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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Wasserfahrzeug mit Rutschkupplung.
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Wasserfahrzeuge, beispielsweise Boote, mit elektrischen Antriebsmaschinen erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Bei Wasserfahrzeugen kann es jedoch zu Drehmomentschlägen auf den Antriebsstrang kommen. Solche Drehmomentschläge treten beispielsweise bei einem Wechsel zwischen einer Gleitfahrt und einer Verdrängerfahrt und/oder bei unruhigem Wasser, beispielsweise Wellen, auf. Die Drehmomentschläge können zu Beschädigungen des Antriebsstrangs, beispielsweise der elektrischen Antriebsmaschine, bis zum Versagen der elektrischen Antriebsmaschine, führen.
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AT 517 891 A1 offenbart einen Außenbord-Bootsantrieb mit einem bürstenlosen Elektromotor und einem an die Motorwelle angeschlossenen Untersetzungsgetriebe, dessen Abtriebswelle einen Propeller trägt. Das Untersetzungsgetriebe weist dabei ein die Motorwelle und die Abtriebswelle verbindendes Stirnzahnradpaar auf, dessen der Abtriebswelle zugehöriges Stirnzahnrad über eine federbelastete Rutschkupplung mit der Abtriebswelle antriebsverbunden ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine elektrische Antriebsmaschine; und
- - eine Vortriebseinrichtung.
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Dabei weist das Wasserfahrzeug eine Rutschkupplung mit einer drehmomentübertragend mit der elektrischen Antriebsmaschine verbundenen Antriebsseite und einer drehmomentübertragend mit der Vortriebseinrichtung verbundenen Abtriebsseite, und
eine Steuereinrichtung zum Festlegen eines mittels der Rutschkupplung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und der Vortriebseinrichtung maximal übertragbaren Drehmoments auf.
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In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Wasserfahrzeuge, beispielsweise Boote, sind beispielsweise für den Transport von Personen und/oder Fracht auf oder in Gewässern eingerichtet. Solche Gewässer sind beispielsweise Binnengewässer (beispielsweise Flüsse, Kanäle und Seen) und/oder die See. Ein solches Wasserfahrzeug ist entsprechend für einen Vortrieb in oder auf Wasser ausgelegt. Bevorzugt steht dazu eine Vortriebseinrichtung des Wasserfahrzeugs durchgehend oder zumindest zwischenzeitlich in Kontakt mit dem Wasser, um den Vortrieb zu erzeugen.
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Das Wasserfahrzeug weist eine elektrische Antriebsmaschine zum Bereitstellen eines Antriebsmoments für das Wasserfahrzeug auf.
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Ferner weist das Wasserfahrzeug eine mit der elektrischen Antriebsmaschine drehmomentübertragend verbindbare Vortriebseinrichtung auf, mittels welcher das von der elektrischen Antriebsmaschine bereitstellbare Antriebsmoment in einen Vortrieb des Wasserfahrzeugs wandelbar ist. Die Vortriebseinrichtung ist also ausgelegt, ein Antriebsmoment in Vortrieb zu übersetzten. Die Vortriebseinrichtung umfasst beispielsweise eine Schiffsschraube, einen Propeller, einen Z-Antrieb und/oder einen Wasserstrahlantrieb. Hier ist nun vorgeschlagen, dass eine Rutschkupplung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und der Vortriebseinrichtung angeordnet ist. Dabei umfasst die Rutschkupplung eine Antriebsseite, welche mit der elektrischen Antriebsmaschine drehmomentübertragend verbunden ist, und eine Abtriebsseite, welche mit der Vortriebseinrichtung drehmomentübertragend verbunden ist. Die Antriebsseite und die Abtriebsseite der Rutschkupplung sind mittels Wellen mit der elektrischen Antriebsmaschine beziehungsweise der Vortriebseinrichtung drehmomentübertragend verbunden.
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In einer Ausführungsform sind die Wellen als starre Wellen ausgeführt. Die elektrische Antriebsmaschine ist beispielsweise mittschiffs in dem Wasserfahrzeug angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest eine der Wellen mit einem Umlenkgetriebe zwischen der Vortriebseinrichtung und der elektrischen Antriebsmaschine ausgeführt. Beispielsweise ist die elektrische Antriebsmaschine im Heck des Wasserfahrzeugs angeordnet.
