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Die
Erfindung betrifft ein Modul eines Hybridantriebes für Wasserfahrzeuge
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Hybridantrieb für Wasserfahrzeuge
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.
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Hybridantriebe
sind nicht nur für
Kraftfahrzeuge, sondern auch für
Wasserfahrzeuge, insbesondere Seeschiffe bekannt. Neuerdings wurden auch
Hybridantriebe für
Yachten, d. h. sowohl Motoryachten als auch Segelyachten vorgeschlagen.
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Ein
echter Hybrid weist zwei unterschiedliche Antriebsquellen auf, z.
B einen Diesel- und einen Elektromotor, sowie Akkumulatoren (Batterien)
zur Speicherung von Energie, insbesondere elektrischer Energie.
Ziel des Hybridantriebes, insbesondere bei Seeschiffen ist es, den
spezifischen Verbrauch des Dieselmotors zu senken, da der Dieselmotor
nur in einem eng begrenzten Bereich (meistens der Volllastbereich)
mit optimalem Wirkungsgrad läuft.
Bei Teillast dagegen steigt der spezifische Verbrauch des Verbrennungsmotors.
In diesem Bereich kann der Elektromotor, der aus den Batterien gespeist
wird, den Vortrieb übernehmen.
Damit erreicht man mehr Flexibilität und eine Reduktion der Emissionen.
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Man
unterscheidet den so genannten seriellen Hybrid und den Parallelhybrid.
Beim seriellen Hybrid treibt der Verbrennungsmotor (Dieselmotor)
einen Generator einer elektrischen Maschine an, welcher die Batterien
auflädt
und damit elektrische Energie speichert. Ein Elektromotor, der vom
Verbrennungsmotor mechanisch entkoppelt ist, übernimmt ausschließlich den
Vortrieb, d. h. den Antrieb der Propellerwelle. Der für den Antrieb
vorgesehene Elektromotor kann auch als Generator im Bremsbetrieb
arbeiten und die Bremsenergie in die Batterien einspeisen. Vorteilhaft
beim seriellen Hybrid ist, dass der Verbrennungsmotor ausschließlich in
seinem optimalen Betriebspunkt laufen kann. Nachteilig ist, dass
die mechanische Energie des Verbrennungsmotors zunächst in
elektrische Energie umgewandelt und anschließend wieder in mechanische
Energie zum Vortrieb umgewandelt wird.
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Beim
Parallelhybrid sind ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine,
die sowohl als Motor als auch als Generator arbeitet, sowie eine Batterie
zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen. Beide Motoren,
der Verbrennungsmotor und der Elektromotor, können als Antriebsmotoren eingesetzt
werden, welche über
ein Sammelgetriebe die Propellerwelle antreiben. Dabei können entweder der
Verbrennungsmotor allein oder der Elektromotor allein oder der Verbrennungsmotor
und der Elektromotor auf die Propellerwelle treiben. Vorteilhaft
beim Parallelhybrid ist, dass der Verbrennungsmotor direkt, d. h.
ohne Energieumwandlungsverluste auf den Propeller treibt. Der Elektromotor
kann zur Verstärkung,
d. h. als so genannter Booster verwendet werden. Darüber hinaus
kann über
die elektrische Maschine, wenn sie als Generator geschaltet ist, elektrische
Energie in die Batterien eingespeist werden, d. h. entweder vom
Verbrennungsmotor oder vom Propeller, wenn dieser – z. B.
beim Segeln – als Wasserturbine
betrieben wird.
