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DE10034656A1 - Hybridantrieb vorzugsweise für Segelboote - Google Patents

Hybridantrieb vorzugsweise für Segelboote

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Publication number
DE10034656A1
DE10034656A1 DE10034656A DE10034656A DE10034656A1 DE 10034656 A1 DE10034656 A1 DE 10034656A1 DE 10034656 A DE10034656 A DE 10034656A DE 10034656 A DE10034656 A DE 10034656A DE 10034656 A1 DE10034656 A1 DE 10034656A1
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DE
Germany
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gear
shaft
generator
gssg
clutch
Prior art date
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DE10034656A
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English (en)
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of DE10034656A1 publication Critical patent/DE10034656A1/de
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Description

Zusatz zur Patentanmeldung 199 01 414.0-14(G1) und den Zusatzanmeldungen 199 21 064.0-14(G2), 199 33 374.4-14(G3), 199 62 854.8-14(G4), 100 01 602.2(G5), 100 13 734.2(G6) und 100 21 837.7(G7).
Die Erfindung der Hauptanmeldung betrifft ein automatisches Schaltgetriebe mit Schaltung vorzugs­ weise über eine Vorgelegewelle, bei dem ein Planetensatz im Zusammenwirken mit einer Dreh­ maschine und einer Bremse die Funktion einer Reibkupplung (Anfahrkupplung) oder eines Dreh­ momentwandlers übernimmt, ein synchronisiertes Schalten der Gänge ohne weitere Synchronisations­ einrichtung ermöglicht und in Verbindung mit einer (Klauen-) Kupplung als Gruppengetriebe wirkt. Werden zwei solcher Planetensätze benutzt, so ist in der unteren Gruppe der Gänge eine Schaltung der Gänge ohne Drehmomentunterbrechung möglich. Die Drehmaschine kann eine Elektromaschine oder z. B. ein Hydraulikmotor sein. Einsatzmöglichkeiten bestehen vorwiegend in Kraftfahrzeugen.
Stand der Technik
Segelboote haben meist einen zusätzlichen Antrieb über mindestens eine Schraube. Dieser zusätzliche Antrieb dient als "Flautenschieber" und als Manövrierhilfe bei schwierigen Wind- und/oder Strom­ verhältnissen und in engen Fahrwassern, z. B. im Hafen. Unter normalen Umständen wird der Schrau­ benantrieb nur kurzfristig benutzt, danach wird gesegelt.
Segelboote haben häufig einen Generator, der bei segelndem Boot von der mindestens einen Schraube angetrieben wird, damit Bordnetzbatterien geladen werden können (Wellengenerator).
Der Antrieb der mindestens einen Schraube erfolgt in der Regel von einer Brennkraftmaschine. Dann ist meist ein Wendegetriebe erforderlich, das einen vorwärts und rückwärts gerichteten Schub der mindestens einen Schraube ermöglicht. Häufig ist die Brennkraftmaschine mit einem zusätzlichen Generator zum Laden von Bordnetzbatterien ausgestattet. In Ausnahmefällen (z. B. für bestimmte Binnenseen) sind Segelboote auch mit reinem Elektroantrieb ausgestattet.
Segelboote mit einem Schwenkkiel oder einem Schwert sind häufig mit einer Doppelruderanlage ausgestattet. Wenn solche Segelboote mit Doppelruderanlage von nur einer Schraube angetrieben werden, ergeben sich meist schlechte Manövriereigenschaften, da die Doppelruderanlage nicht direkt vom Schraubenwasser angeströmt wird.
Kleinere Segelboote werden häufig von einem Außenbordmotor angetrieben. Hier ist bisher kein Wellengenerator bekannt.
Auf dem KFZ-Sektor ist eine Neuentwicklung entstanden, der Kurbelwellenstartgenerator KSG. Dies ist eine Elektromaschine, die mit 36 (42) V betrieben wird, direkt eine Brennkraftmaschine starten kann und bei laufender Brennkraftmaschine als kräftiger Generator wirkt. In den dieser Zusatzanmeldung vorausgehenden Anmeldungen wird das Potential des KSG für Synchronisations- und Lastschaltvor­ gänge von einfachen Vorgelegegetrieben für Kraftfahrzeuge ausgenutzt. Er wird dort Getriebesynchro­ nisationsstartgenerator GSSG genannt.
