SE538051C2 - Anordning vid en drivlina för båtar och fartyg - Google Patents

Abstract

538 051 SAMMANDRAG Anordning fOr aft astadkomma en driftsaker parallell eller redundant hybriddrivning av en marin drivlina till en propulsionsenhet (P). Anordningen omfattar, en ingaende axel (4) som drivs av en primardrivkalla (1) till vilken axel (4) en kopplingsenhet (5, 6) kopplas och med vilken den ingaende axelns (4) rotation kan antingen kopplas in, reverseras eller kopplas ifran, en till den ingaende axeln transversell mellanaxel (7), som drivs av denna via en kuggvaxel (12), en sekundardrivkalla (2) som via en koppling (3) anordnas vid mellanaxelns (7) ena ande sa att vid drift av primardrivkallan (2), denna drivs fOr att driva axeln (7), antingen for sig sjalv eller i samverkan med primardrivkallan (1). Anordningen fOrhindrar effektivt stromrusning hos en elektrisk sekundardrivkalla (2) samtidigt som den utgor ett medel for mjukare och komfortablare vaxling mellan fram och back.

Description

538 051 Anordning vid en drivlina for batar och fartyg Bakgrund Foreliggande uppfinning hanfor sig till en anordning vid en parallell eller redundant marin hybriddrivlina till en med minst en propeller forsedd propulsionsenhet. Drivlinan innefattar ett hus och en till detta ingaende axel, som vid dess ena Ande är drivbar medelst en primardrivkalla, foretradesvis av Otto- eller Dieseltyp, till vilken ingAende axel en kopplingsenhet ar kopplad, medelst vilken enhet den ingaende axelns rotation via en antingen fore eller efter kopplingsenheten anbragt konisk kuggvaxel an inkopplad, far att alternativt driva en till den ingaende axeln tvargaende mellanaxel i nagondera av dess langdrotationsriktningar, eller for att lAta mellanaxeln vara helt frikopplad fran primardrivkallan, en sekundardrivkalla foretradesvis av elektriskt slag, vilken via en koppling är anordnad vid mellanaxelns ena ovre ande, sa aft i beroende av huruvida primardrivkallan är inkopplad eller ej sekundardrivkallan Ar drivbar for aft driva axeln antingen far sig sjalv eller i samverkan med primardrivkallan for drivning av en konisk kuggvaxel och minst en av denna driven propeller.

Tekniskt omrade Uppfinningen avser sarskilt en anordning vid inom- eller utombords drivaggregat for 25 vattenfarkoster, med ett sadant aggregat som for framdrivning av farkoster av detta slag har saval en primarmotor, feretradesvis av Otto eller Dieseltyp, som en sekundarmotor, fiiretradesvis av el- eller hydraultyp. Den farstnamnda är avsedd aft fungera som huvudsaklig drivkalla medan den sistnamnda är huvudsakligen är avsedd aft fungera mera som en temporar sadan, sAsom exempelvis tyst lagfartsdrift sasom vid till- och utlaggning fran en hamn- eller kajplats eller vid lugn korning i tranga passager. Naturligtvis är aven avsikten aft kunna anpassa sattet och anordningen enligt uppfinningen till storleksmassigt vitt skilda typer av farkoster, saval 1 538 051 segelbatar som motorbatar i intervallet pa mellan 20 fat och upp till fartyg pa kanske 100 fat eller mera. Uppfinningen lampar sig lika val fOr saval enkel- dubbel- som multipelarrangemang.

