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Schalteinrichtung für Elektrofahrzeuge Als Vorteil der Elektrofahrzeuge
wurde häufig geltend gemacht, daß ein Getriebe zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses
zwischen Motor und Antriebsachsen entbehrlich sei, weil auf elektrischem Wege alle
nötigen Regelungen für den Fahrbetrieb vorgenommen werden könnten. Es hat sich aber
herausgestellt, daß ein zusätzliches umschaltbares Stufengetriebe doch äußerst erhebliche
Vorteile mit sich bringt. Inbesondere bei Fahrzeugen, die aus Sammlern gespeist
werden, ergibt sich aus der elektrischen Regelung beim Anfahren und beim Fahren
auf Steigungen ein Anwachsen der Stromstärken auf ein für die Sammler gefährliches
Maß, aber auch bei aus Stromleitungen gespeisten Fahrzeugen ergeben sich unter gleichen
Umständen Spannungsschwankungen in der Stromleitung und damit eine unerwünschte
gegenseitige Beeinflussung der Fahrzeuge. Es wurden daher auch für Elektrofahrzeuge
Stufengetriebe, hauptsächlich Getriebe mit zwei Geschwindigkeitsstufen, verwendet,
wobei sich jedoch Nachteile in der Bedienung ergaben. Diese Nachteile liegen nicht
narr darin, daß der Fahrer erhöhte Aufmerksamkeit verwenden muß, um zwei verschiedene
Schalteinrichtungen zu bedienen,
nämlich einerseits den elektrischen
Schalter und andererseits die Getriebeschaltung, sondern vor allem auch darin, daß
eine Fehlschaltung nicht etwa wie bei einem Verbrennungsmotor lediglich zu einem
Stillstand des Fahrzeugs führt, sondern: gegebenenfalls sofort zum Unbrauchbarwerden
der Sammleranlage oder zum Durchschlagen der Sicherungen.
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Es ist bekannt, bei Werkzeugmaschinen mit an Stufenrädergetrieben
angeflanschten Gleichstrommotoren eine Schützensteuerung vorzusehen, damit der Stufenwechsel
im Getriebe nicht bei eingeschaltetem :Motor erfolgen kann. Bei jedem Stufenwechsel
wird der Motor selbsttätig abgeschaltet und nach Einrücken der Stufe über Schütze
selbsttätig wieder an Spannung gelegt. Die Anwendung dieser Schaltung ist auf Werkzeugmaschinenantriebe
beschränkt und bei Elektrofahrzeugen mit häufigem und dauerndem Geschwindigkeitswechsel
nicht möglich. Ferner ist schon vorgeschlagen worden, bei Fahrzeugmotoren eine Art
selbstättiger Stufenschaltung dadurch herzustellen, daß Anker und Gehäuse des Fahrzeugmotors
den Antrieb in gegenläufiger Drehung bewirken, wobei einer der Teile festgebremst
werden kann, um die Drehzahl des anderen Teils zu verdoppeln. 2an hat es hier nicht
mit einem zusätzlichen umschaltbaren. Stufenrädergetriebe zu tun, sondern mit einer
Einrichtung, bei der der Fahrzeugmotor selbst infolge seiner Sonderbauart die Drehzahl
verdoppeln kann. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, dafür zu sorgen, daß
der Fahrer eines Elektrofahrzeugs mit zusätzlichem umschaltbarem Stufengetriebe
einen »narrensicheren<.: Fahrschalter in die Hand bekommt, bei dem Fehlschaltungen
nach menschlichem Ermessen überhaupt nicht vorkommen können, ist nicht gelöst. Der
Nachteil der bekannten Einrichtung liegt vor allem darin, daß nur Sonderkonstruktionen
für Fahrzeugmotoren Verwendung finden können, damit die Festbremsung des Ankers
oder des Gehäuses erfolgen kann, während bei der Erfindung normale Stufengetriebe
und normale Antriebsmotoren zur Anwendung kommen sollen.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, für Elektrofahrzeuge mit umschaltbaren
Stufengetrieben eine Schalteinrichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile
vermeidet. Nach. der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Fahrschalter
vorgesehen ,wird, dessen Einzelstufen zwangläufig stets in gleicher Reihenfolge
nacheinander durchlaufen werden müssen und mit dem einerseits die Widerstands- und
sonstigen elektrischen Schaltstufen des Motors und andererseits auch die mit elektrischen
Schaltmitteln arbeitende Getriebeschaltung betätigt wird, und zwar in der Weise,
daß auf die zur elektrischen Motorregelung dienende Stufenreihe der ersten Getriebestufe
eine Umschaltstufe zur Getriebeumstellung folgt, bei der gleichzeitig der Motor
auf die für die zweite Getriebestufe bestimmte Anfangsregelung eingestellt wird.
