DE102006014856A1 - Antriebssystem für ein Nutzfahrzeug, insbesondere für den Mineneinsatz - Google Patents

Antriebssystem für ein Nutzfahrzeug, insbesondere für den Mineneinsatz Download PDF

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Abstract

So genannte dieselelektrische Antriebssysteme wandeln die von großen Dieselmotoren erzeugte mechanische Energie mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie um und übertragen diese als Antriebsenergie auf die Antriebsmotoren von Mobilen. Die häufigsten Anwendungsgebiete für dieselelektrische Antriebssysteme sind Lokomotiven und Schiffe. Aber auch bei Nutzfahrzeugen, wie z. B. Lastkraftwagen, ist die Verwendung von dieselelektrischen Antriebssystemen üblich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für Nutzfahrzeuge bzw. ein Nutzfahrzeug derart weiterzubilden, dass diese flexibler an Arbeitsbedingungen anpassbar sind. Es wird ein Antriebssystem 1 für ein Nutzfahrzeug mit einem Generator 4, der zur Erzeugung von elektrischer Energie an einen Verbrennungsmotor 2 gekoppelt und/oder koppelbar ist, vorgeschlagen mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor 6a, b, der zur Versorgung mit der erzeugten elektrischen Energie mit dem Generator 4 verschaltet ist, und mit mindestens einem Getriebe 7a, b, wobei der mindestens eine Antriebsmotor 6a, b über das mindestens eine Getriebe 7a, b mit einem oder mehreren Antriebsrädern des Nutzfahrzeugs verbunden und/oder verbindbar ist und wobei das mindestens eine Getriebe als Verstellgetriebe 7a, b ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Nutzfahrzeug mit einem Generator, der zur Erzeugung von elektrischer Energie an einen Verbrennungsmotor gekoppelt und/oder koppelbar ist, mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor, der zur Versorgung mit der elektrischen Energie mittelbar und/oder unmittelbar mit dem Generator verschaltet ist und mit mindestens einem Getriebe, wobei der mindestens eine Antriebsmotor über das mindestens eine Getriebe mit einem oder mehreren Antriebsrädern des Nutzfahrzeugs verbunden und/oder verbindbar ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Nutzfahrzeug, insbesondere für den Mineneinsatz.
  • Sogenannte dieselelektrische Antriebssysteme wandeln die von Dieselmotoren erzeugte mechanische Energie mit Hilfe von Generatoren in elektrische Energie um und übertragen diese als Antriebsenergie auf die Antriebsmotoren von Mobilen. Die häufigsten Anwendungsgebiete für dieselelektrische Antriebssysteme sind Lokomotiven und Schiffe.
  • Aber auch bei Nutzfahrzeugen, wie z.B. Lastkraftwagen, ist die Verwendung von dieselelektrischen Antriebssystemen üblich. Gründe für den Einsatz der dieselelektrischen Antriebssysteme statt den klassischen Antriebssystemen mit Verbrennungsmotoren liegen vor allem darin, dass die Verbrennungsmotoren, z.B. die Dieselmotoren, nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich mit optimalem Wirkungsgrad betrieben und insbesondere nicht unter Last angefahren werden können. Diese grundsätzliche Nachteile der Verbrennungsmotoren werden im allgemeinen durch den Einsatz von Getrieben und mechanischen Kupplungen kompensiert, was allerdings – insbesondere unter rauen Betriebsbedingungen – zu erhöhten Betriebskosten z.B. aufgrund des Verschleißes der Kupplung führt. Aus diesen und weiteren Überlegungen heraus haben die dieselelektrischen An triebssysteme ihr Einsatzgebiet auch bei den Nutzfahrzeugen gefunden, da diese eine einfache und störunanfällige Bauweise und die Möglichkeit einer elektronisch gesteuerten Kraftübertragung bieten.
