Fahrzeugantriebssystem, Verfahren und Steuerungsprogramm zum Betrieb eines Fahrzeugantriebssystems

Insbesondere bei Containerhafenanlagen besteht das Bedürfnis nach Antriebssystemen, mit denen große Lasten schnell bewegt werden können, um auf diese Weise Umschlagszeiten für in Containern transportierten Gütern zu minimieren. Bisherige Rad- Schiene-Systeme können diese Anforderungen speziell bei sehr großen Containerhafenanlagen aufgrund verhältnismäßig geringer maximaler Beschleunigung im Bereich von ca. 0,4 m/s ² und sich daraus ergebender langer Transportzeiten nur ansatzweise erfüllen. Deutlich bessere Beschleunigungswerte und höhere Geschwindigkeiten bieten in W. -R. Canders et al . „Linear Motor Transfer Technology (LMTT) for Container Terminals" LDIA '98 Tokyo, Japan beschriebene Linearmotorsysteme.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der vorlie ^¬ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Fahrzeugantriebssystem anzugeben, das einen schnellen Transport schwerer Lasten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeugan ^¬ triebssystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein Verfahren und ein Steuerungsprogramm zum Betrieb eines Fahrzeugantriebssystems sind in den Ansprüchen 7 und 11 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine entlang eines Fahrweges bewegliche Antriebskette vorgesehen ist, und daß das erfindungsgemäße Fahrzeugan-

triebssystem zumindest eine an einem Fahrzeug vorgesehene An ^¬ triebseinheit mit einem in die Antriebskette greifenden Zahn ^¬ rad und eine auf das Zahnrad einwirkenden Bremseinrichtung aufweist. Ein solches Fahrzeugantriebssystem erlaubt für Las- ten von mehr als 100t Gewicht Beschleunigungen mit mindestens 1 m/s ² .

Ein besonders günstiger Systemaufbau ergibt sich erfindungs ^¬ gemäß, wenn die Antriebskette entlang eines zweiten im we- sentlichen parallelen Fahrweges umlaufend beweglich ist. Außerdem ist am Fahrzeug eine zweite Antriebseinheit vorgesehen ist, deren Zahnrad in eine zweite entlang des Fahrweges ge ^¬ genläufig bewegliche Antriebskette greift. Hierdurch kann ei ^¬ ne Antriebskette für mehrere Fahrwege gleichzeitig zum Be- schleunigen oder Bremsen genutzt werden.

Eine besonders wirksame Kraftübertragung ergibt sich entspre ^¬ chend einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, wenn zumindest ein Zahnrad formschlüssig in eine An- triebskette greift.

Eine Bremseinrichtung kann entweder als Wirbelstrombremse o- der als in ein Stromnetz und/oder Batteriesystem zurückspeisender Gleichstrom-, Wechselstrom oder Drehstrommotor ausges- taltet sein. Auch eine Kombination aus Wirbelstrombremse und zusätzlichem elektrischen Generator zur Versorgung elektrischer Verbraucher im Fahrzeug ist möglich. Eine Verwendung eines generatorisch betreibbaren Elektromotors als Bremseinrichtung bietet den Vorteil einer Energierückgewinnung an- stelle einer Umsetzung von kinetischer Energie in thermische Energie wie bei herkömmlichen Bremseinrichtungen.

Zur bedarfsgerechten Regelung von Beschleunigung und Verzögerung ist eine Bremseinrichtung hinsichtlich ihres Bremsmoments vorzugsweise zwischen Leerlauf und vollem Bremsmoment stufenlos regulierbar.

Eine für das Fahrzeugantriebssystem gemäß Anspruch 1 geeignete Fahrzeugantriebseinheit umfaßt erfindungsgemäß ein Zahnrad zum Eingriff in eine entlang eines Fahrweges bewegliche An ^¬ triebskette und eine auf das Zahnrad einwirkende Bremsein- richtung.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugantriebssystems wird zumindest eine umlaufende Antriebskette mit im wesentlichen konstanter Umlaufgeschwin- digkeit betrieben. Vorzugsweise wird ein Fahrzeug durch Aus ^¬ üben eines Bremsmoments auf ein Zahnrad beschleunigt, das in eine sich entlang des Fahrwegs in Fahrtrichtung bewegende Antriebskette greift. In einer zweiten Stufe kann das Fahrzeug darüber hinaus durch Ausüben eines Antriebsmoments auf das Zahnrad beschleunigt werden, das in die sich entlang des Fahrwegs in Fahrtrichtung bewegende Antriebskette greift.