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Die Rutschkupplung weist eine Mehrzahl an Kupplungsscheiben auf. Die Kupplungsscheiben sind jeweils drehmomentfest entweder mit der Antriebsseite oder der Abtriebsseite verbunden. Dabei weist sowohl die Antriebsseite als auch die Abtriebsseite zumindest eine Kupplungsscheibe, bevorzugt eine Mehrzahl an Kupplungsscheiben auf. Die Kupplungsscheiben sind, bevorzugt in einer axialen Richtung, also entlang der Rotationsachse der Kupplung, miteinander verpressbar, um eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen der Antriebsmaschine und der Abtriebsseite herzustellen. Eine solche Pressverbindung bildet eine drehmomentübertragende Verbindung bis zu einem maximal übertragbaren Drehmoment. Mit anderen Worten ist mittels der Pressverbindung ein maximales Drehmoment übertragbar, ab welchem die Reibkraft zwischen den Kupplungsscheiben der Antriebsseite und der Abtriebsseite überschritten wird und diese gegeneinander verrutschen. Bevorzugt ist das maximal übertragbare Drehmoment derart gewählt und eingestellt, dass die Rutschkupplung bei ungewollten Drehmomentschlägen durchrutscht, jedoch in Beschleunigungsphasen das Drehmoment überträgt.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Wasserfahrzeug eine Steuereinrichtung aufweist, mittels welcher das maximal übertragbare Drehmoment festlegbar ist. Mittels der Steuereinrichtung ist somit die Rutschkupplung für unterschiedliche Situationen anpassbar, beispielsweise um diese auf unterschiedliche Wasserbedingungen beziehungsweise Witterungsbedingungen oder Fahrsituationen anzupassen. Somit ist die elektrische Antriebsmaschine zum Bereitstellen hoher Drehmomente eingerichtet und weist eine hohe Lebensdauer und Resilienz auf, da sie vor Drehmomentschlägen geschützt ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung einen linearen Vorspannungsgeber aufweist, mittels welchem eine, bevorzugt axiale, Anpresskraft zum Verpressen der Antriebsseite mit der Abtriebsseite auf die Rutschkupplung aufbringbar ist, um das maximal übertragbare Drehmoment einzustellen.
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Hier ist nun ein linearer Vorspannungsgeber vorgeschlagen, mittels welchem eine lineare, bevorzugt axiale, Anpresskraft zum Verpressen der Antriebsseite mit der Abtriebsseite auf die Rutschkupplung aufbringbar ist. Das maximal übertragbare Drehmoment ist somit abhängig von der, bevorzugt entlang der Axialrichtung wirkenden, Anpresskraft, mittels welcher die Kupplungsscheiben miteinander verpresst werden. Somit ist mittels der Steuereinrichtung die Anpresskraft der Kupplungsscheiben einstellbar.
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Der lineare Vorspannungsgeber ist bevorzugt ausgelegt, ein von der Steuereinrichtung ausgegebenes Steuersignal in eine lineare Bewegung umzusetzen, um die Anpresskraft auf die Kupplungsscheiben einzustellen. Bevorzugt erfolgt die lineare Bewegung dabei entlang der Axialrichtung. Beispielsweise ist es eine translatorische Bewegung eines Pressmittels.
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Die Steuereinrichtung weist eine Hydraulikeinheit auf.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung eine Hydraulikeinheit aufweist. Mit anderen Worten ist das Steuersignal hydraulisch an die Reibkupplung, bevorzugt den Vorspannungsgeber übertragbar. Beispielsweise ist ein hydraulischer Druck der Hydraulikeinheit einstellbar, um die Anpresskraft einzustellen. Bevorzugt ist die Rutschkupplung eine normalgeschlossene Rutschkupplung. Dabei weist die Rutschkupplung bevorzugt eine axial wirkende Feder auf. Die axial wirkende Feder verpresst die Kupplungsscheiben der Rutschkupplung in einem Normalzustand (ohne Gegenkraft durch die Hydraulikeinheit) also mittels einer Federkraft. Mittels hydraulischen Drucks ist bevorzugt eine Gegenkraft gegen die Federkraft bereitstellbar, um die Anpresskraft zu reduzieren, wenn das maximal übertragbare Drehmoment reduziert werden soll.