dabei also entweder auf der zuletzt eingestellten Höchststufe der elektrischen Regelung
weiterläuft oder auf eine niedrigere elektrische Stufe zurückgeschaltet wird, wobei
dann im letzteren Fall weitere Schaltstufen bis zur Höchststure folgen. Bei einem
Schaltgetriebe mit mehr als zwei Übersetzungsstufen folgt dann am Ende jeder Einzelstufe
noch eine weitere Getriebeumschaltung in dem bereits beschriebenen Sinn.
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Die auf diese Weise erreichten Vorteile sind im wesentlichen folgende:
Zunächst braucht der Fahrer nur einen einzigen Fahrschalter zu bedienen: es ergibt
sich also eine besondere Einfachheit in der Bedienung. Weiterhin sind Fehlschaltungen
weitgehend ausgeschlossen, denn der Fahrer ist vor allein gezwungen, beim Anfahren
im Anschluß an die Nullstellung zunächst den Berggang einzuschalten; er hat gar
keine Möglichkeit. aus Bequemlichkeit und auf Kosten der Stromquelle ein Anfahren
mit einem höheren Gang zu versuchen. Auch das vorzeitige Umschalten auf höhere Getriebestufen
kann durch zusätzliche Einrichtungen in sehr einfacher Weise verhindert werden.
so daß sich dann sogar gewissermaßen ein halbselbsttätiger Fahrbetrieb ergibt, bei
dem selbsttätig die Stromquelle gegen jede Überlastung geschützt und der Fahrzeugantrieb
stets mit der jeweils den äußeren Umständen entsprechenden günstigsten Getriebestufe
durchgeführt wird. Die Erfindung umfaßt dabei nicht nur die bereits geschilderte
Ausbildung des Fahrschalters als solche, sondern auch die zusätzlichen Einrichtungen
für die Getriebeumschaltung und die Ausbildung dieser Getriebeumschaltung im Sinn
einer zweckmäßigen Lösung der bereits geschilderten Aufgabe.
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Um die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung näher zu erläutern,
sind in der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands schematisch
dargestellt.
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Abb. i zeigt zunächst zur Veranschaulichung des Grundgedankens der
Erfindung die wesentlichsten Teile für ein besonders einfaches Anwendungsbeispiel.
Es handelt :ich hier um ein Motorfahrzeug, dessen Hinterachse i vom Elektromotor
2 über das Getriebe 3 und die Kardanwelle d angetrieben wird. Der Motor erhält seinen
Strom aus
der vom Fahrzeug mitgeführten Sammleranlage 5. Nach der
Erfindung ist ein einziger Fahrschalter 6 sowohl zur Betätigung der Widerstandsstufen
7 als auch zur Betätigung der elektrischen Schalter 8 und 9 zum Umschalten der Stufen
des Getriebes 3 vorgesehen. Die elektrischen Regelstufen sind vereinfacht dargestellt,
nämlich als einfache Vorschaltwiderstände, während in Wirklichkeit die übliche Motorregelung
mit zusätzlichen Stufen auch unter Umschaltung der Wicklungen, z. B. abwechselnd
hintereinander und nebeneinander, in an sich bekannter Weise erfolgen kann. In der
Zeichnung sind für die elektrische Stufenreihe vier Schaltmöglichkeiten vorgesehen,
die den gestrichelt dargestellten Hebelstellungen i bis 4 entsprechen. Wird der
Fahrschalter 6 nacheinander auf diese vier Stellungen eingestellt, so wird durch
den unterhalb des Hebeldrehpunkts liegenden Kontakt in allen vier Stellungen der
Elektroschalter 8 unter Strom gesetzt, der den Berggang des Getriebes 3 einschaltet.