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Bekannte
Bootsantriebe weisen eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Dieselmotor sowie ein nachgeschaltetes Untersetzungs- und Wendegetriebe
auf, über
welches eine aus dem Bootsrumpf herausgeführte Propellerwelle mit dem
Schiffspropeller angetrieben wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konventionellen Bootsantrieb
mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln in einen Hybridantrieb umzurüsten, insbesondere für Bootsantriebe
von Yachten. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Hybridantrieb
der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher unter Verwendung
von herkömmlichen Antriebselementen
wie dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe sowie der Propellerwelle
vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und
13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist ein
Modul mit einem Gehäuse
vorgesehen, in welchem eine elastische Kupplung mit einer Antriebswelle,
eine elektrische Maschine, eine mit einem Rotor verbundene Abtriebswelle
und eine Schaltkupplung koaxial angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Modul
umfasst sämtliche
Antriebselemente, um aus einem konventionellen Bootsantrieb einen
Hybridantrieb zu machen. Dazu wird das Modul zwischen Brennkraftmaschine und
Bootsgetriebe eingesetzt, wobei die Abtriebswelle oder das Schwungrad
der Brennkraftmaschine über
die elastische Kupplung die Antriebswelle des Moduls antreibt. Durch
die Schaltkupplung kann die Antriebswelle mit der Abtriebswelle
des Moduls und damit mit der Propellerwelle der Yacht verbunden werden,
so dass der Verbrennungsmotor auf den Propeller durchtreibt. Zusätzlich kann
die elektrische Maschine als Motor geschaltet und damit als Booster für den Verbrennungsmotor
eingesetzt werden. Damit können
höhere
Leistungen, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen erreicht werden. Alternativ kann
die elektrische Maschine als Generator geschaltet werden, so dass
der Verbrennungsmotor sowohl die Propellerwelle als auch den Generator
antreibt, welcher die Batterien des Hybridantriebes lädt. Damit
kann mit einem einzigen Modul, welches in eine bestehende Schnittstelle
zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe eingesetzt wird, ein Hybridantrieb
realisiert werden, welcher dem bekannten Parallelhybrid ähnlich ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Schaltkupplung eine erste und eine zweite
Kupplungshälfte
umfasst, wobei die erste Kupplungshälfte über die Antriebswelle mit der Brennkraftmaschine
und die zweite Kupplungshälfte über eine
Abtriebswelle mit der elektrischen Maschine verbunden ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Kupplungshälften
Mitnahmeelemente auf, welche im eingerückten Zustand der Kupplung
formschlüssig
ineinander greifen, d. h. einen Formschluss zwischen beiden Kupplungshälften bilden.
Damit wird das Drehmoment verlustfrei von der Antriebswelle auf
die Abtriebswelle übertragen.
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Bevorzugt
ist die Schaltkupplung als Klauenkupplung ausgebildet, welche durch
Axialverschiebung der Kupplungshälften
ein- und ausrückbar
ist.
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Bevorzugt
sind die Mitnahmeelemente als Stirnverzahnungen auf beiden Kupplungshälften ausgebildet.
Dadurch ergeben sich minimale axiale Wege zum Ein- und Ausrücken der
Kupplung.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Kupplungshälfte
axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet, was aus Gründen des Bauraumes,
insbesondere für
die Ansteuerung der Kupplung von Vorteil ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Kupplungshälfte über einen Verstellmechanismus
axial verschiebbar, d. h. die Schaltkupplung kann von außen ein-
und ausgerückt werden,
um die Verbindung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle herzustellen
oder zu unterbrechen.
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Bevorzugt
umfasst der Verstellmechanismus eine senkrecht zur Antriebswelle
angeordnete Exzenterwelle oder eine gekröpfte Welle, ein Verbindungsglied
sowie eine Schaltgabel zur Verschiebung der ersten Kupplungshälfte. Damit
wird ein zuverlässiger
und kompakter Schaltmechanismus zum Ein- und Ausrücken der
Kupplung geschaffen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Stator der elektrischen Maschine durch ein Kühlmittel
kühlbar,
womit eine höhere
Leistung der elektrischen Maschine bei gleichem Bauraum erreichbar
ist.
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Bevorzugt
weist der Stator einen zylindrischen Kühlmantel auf, welcher in das
Gehäuse
eingesetzt ist und mit diesem Kühlkanäle bildet.
Die Kühlkanäle stehen
mit im Gehäuse
angeordneten Kühlmittelanschlüssen in
Verbindung. Damit können die
Kühlkanäle an einen
Kühlmittelkreislauf
angeschlossen, so dass eine wirksame Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine
erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bei einem Hybridantrieb für
Wasserfahrzeuge, insbesondere für Yachten
vorgesehen, dass die elektrische Maschine integrierter Bestandteil
eines Moduls der vorgenannten Bauart ist. Damit ergibt sich der
Vorteil, dass die hybridspezifischen Bauteile in einem vormontierbaren
und austauschbaren Modul enthalten sind. Das Modul kann dabei zur
Nachrüstung
von konventionellen Antrieben auf Hybridantriebe oder auch für die Erstausrüstung eines
Hybridantriebes verwendet werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist
das Modul einen antriebsseitigen Verbindungsflansch auf, über welchen
es an der Brennkraftmaschine befestigt werden kann. Ferner weist
das Modul einen abtriebsseitigen Verbindungsflansch auf, über welchen
es mit dem Getriebe befestigt wird. Über diese beiden Flansche ist
das Modul in den Antriebsstrang eingesetzt und wird zum integralen
Bestandteil des Hybridantriebes für den Schiffspropeller.