Tekniskt problem Utgangspunkten for tillkomsten av uppfinningen har varit att det, precis som fOr landfordon, aven for vattenfarkoster som en fOljd av alltmer okande kostnader fOr bransle, borjar bli kommersiellt intressant med hybridteknologier. Harvid har startpunkten for uppfinningen varit sokandens egna patenterade uppfinning enligt WO 9305317(A1) - 19930318. Ursprungstanken har varit aft utnyttja denna losning genom aft i denna ta bort den dari befintliga koniska transmissionen 11, 12 och att rata mellanaxeln, har benamnd 4, penetrera vaxelhuset i saval den Ovre som undre delen fOr aft utnyttja denna beprOvade teknologi pa ett nytt satt. Till mellanaxelns ur husets Ovre del utskjutande del kopplas en eller flera alternativa motorer sasom elmotorarrangemang, medan till mellanaxelns ur husets nedre del utskjutande del kopplas en andamalsenlig propulsor av godtyckligt slag, exempelvis ett vridbart segelbatsdrev, ett Duoprop(8)-aggregat eller ett IPS(-drev. Genom aft koppla in kopplingarna pa de olika tillgangliga satten alternativt, precis som om de fungerade som i ett backslag, kan drivning ske saval medelst fOrbranningsmotorn (primardrivkalla) framat eller bakat som medelst den eller de alternativa motorerna (sekundara drivkallor) eller badadera.

Teknikens standpunkt Situationen vid genomforda studier av kand teknik har visat sig vara att sadan att teknik av liknande slag redan tidigare utvecklats. Sarskilt en publicerad skrift har darvid visat sig sarskilt intressant, namligen EP 1 426 287 Al. Skriften visar en hybridframdrivningsenhet till en vattenfarkost som %retailer vara baserad pa tidigare kanda konstruktioner av utombordsdrev. Forbranningsmotorn har kompletterats med 2 538 051 en elmotor som kan anordnas antingen fore ingaende axel till ett inombordsdrev eller ovanpa dettas vaxelhus for att dá sammanfalla med drevets vertikala axel, och som kan drivas antingen tillsammans med fOrbranningsmotom eller for sig sjalv. Rir sin funktion behOver konstruktionen en koppling 3d, vars narmare uppbyggnad till forfang for ansOkans skyddsomfang olyckligtvis inte framgar av skriften. I lOsningen enligt skriften ingar en generator for laddning av fOr drift av elmotorn erforderlig elektrisk energi, vilken generator savitt kunnat konstateras har anordnats separat mellan forbranningsmotorn och utombordsdrevet.

Tanken med hybridkonceptet enligt den nu aktuella uppfinningen har varit aft sa langt mOjligt forenkla tekniken, for att pa sa vis halla utvecklingskostnaderna och darmed i slutanden totalkostnaden och priset for konceptet och slutprodukten pa en niva som marknaden saval pa kort som pa langre sikt är beredd att acceptera. Valet har darmed fallit pa aft som ovan berorts utnyttja en permanentmagnetiserad elektrisk motor (PMM) som sekundarmotor, inte minst eftersom sadana tamligen enkelt och 15 utan omsvep kan fas att fungera som generator istallet som motor. Darmed kan en av komponenterna i ovannamnda EP-skrift elimineras. En PMM roterar vid markspanning med Mgt varvtal, mellan 3 och 4 ganger hogre an varvtalet hos primardrivkallan. Effekten antas samtidigt vara ca 20-40% av den hos primardrivkallan, varfor PMM-ens utgaende varvtal maste anpassas till propellerkurvan fOr det fartomrade den avses verka i. Speciellt betraffande batar eller fartyg med ett fartomrade pa upp till 40 knop är tomgangsfarten ofta upp till 5 knop dvs en attondedel.

Det har darfor varit ett andamal med fOreliggande uppfinning aft finna en lasning pa hur en i sig mekaniskt enkelt pa ett framdrivningsaggregat redundant applicerad elmotor fOr framdrivning av en vattenfarkost skall samverka med tidigare kand teknik for framdrivning, framfOrallt fOrbranningsmotorer av olika slag, fOr att uppria ett i sammanhanget tillforlitligt och val fungerande system som kan ge positiva effekter fOr dels saval bransleekonomi, akkomfort, lokal hamnmiljO och miljOn Overhuvudtaget. Enligt uppfinningen uppnas huvudandamalet genom att respektive kopplingsenhet är 30 sa anordnad aft den/de i samband med vaxling mellan ett fram- resp. backlage, kortvarigt kan bromsa in rotationen hos propulsionsenhetens propeller eller propellrar sa att inverkan fran trOghetsmomentet hos denna/dessa pa drivlinan minskar. 3 538 051 Detta oatgardat skulle dessutom visserligen kortvarigt men likval tidvis leda till anti& hog magnetiseringsspanning hos en primarmagnetiserad elmotor med atfoljande risk fOr driftstOrningar. Som en bonus i sammanhanget tillkommer att namnda inbromsning aven kan anvandas fOr att astadkomma smidig vaxling mellan fram- och backlage och omvant aven vid drift enbart med ferbranningsmotor.