Ein Abbremsen eines Fahrzeugs erfolgt vorzugsweise durch Aus ^¬ üben eines Bremsmoments auf ein Zahnrad, das in eine sich entlang des Fahrwegs entgegen der Fahrtrichtung bewegende Antriebskette greift. Als Bremseinrichtungen können in ein Batteriesystem zurückspeisende Motoren verwendet werden und die Bremseinrichtungen bei Fahrzeugstillstand derart motorisch betrieben werden, daß betragsmäßig gleich große entgegenge- richtete Antriebsmomente auf gegenläufige Antriebsketten ü- bertragen werden, welche die Antriebsmomente auf generato ^¬ risch betriebene Antriebseinheiten der Antriebsketten übertragen. Durch die gleichmäßig auf die Antriebsketten verteil-

ten Antriebsmomente heben sich Krafteinwirkungen auf das Fahrzeug bei einer Energierückspeisung im Stillstand gegenseitig, so daß die Fahrzeugpositionierung nicht nachteilig beeinflußt wird.

Darüber hinaus bietet ein geregeltes Beschleunigen mittels einer sich in Fahrtrichtung bewegenden Antriebskette und ein geregeltes Bremsen mittels einer sich entgegen der Fahrtrichtung bewegenden Antriebskette den Vorteil einer sehr genauen Positionierbarkeit des Fahrzeugs.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugan ^¬ triebssystems wird bevorzugt durch ein Steuerungsprogramm implementiert, das in einen Arbeitsspeicher eines Rechners lad- bar ist. Das Steuerungsprogramm weist zumindest einen Codeab ^¬ schnitt auf, bei dessen Ausführung zumindest eine umlaufende Antriebskette mit im wesentlichen konstanter Umlaufgeschwindigkeit betrieben wird, wenn das Steuerungsprogramm im Rechner abläuft. Außerdem wird ein Fahrzeug durch Ausüben eines Bremsmoments auf ein Zahnrad beschleunigt, das in eine sich entlang des Fahrwegs in Fahrtrichtung bewegende Antriebskette greift. In entsprechender Weise wird ein Fahrzeug durch Aus ^¬ üben eines Bremsmoments auf ein Zahnrad abgebremst wird, das in eine sich entlang des Fahrwegs entgegen der Fahrtrichtung bewegende Antriebskette greift.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

Figur ein schematisch dargestelltes Fahrzeugantriebssys ^¬ tem in der Draufsicht.

Ein in der Figur dargestelltes Fahrzeug 11, 12 wird über um ^¬ laufende mechanische Ketten 21 - 23 angetrieben. Dabei läuft an einer Längsseite des Fahrzeugs 11, 12 die Kette 21 - 23 in einer ersten Richtung und an der gegenüberliegenden Längssei- te des Fahrzeugs 11, 12 eine weitere Kette 21 - 23 bzw. ein anderer Abschnitt derselben Kette 21 - 23 in einer zweiten entgegensetzten Richtung. Die umlaufenden Ketten werden 21 - 23 von zentralen Antriebseinheiten 31 - 33 auf konstanter Umlaufgeschwindigkeit gehalten. Diese konstante Umlaufgeschwin- digkeit kann beispielsweise so groß sein wie die zu errei ^¬ chende Endgeschwindigkeit eines Fahrzeugs 11, 12.

An jeden Fahrzeug 11, 12 ist im vorliegenden Beispiel mindes ^¬ tens eine Bremseinrichtung 111, 121 vorgesehen, die mittels eines Ritzels 112, 122 in die umlaufende Kette 21 - 23 greift. Das Ritzel 112, 122 ist an eine Bremseinheit gekop ^¬ pelt. Das Bremsmoment der Bremseinheit kann zwischen Leerlauf - kein Bremsmoment - und dem vollem Bremsmoment - Blockieren des Ritzels 112, 122 - stufenlos variiert werden. Das Brems- moment kann dabei einem vorgegebenen Sollwert folgen.