Vorteile der Erfindung
Eine kräftige Elektromaschine wie der Kurbelwellenstartgenerator kann auf Segelbooten viele Aufgaben erfüllen. Die vorhandenen Funktionen
  • - Starten der Brennkraftmaschine,
  • - kräftiger Generator
sind weiterhin notwendig. Zusätzlich kann der KSG folgende Aufgaben übernehmen:
  • - Synchronisation und Anfahren des Wendegetriebes bei laufender Brennkraftmaschine,
  • - Elektroantrieb des Segelbootes,
  • - Wellengenerator bei Segelantrieb.
Da das Getriebe als einfaches unsynchronisiertes Vorgelegegetriebe und die notwendige Kupplung als Klauenkupplung ausgeführt werden kann, ergeben sich insgesamt Kosten-, Platz- und Gewichts­ vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen.
Da der KSG die Funktionen eines Starters, einer Lichtmaschine, eines Wellengenerators und eines Elektroantriebes übernehmen kann und außerdem einen vereinfachten Getriebeaufbau ermöglicht, ist der Einsatz einer 36 (42) V Anlage und eines (aufwendigen) KSG vertretbar. Insgesamt mit dem vereinfachten Getriebe ergeben sich erhebliche Vorteile. Der KSG wird deshalb auch hier Getriebe­ synchronisationsstartgenerator GSSG genannt.
Für (Segel-)Boote mit Doppelruderanlage und nur einer Brennkraftmaschine ermöglicht der Getriebe­ aufbau in Vorgelegebauweise eine einfache Verzweigung in zwei Ausgangswellen, die beide unab­ hängig voneinander in den Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb geschaltet werden können. Damit erreicht man, daß beide Ruderblätter der Doppelruderanlage gut angeströmt werden und man erhält fast die Leistungsmerkmale einer Zweimaschinenanlage, da die beiden Schrauben auch gegenläufig betrieben werden können. (Ein Bugstrahlruder wird dadurch meist überflüssig.)
Außerdem können die beiden Wellen auch jede für sich angetrieben werden, wobei der Antrieb entweder von der Brennkraftmaschine oder vom GSSG her erfolgen kann. Damit erreicht man (fast) die Betriebssicherheit einer (teuren) Zweimaschinenanlage.
Mit Ausnahme der Funktion Wellengenerator sind alle anderen Eigenschaften der Erfindung auch für Motorboote relevant.
Andere Getriebeausführungen sind möglich.
Beschreibung der Erfindung
Die Beschreibung erfolgt anhand der Prinzipzeichnungen Fig. 1a und 1b als Hybridantrieb mit zwei Ausgangswellen 13 und 13a, die zu zwei (nicht gezeichneten) Antriebsschrauben führen. Das Wende­ getriebe ist doppelt ausgeführt. Wenn nur eine Antriebsschraube vorhanden ist, entfallen alle Bauteile mit der Zusatzbezeichnung . . . a.
Ein Gehäuse 12 und Lagerungen von Wellen sind nur angedeutet bzw. nicht gezeichnet. Eine Welle 14 kann direkt mit der Kurbelwelle einer nicht gezeichneten Brennkraftmaschine und einem Schwungrad 15 verbunden sein. Ein Getriebesynchronisationsstartgenerator GSSG 9 kann direkt mit einer Getriebe­ eingangswelle 1 und damit mit einem Zahnrad 2 verbunden sein. Über eine (Klauen-)Kupplung 5 besteht die Möglichkeit, die Wellen 1 und 14 direkt miteinander zu koppeln.
Zahnrad(räder) 3 (3a) ist (sind) über Verschiebeeinrichtung(en) 11 (11a) mit Welle(n) 13 (13a) drehfest verbunden. In der gezeichneten Stellung (Fig. 1a) ist keine direkte kämmende Verbindung zum Zahnrad 2 hergestellt. Dies ist entweder die Leerlaufstellung oder die Stellung für Rückwärts. Für Rückwärts muß (müssen) das (die) Zahnrad(räder) 4 (4a) in die gemäß Fig. 1b gezeichnete Stellung geschwenkt werden und bewirken eine Drehrichtungsumkehr für die Welle(n) 13 (13a).