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Bevorzugt
umfasst das Modul auf der Antriebsseite auch eine elastische Kupplung, über welche
die Antriebswelle des Moduls mit der Brennkraftmaschine, insbesondere
deren Schwungrad verbunden wird. Damit werden von dem Verbrennungsmotor
ausgehende Drehschwingungen gedämpft
und etwaige Achsabweichungen kompensiert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschreiben,
wobei sich aus der Zeichnung und/oder der Beschreibung weitere Merkmale und/oder
Vorteile ergeben können.
Es zeigen
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1 einen
erfindungsgemäßen Hybridantrieb
für eine
Yacht,
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2 ein
erfindungsgemäßes Hybridmodul,
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3 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Hybridantriebes mit Hybridmodul,
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4a, 4b perspektivische
Darstellungen des Hybridmoduls mit Blick auf die Antriebs- und die
Abtriebsseite,
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5 eine
Schnittdarstellung des Hybridmoduls,
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6 eine
3-D-Ansicht des Hybridmoduls mit Schaltmechanismus,
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7a, 7b Schnittdarstellungen
des Schaltmechanismus bei aus- und eingerückter Schaltkupplung,
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8 einen
Teilschnitt durch den Stator einer elektrischen Maschine mit Kühlmantel
und Kühlmittelanschlüssen.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb 1 für eine Yacht 2,
von welcher lediglich der Rumpf 2a und das Ruder 2b dargestellt
sind. Der Hybridantrieb 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 3,
vorzugsweise einen Dieselmotor, ein Untersetzungs- und Wendegetriebe 4,
im Folgenden kurz Getriebe 4 genannt, sowie ein zwischen
Brennkraftmaschine 3 und Getriebe 4 angeordnetes
Modul 5, auch Hybridmodul 5 genannt. An die Ausgangsseite
des Getriebes 4 ist eine Propellerwelle 6 angeschlossen,
welche durch den Rumpf 2a hindurchgeführt und mit einem vor dem Ruder 2b angeordneten
Schiffspropeller 7, im Folgenden kurz Propeller 7 genannt,
verbunden ist. Die Yacht 2 kann eine Motoryacht, eine Segelyacht
oder ein Motorsegler sein, also ein Fahrzeug der Sportschifffahrt.
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2 zeigt
das Hybridmodul 5 (vgl. 1) in schematischer
Darstellung als einzelne Baueinheit. Das Modul 5 weist
ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 8 mit
einem antriebsseitig angeordneten Stirnflansch 8a und einem
abtriebsseitig angeordneten Stirnflansch 8b auf. Innerhalb
des Gehäuses 8 ist
eine Antriebswelle 9 mit einer ersten Kupplungshälfte 10a angeordnet,
welche axial verschiebbar, angedeutet durch einen Doppelpfeil P,
jedoch drehfest auf der Antriebswelle 9 angeordnet ist. Koaxial
zur Antriebswelle 9 ist eine Abtriebswelle 11 angeordnet,
auf deren Ende eine zweite Kupplungshälfte 10b fest angeordnet
ist. Die beiden Kupplungshälften 10a, 10b bilden
eine schaltbare Kupplung 10, auch Schaltkupplung 10 genannt,
welche bevorzugt als Klauenkupplung 10 ausgebildet ist.
Innerhalb des Gehäuses 8 ist
ferner eine elektrische Maschine 12 angeordnet, welche
einen ortfesten Stator 12a sowie einen Rotor 12b aufweist,
welcher drehfest auf der Abtriebswelle 11 angeordnet ist.
Die elektrische Maschine 12 kann als Motor zum Antrieb
der Abtriebswelle 11, d. h. des Propellers 7 (vgl. 1)
oder als Generator betrieben werden. Über die Schaltkupplung 10,
die in 2 in geöffnetem
(ausgerücktem) Zustand
dargestellt ist, können
die Antriebswelle 9 und die Abtriebswelle 11 gekuppelt
oder getrennt werden.