Genom att den eller de extra drivmotorerna anordnas sa att de medelst en koppling direkt kan kopplas in till drivlinans mellanaxel, elimineras en stor massa som i annat fall skulle ha erfordrats om den extra drivkallan hade placerats mellan primardrivkallan och transmissionen for all ta upp hela momentet fran primardrivkallan till transmissionen.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen skall i det foljande narmare beskrivas med hanvisning till pa bifogade ritningsfigurer visade utforingsexempel, dar: Fig 1 visar ett fOrenklat tvarsnitt Over en drivlina enligt uppfinningen med tillhorande motorer och propulsor, Fig 2 visar ett forenklat tvarsnitt Over en drivlina enligt uppfinningen i ett jamfort med det i fig 1 visade utfijringsexemplet alternativt utforande, Fig 3 visar en alternativt sammanbyggd planetvaxel jamfort med den som ingar i det i fig 2 visade utfOrandet, och Fig 4 visar en Oversiktsbild Over hur en drivlina enligt uppfinningen kan realiseras och integreras i ett drivpaket innefattande en 6-cylindrig turbodieselmotor med ett därtill kopplat I PS.-d rev. 4 538 051 Detaljerad beskrivning I dess enklaste utforande framgar ett utforingsexempel av uppfinningen av fig 1. Detta omfattar en primardrivkalla 1, en axel 4 som Overgar i ett drev till en konisk kuggvaxel eller transmission 12, i vars omedelbara anslutning pa en mellanaxel 7 finns tva kring denna lagrade kopplingar 5, 6. Vid kopplingens 5 drivna axels koaxiella fOrlangningsande finns en sekundar drivkalla 2, fOretradesvis en el- eller hydraulmotor med en mellan axeln 7 och drivkallan 2 anordnad elektriskt eller hydrauliskt manOvrerad frikoppling 3. Vid transmissionens 12 andra sida aterfinns kopplingen 6, som aven den är koaxiell med axeln 7. I det visade utfOrandet leder axeln 7 vidare ned till en dubbel konisk kuggvaxel 8, som bildar ett utomordentligt effektivt framdrivningsaggregat med hjalp av dubbla av denna vaxel drivna, motroterande propellrar 21, 22.

I ett alternativt, nagot mera avancerat utfOringsexempel som framgar av fig 2, omfattar uppfinningen en primardrivkalla 1 motsvarande den i det forsta uffbrandet, medan axeln 4 utgor inggende axel till en planetvaxel 25 och utmed sin langd ocksa har en lamellbarare 9a till en koppling 9 i planetvaxeln 25. AxeIn 4 fortsatter efter lamellbararen och Over* i planetvaxeln 25 i ett med kugg (ej visat) forsett solhjul 10a. Planetvaxelns 25 hus (ej visat) har en broms 11 for planetvaxelns ringhjul 14.

Axeln 4 ar darefter kopplad till en konisk kuggvaxel eller transmission 12 av samma slag som den i det fOrsta utforingsexemplet visade. Bortsett fran att detta utforande av uppenbara skal saknar de kopplingar 5 och 6 som fanns anordnade koaxiellt kring mellanaxeln 7, ar detta utforingsexempel i Ovrigt identiskt med det fOrsta uffOringsexemplet.