Die weitere Beschreibung erfolgt für den linken Teil des Getriebes (ohne den Zusatz . . . a) und gilt für den rechten Teil des Getriebes (mit dem Zusatz . . . a) entsprechend. Mit nur einer Antriebsschraube entfallen die Bauteile mit dem Zusatz . . . a. Grundsätzlich sind auch andere Möglichkeiten der Getriebe­ ausführung und Drehrichtungsumkehr möglich.
Das Zahnrad 4 kann sich um ein Lager 8 drehen. Dieses Lager 8 ist mit Hilfe eines Verbindungsteiles 7 um ein Lager 6 schwenkbar. Dieses Lager 6 braucht nicht in der Flucht von Welle 1 zu liegen (damit einfach ein weiteres Lager 6a eingebaut werden kann). In der in Fig. 1b gezeichneten (nach links geschwenkten) Stellung des Zahnrades 4 liegt das Lager 8 in einem Halblager 10, das eine Passung der Zähne des Zahnrades 4 zu den Zähnen der Zahnräder 2 und 3 ermöglicht. Damit kann nur über eine genaue Lage des Halblagers 10 zu den Lagern der Wellen 1 und 13 eine genaue Passung zwischen den Zahnrädern 2, 3 und 4 erreicht werden, wenn z. B. das Lager 6 ein entsprechend größeres Spiel aufweist. Mit nicht kämmenden Zahnrädern 2 und 3 wird so über das Zahnrad 4 eine Drehrichtungs­ umkehr erzeugt, wobei das übertragene Drehmoment Kräfte erzeugt, die das Lager 8 in das Halb­ lager 10 pressen (da die Trägheit der Welle 10 und der zugehörigen Schraube klein ist, findet hier im Gegensatz zu Kraftfahrzeugen keine Drehmomentumkehr statt). Dies ist die Getriebestellung für Rückwärts.
Das Lager 8 kann über eine (nicht gezeichnete) Verstelleinrichtung nach rechts geschwenkt werden, so daß das Zahnrad 4 nicht mehr mit dem Zahnrad 3 kämmt, wobei es aber weiterhin mit dem Zahnrad 2 kämmt (wenn das Lager 6 nicht in der Flucht von Welle 1 liegt, ist der Zahneingriff aber nicht mehr so tief). Dies ist die Leerlaufstellung.
Mit nach rechts geschwenktem Zahnrad 4 (Fig. 1b) kann das Zahnrad 3 nach oben geschoben werden (Fig. 1a), so daß es mit dem Zahnrad 2 kämmt. Dies ist die Getriebestellung für Vorwärts. Dabei ist es sinnvoll, daß eine mechanische Sperreinrichtung eingebaut wird, die verhindert, daß bei nach links geschwenktem Zahnrad 4 das Zahnrad 3 nach oben geschoben werden kann und daß mit nach oben geschobenem Zahnrad 3 das Zahnrad 4 nach links geschwenkt werden kann. Damit werden mögliche Getriebeschäden durch Verschaltung verhindert.
Die Brennkraftmaschine wird gestartet, indem bei geschlossener Kupplung 5 (Getriebe in Leerlauf- Stellung) die Brennkraftmaschine vom GSSG 9 angetrieben wird. In dieser Stellung kann bei laufender Brennkraftmaschine der GSSG 9 als kräftiger Generator zum Laden von Bordnetzbatterien dienen.
Mit laufender Brennkraftmaschine und gelöster Kupplung 5 kann über den GSSG 9 die Drehzahl des Zahnrades 2 so gesteuert werden, daß entweder die Drehrichtung für Vorwärts oder Rückwärts synchro­ nisiert eingeschaltet werden kann. Danach kann mit Hilfe des GSSG 9 die Drehzahl von Zahnrad 2 auf die Drehzahl der (im Leerlauf drehenden) Brennkraftmaschine gebracht und Kupplung 5 synchronisiert geschlossen werden. Damit ist die entsprechende Schubrichtung (Vorwärts oder Rückwärts) einge­ schaltet und kann in ihrer Stärke über die Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuert werden. Der GSSG 9 kann auch dreigeteilt ausgeführt werden (siehe z. B. G6 und G7), dann ist bei den Synchro­ nisations- und Einschaltvorgängen (fast) immer ein resultierender Generatorbetrieb möglich).
Mit einer optionalen Bremseinrichtung 16 (16a) kann die Drehzahl von Welle 13 (13a) vor dem Syn­ chronisationsvorgang auf Null abgebremst werden, was zu einer Erleichterung des Synchronisatios­ vorganges führen kann. Wenn außerdem die Kupplung 5 als Reibkupplung ausgeführt wird, kann der elektrische Verbrauch während des Einschaltvorganges vermindert und der GSSG 9 auch schwächer ausgeführt werden.