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3 zeigt
in einem Blockschaltbild die gesamte als Hybridantrieb ausgebildete
Antriebsanlage, wobei das Hybridmodul 5 durch ein in gestrichelten
Linien dargestelltes Rechteck gekennzeichnet ist. Entsprechend der
Darstellung in 2 bezeichnen die Bezugszahlen 10 die
Schaltkupplung und die Bezugszahl 12 die als Motor und
Generator betreibbare elektrische Maschine, welche mit einer Batterie 13, auch
Akkumulator 13 genannt, verbunden ist. Der Brennkraftmaschine 3 (vgl. 1)
ist ein Tank 14 mit Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff
zugeordnet. Schließlich
ist eine elektronische Steuereinheit 15 vorgesehen, welche über Steuerleitungen 15a, 15b einerseits
mit dem Verbrennungsmotor 3 und andererseits mit dem Hybridmodul 5 verbunden
ist.
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Der
dargestellte Hybridantrieb kann in folgenden Betriebsarten betrieben
werden:
Bei eingerückter
Schaltkupplung 10 treibt der Verbrennungsmotor 3 durch,
d. h. es besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und
der Propellerwelle 6, wobei die Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 über das
Untersetzungsgetriebe 4 reduziert wird und die Drehrichtung
für Vorwärts- und
Rückwärtsfahrt
umgekehrt werden kann. Die elektrische Maschine 12 kann
bei eingerückter
Schaltkupplung 10 entweder als Generator laufen, wodurch
die Batterie 13 geladen wird, oder als Motor, wobei sie
als so genannter Booster wirkt und den Antrieb des Verbrennungsmotor 3 verstärkt. Damit
kann ein größeres Drehmoment
auf den Propeller 7 übertragen
werden. Die Steuerung der Umschaltung von Motor- und Generatorbetrieb erfolgt dabei über die
elektronische Steuereinheit 15.
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Bei
ausgerückter
Schaltkupplung 10 ist die Brennkraftmaschine 3 von
der Propellerwelle 6 getrennt, der Antrieb erfolgt rein
elektrisch, d. h. die elektrische Maschine 12 arbeitet
als Motor und bezieht ihre elektrische Energie aus der Batterie 13 oder
anderen nicht dargestellten an Bord befindlichen Generatoren. Mit
dem rein elektrischen Antrieb entfallen die Geräusche des Dieselmotors 3 und
dessen Abgase. Somit ist ein leiser und emissionsfreier Antrieb
der Yacht möglich.
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4a und 4b zeigen
das Hybridmodul 5 jeweils in einer perspektivischen Ansicht
von der Antriebsseite und von der Abtriebsseite her. In 4a ist
die Antriebswelle 9 mit einem Antriebsflansch erkennbar,
welcher mit einer elastischen Kupplung 16 verbunden ist.
Am zylindrischen Gehäuse 8 ist
ein Anschlusskasten 17 für den Anschluss von elektrischen
Kabeln für
die elektrische Maschine (nicht sichtbar) befestigt. Auf der gegenüberliegenden
Seite ist am Gehäuse 8 ein
Stellmotor 18 für
die Schaltung der Kupplung (nicht sichtbar) befestigt. 4a zeigt
den antriebsseitigen Stirnflansch 8a, 4b zeigt
die Abtriebsseite des Gehäuses 8 mit Abtriebswelle 11 und
Stirnflansch 8b.
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5 zeigt
einen Schnitt durch eine konstruktive Ausführung des Hybridmoduls 5,
wobei für funktionell
gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in den vorherigen Figuren
verwendet werden. Im Gehäuse 8 des
Moduls 5 ist die Antriebswelle 9 über Wälzlager 19, 20 gegenüber dem
Gehäuse 8 bzw. gegenüber der
Abtriebswelle 11 abgestützt.
Die Antriebswelle 9 ist über einen Antriebsflansch 9a mit
der elastischen Kupplung 16 verbunden, welche ihrerseits
in nicht dargestellter Weise mit dem Schwungrad der Brennkraftmaschine
verbunden wird. Die Abtriebswelle 11 ist mit dem Rotor 12b der
elektrischen Maschine 12 drehfest verbunden. Der Stator 12a ist mit
dem Gehäuse 8 fest
verbunden. Die erste Kupplungshälfte 10a der
Schaltkupplung 10 ist axial beweglich, jedoch drehfest
auf der Antriebswelle 9 angeordnet. Die zweite Kupplungshälfte 10b ist
drehfest mit der Abtriebswelle 11 verbunden und über Wälzlager 21 auf
der Antriebswelle 9 abgestützt. Die Kupplungshälften 10a, 10b,
dargestellt im ausgerückten
Zustand, weisen auf ihren einander zugekehrten Stirnflächen Mitnahmeelemente
in Form von Stirnverzahnungen 10c, 10d auf, welche
bei eingerückter
Kupplung formschlüssig
ineinander greifen. Die axial verschiebbare erste Kupplungshälfte 10a wird
durch einen Schaltmechanismus, welcher eine Exzenterwelle 22 mit
einem Exzenterbolzen 22a sowie ein Verbindungsglied 23 in
Form einer Lasche umfasst, betätigt.
