Gelenkwelle 2 mit dem Radsatzgetriebe 3.1 verbunden. Zwischen Verbrennungsmotor 1.1 und Gelenkwelle 2 ist das Traktionsgetriebe 1.2 vorgesehen. Die E-Maschine 5 ist zwischen den Radsatzgetrieben 3.1 und 3.2 angeordnet und über die Kupplungen 4.1 und 4.2 mit diesen verbunden. Die Längsrichtung entspricht der Längsachse L des Fahrzeugs also quer zu den Radsatzwellen, die jeweils von den Radsatzgetrieben 3.1 und 3.2 angetrieben werden.
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Bevorzugt ist zumindest eine der Kupplungen 4.1 und 4.2 als elastische oder kardanisch wirkende Kupplung und besonders bevorzugt als kardanisch wirkende Verzahnungskupplung ausgeführt. Insbesondere sind beide Kupplungen derart ausgeführt. So können kleinere Relativbewegungen ausgeglichen werden. Bevorzugt ist die E-Maschine 5 elastisch in einem Drehgestell des Schienenfahrzeuges befestigt.
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Weiterhin ist ein elektrischer Speicher 6 vorhanden, der elektrisch mit der E-Maschine 5 verbunden ist. Durch die E-Maschine 5 im generatorischen Betrieb kann kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen oder beim sogenannten Segeln in elektrische Energie umgewandelt und im elektrischen Speicher 6 gespeichert werden. Oder es kann überschüssige Antriebsenergie vom Verbrennungsmotor 1.1 in elektrische Energie umgewandelt werden. Die gespeicherte Energie kann bei Bedarf wieder zum Antrieb der E-Maschine 5 genutzt werden.
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Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Traktionsgetriebe 1.2 als Parallel-Hybrid-Getriebe mit zumindest einem integrierten oder angebundenen E-Motor ausgeführt ist oder dass eine zusätzliche E-Maschine zwischen Verbrennungsmotor 1.1 und Gelenkwelle 2 vorgesehen ist.
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In 2 ist eine schematische Darstellung für eine weitere erfindungsgemäße Ausführung eines Antriebsstranges 11 zu sehen. Der wesentliche Unterschied ist, dass die E-Maschine zwischen den Radsatzgetrieben 3.1, 3.2 hier aus zwei E-Maschinen 5.1 und 5.2 aufgebaut ist, die über eine weitere Kupplung 4.3 miteinander gekoppelt sind. Beide E-Maschinen 5.1, 5.2 sind elektrisch mit dem elektrischen Speicher 6 verbunden.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Drehgestell 20 in zweiachsiger Ausführung mit einem Rahmen als Tragstruktur 9, in dem die beiden Radsatzwellen 7.1, 7.2 mit den Treibräder 8.1 ,8.2, 8.3, 8.4 gelagert sind. Die Radsatzwellen 7.1, 7.2 werden über die Radsatzgetriebe 3.1, 3.2 angetrieben. Zwischen den Radsatzgetrieben 3.1, 3.2 ist die E-Maschine 5 angeordnet, welche über die Kupplungen 4.1, 4.2 mit diesen verbunden ist. Bevorzugt ist zumindest eine der Kupplungen 4.1, 4.2 als elastische oder kardanisch wirkende Kupplung, besonders bevorzugt als kardanisch wirkende Verzahnungskupplung ausgeführt. Insbesondere sind beide Kupplungen derart ausgeführt. Die E-Maschine 5 ist elastisch im Drehgestell 20 befestigt, so dass Vibrationen aus dem Drehgestell etwas gedämpft auf die E-Maschine 5 übertragen werden. Zusätzlich ist im Drehgestell ein elektrischer Speicher 6 vorhanden, der mit der E-Maschine 5 elektrisch verbunden ist. Der elektrische Speicher 6 kann beispielsweise als Kondensator - als sogenannter Supercap - oder als aufladbare Batterie ausgebildet sein. Dabei kann der im Drehgestell vorhandene elektrische Speicher 6 der gesamte elektrische Speicher des Hybrid-Antriebs sein oder nur ein Teil davon.
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Am Radsatzgetriebe 3.1 ist ein Anschluss 2.1 für eine Gelenkwelle vorhanden. So kann der außerhalb des Drehgestells 20 vorhandene Verbrennungsmotor des Hybrid-Antriebs über eine Gelenkwelle angebunden werden.
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Der Achsabstand der beiden Radsatzwellen 7.1 und 7.2 beträgt bevorzugt mehr als 2 m, insbesondere mindestens 2,1 m und höchsten 2,9 m.
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Bei einer dreiachsigen Ausführung ist noch eine weitere Radsatzwelle und ein weiteres Radsatzgetriebe, welches über eine weitere Gelenkwelle oder über eine weitere E-Maschine mit entsprechender Kupplung mit dem Radsatzgetriebe 3.2 verbunden ist, vorhanden.
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Die 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform für ein Drehgestell 21. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel in 2 dargestellt, ist hier die E-Maschine aus zwei E-Maschinen 5.1 und 5.2 aufgebaut die mit einer Kupplung 4.3 verbunden sind und beide elektrisch am elektrischen Speicher 6 angeschlossen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Verbrennungsmotor
- 1.2
- Traktionsgetriebe
- 2
- Gelenkwelle
- 2.1
- Anschluss für die Gelenkwelle
- 3.1,3.2
- Radsatzgetriebe
- 4.1,4.2,4.3
- Kupplung
- 5,5.1,5.2
- E-Maschine
- 6
- Elektrischer Speicher
- 7.1,7.2
- Radsatzwelle
- 8.1,8.2,8.3,8.4
- Treibrad
- 9
- Tragstruktur des Drehgestells
- 10,11
- Antriebsstrang
- 20,21
- Drehgestell
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223409 A1 [0003]
- DE 102017111190 A1 [0004]