Wenn zwei Wellen 13 und 13a vorhanden sind, können die Synchronisations- und Schaltvorgänge unabhängig voneinander nacheinander erfolgen. Damit ist es z. B. möglich, daß eine Welle für den Vorwärts- und die andere Welle für den Rückwärtsschub geschaltet wird. Dann ist eine Drehung des Bootes auf der Stelle mit nur einer Antriebsmaschine möglich, auch ohne Bugstrahlruder. Wenn eine Welle (z. B. durch eine in der Schraube verwickelte Leine) blockiert und damit für den Antrieb nicht benutzbar ist, kann immer noch die andere Welle einen Antrieb gewährleisten.
Bei stehender Brennkraftmaschine und gelöster Kupplung 5 kann ein elektrischer Antrieb des Bootes vom GSSG 9 her erfolgen. Dabei kann eine Drehrichtungsumkehr durch eine Drehrichtungsumkehr des GSSG 9 erfolgen. Wenn zwei Wellen 13 und 13a vorhanden sind und diese Wellen gegenläufig drehen sollen, ist dies über das Wendegetriebe möglich.
Wird ein Segelboot vom Wind über die Segel angetrieben, kann von der (den) Schraube(n) Energie in das Boot übertragen werden. Bei gelöster Kupplung 5 und (auf Vorwärts) eingeschaltetem Wende­ getriebe kann diese Drehung der Welle(n) 13 (13a) über den GSSG 9 in elektrische Energie umge­ wandelt werden, z. B. zum Laden von Bordnetzbatterien, Ohne weitere mechanische Hilfsmittel, nur mit der entsprechenden elektrischen/elektronischen Ansteuerung, kann der GSSG 9 also auch als Wellengenerator dienen.
Ein in der Flucht der Wellen 1 und 14 angebrachter und direkt mit der Welle 1 verbundener Getriebe­ synchronisationsstartgenerator GSSG 9, der über eine Kupplung 5 mit der Welle 14 koppelbar ist, kann also viele Funktionen erfüllen. Natürlich kann der GSSG 9 auch über ein Getriebe oder einen Riementrieb mit der Welle 1 gekoppelt werden, dann braucht er nicht in der Flucht von Welle 1 zu liegen und braucht in der Regel nicht so drehmomentstark zu sein wie ein Kurbelwellenstartgenerator. D. h., auch ein herkömmlicher Startermotor könnte die Aufgaben des GSSG 9 übernehmen.
Bei Außenbordmotoren ist die Welle 1 in der Regel lang ausgeführt und das Wendegetriebe liegt in der Nähe der Schraube. Wenn auch dort eine Kupplung 5 vorgesehen wird, kann der dort angebrachte Startermotor (oder Generator oder kombinierter Starter/Generator) die Aufgabe des GSSG 9 über­ nehmen, also als zusätzlicher Wellengenerator bei Segelbooten und eventuell als Elektroantrieb dienen (Getriebesynchronisation ist bei Außenbordern meist nicht erforderlich). Die Kupplung 5 kann bei Außenbordern auch von Hand bedient werden.
Wenn keine Trockenreibkupplung 5 vorgesehen ist, brauchen die Ölbereiche von Brennkraftmaschine und Getriebe nicht getrennt zu sein und bei laufender Brennkraftmaschine kann das Getriebe (und eventuelle hydraulische Betätigungselemente) von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine mit versorgt werden. Bei Elektroantrieb und bei Betrieb als Wellengenerator kann das Getriebe über eine separate Ölpumpe (Wasserpumpe zur Kühlung) versorgt werden, die z. B. elektrisch angetrieben wird. Eine solche elektrische Pumpe kann gegebenenfalls die Ölpumpe unterstützen und eine Ölversorgung der Brennkraftmaschine vor dem Startvorgang sicherstellen.