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Alternativ oder zusätzlich ist der hydraulische Druck erhöhbar, um die Anpresskraft zu erhöhen, und absenkbar, um die Anpresskraft zu reduzieren. In einem solchen Fall ist die Rutschkupplung also normaloffen.
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Eine Hydraulikeinheit besteht beispielsweise aus einem Geberzylinder, einem Nehmerzylinder, einem Ausgleichsbehälter und Hydraulikleitungen. Die Hydraulikeinheit ist dazu eingerichtet, einen vorbestimmten Druck beziehungsweise Kraft von einem Zylinder zu dem anderen Zylinder zu übertragen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass die Hydraulikeinheit einen Geberzylinder und einen Nehmerzylinder aufweist,
wobei mittels des Geberzylinders ein Steuersignal als hydraulischer Druck an den Nehmerzylinder übertragbar ist, und
mittels des Nehmerzylinders das Steuersignal in die Anpresskraft übersetzbar ist.
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Demnach weist die Hydraulikeinheit einen Geberzylinder und eine Nehmerzylinder auf. Der Geberzylinder und der Nehmerzylinder sind mittels einer Hydraulikleitung hydraulisch verbunden.
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Somit ist ein Steuersignal als hydraulischer Druck von dem Geberzylinder an den Nehmerzylinder übertragbar.
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Der eingebrachte Hydraulikdruck ist mittels des Nehmerzylinders in die Anpresskraft beziehungsweise die Gegenkraft übersetzbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass mittels eines Handrads das hydraulische Steuersignal einstellbar ist;
bevorzugt stufenlos einstellbar ist.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Wasserfahrzeug ein Handrad umfasst. Das Handrad ist dazu ausgelegt, das hydraulische Steuersignal einzustellen.
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Dabei ist das Handrad beispielsweise derart mit einem Geberzylinder der Hydraulikeinheit verbunden, dass mittels des Handrads das Steuersignal und damit den Hydraulikdruck an dem Geberzylinder einstellbar ist. Somit ist mittels des Handrads die Anpresskraft an der Rutschkupplung einstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Handrad stufenlos einstellbar ausgeführt, sodass der Hydraulikdruck an dem Nehmerzylinder und damit auch die Anpresskraft an der Rutschkupplung stufenlos einstellbar ist. Beispielsweise sind an dem Handrad verschiedene Bereiche entlang des Umfangs markiert, welche für verschiedene Situationen und/oder Umgebungsbedingungen vorgesehen sind. Alternativ ist das Handrad beispielsweise in vorgegebenen Stufen, beispielsweise mittels eine Einrastmechanismus einstellbar.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst die Steuereinrichtung eine elektrische, hydraulische, pneumatische Regeleinheit. Somit ist auch eine teil- oder vollautomatisierte Regelung darstellbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass das hydraulische Steuersignal mittels einer Linearübersetzung eines Geberzylinders einstellbar ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist das Steuersignal mittels einer Linearübersetzung des Geberzylinders, beispielsweise stufenlos, einstellbar. Dabei ist beispielsweise mittels der Linearübersetzung die Rotationsbewegung des Handrads in eine translatorische Bewegung eines Kolbens des Geberzylinders übersetzbar, welche mittels der Hydraulikeinheit in eine Anpresskraft an Nehmerzylinder an der Rutschkupplung übersetzbar ist. Beispielsweise ist die Linearübersetzung als ein Spindelantrieb ausgeführt.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass das Wasserfahrzeug als ein batterieelektrisches Wasserfahrzeug mit einer Traktionsbatterie ausgeführt ist.
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Gemäß der hier vorgeschlagenen Ausführungsform ist das Wasserfahrzeug ein batterieelektrisches Wasserfahrzeug. Ein solches batterieelektrisches Wasserfahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie. Die Traktionsbatterie steht in elektrischer Verbindung mit der elektrischen Antriebsmaschine. Somit ist die elektrische Antriebsmaschine mittels der Traktionsbatterie mit einer elektrischen Leistung versorgbar. Beispielsweise ist die Traktionsbatterie eine Hochvoltbatterie. Beispielsweise weist die Traktionsbatterie eine Mehrzahl an Batteriemodulen und/oder Batteriezellen auf. Bevorzugt ist die Traktionsbatterie in einem Rumpf, beispielsweise unterhalb der Wasserlinie, des Wasserfahrzeugs angeordnet.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Wasserfahrzeugs vorgeschlagen, dass die elektrische Antriebsmaschine als ein Innenbordmotor ausgeführt ist.