Das Anfahren kann also nur auf dem Berggang erfolgen. Die an die Stellung 4 anschließende
Stellung 5 bedeutet zunächst ein Stromlosmachen des Getriebeschalters 8 und ein
Unterstromsetzen des Getriebeschalters 9, also den Übergang vom Berggang zum Normalgang
im zweistufigen Getriebe 3. Gleichzeitig wird die elektrische Schaltung auf diejenige
Stellung zurückgestellt, die der Hebelstellung 3 entspricht. Es wird bei diesem
Beispiel also angenommen, daß die Hebelstellungen i und :2 lediglich Anlaßstufen
für den Motor sind, die beim Einschalten eines neuen Getriebeganges nicht erst durchlaufen
zu werden brauchen, da sich Motor und Fahrzeug beim Umschalten ja bereits in Bewegung
befinden. Der Schalthebel kann dann weiter aus der Stellung 5 noch in die Stellung
6 für höchste Fahrgeschwindigkeit bewegt werden; die elektrische Stufe entspricht
in dieser Stellung der Stufe 4 des Bergganges. Sowohl beim Normalgang als auch beim
Berggang besteht also die Möglichkeit, eine der normalen elektrischen Fahrstufen
des Motors nach Belieben zu wählen und einzuschalten.
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Abb. 2 zeigt im einzelnen eine zweckmäßige Ausbildung des zweistufigen
Getriebes 3 und der zugehörigen Schalteinrichtung. Zur Verbindung der Motorwelle
2o und der zur Kardanwelle führenden Abtriebswelle 4o dient hier ein zweistufiges,
durch Magnetkupplungen schaltbares Getriebe mit einem auf der Welle 40 verschiebbaren
polarisierten Anker 41, der zwischen zwei Magneten liegt und durch Anlage an den
Magnetkörper selbst durch Reibung das Motordrehmoment überträgt. Liegt der Ankerkörper
41 an dem linken, mit der Welle 2o verbundenen Magnetkörper 21 an, so ist der Normalgang
unter unmittelbarer Verbindung der beiden Wellen 20 und 4o hergestellt; liegt dagegen
der Ankerkörper in der gezeichneten Stellung am Magnetkörper 31 an, so ist der Berggang
eingeschaltet, da der Magnetkörper 31 als Träger der Planetenräder 32 ausgebildet
ist und damit vom Sonnenrad 33 angetrieben wird, das durch einen Keil 34 mit der
Motorwelle 2o bzw. dem darauf befestigten Magneten 21 fest verbunden ist. Als Drehmomentstütze
für das Planetensystem dient die am festen Getriebegehäuse angeordnete Außenverzahnung
35. Ein derartig ausgebildetes Getriebe hat für den vorliegenden Anwendungszweck
folgende Vorteile: Zunächst einmal ist durch die Verwendung von Magnetkupplungen
die Möglichkeit gegeben, die Getriebeschaltung in einfachster Weise von dem Fahrschalter
6 aus zu bedienen. Die Verwendung eines polarisierten Ankers zwischen zwei Magnetkörpern
hat überdies den weiteren Vorteil, daß nur ein einziger Stromkreis in das Getriebe
zur Betätigung der beiden hintereinandergeschalteten Magnetwindungen eingeführt
zu werden braucht. Beim Umschalten wird der Anker nicht nur von dem gegenüberliegenden
Magneten über eine verhältnismäßig große Entfernung angezogen, sondern gleichzeitig
vom anderen Magneten abgestoßen, so daß von dem Magneten nur eine verhältnismäßig
geringe Leistung aufgebracht werden muß. Überdies entfällt dabei der Nachteil der
einfachen Magnetkupplungen, daß der Anker auch noch nach dem Ausschalten des Stromes
für einige Zeit am Magneten kleben bleibt, was zu unnötigen Reibungsverlusten und
Störungen führen kann. Mit Rücksicht darauf, daß der Werkstoff der Elektromagneten
ein verhältnismäßig weiches Eisen ist, das sich zur Übertragung von Reibkräften
nicht besonders gut eignet bzw. einem ziemlich starken Verschleiß ausgesetzt wäre,
sind vor die einzelnen Pole der Magnetkörper dünne Scheiben 36 aus hartem Werkstoff,
beispielsweise aus Stahl, gesetzt, die von den Magneten in der Drehrichtung durch
Bolzen mitgenommen werden und deren Außenseite als Reibfläche zur Übertragung des
Drehmomentes dient. Die Scheiben sind dabei für jeden Magnetpol getrennt angeordnet,
so daß jeder Magnet zwei Scheiben aufweist, die durch einen erheblichen Spalt voneinander
getrennt sind, um zu verhüten, daß die Kraftlinien des Magnetfeldes durch den Zwischenkörper
unter Umgehung des Ankers unmittelbar von einem Pol zum anderen übertreten können.
