-
Die
Erfindung betrifft einen Antrieb mit Energierückgewinnung.
-
Aus
der
AT 395 960 B ist
ein Antrieb mit Rückgewinnung
von kinetischer Energie bekannt. Bei dem Antrieb sind eine hydrostatische
Kolbenmaschine als Pumpe und ein Hydromotor in einem geschlossenen
Kreislauf verbunden. Mit den beiden die Kolbenmaschinen verbindenden
Arbeitsleitungen ist jeweils ein Speicher verbunden. Die Pumpe ist
zur Förderung
in einer Richtung ausgelegt und wird durch eine Antriebsmaschine
angetrieben. Die förderseitige
Arbeitsleitung ist mit einem Hochdruckspeicher verbunden.
-
Während des
Fahrbetriebs wird der Hydromotor, der ausgehend aus einer Neutralstellung
in zwei Richtungen ausschwenkbar ist, in einer ersten Richtung ausgelenkt
und somit durch den von der Hydropumpe in der förderseitigen Arbeitsleitung
erzeugten Druck als Hydromotor betrieben. Ist eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit
erreicht, so wird der Ausschlag zurückgenommen und vorzugsweise
bis Null reduziert, so dass das Fahrzeug frei rollt. Um das Fahrzeug
abzubremsen, wird der Hydromotor in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt,
so dass er nun seinerseits in die förderseitige Arbeitsleitung
Druckmittel fördert.
Das in die förderseitige
Arbeitsleitung geförderte
Druckmittel wird unter Erhöhung
des Drucks in dem Hochdruckspeicher gespeichert. Zur anschließenden Entnahme
der dort gespeicherten Druckenergie wird der Hydromotor wieder in
seine ursprüngliche
Richtung ausgeschwenkt und das unter hohem Druck in dem Hochdruckspeicher
gespeicherte Druckmittel über
den das Fahrzeug antreibenden Hydromotor in Richtung des Niederdruckspeichers entspannt.
Der Niederdruckspeicher sorgt dabei für einen Ausgleich des Volumenstroms.
-
Bei
dem beschriebenen Antrieb ist es nachteilig, dass unabhängig von
der jeweiligen Fahrsituation die Speichereinrichtung zum Speichern
und Rückgewinnen
der kinetischen Energie mit dem hydrostatischen Antrieb verbunden
ist. Ferner lässt
sich eine solche Anordnung, bei der die Speicher mit den Arbeitsleitungen
verbunden sind, nur im Zusammenhang mit einem hydrostatischen Getriebe
einsetzen. Die Speicher sind permanent mit dem Arbeitskreislauf
verbunden. Ein Entkoppeln und somit eine Unterscheidung zwischen
einem Arbeitsbetrieb oder beispielsweise einer Überführungsfahrt ist dagegen nicht
möglich.
Die permanente Anbindung des Hochdruckspeichers sorgt zudem für eine unerwünschte Kompressibilität im Bereich
der Druckbeaufschlagung des Hydromotors.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb mit einer einfachen
und preiswerten Möglichkeit zum
Zuschalten eines Systems zur Energierückgewinnung zu schaffen.
-
Die
Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Antrieb mit Energierückgewinnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Gemäß dem Anspruch
1 weist der Antrieb eine erste Triebwelle eines Antriebsstrangs
und eine zweite Triebwelle auf. Die zweite Triebwelle ist mit einer
hydrostatischen Kolbenmaschine verbunden. Der Antrieb umfasst weiter
zumindest einen Speicher zum Speichern von Druckenergie. Die erste
Triebwelle und die zweite Triebwelle sind über eine Getriebestufe miteinander
verbindbar, die zumindest ein erstes und ein zweites Zahnrad umfasst.
Dabei ist das zweite Zahnrad als Schieberad ausgeführt.
-
Der
erfindungsgemäße Antrieb
erlaubt es, durch das als Schieberad ausgeführte Zahnrad der Getriebestufe,
die erste und die zweite Triebwelle lediglich bei Bedarf miteinander
zu koppeln. Damit kann das Zuschalten von zur Energierückgewinnung benötigten Komponenten
auf solche Betriebssituationen beschränkt bleiben, in denen eine
Rückgewinnung
von kinetischer Energie Vorteile bringt. Bei Verwendung in einem
Baustellenfahrzeug beispielsweise ist dies der Arbeitsbetrieb auf
der Baustelle. Eine Überführungsfahrt
dagegen kann durch Verschieben des Schieberads durch einen Fahrantrieb
erfolgen, welcher unabhängig
von einer Energierückgewinnung
arbeitet.