  • Beispielsweise bietet die Siemens Energy & Automation, Inc., 3333 Old Milton Parkway, Alpharetta, GA 30005, USA unter dem Produktnamen "SIMINE CIS TR" ein dieselelektrisches Antriebssystem an, welches für den Einsatz bei Minenfahrzeugen optimiert ist. Das Antriebssystem umfasst einen Generator zur Stromerzeugung, der durch einen Dieselmotor angetrieben wird. Der Generator versorgt zwei Inverter mit elektrischem Strom, die diesen elektrischen Strom umformen und zwei Antriebsmotoren zur Verfügung stellen. Die Antriebsmotoren sind über ein Getriebe mit festem Untersetzungsverhältnis mit den Antriebsrädern verschaltet und treiben diese an.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für Nutzfahrzeuge bzw. ein Nutzfahrzeug derart weiterzubilden, dass diese flexibler an Arbeitsbedingungen anpassbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem für ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und/oder der Beschreibung.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist geeignet und/oder ausgebildet für den Antrieb eines Nutzfahrzeuges, insbesondere für einen Lastkraftwagen oder einen Schwerlastkraftwagen mit einer Nutzlast von mindestens 100 Tonnen, vorzugsweise in einem Nutzlastbereich von 100 Tonnen bis ca. 400 Tonnen, bevorzugt ist das Antriebssystem und alle im Betrieb angekoppelten Komponenten transportabel ausgebildet und werden insbesondere von dem Nutzfahrzeug transportiert. Das Antriebssystem umfasst einen Generator, der mechanisch an einen Ver brennungsmotor gekoppelt ist. Bevorzugt ist der Generator zur Erzeugung von Gleichstrom ausgebildet, also insbesondere als Kombination von Wechselstromgenerator und Gleichrichter, mit dem Vorteil, dass der Gleichstrom besonders einfach in einem Speicherkondensator zwischengespeichert werden kann. Bei alternativen Ausführungsformen ist der Generator zur Erzeugung von Wechselstrom und/oder Drehstrom ausgebildet, wobei diese Ausführungsform beispielsweise besonders einfach zusammen mit Drehstrom-Asynchron-Motoren als Antriebsmotoren einsetzbar ist.
  • Das Antriebssystem ist so ausgebildet, dass die von dem Generator erzeugte elektrisch Energie an mindestens einen elektrischen Antriebsmotor geleitet wird, wobei der mindestens eine Antriebsmotor vorzugsweise als Drehstrom-Motor (AC-Motor) ausgebildet. Bei weniger bevorzugten Ausführungsformen wird ein Gleichstrom-Motor (DC-Motor) eingesetzt, der jedoch meist zu einer geringen Energieeffizienz des Antriebssystems führt.
  • Der Abtrieb des mindestens einen Antriebsmotors ist über mindestens ein Getriebe, insbesondere ein mechanisches Getriebe, mit einem oder mehreren Antriebsrädern des Nutzfahrzeugs verbunden und/oder verbindbar. Insbesondere kann das Antriebssystem somit als brennstoffelektrisches Antriebssystem eingeordnet werden.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das mindestens eine Getriebe als Verstellgetriebe, insbesondere mit einem einstellbaren Getriebeverhältnis ausgebildet ist. Vorzugsweise kann das Getriebe mit mindestens zwei verschiedenen Übersetzungen und/oder Untersetzungen betrieben werden.
  • Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass brennstoffelektrische Antriebssysteme zwar prinzipiell ohne Verstellgetriebe betreibbar sind, da die eingesetzten Elektromotoren zusammen mit den sonst üblichen festen Getrieben, also Getrieben mit fest eingestellter Übersetzung oder Untersetzung, einen über weite Bereiche hinsichtlich des Drehmo ments und der Ausgangsdrehzahl steuerbaren Antrieb darstellen. Nachteile ergeben sich aber dadurch, dass die bekannten brennstoffelektrischen Antriebe in der Regel entweder auf ein hohes Anfahrmoment oder auf eine hohe Endgeschwindigkeit einstellbar sind. Mit dem erfindungsgemäßen Einsatz eines Verstellgetriebes wird dieses Spannungsfeld entzerrt, so dass sich das resultierende brennstoffelektrische Antriebssystem durch die verbesserte Anpassbarkeit an die Randbedingungen im Betrieb insgesamt oftmals sogar wirtschaftlicher darstellt als die bereits aus dem Stand der Technik bekannten Antriebssysteme.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Antriebssystems ist der Verbrennungsmotor zur Übertragung von mechanischer Energie an den Generator gekoppelt und zwar derart, dass der Generator aus der mechanischen Energie die elektrische Energie erzeugt. Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt als Dieselmotor ausgebildet und insbesondere Bestandteil des Antriebssystems. Alternativ ist das Antriebssystem nur vorbereitet zur Ankopplung des Verbrennungsmotors oder Dieselmotors. Die letztgenannte Ausführungsform erlaubt dem Nutzer, an das Antriebssystem einen beliebigen Verbrennungsmotor anzukoppeln.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Antriebssystem einen Energiespeicher, insbesondere Speicherkondensator aufweist, der geeignet ist, die von dem Generator erzeugte Energie zwischenzuspeichern. Auf diese Weise kann z.B. bei Lastspitzen im Betrieb zusätzliche Energie von dem Energiespeicher für den Antrieb zugesteuert werden. Die Kapazität des Energiespeichers ist vorzugsweise so hoch bemessen, dass der Energiespeicher über eine kurze Zeitspanne von wenigen Sekunden den mindestens einen Elektromotor mit elektrischer Energie versorgen kann.
  • Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Antriebsmotor als AC-Motor ausgebildet, wobei diese Ausführungsform vorzugsweise einen Drehstromgenerator mit nachgeschalteten Gleichrichter als Generator und einen Kondensator als Energiespei cher aufweist, wobei Generator und Energiespeicher elektrisch parallel geschaltet sind und die elektrische Energie über einen Inverter für jeden Antriebsmotor dem mindestens einen Antriebsmotor zugeführt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedem Antriebsrad ein Antriebsmotor und ein Getriebe zugeordnet ist. Der Begriff Antriebsrad umfasst dabei auch den Fall eines Mehrfach- insbesondere Doppelrades an einem Ende einer Antriebswelle. Dadurch, dass jedem Antriebsrad ein aus einem Antriebsmotor und einem Getriebe bestehendes Antriebsmodul zugeordnet ist, wobei die Antriebsmodule der verschiedenen Antriebsräder mechanisch voneinander entkoppelt sind, entfällt u.a. die Notwendigkeit eines verbindenden Differentialgetriebes. Die Synchronisation der Antriebsräder kann in unkomplizierter Weise durch die Ansteuerung der Antriebsmodule erfolgen.
  • Bevorzugt ist zudem, wenn das Antriebssystem zur Verzögerung der Antriebsräder ausgebildet ist, vorzugsweise derart, dass die maximal aufwendbare Verzögerungskraft mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 100%, insbesondere mindestens 150%, der maximal aufwendbaren Antriebskraft beträgt.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Antriebssystems ist das Verstellgetriebe im Betrieb hinsichtlich des Unter- und/oder Übersetzungsverhältnisses einstellbar ausgebildet. Hierzu ist das Verstellgetriebe entweder stufenlos oder gestuft verstellbar realisiert. Die Verstellung, also die Steuerung des Verstellgetriebes, erfolgt bei einer möglichen Alternative automatisch, insbesondere derart, dass Betriebsdaten des Antriebssystems oder des Nutzfahrzeuges eingelesen, verarbeitet und auf Basis dieser Betriebsdaten die Steuerung des Verstellgetriebes initiiert wird. Bei einer anderen möglichen Alternative erfolgt die Verstellung manuell, insbesondere derart, dass der Benutzer ein Bedienungselement bedient; welches bevorzugt alle Antriebsmodule des Antriebssystems insbesondere zugleich ansteuert. Bei der letztgenannten Al ternative kann der Benutzer auf Basis von Erfahrungswissen die Verstellung des oder der Verstellgetriebe durchführen.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn das Verstellgetriebe als Schaltgetriebe ausgebildet ist, also zwischen verschiedenen Unter- und/oder Übersetzungsverhältnissen gewechselt werden kann. Ein mögliches Untersetzungsverhältnis liegt beispielsweise bei ca. 35:1.
  • Eine besonders wirtschaftliche Ausbildung des Antriebssystems ist gegeben, wenn das Schaltgetriebe und/oder das Verstellgetriebe nur zwischen zwei Schaltstufen schaltbar ist. Bei der Auslegung des Betriebes wird bevorzugt berücksichtigt, dass eine erste Schaltstufe zur Erzeugung eines hohen Anfahrmoments, z.B. für ein Anfahren des Nutzfahrzeuges auf weichem Untergrund, ausgebildet ist und eine zweite Schaltstufe zur Erreichung einer maximalen Fahrgeschwindigkeit vorgesehen ist. Die erste Schaltstufe weist dabei eine größere Getriebeuntersetzung auf als die zweite Schaltstufe.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Das Nutzfahrzeug ist insbesondere für den Mineneinsatz, also für den Einsatz im Bergbau, insbesondere Übertage- und/oder Untertagebergbau ausgebildet. Insbesondere verfügt das Nutzfahrzeug über Ladevorrichtungen für Abraum oder Fördergut. Bevorzugt weist das Nutzfahrzeug zwei Antriebsmodule auf.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, ein Antriebssystem so auszugestalten, dass das erforderliche Motormoment (Anfahr-, Stillsetz-, und Konstantmoment), welches in die Antriebsräder eingeleitet wird, an die jeweilige Fahrsituation anpassbar ist, um somit die Wirtschaftlichkeit des Antriebssystems zu verbessern. Durch den Einsatz eines Verstellgetriebes, insbesondere eines Schaltgetriebes mit zwei Schaltstufen, ist mit der ersten Schaltstufe das Anfahren mit einem hohen Anfahrmoment möglich. Klingt nach dem Anfahren das benötigte Moment ab, wird die zweite Schaltstufe mit der kleineren Untersetzung aktiviert, so dass eine maximale Fahrgeschwindigkeit erreichbar ist. Somit wird auch bei erschwerten Anfahrbedingungen nach dem Umschalten des Getriebes die maximale Fahrgeschwindigkeit erreicht.