Det i figur 2 visade uffOrandet skiljer sig salunda fran det i fig 1 visade genom att det dels saknar kopplingarna 5 och 6 pa axeln 7, dels har en planetvaxel pa axeln 4 fOre transmissionen 12, varigenom axeln 4 delas upp i en fOrsta del 4 och en andra del 4'. Planetvaxeln 25 omfattar fOr att astadkomma direktdrift med utnyttjande av primardrivkallan 1 kopplingen 9, vilken cla den är inkopplad far kuggarna i planetvaxelns 25 planetdel, alltsa ringhjul 14, planethjul 15 och solhjul 10a att belastas statiskt och salunda fOlja med i motorns rotation, vilket inverkar positivt pa vaxelns driftssakerhet och livslangd. FOr backning medelst primardrivkallan bringas 538 051 bromsen 11 till ingrepp, fOretradesvis med hydrauliska medel, fOr att bromsa ringhjulet 14 och darigenom genom att tvinga planethjulen 16 att rotera, sa att den fran planetvaxeln utgaende andra axeldelens 4' rotationsriktning reverseras och salunda backning intrader. Andra satt att manovrera bromsen 11 fOrutom medelst hydraulik, sasom medelst elektriska eller mekaniska medel är naturligtvis ocksa majliga.

Fig 3 visar ett i jamfOrelse med utfOrandet i fig 2 alternativt utfOrande av planetvaxelarrangemanget 25. Pa axeln 4 finns som tidigare en lamellbarare 9a som samverkar med en lamellkoppling 9, vilken i sin tur är mekaniskt fOrbunden med ringhjulet 14, som star i kuggingrepp med planetbararens 13 planethjul 15. De inre av planethjulen 15 star dessutom i ingrepp med solhjulet samtidigt som dessa drivs av primardrivkallan.

Av fig 4 framgar sist men inte minst som en sidovy ett paket omfattande en batmotor med tillhorande drivlina fOr ett sk. IPS--drev. Drevet skulle precis lika val kunna utgOras av ett sk DuoProp--aggregat eller fordenskull ett drev av traditionell singeltyp eller ett sk. S-drev med endast en framdrivningspropeller. Fig 4 visar hur konceptet med en sekundarmotor 2 pa ett ingenjorsmassigt elegant vis integrerats i en redan befintlig struktur och pavisar salunda dess tydliga industriella tillampbarhet.

I det fOljande skall funktionen hos den marina drivlinan enligt uppfinningen narmare klargoras. Om vi bOrjar med utforandet enligt fig 1 sa kan det konstateras att drivlinan 20 är uppbyggd pa ett sadant vis att den om sekundarmotorn 2 och dess koppling 3 inte existerade, skulle fungera som exempelvis ett helt konventionellt inombordsdrev, med ett nagot annorlunda beskaffat backslag bestaende av kopplingarna 5 och 6. Nagondera av kopplingarna maste Mr drift antingen framat eller bakat vara inkopplade. For den handelse detta inte skulle vara fallet blir axeln 7 helt frikopplad.

Eftersom detta är mOjligt är det ocksa mOjligt att lata en motor 2 operera pa den fran motorn 1 frikopplade axeln 7, via en koppling 3. Motorn 2 reverseras for backningsandamal genom elektrisk polvandning.

Den sekundara drivkallan utgOrs sasom namnts tidigare foretradesvis av en primarmagnetiserad motor PMM, och kan om den är inkopplad tillsammans med 30 primarmotorn ga antingen som motor eller som generator. PMM:en kan fungera som generator upp till sitt maximala varvtal. Over detta gransvarde kommer faltspanningen i PMM:en att overskida konstruktionsspanningen for motordrift, vilket inte ar lampligt, 6 538 051 varfOr varvtalet maste begransas, antingen med hjalp av kopplingen 3 eller med utnyttjande av en lamplig reduktion. Den aktuella utspanningen vid generatordrift är i stort sett linjar mot det varvtal som axeln drivs med. Om darfor faltspanningen vasentligt Overskrider konstruktionsspanningen kan drivelektroniken aft riskera att slas ut och overslag komma aft ske i faltlindningen, vilket sannolikt leder till ett totalhaveri. Detsamma galler om baten eller fartyget bogseras med hog fart, varvid propellern som en WO av aft den da gar som turbin kan fa PMM:en aft Overvarva, vilket pa motsvarande vis troligen leder till ett haven i av liknande slag. Under sadana omstandigheter maste PMM:ens varvtal antingen sankas till noll eller red uceras, vilket kan ske pa manga olika kanda satt, varav vi bier& ett lampligt narmare har.