Für die Steuerung der Kupplung 5, des GSSG 9 und (beispielhaft) der Verschiebeeinrichtung(en) 111 (11a) und der Schwenkeinrichtung(en) für das (die) Zahnrad(räder) 4 (4a) ist eine elektronische Steuerung erforderlich, die unabhängig voneinander bewirken kann, daß
  • - Kupplung 5 geöffnet oder geschlossen ist,
  • - Drehzahl und Drehmoment des GSSG 9 bei Synchronisations- und Elektrobetrieb gesteuert werden,
  • - das Wendegetriebe 2, 3, 4 in Leerlauf-, Vorwärts- oder Rückwärtsstellung ist,
  • - das zusätzliche Wendegetriebe 2, 3a, 4a in Leerlauf-, Vorwärts- oder Rückwärtsstellung ist,
  • - die Leistung des Wellengenerators gesteuert wird.
Mit diesen unabhängigen Steuerungen sind alle beschriebenen Funktionen realisierbar (ohne Zeichnung).

Claims (9)

1. Hybridantrieb vorzugsweise für Segelboote mit einer Brennkraftmaschine mit einer Ausgangswelle 14, mindestens einer Welle 13, die zu mindestens einer Antriebsschraube führt und einem Getriebe­ synchronisationsstartgenerator GSSG 9, dadurch gekennzeichnet, daß der GSSG 9 durch eine Kupplung 5 von der Welle 14 abgekoppelt werden kann, daß der GSSG 9 direkt mit einer Eingangs­ welle 1 eines mindestens einfachen Wendegetriebes 2, 3, 4 (2, 3a, 4a) gekoppelt sein kann und daß ein mit der Welle 1 gekoppeltes Zahnrad 2 zu mindestens einem Wendegetriebe 2, 3, 4, (2, 3a, 4a) gehört.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer elektronischen Steuer­ einheit unabhängig voneinander der Zustand der Kupplung 5 (geöffnet oder geschlossen), Drehzahl und Betriebszustand des GSSG 9 und Zustand (Leerlauf, Vorwärts, Rückwärts) des (der) Wende­ getriebe(s) 2, 3, 4 (2, 3a, 4a) gesteuert werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, mit einem auf einer Welle 13 verschiebbaren Zahnrad 3 (3a), das wahlweise über eine Verschiebeeinrichtung 11 (11a) in eine mit dem Zahnrad 2 kämmende oder nicht kämmende Position gebracht werden kann und einem Zahnrad 4 (4a), das gleichzeitig mit dem nicht mit dem Zahnrad 2 kämmenden Zahnrad 3 (3a) und Zahnrad 2 in eine kämmende Position gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad 4 (4a) mit Hilfe eines Verbindungs­ teiles 7 (7a) um eine Achse 6 (6a) schwenkbar ist, in der kämmenden Stellung von einem Halblager 10 (10a) in der Bewegung begrenzt und durch die von der Drehmomentübertragung erzeugten Kräfte in das Halblager 10 (10a) gedrückt wird und die Position des Zahnrades 4 (4a) zu den Zahnrädern 2 und 3 (3a) durch die Position des Halblagers 10 (10a) bestimmt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Sperreinrichtung verhindert, daß gleichzeitig Zahnrad 3 (3a) in eine kämmende Position mit Zahnrad 2 und Zahnrad 4 (4a) in eine kämmende Position mit Zahnrad 3 (3a) gebracht werden kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Zahnrades 2 auf zwei Zahnräder 3, 3a und damit auf zwei Wellen 13, 13a übertragen werden kann, wobei für die Zahnräder 3, 3a unabhängig voneinander eine Drehrichtungsumkehr z. B. über die Zahnräder 4, 4a erzeugt werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen 6, 6a versetzt zur Welle 1 angebracht sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Kurbelwellenstartgenerators ein herkömmlicher Generator oder ein herkömmlicher Starter über ein Getriebe oder einen Riementrieb mit der Welle 1 gekoppelt ist bzw. koppelbar ist und daß dieser Generator bzw. Starter bei geöffneter Kupplung 5 (und ins Wasser getauchter Schraube) bei eingeschaltetem Wendegetriebe (meist auf Vor­ wärts) als Wellengenerator bzw. als Elektroantrieb dienen kann (vorwiegend für Außenbordmotoren).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung 5 (und das Wende­ getriebe) mechanisch z. B. über einen Hebel geschaltet werden kann und damit der Wellengenerator bzw. der elektrische Antrieb von Hand geschaltet werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des GSSG 9 durch Bremseinrichtung(en) 16 (16a) und durch eine als Reibkupplung ausgeführte Kupplung 5 unterstützt werden.
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