-
Durch
das Ankoppeln der Energierückgewinnung
mittels einer schaltbaren Getriebestufe kann der Fahrantrieb selbst
in beliebiger Weise ausgebildet werden. Die Energierückgewinnung
dagegen wird durch eine zusätzliche
hydrostatische Kolbenmaschine durchgeführt, wobei aufgrund der möglichen
Abschaltung Plantsch- und Schleppverluste vermieden werden. Die
einfache Ausführung
der Zuschaltbarkeit mittels eines Schieberads in der Getriebestufe
hat ferner den Vorteil, dass eine aufwendige Kupplungsmechanik entfällt. Es
ist lediglich eine Betätigung
zur axialen Verschiebung des Schieberads erforderlich. Zwar ist
damit ein Zuschalten oder Abschalten der Energierückgewinnung
nur im Stand des Fahrzeugs bzw. bei Stillstand der Triebwellen möglich, ein
solcher Stillstand ist jedoch einfach beim Wechsel zu dem Arbeitsbetrieb
auf einer Baustelle herbeizuführen.
Anschließend
kann das Schieberad wieder ausgekuppelt werden, wenn am Ende eines Arbeitseinsatzes
wieder eine Überführungsfahrt durchzuführen ist.
Im Gegensatz zu einer Lösung
mit Kupplung ist die vorgeschlagene Lösung mit Schieberad robust
und wenig verschleißanfällig.
-
In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Antriebs ausgeführt.
-
So
ist es insbesondere vorteilhaft, dass das als Schieberad ausgeführte Zahnrad
auf der zweiten Triebwelle verschiebbar angeordnet ist. Damit wird während einer Überführungsfahrt
das durch seine Ausbildung als Schieberad nicht fest mit der Triebwelle
verbundene Zahnrad durch den Fahrantrieb nicht mitgedreht. Das erste
Zahnrad kann dagegen fest mit der ersten Triebwelle verbunden sein,
wodurch wiederum eine Verschleißminderung
eintritt.
-
Zum
Verbessern des Schaltkomforts ist es weiterhin vorteilhaft, an dem
ersten Zahnrad und an dem zweiten Zahnrad jeweils eine Axialverzahnung vorzusehen.
Mit Hilfe der Axialverzahnung erfolgt eine Verbesserung des Eingriffs
der als Stirnräder ausgeführten Zahnräder. Eine
Folge davon ist eine Verminderung des Schaltrucks beim Zuschalten
des Systems zur Energierückgewinnung.
-
Auch
während
des Baustellenbetriebs kann es erforderlich sein, eine weite Förderung
von Druckmittel durch die hydrostatische Kolbenmaschine in einen
Hochdruckspeicher zu verhindern. Da im Baustellenbetrieb vorgesehen
ist, dass die beiden Zahnräder
im Eingriff bleiben, ist es vorteilhaft, die hydrostatische Kolbenmaschine
als verstellbare Kolbenmaschine auszuführen. Dies erlaubt es, in einer
solchen Situation, in der eine weitere Aufnahme von Druckmittel
in den Hochdruckspeicher nicht möglich ist,
die hydrostatische Kolbenmaschine auf ein Null-Fördervolumen
zu verstellen. Eine weitere Förderung
von Druckmittel unterbleibt und die gespeicherte kinetische Energie
ist jederzeit abrufbar. Dazu ist die hydrostatische Kolbenmaschine
weiterhin über das
erste und das zweite Zahnrad der Getriebestufe mit der ersten Triebwelle
verbunden. Zur Entnahme von Druckmittel genügt es daher, das Fördervolumen der
hydrostatischen Kolbenmaschine wieder auf ein der zu entnehmenden
Energie entsprechendes Schluckvolumen zu verstellen.
-
Zudem
ist es vorteilhaft, die hydrostatische Kolbenmaschine zwischen einem
ersten Speicher und einem zweiten Speicher Druckmittel fördern zu lassen.