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Ein sogenannter Innenbordmotor ist im vorliegenden Fall eine elektrische Antriebsmaschine, welche innerhalb eines Rumpfs des Wasserfahrzeugs angeordnet ist. Das ein mittels des Innenbordmotors erzeugtes Antriebsmoment ist mittels einer Welle an die Antriebsseite der Rutschkupplung übertragbar, sodass die Vortriebseinrichtung das Drehmoment aufnimmt und einen Vortrieb des Wasserfahrzeugs generiert. Bevorzugt ist somit auch die Rutschkupplung in dem Rumpf des Wasserfahrzeugs angeordnet.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: eine Rutschkupplung mit einer Steuereinrichtung in einer schematischen Ansicht;
- 2: die Rutschkupplung aus 1 in einer schematischen Querschnittansicht; und
- 3: ein Wasserfahrzeug mit einer Rutschkupplung nach 2 in einer schematischen Seitenansicht.
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In 1 ist eine Rutschkupplung 4 mit einer Hydraulikeinheit 9 in einer schematischen Ansicht gezeigt.
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Die Steuereinrichtung 7 umfasst eine Hydraulikeinheit 9 und ein Handrad 12. Die Hydraulikeinheit 9 weist einen Geberzylinder 10 und einen Nehmerzylinder 11 auf, welche hydraulisch mittels Hydraulikleitungen 16 miteinander verbunden sind. Ferner umfasst die Hydraulikeinheit 9 darstellungsgemäß ein Ausgleichsbehälter 17, in welchem Hydraulikflüssigkeit vorgehalten ist. Beispielsweise ist der Ausgleichsbehälter 17 ausgelegt, Druckschwankungen oder Leckage der Hydraulikflüssigkeit auszugleichen. Mittels des Nehmerzylinders 11 ist eine Anpresskraft auf eine Rutschkupplung 4 aufbringbar oder reduzierbar, welche die Mehrzahl von Kupplungsscheiben 18 axial gegeneinander verpresst und eine Pressverbindung bereitstellt, mittels welcher eine Drehmomentübertragung bis zu einem maximalen übertragbaren Drehmoment umsetzbar ist.
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Bevorzugt ist mittels einer (hier nicht dargestellten) axial wirkenden Feder eine Federkraft auf die Kupplungsscheiben 18 aufgebracht, mittels welcher die Kupplungsscheiben 18 miteinander verpresst werden. Wenn keine Gegenkraft mittels der Hydraulikeinheit 9 aufgebracht wird, wirkt die Federkraft also als Anpresskraft. Um die Anpresskraft, also das maximal übertragbare Drehmoment zu reduzieren, ist mittels der Hydraulikeinheit 9 also die Gegenkraft gegen die Federkraft aufbringbar.
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Mittels des Handrads 12 und einer Linearübersetzung 13, welche die Rotationsbewegung des Handrads 12 in eine translatorische Bewegung übersetzt, ist ein Steuersignal auf den Geberzylinder 10 aufbringbar. Der Geberzylinder 10 übersetzt das Steuersignal, beispielsweise mittels eines Kolbens, in einen Hydraulikdruck innerhalb der Hydraulikeinheit 9, sodass dieser an dem Nehmerzylinder 11 mittels eines linearen Vorspannungsgeber 8 als Anpresskraft oder Gegenkraft gegen die Federkraft auf die Rutschkupplung 4 aufbringbar ist. Mittels der Anpresskraft sind entsprechend die Kupplungsscheiben 18 der Antriebsseite 5 und der Abtriebsseite 6 der Rutschkupplung 4 miteinander verpresst.
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Die Antriebsseite 5 ist drehmomentübertragend mit der elektrischen Antriebsmaschine 2 verbunden und die Abtriebsseite 6 der Rutschkupplung 4 ist drehmomentübertragend mit einer Vortriebseinrichtung 3 verbunden.