Im Leerlauf läuft die Kette 21 - 23 frei am Fahrzeug 11, 12 vorbei, und es wird keine Kraft von der Kette 21 - 23 auf das Fahrzeug übertragen. Das Fahrzeugs 11, 12 befindet sich bei- spielsweise während des Stillstandes im Leerlauf. Soll das

Fahrzeug 11, 12 in Bewegung gesetzt werden, so wird am Ritzel 112, 122 ein Bremsmoment vorgegeben. Entsprechend dem wirksa ^¬ men Durchmesser des Ritzels 112, 122 wird dadurch eine Vortriebskraft von der umlaufenden Kette 21 - 23 auf das Fahr- zeug 11, 12 übertragen. Die Mitnehmerkraft einer Bremseinheit ergibt sich aus dem Quotienten von Bremsmoment und wirksamem Radius des Ritzels 112, 122. An einem Fahrzeug 11, 12 können mehrere Bremseinheiten angebracht sein. Da je eine Längsseite

des Fahrzeugs 11, 12 für eine Fahrtrichtung zuständig ist, ergibt sich die gesamte Vorschubkraft aus der Summe der Vor ^¬ schubkräfte der Bremseinheiten an der entsprechenden Längsseite. Während das Fahrzeug 11, 12 durch die Mitnehmerkraft beschleunigt wird, verringert sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Kette 21 - 23 und Fahrzeug 11, 12. Wenn die Drehung des Ritzels 112, 122 vollständig abgebremst ist, dann läuft das Fahrzeug 11, 12 synchron zur Umlaufkette 21 - 23.

Es ist möglich, das Drehmoment, das von der Bremseinheit er ^¬ zeugt wird, mittels Getriebe auf das Ritzel 112, 122 anzupas ^¬ sen. Insbesondere bei der Verwendung von generatorisch oder magnetisch wirkenden Bremseinheiten kann dies sinnvoll sein.

Die Beschleunigung des Fahrzeugs 11, 12 kann über das Brems ^¬ moment der Bremseinrichtungen 111, 121 vorgegeben werden. Sofern die Ritzel 112, 122 formschlüssig in die Kette 21 - 23 eingreifen, sind wesentlich höhere Beschleunigungen als mit Rad-Schiene-Systemen möglich.

Soll das Fahrzeug 11, 12 verzögert werden, so kann Bremsmo ^¬ ment auf diejenigen Ritzel 112, 122 vorgegeben werden, die in die Umlaufkette 21 - 23 entgegen der Fahrtrichtung 4 eingreifen. Auf diese Wiese ist es möglich, durch entsprechend do- sierte Vorgabe von Bremsmomenten, das Fahrzeug 11, 12 an ei ^¬ ner gewünschten Position zum stehen zu bringen. Ist die gewünschte Position erreicht, kann das Fahrzeug durch Blockie ^¬ ren von Tragrädern in der jeweiligen Position gehalten werden. Das Verzögern des Fahrzeugs 11, 12 durch Eingriff in ei- ne Gegenkette ermöglicht höhere Verzögerungswerte als dies reibungsgebundene Rad-Schiene-System zulassen würden.

Zu Begin einer Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung groß, weil die Drehzahl des Ritzels groß ist. Gegen Ende des Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung gering, weil die Drehzahl des Ritzels gering ist. Da die Bremsleistung zeit- weise recht große Werte annehmen kann, erweist es sich als vorteilhaft, als Bremseinheit eine rückspeisefähige Einheit vorzusehen. Wird auf die Rückspeisefähigkeit verzichtet, dann vereinfacht sich der Aufwand. Die einzelnen Anwendungsszena ^¬ rien werden nachfolgend vorgestellt.

BREMSEINHEIT MIT PASSIVER MECHANISCHER BREMSE OHNE RüCKSPEISUNG

Die Leistungen einer Bremseinheit während des Beschleuni- gungsvorgangs sind vergleichbar mit Bremsleistungen von Lastkraftwagen. Daher könnte als Bremseinheit eine LKW-Bremse verwendet werden, die beispielsweise pneumatisch oder hydrau ^¬ lisch angesteuert wird. Im Gegensatz zum Sicherheitskonzept bei LKWs ist aber der sichere Zustand nicht die Blockierung sondern die öffnung der Bremse, weil bei blockierter Bremseinheit der Fahrzeug synchron zur Umlaufkette mitgezogen wird.