Die Anordnung der Kolbenmaschine zwischen einem ersten Speicher
und einem zweiten Speicher hat den Vorteil, dass auch auf der Niederdruckseite
der hydrostatischen Kolbenmaschine ein gewisser Vordruck durch den
zweiten Speicher erzeugt wird. Der Vordruck in dem geschlossenen
System verhindert auf der Saugseite der hydrostatischen Kolbenmaschine
das Entstehen von Kavitation.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
verbindet die erste Triebwelle einen Antriebsmotor mit einem Getriebe
des Fahrzeugantriebs. Dabei kann die Triebwelle durch die Abtriebswelle
des Antriebsmotors selbst gebildet sein oder als Bestandteil einer
Verbindungswelle zwischen Antriebsmotor und Getriebe ausgeführt sein.
Das erste Zahnrad ist dabei vorzugsweise fest mit der ersten Triebwelle
verbunden. Durch die Ankopplung des Systems zur Energierückgewinnung
an eine mit dem Antriebsmotor verbundene Triebwelle stehen relativ hohe
Drehzahlen der Triebwelle zum Antrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine
zur Verfügung.
Eine Anpassung der hohen Abtriebsdrehzahlen des Antriebsmotors an
den idealen Drehzahlbereich für
die hydrostatische Kolbenmaschine wird dabei durch die Getriebestufe
erreicht.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Triebwelle eine Getriebeausgangswelle eines Getriebes des
Antriebs. Die Anordnung auf der Getriebeausgangsseite hat dagegen
den Vorteil, dass die mit hohen Drehzahlen rotierenden Massen gering
gehalten werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Antriebs
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Antriebs
mit Energierückgewinnung.
-
In
der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Antrieb 1 mit
Energierückgewinnung
dargestellt. Der Antrieb 1 umfasst als primäre Kraftquelle einen
Antriebsmotor 2. Der Antriebsmotor 2 ist mit einer
ersten Triebwelle 3 verbunden. Die erste Triebwelle 3 kann
dabei die Abtriebswelle des Antriebsmotors 2 oder eine
damit verbundene Zwischenwelle sein. Der erfindungsgemäße Antrieb 1 verfügt über ein
System zur Energierückgewinnung
mit einer zweiten Triebwelle 4. Die zweite Triebwelle 4 ist
mit einer hydrostatischen Kolbenmaschine 5 verbunden.
-
Die
hydrostatische Kolbenmaschine 5 ist für eine Förderung von Druckmittel in
zwei Richtungen ausgelegt und vorzugsweise in ihrem Fördervolumen einstellbar.
Zum Antreiben der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sind
die erste Triebwelle 3 und die zweite Triebwelle 4 miteinander
koppelbar. Die Kopplung erfolgt über
eine Getriebestufe 6. Die Getriebestufe 6 umfasst
ein erstes Zahnrad 7 und ein zweites Zahnrad 8.
Das zweite Zahnrad 8 ist als Schieberad ausgeführt.
-
Das
Schieberad 8 ist auf einer Verzahnung 9 der zweiten
Triebwelle 4 axial verschieblich angeordnet. Hierzu ist
die Verzahnung 9 an der zweiten Triebwelle 4 ausgeführt und
wirkt mit einer Innenverzahnung 10 des zweiten Zahnrads 8 zusammen.
Damit ist das zweite Zahnrad 8 längsverschieblich auf der zweiten
Triebwelle 4 angeordnet und drehfest mit diesem gekoppelt.
-
Das
erste Zahnrad 7 und das zweite Zahnrad 8 sind
als Stirnräder
ausgeführt.
Die Abstände
der ersten Triebwelle 3 und der zweiten Triebwelle 4 ermöglichen
ein Eingreifen der Verzahnungen des ersten Zahnrads 7 und
des zweiten Zahnrads 8. Damit ist ein Drehmoment von der
ersten Triebwelle 3 über die
zweite Triebwelle 4 der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 zuführbar. Zum
Auskuppeln des Systems zur Energierückgewinnung, bestehend aus
der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sowie einem ersten Speicher 11 und
einem zweiten Speicher 12, ist das zweite Zahnrad 8 auf
der zweiten Triebwelle 4 verschiebbar. In der 1 wird
das zweite Zahnrad 8 zum Auskuppeln nach links in der Verzahnung 9 verschoben,
bis die stirnseitige Verzahnung des zweiten Zahnrads 8 nicht
mehr im Eingriff mit der stirnseitigen Verzahnung des ersten Zahnrades 7 ist.