Andring av rotationsriktning hos drivkalla 2.

Sekundardrivkallans i form av en primarmagnetiserad motor (PMM) (2) rotationsriktning andras enkelt fOr vaxling mellan drivning framat eller bakat genom polvandning av spanningen till dess faltlindning. For att emellertid Ora detta sa smidigt som miijligt och inte fororsaka strOrnrusning , kopplas spanningen bort samtidigt som i det fall primarmotorn 1 är stoppad och kopplingarna 5, 6 eller planetvaxelarrangemanget 25 anvands for att bromsa in rotationen hos propellrarna 21, 22 sa att sedan axeln 7 natt ett thrutbestamt varvtal polvandning till den nya rotationsriktningen kan ske utan risk. Detta galler bade det enligt fig 1 och det enligt fig 2 beskrivna utfiirandet. For uppkoppling via planetvaxelarrangemanget 25 enligt fig 2 anvands antingen kopplingen 9 eller bromsen 11 for sagda rotationsinbromsning. I fallet da primarmotorn 1 är under drift med ett lagt varvtal valjes kortvarigt den koppling eller broms som ger den nya onskade rotationsriktningen. Denna lOsning minskar eller eliminerar rentav denna belastning pa sekundardrivkallan.

Vid !corning med utnyttjande av sekundardrivkallan och eft plotsligt behov av backning eller reversering uppkommer, maste emellertid hansyn tas till det masstroghetsmoment som de i motsatt riktning i rotation forsatta propellrarna och deras transmissionsdelar representerar. I beroende av huruvida harvid primarmotorn är igang eller ej, kan i fallet enligt fig 1 endera av kopplingarna 5 eller 6, eller i planetvaxelfallet enligt fig 2, kopplingen 9 eller bromsen 11 anvandas for aft bromsa propellrarnas rotation till ett varde som elmotorn kan klara av spanningsmassigt eller hydraulmotorn kan klara av tryckmassigt utan aft driftsproblem uppstar varken pa kort 7 538 051 eller langre sikt. Vid ett utfOrande i enlighet med det enligt fig 2, erhalls en mojlighet att vid lagfart styra varvtalet hos den andra axeldelen 4' i bada riktningarna, alltsa bade fram och back. Detta sker genom att man Or det mojligt att styra ansattningstrycket fOr bromsen 11 eller kopplingen 9 till ett varvtal som är lagre an primarmotorns tomgangsvarvtal. Till yttermera visso skall det inses att drivlinan saval i det forsta (fig 1) som det andra (fig 2) utfOrandet kan anvandas for att medge vaxling tan hog fart framat eller bakat till motsatsen genom att det blir mOiligt att bromsa bort det namnda masstroghetsmomentet som är en foljd av rotationen av massorna i transmissions- och propulsionselementen. Detta ger aven upphov till en forbattring av komfortkanslan vid !corning av en bat eller ett fartyg som utrustats med ett eller flera inombordsdrev av den beskrivna typen, och det alldeles oavsett om drivlinan är av konventionell eller hybridtyp.

FlarutOver skall det inses att varianter av de visade utfOringsexemplen bOr forstas och kunna utOvas av de som denna skrift riktar sig till vid utovandet av uppfinningen utifran ett studium av ritningarna, beskrivningen, och bifogade patentkrav. I patentkraven exkluderar ordet "innefattar" inte andra steg eller element och den obestamda artikeln en/ett utesluter inte ftirekomsten av ett sardrag i flertal. Det faktum att vissa sardrag har atergetts i inbordes olika beroende krav utgar inte en indikation pa att en kombination inte kan anvandas till stikandens fordel. 8 538 051 Detaljfateckning Primardrivkalla Sekundardrivkalla Koppling 4. Axel 4'. Utgaende axel fran planetvxl Koppling Koppling Mellanaxel 8. Dubbel konisk kuggvaxel 9. Koppling (planetvaxel direktdrift) 9a.Lamellbarare 10.Axel 10a. solhjul 11.Broms for reversering vid backning 12.Konisk kuggvaxel 13.Planetbarare 14.Ringhjul 15.Planethjul 21, 22, Motroterande propellrar 25. Planetvaxel