Einzelheiten des Verstell- bzw. Schaltmechanismus sind in den 6, 7a, 7b dargestellt.
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6 zeigt
in perspektivischer Darstellung die Schaltkupplung 10 und
eine Schaltgabel 24, welche auf einem gehäusefesten
Führungszapfen 25 geführt und
von dem Verbindungsglied 23 betätigt wird. Der Stellmotor 18 treibt über einen
nicht dargestellten Schneckentrieb auf die Exzenterwelle 22, welche
das Verbindungsglied 23 und damit die Schaltgabel 24 in
axialer Richtung verstellt.
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7a, 7b zeigen
die Kupplung im ausgerückten
(entkuppelten) und im eingerückten
(gekuppelten) Zustand. Beide Figuren zeigen den gehäusefesten
Führungszapfen 25,
auf welchem die Schaltgabel 24 geführt wird. In 7a befindet
sich der Exzenterbolzen 22a der Exzenterwelle 22 in
der Zeichnung in einer linken Position und zieht das Verbindungsglied 23 und
damit die Schaltgabel 24 in der Zeichnung nach links. Die
Kupplung 10 ist damit geöffnet. In 7b befindet
sich der Exzenterbolzen 22a in der Zeichnung in einer rechten
Position. Die Schaltgabel 24 wird durch eine Schließfeder 26 in
der Zeichnung nach rechts, d. h. in die Schließposition der Kupplung 10 gedrückt. Beide
Kupplungshälften 10a, 10b kuppeln
ein und bilden eine formschlüssige Verbindung
nach Art einer Klauenkupplung. Diese Art von Kupplung kann zur Vermeidung
von Verschleißschäden nur
lastfrei und bei Drehzahlgleichheit beider Kupplungshälften geschaltet
werden. Beim Wiederöffnen
der Kupplung 10 wird die als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 26 zusammengedrückt. Die
Schaltkupplung 10 wird im eingerückten Zustand gemäß 7b durch
eine Kugelfalle 27 blockiert, die beim Öffnen der Kupplung freigegeben
wird.
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8 zeigt
einen Ausschnitt des Stators 12a und seine Anordnung im
Gehäuse 8.
Der Stator 12a ist von einem Kühlmantel 28 umgeben,
welcher mit dem Gehäuse 8 Kühlkanäle 29 bildet.
Die Kühlkanäle 29 sind über Radialbohrungen 30 mit
Kühlmittelanschlüssen 31 verbunden. Über die
Kühlmittelanschlüsse 31 kann
aus einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf
Kühlmittel
zu- und abgeführt
werden, so dass der Stator 12a durch Flüssigkeitsumlaufkühlung gekühlt wird.
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- 1
- Hybridantrieb
- 2
- Yacht
- 2a
- Rumpf
- 2b
- Ruder
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Getriebe
- 5
- Hybridmodul
- 6
- Propellerwelle
- 7
- Propeller
- 8
- Gehäuse
- 8a
- Stirnflansch
- 8b
- Stirnflansch
- 9
- Antriebswelle
- 9a
- Antriebsflansch
- 10
- Schaltkupplung
- 10a
- erste
Kupplungshälfte
- 10b
- zweite
Kupplungshälfte
- 10c
- Stirnverzahnung
- 10d
- Stirnverzahnung
- 11
- Abtriebswelle
- 12
- Elektrische
Maschine
- 12a
- Stator
- 12b
- Rotor
- 13
- Batterie
(Akku)
- 14
- Tank
- 15
- elektrische
Steuereinrichtung
- 15a
- Steuerleitung
- 15b
- Steuerleitung
- 16
- elastische
Kupplung
- 17
- Anschlusskasten
- 18
- Stellmotor
- 19
- Wälzlager
- 20
- Wälzlager
- 21
- Wälzlager
- 22
- Exzenterwelle
- 22a
- Exzenterbolzen
- 23
- Verbindungsglied
- 24
- Schaltgabel
- 25
- Führungszapfen
- 26
- Schließfeder
- 27
- Kugelfalle
- 28
- Kühlmantel
- 29
- Kühlkanal
- 30
- Radialbohrung
- 31
- Kühlmittelanschluss