-
Das
System zur Energierückgewinnung
mit dem ersten Speicher 11 und dem zweiten Speicher 12 bildet
zusammen mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sowie
der ersten Speicherleitung 13 und der zweiten Speicherleitung 14 eine hydraulische Wiege
aus. Durch die hydrostatische Kolbenmaschine 5 ist Druckmittel
aus dem als Niederdruckspeicher ausgeführten zweiten Speicher 12 über die
zweite Speicherleitung 14 ansaugbar und unter Erhöhung des
in dem ersten Speicher 11 herrschenden Drucks in diesen
förderbar.
Der erste Speicher 11 ist als Hochdruckspeicher ausgelegt
und über
die erste Speicherleitung 13 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 verbunden.
-
Um
die hydrostatische Kolbenmaschine 5 in ihrem optimalen
Wirkungsgradbereich arbeiten lassen zu können, ist das Übersetzungsverhältnis der Getriebestufe 6 an
die optimale Drehzahl 5 und die Drehzahl der ersten Triebwelle 3 angepasst.
-
Der
erfindungsgemäße Antrieb 1 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Fahrantrieb ausgeführt.
Der Fahrantrieb umfasst ein hydrostatisches Getriebe 15.
Das hydrostatische Getriebe 15 wird durch die erste Triebwelle 3 als
Getriebeeingangswelle angetrieben. Auf der Ausgangsseite ist eine Getriebeausgangswelle 16 zur
Weiterleitung des verfügbaren
Drehmoments an eine angetriebene Fahrzeugachse vorgesehen. Das hydrostatische
Getriebe 15 weist ferner eine Hydropumpe 17 sowie
einen Hydromotor 18 auf. Sowohl die Hydropumpe 17 als auch
der Hydromotor 18 sind vorzugsweise als verstellbare Kolbenmaschinen
ausgeführt.
Die Hydropumpe 17 und der Hydromotor 18 sind in
einem geschlossenen Kreislauf über
eine erste Arbeitsleitung 19 sowie einen zweite Arbeitsleitung 20 miteinander verbunden.
Die erste Triebwelle 3, das hydrostatische Getriebe 15 und
die Getriebeansaugwelle 16 bilden zumindest einen Abschnitt
eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. Anstelle des hydrostatischen
Getriebes 15 können
auch andere Getriebevarianten eingesetzt werden.
-
Um
einen Schaltruck, der bei Verschiebung des zweiten Zahnrads 8 in
Richtung der Rotationsebene des ersten Zahnrads 7 während des
Eingriffs der stirnseitigen Verzahnungen der beiden Zahnräder 7 und 8 entsteht,
zu verringern, ist an dem ersten Zahnrad 7 und dem zweiten
Zahnrad 8 jeweils eine Axialverzahnung 21, 22 angeordnet.
Durch die Axialverzahnungen 21, 22 wird ein Mitnahmeeffekt
des zweiten Zahnrads 8 erzeugt, der ähnlich wie bei einer Synchronisation
für eine
Drehzahlangleichung des zweiten Zahnrads 8 an die Drehzahl
des ersten Zahnrads 7 sorgt. Infolge dessen wird der Winkelunterschied
zwischen dem ersten Zahnrad 7 und dem zweiten Zahnrad 8 während des
Eingriffs der stirnseitigen Verzahnungen der beiden Zahnräder ausgeglichen.
Die Axialverzahnungen 21, 22 sind auf den in ausgekuppeltem
Zustand aufeinander zu orientierten Flächen des ersten und des zweiten
Zahnrads 7, 8 angeordnet.
-
Während eines
normalen Fahrbetriebs wird die Fahrgeschwindigkeit des durch den
Antrieb 1 angetriebenen Fahrzeugs ausschließlich durch
den Antriebsstrang mit dem Antriebsmotor 2, der ersten Triebwelle 3 sowie
dem hydrostatischen Getriebe 15 und der Getriebeausgangswelle 16 bestimmt.