Claims (8)

538 051 PATENTKRAV

1. Anordning vid en parallell eller redundant marin hybridrivlina till en med minst en propeller (21, 22) forsedd propulsionsenhet (P), vilken drivlina omfattar, en ingaende axel (4) som ar drivbar av en primardrivkalla (1) fOretradesvis av Otto- eller Dieseltyp, till vilken ing6ende axel (4) en kopplingsenhet (5, 6 eller 25) är kopplad, medelst vilken/vilket den ingaende axelns (4) rotation via antingen fore eller efter kopplingsenheten (5, 6 eller 25) for att alternativt driva en till den ingaende axeln (4, 4') tvargaende mellanaxel (7) i n6gondera av dess langdrotationsriktningar, eller fOr aft lata mellanaxeln (7) vara helt frikopplad fran primardrivkallan (1), en sekundardrivkalla (2) faretradesvis av elektriskt slag, vilken via en koppling (3) är anordnad vid mellanaxelns (7) ena ovre ande, sa att i beroende av huruvida primardrivkallan (1) är inkopplad eller ej, sekundardrivkallan (2) är drivbar for att driva axeln (7) antingen for sig sjalv eller i samverkan med primardrivkallan (1) fOr drivning av en konisk kuggvaxel (8) och minst en av denna driven propeller, ka n neteckn ad av att resp. kopplingsenhet (5, 6 eller 25) är sa anordnad, att den/de i samband med vaxling mellan ett fram- resp. backlage, kortvarigt kan bromsa in rotationen hos propulsionsenhetens propeller (21) eller propellrar (21, 22), sa att inverkan fran troghetsmomentet hos denna/dessa pa drivlinan minskar.

2. Anordning enligt krav 1, kannetecknad av att kopplingsenheterna (5, 6) utgOrs av torr- eller vatlamellkopplingar, vilka anordnas antingen i anslutning till kuggvaxeln (12) pa mellanaxeln (7) eller pa den till kuggvaxeln (12) ingaende axeln (4).

3. Anordning enligt krav 1, kannetecknad av aft kopplingsenheten (25) utgors av en planetvaxel som anordnas vid axeln (4). 10 538 051

4. Anordning enligt nagot av de fOregaende kraven, kannetecknad av att kopplingen (3) for till resp. frankoppling av sekundardrivkallan (2) är antingen hydrauliskt eller elektriskt manovrerad.

5. Anordning enligt nagot av de fOregaende kraven, kannetecknad av att en primarmagnetiserad elektrisk motor (PMM) är anordnad som sekundardrivkalla (2) med egenskapen att fungera lika val saval som motor som generator, beroende pa spanningsmatningspolaritet och rotationsriktning.

6. Anordning enligt nagot avde foregaende kraven, kannetecknad av att kopplingsenheterna (5, 6) ar sa lagrat anordnade pa &Ilse sidor invid kuggvaxeln/transmissionen (12) pa axeln (7), aft antingen i beroende av att flagon av dessa kopplingsenheter är ansatt, eller om ingen av dem är ansatta, axeln 7 och darmed den koniska kuggvaxeln (8) blir drivbar, i det forsta fallet medelst primardrivkallan (1) fram eller back, och i det andra fallet medelst sekundardrivkallan (2) fram eller back.

7. Anordning enligt nagot av de fOregaende kraven, kannetecknad av aft kopplingsenheten (25) utgOrs av en planetvaxel, som anordnas pa axeln (4, 4"), vilken dels med en eller flera utvaxlingar kan overfOra drivkraft och moment till axeln (4") i primardrivkallans (1) rotationsriktning, dels kan Ora detta i omvand riktning och dels kan frikoppla axeln (4") och darmed axeln (7) fran primardrivkallan (1).

8. Anordning enligt nagot av de fOregaende kraven, kannetecknad av aft primardrivkallan är in- och urkopplingsbar i samband med drivning av sekundardrivkallan (2), sa aft darigenom saval en effektmaximering som lagfartsdrivning kan uppnas. 11 538 051 538 051 r;) 538 051 12 7