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Der Stromverlauf des Magnetstromes ist in Abb.2 schematisch dargestellt,
wobei sich
ergibt. daß einfache -Mittel zur Betätigung beider -Magneten
ausreichen. Der Strom wird zunächst durch einen Schleifring auf der linken Gehäuseseite
der -Motorwelle 2o zugeführt und durchfließt von hier aus die llagnet"vicklung des
mit der Welle 2o verbundenen Elektromagneten 2r. Er tritt dann durch einen zweiten
Schleifring auf den Planetenträger über, durchfließt den mit dem Planetenradträger
verbundenen Elektromagneten und tritt dann über einen dritten Schleifring wieder
aus. Nach außen hin sind also nur zwei Anschlußleitungen vorhanden, die durch den
Umschalter 37 mit den Polen einer Stromquelle so v erbunden -,werden können, daß
der Strom abwechselnd in verschiedenen Richtungen die beiden Magnetspulen durchläuft.
Die Umschaltung des Umschalters 37 kann durch einen Hilfsstrom erfolgen, der vom
Fahrschalter 6 in der in Abb. r dargestellten Weise betätigt wird und abwechselnd
die Spulen 38 und 39 eines Magnetumschalters betätigt.
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Die Wirkungsweise des in Abb.2 dargestellten Getriebes ist damit bezüglich
der Schaltvorgänge die gleiche -,wie bei dem in Abb. F dargestellten Getriebe, nur
ergibt sich noch der besondere Vorteil, daß die Getriebeschaltung vorgenommen werden
kann, ohne daß ein Abschalten des -Motorantriebes gleichzeitig erforderlich wird.
Das Getriebe läßt nämlich ein sofortiges Umschalten von einem Gang zum anderen ohne
jeden Zeitverlust zu, insbesondere wenn die Schalteinrichtung 38, 39 mit einer Schnappeinrichtung
versehen wird, die dafür sorgt, daß der Schalter stets in einer seiner Grenzlagen
liegt. Damit ist die Gefahr beseitigt, daß der Antriebsmotor beim U mschalten unzulässig
hohe Drehzahlen annehmen kann und dadurch der Gefahr einer Zerstörung ausgesetzt
wird. Dieser Vorteil gilt für alle Fahrzeuge, also nicht nur für Fahrzeuge mit Sammleranlagen,
sondern auch beispielsweise für die sogenan.nten Obusse.