Die LKW-Bremse speist keine Energie zurück. Wenn dennoch e- lektrische Energie, beispielsweise für die Hilfs- und Steue ^¬ rungsfunktionen, im oder auf dem Fahrzeug zur Verfügung stehen soll, dann können zusätzlich kleinere Generatoreinheiten am Fahrzeug angebracht sein, die bei vorhandener Relativge ^¬ schwindigkeit zwischen Umlaufkette und Fahrzeug über das Rit- zel angetrieben werden. Wird das generatorische Drehmoment gleichmäßig auf zwei entlang eines Fahrweges zueinander ge ^¬ genläufige Kette aufgeteilt, dann verschwindet die Kraftwir ^¬ kung auf den Fahrzeug und stört die Positionierung nicht.

Anstelle von LKW-Bremseinheiten können auch Wirbelstrombrems- einheiten mit mechanisch oder elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld eingesetzt werden. Eine Wirbelstrombremseinheit mit elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld kann beispielswei ^¬ se ein Norm-Asynchronmotor sein, der mittels Gleichstrom erregt wird. Die Schlupfkennlinie eines solchen Norm- Asynchronmotors läßt sich dann mittels Getriebe an das erfor ^¬ derliche Drehmoment des Mitnehmerritzels anpassen.

BREMSEINHEIT MIT AKTIVER RüCKSPEISUNG üBER DREHSTROMMOTOREN

Als Bremseinheiten können bürstenlose Drehstrommotoren eingesetzt werden. Das Motormoment kann auch hier mittels Getriebe an das erforderlich Drehmoment des Ritzels angepaßt werden. Beim Bremsen wird die Energie in einen Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist. Damit die Zwischenkreisspannung während des Bremsens konstant bleibt, sollte der Gleichspan ^¬ nungszwischenkreis batteriegestützt sein.

Da beim Beschleunigen und Verzögern des Fahrzeugs stets Energie zurückgespeist wird, sollte drauf geachtet werden, daß die Energiebilanz des batteriegestützten Gleichspannungszwischenkreises ausgeglichen ist. Gegebenenfalls sollte über- schüssige Energie wieder aus dem Zwischenkreis entnommen wer ^¬ den. Dies kann beispielsweise beim Stillstand des Fahrzeugs geschehen. Im Fahrzeugstillstand können die Bremseinheiten motorisch betrieben werden. Wenn das Moment gleichmäßig auf die beiden gegenläufigen Ketten verteilt wird, hebt sich die Kraftwirkung auf das Fahrzeug auf und beeinträchtigt nicht die Genauigkeit der Positionierung. Die Kette wird die zuge ^¬ führte mechanische Energie dann an die zentralen Antriebsein ^¬ heiten abgeben, wobei die Motoren der zentralen Antriebsein-

heiten die Energie generatorisch in ein Stromnetz zurückspeisen .

Ein Ausgleich der Zwischenkreis-Energiebilanz kann auch da- durch erfolgen, daß die Kette mit geringerer Geschwindigkeit umläuft, als für die Endgeschwindigkeit der Fahrzeugs vorge ^¬ sehen ist. In einer ersten Beschleunigungsphase wird das Fahrzeug durch Bremsen des Ritzels und Mitziehen auf die Ge ^¬ schwindigkeit der Kette beschleunigt. In einer zweiten Phase werden die Bremseinheiten motorisch betrieben, so daß das

Fahrzeug gegenüber der Kette beschleunigt wird und eine höhe ^¬ re Geschwindigkeit als die der Kette annimmt.

Als Motoren für die aktive Rückspeisung mit Drehstrommotoren kommen grundsätzlich sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren in Frage.

BREMSEINHEIT MIT AKTIVER RüCKSPEISUNG üBER GLEICHSTROMMOTOREN

Beim Bremsen mit Drehstrombremseinheiten sind erforderliche Umrichter grundsätzlich für eine der Antriebsleistung des Fahrzeugs entsprechende Leistung auszulegen. Für typische An ^¬ wendungsfälle können dies mehrere 100 kW sein. Die Umrichter ^¬ leistung kann verkleinert werden, indem ein fremderregter Gleichstrommotor für die Bremseinheit verwendet wird. Durch Ansteuerung der Erregerwicklung läßt sich ein gewünschtes Bremsmoment einstellen. Im Vergleich zur Antriebsleistung ist dann zum Ansteuern der Erregerwicklung nur ein Bruchteil der Leistung notwendig.

Die Motorwicklung kann an einen Zwischenkreis geschaltet sein und Strom in diesen zurückspeisen. Im Leerlauf - Stillstand

des Fahrzeugs - kann die Motorwicklung vom Zwischenkreis ge ^¬ trennt werden.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.