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Die Linearübersetzung 13 ist beispielsweise als ein Spindelantrieb ausgeführt und zur Erzeugung des Steuersignals, welches mittels des Handrads 12 einstellbar ist, eingerichtet.
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In 2 ist eine Rutschkupplung 4 aus 1 in einer schematischen Querschnittansicht gezeigt. Die Rutschkupplung 4 umfasst die, darstellungsgemäß linke, Antriebsseite 5, die, darstellungsgemäß rechte, Abtriebsseite 6 und dazwischen eine Mehrzahl von, hier drei, Kupplungsscheiben 18. Die Kupplungsscheiben 18 sind reibschlüssig miteinander verpresst, sodass ein Drehmoment von der Antriebsseite 5 zu der Abtriebsseite 6 übertragbar ist. Mittels des Nehmerzylinders 11 beziehungsweise der Steuereinrichtung 7 ist die Anpresskraft axial auf die Kupplungsscheiben 18 aufbringbar oder reduzierbar, sodass eine Drehmomentübertragung darstellbar ist.
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Übersteigt ein aktuelles an der Rutschkupplung 4 anliegendes Drehmoment, beispielsweise bei einem Drehmomentschlag, das maximale Drehmoment, so rutschen die Kupplungsscheiben 18 durch und es wird kein beziehungsweise geringeres, beispielsweise das maximal übertragbare, Drehmoment übertragen. Somit stellt die Rutschkupplung 4 eine Schutzkomponente gegenüber Drehmomentschlägen dar.
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In einem (hier nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel ist das Steuersignal mittels einer Pumpe auf den Nehmerzylinder 11 übertragbar, wobei die Pumpe einen Hydraulikdruck in einer Hydraulikeinheit 9 erhöht oder senkt (vergleiche 1).
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Die Antriebsseite 5 und die Abtriebsseite 6 weisen hier Steckverzahnungen auf, welche zur Drehmomentübertragung an Wellen eingerichtet sind. Dabei ist die Antriebsseite 5 mit einer elektrischen Antriebsmaschine 2, beispielsweise als ein Innenbordmotor 15 ausgeführt (vergleiche 3), mittels zumindest einer Welle drehmomentübertragend verbunden und die Abtriebsseite 6 mittels zumindest einer anderen Welle mit einer Vortriebseinrichtung 3 drehmomentübertragend verbunden. Die Vortriebseinrichtung 3 ist beispielsweise für den Vortrieb eines Wasserfahrzeug 1 eingerichtet.
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In 3 ist ein Wasserfahrzeug 1 mit einer Rutschkupplung 4 nach 2 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Das Wasserfahrzeug 1 umfasst eine Traktionsbatterie 14, eine elektrische Antriebsmaschine 2 und eine Vortriebseinrichtung 3. Die elektrische Antriebsmaschine 2 ist mittels der Traktionsbatterie 14 mit elektrischer Energie versorgbar und dient als Drehmomentquelle für die Vortriebseinrichtung 3. Die elektrische Antriebsmaschine 2 ist mit der Vortriebseinrichtung 3 drehmomentübertragend verbunden, wobei die Vortriebseinrichtung 3 zum Vortrieb des Wasserfahrzeugs 1 eingerichtet ist und hier rein optional als ein Propeller ausgeführt ist. Alternativ ist die Vortriebseinrichtung 3 als eine Schiffsschraube, ein sogenannter Z-Antrieb oder einem Wasserstrahlantrieb ausgeführt.
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Zwischen der elektrischen Antriebsmaschine 2, hier als ein Innenbordmotor 15 ausgeführt, und der Vortriebseinrichtung 3 ist eine Rutschkupplung 4 gemäß 2 angeordnet. Die Rutschkupplung 4 ist mit einer Hydraulikeinheit 9 gemäß 1 verbunden, wobei die Steuereinrichtung 7 mittels einer Hydraulikleitung 16 an der Brücke des Wasserfahrzeugs 1 angeordnet ist. Mittels des Handrads 12 ist das Steuersignal und damit die Anpresskraft an der Rutschkupplung 4 einstellbar und mittels der Hydraulikeinheit 9 übertragbar.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Wasserfahrzeug mit einer Rutschkupplung ist ein maximal übertragbares Drehmoment an der Rutschkupplung einstellbar und eine Komponentensicherheit für eine elektrische Antriebsmaschine darstellbar.