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In Abb.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schalteinrichtung
nach der Erfindung gezeigt, bei dem zusätzlich noch eine Einrichtung vorgesehen
ist, die ein Fahren mit dem Normalgang verhindert, ,nenn die nötigen ``oraussetzungen
für das Einschalten des Normalganges nicht gegeben sind, wenn also die Stromstärke
bei diesem Gang den zulässigen Wert überschreitet. Zum Schalten der Gesamteinrichtung
dient der Fahrschalter 6. Der Einfachheit halber sind nur drei Schaltstellungen
für die elektrische Regelung dargestellt, also die Hebelstellungen r, 2, 3 für den
Berggang und drei entsprechende Hebelstellungen Va, 2a, 3a für den Normalgang. Beim
Berggang ist die Schaltung die gleiche wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen
nach Abb. r und die Spule 38 des -Magnetumschalters erhält also Strom und stellt
den Umschalter so ein, daß der Berggang im Getriebe eingerückt ist. Beim Umschalten
auf den Normalgang wird dagegen nicht die zweite Spule 39 des Umschalters unmittelbar
unter Strom gesetzt, sondern durch einen Umschalter geleitet, der von der jeweiligen
Stromstärke im Motorstromkreis abhängig ist, also durch einen sogenannten Stromwächter,
der in der Zeichnung schematisch durch ein Amperemeter dargestellt ist. Bei niedrigem
Stromverbrauch des 'Motors wird dabei die Spule 39 unter Strom gesetzt, wenn der
Handhebel des Fahrschalters 6 in einer der Normalgangstellungen liegt. Steigt aber
der Stromverbrauch auf einen gefährlichen Wert an, so schaltet der Stromwächter
6o an Stelle der Spule 39 die Spule 38 ein und legt damit den Umschalter 37 auf
die Berg gangstellung zurück. Der Umschalter selbst ist mit einer Schnappeinrichtung
ausgerüstet, so daß er stets in einer seiner Grenzlagen liegt und sich nur im Umschaltsinn
bewegt, wenn die bisher stromlose Spule 38 oder 39 Strom erhält. Es ist daher ohne
weiteres möglich, zwischen den Kontakten 61 und 62 des Stromwächters 6o einen großen
Spielraum frei zu lassen, so daß beispielsweise nach dem selbsttätigen Umschalten
vom Normalgang auf den Berggang eine Rückschaltung auf den Normalgang erst beim
Unterschreiten des normalen Stromverbrauches eintritt, also ein häufiger Gangwechsel
unterbleibt, und die selbsttätige Umschaltung nur für den wirklichen Gefahrfall
vorbehalten bleibt. Die Schalteinrichtung nach Abb.3 hat also nach den vorstehenden
Ausführungen den Vorteil, daß damit ein unbedingter Schutz der Stromquelle gegeben
ist und Bedienungsfehler niemals die Stromquelle gefährden können. Die Bedienung
wird damit noch weiter vereinfacht: zur Überwindung kurzer Steigungen ist überhaupt
keine Betätigung der Schalteinrichtung mehr erforderlich. Auf der Steigung schaltet
sich der Berggang von selbst ein. wenn der Motor durch erhöhte Stromaufnaliine hierzu
Veranlassung gibt, und ebenso schaltet sich auf ebener Strecke auch der Normalgang
selbsttätig wieder ein, da mit dem N ormalgang hierbei die normale Stromaufnahme
erheblich unterschritten wird. Selbstverständlich hat der Fahrer es in der Hand,
bei ebener Strecke mit Hilfe des Handhebels zwischen Berggang und Normalgang zu
wählen: mir in denjenigen Fällen ist ihm die Auswahl entzogen, in denen die Betriebsverhältnisse
das Einschalten des Normalganges verbieten. Auf jeden Fall ergibt sich beim Betrieb
mit der eschilderten Schalteinrichtung das Ein-1
halten eines günstigen
elektrischen Wirkungsgrades bei allen Betriebsbedingungen, also beispielsweise bei
Steigungen, außer der Vereinfachung für den Fahrer und der Schonung von Motor und
Stromquelle.
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Abb. q. zeigt einen Ausschnitt aus der Abb.3, wobei lediglich die
Einrichtung des Fahrschalters eine Abänderung erfahren hat. Hier ist nämlich die
Auswahl der elektrischen Schaltmöglichkeiten völlig auf den Berggang beschränkt.
Für den Berggang sind also die Stellungen 1, 2 und 3 vorgesehen. Zum Normalgang
gehört hier nur die Stellung 3a, die derHöchststufe desBergganges entspricht-Lind
bei der ebenso wie bei dem Beispiel nach Abb. 3 der Stromwächter 6o den Normalgang
nicht zur Wirkung kommen läßt, wenn sich dabei eine zu hohe Stromaufnahme ergeben
würde. Die Darstellung nach Abb. q. hat lediglich den Zweck, zu zeigen, daß es bei
einfachen Elektrofahrzeugen vollauf genügen kann, den Normalgang lediglich bei einer
einzigen elektrischen Schaltstellung zu betreiben, und daß dementsprechend in vielen
Fällen die neue Schalteinrichtung eine nur unwesentlich größere Zahl von Schaltstellungen
hat als die bisher bekannten Schalteinrichtungen.