Das zweite, als Schieberad ausgeführte Zahnrad 8 befindet
sich in seiner linken Position, in der die Verbindung zwischen der
ersten Triebwelle 3 und der zweiten Triebwelle 4 unterbrochen
ist. Während
eines solchen Fahrbetriebs, der z. B. für Überführungsfahrten vorgesehen sein
kann, ist damit das System zur Energiespeicherung von dem Antriebsstrang
getrennt. Um während
eines Baustellenbetriebs die Energiespeicherung sowie Rückgewinnung
nutzen zu können,
wird im Stillstand des Fahrzeugs das zweite Zahnrad 8 in
der Verzahnung 9 der zweiten Triebwelle 4 verschoben,
bis sich das zweite Zahnrad 8 und das erste Zahnrad 7 in
der in der 1 gezeigten Position befinden
und somit die Verzahnungen der Stirnräder ineinander eingreifen.
Die erste Triebwelle 3 ist somit mit der zweiten Triebwelle 4 gekoppelt
und entsprechend der Drehzahl der ersten Triebwelle 3 wird
die hydrostatische Kolbenmaschine 5 angetrieben. Während eines
Bremsvorgangs wird die hydrostatische Kolbenmaschine 5 dabei
als Pumpe betrieben und fördert
in bereits beschriebener Weise Druckmittel aus dem zweiten Speicher 12 in
den ersten Speicher 11. Durch Verstellung des Förder- bzw. Schluckvolumens
der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 auf einen sogenannten
Null-Hub ist es möglich,
ohne das zweite Zahnrad 8 auf der Verzahnung 9 zu
verschieben, ein weiteres Fördern
von Druckmittel in den ersten Speicher 11 zu verhindern.
Zudem kann die Bremsleistung durch Einstellen des Fördervolumens
stufenlos verändert
werden.
-
Ist
der Bremsvorgang abgeschlossen, so ist die kinetische Energie des
abgebremsten Fahrzeugs in dem ersten Speicher 11 als Druckenergie
gespeichert. Diese Druckenergie kann anschließend wieder genutzt werden,
indem die hydrostatische Kolbenmaschine 5 als Hydromotor
betrieben wird. Das unter hohem Druck in dem ersten Speicher 11 gespeicherte
Druckmittel wird dann über
die erste Speicherleitung 13 und die hydrostatische Kolbenmaschine 5 entspannt.
Dabei wird die hydrostatische Kolbenmaschine 5 angetrieben
und überträgt ein Drehmoment auf
die zweite Triebwelle 4. Dieses Abtriebsdrehmoment der
hydrostatischen Kolbenmaschine 5 wird über die Getriebestufe 6 auf
die erste Triebwelle 3 übertragen
und somit dem hydrostatischen Getriebe 15 zugeführt. Entsprechend
der gewählten Übersetzung
des hydrostatischen Getriebes 15 wirkt somit aufgrund der
in dem ersten Speicher 11 gespeicherten Druckenergie ein
Antriebsmoment an der Getriebeausgangswelle 16.
-
In
der 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei
der eine Kopplung über
die erste Triebwelle 3 erfolgt, welche in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
eine Verbindungswelle zwischen dem Antriebsmotor 2 und
dem hydrostatischen Getriebe 15 darstellt. Die erste Triebwelle 3 kann
dabei beispielsweise eine Getriebeeingangswelle des hydrostatischen
Getriebes 15 sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das
erste Zahnrad 7 mit der Getriebeausgangswelle 16 als
erste Triebwelle 3 zu verbinden. Dadurch werden die Drehzahlen, mit
denen das erste Zahnrad 7 angetrieben wird, deutlich reduziert.
Eine Erhöhung
der Drehzahl zum Antreiben der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 lässt sich
durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses
der Getriebestufe einstellen.
-
Die
Axialverzahnungen 21, 22 des ersten bzw. zweiten
Zahnrads 7, 8 sind gemäß einer einfachen Ausführung durch
mit den Zahnrädern 7, 8 verschraubte
Ringe realisiert. In einer aufwendigeren Ausführung kann auch eine Synchronisiereinrichtung vorgesehen
sein. Die Verschiebung des zweiten Zahnrads 8 erfolgt in
nicht dargestellter Weise mit Hilfe von einer Schaltgabel, welche über eine
ebenfalls nicht dargestellte Betätigungseinrichtung
eine axiale Verschiebebewegung des zweiten Zahnrads 8 bewirkt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr
sind auch Abweichungen von einzelnen Merkmalen des dargestellten
Ausführungsbeispiels
möglich,
ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.