  • Alternativ oder ergänzend kann das Antriebssystem und/oder das Nutzfahrzeug von dem Getriebe auch so abgestimmt werden, dass bei geringerer Beladung des Nutzfahrzeugs die benötigte Leistung des Antriebsstrangs reduziert ist und/oder dass bei einer größeren Beladung des Nutzfahrzeuges eine gleichbleibende Maximalgeschwindigkeit erreichbar ist.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
  • Die 1 zeigt ein Antriebssystem 1 für ein Nutzfahrzeug, wobei das Antriebssystem 1 mit einem Dieselmotor 2 über ein Übertragungsglied 3 mechanisch gekoppelt ist. Bei dem Nutzfahrzeug handelt es sich beispielsweise um einen Lastkraftwagen und/oder ein Transportvehikel für den Bergbau. Sowohl Antriebssystem 1 als auch Dieselmotor 2 und Übertragungsglied 3 sind in dem nicht dargestellten Nutzfahrzeug angeordnet und/oder integriert und werden von dem Nutzfahrzeug mitgeführt.
  • Das Antriebssystem 1 weist einen Generator 4 auf, der von dem Dieselmotor 2 über das Übertragungsglied 3 mechanisch angetrieben wird. Der Generator 4 erzeugt Wechselstrom, der in einem nicht dargestellten Gleichrichter in Gleichstrom konvertiert wird, so dass am Ausgang des Generators 4 eine Gleichspannung z.B, mit 2.400 V anliegt.
  • Der Generator 4 versorgt zwei Inverter 5a, b, die parallel zu dem Generator 4 verschaltet sind, mit der erzeugten elekt rischen Energie. Jeder Inverter 5a bzw. 5b wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um und versorgt jeweils einen Motor 6a bzw. 6b mit dem Wechselstrom. Die Inverter 5a, b umfassen beispielsweise GTO oder IGBT Bauelemente, die eine elektronische Leistungsregelung der Motoren 6a, b über die Frequenz des gewandelten Wechselstroms ermöglichen, um insbesondere eine genaue Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit der Motoren 6a, b zu gewährleisten.
  • Die Motoren 6a, b sind jeweils an ein Verstellgetriebe 7a bzw. 7b gekoppelt, so dass die von den Motoren 6a bzw. 6b erzeugte Drehbewegung über die Verstellgetriebe 7a bzw. b auf nicht dargestellte Antriebsräder des Nutzfahrzeuges übertragen wird. Inverter 5a, Motor 6a und Verstellgetriebe 7a bilden zusammen ein Antriebsmodul für ein Antriebsrad. Entsprechend bilden Inverter 6b, Motor 6b und Verstellgetriebe 7b ein zweites Antriebsmodul für ein weiteres Antriebsrad.
  • Die Verstellgetriebe 7a bzw. 7b sind jeweils als Schaltgetriebe mit zwei Schaltstufen ausgebildet, die über eine Steuerung 8 angesteuert werden. Die Steuerung 8 wird von dem Fahrer des Nutzfahrzeuges bedient oder automatisch, insbesondere auf Basis von dynamischen Betriebsdaten, kontrolliert. Bevorzugt werden beide Verstellgetriebe 7a und 7b stets zugleich durch die Steuerung 8 geschaltet.
  • Das Antriebssystem 1 umfasst ferner einen Speicherkondensator 9, der zur Speicherung der von dem Generator 4 erzeugten elektrischen Energie ausgebildet ist und parallel zu dem Generator 4 bzw. zu den Invertern 5a und 5b geschaltet ist. Des Weiteren ist ein Brems-Chopper 10 in dem Antriebssystem 1 integriert, der ebenfalls parallel zu dem Generator 4 und den Invertern 5a, b geschaltet ist. Der Brems-Chopper 10 dient dazu, elektrische Energie, die bei einem aktiven Bremsvorgangs durch die Motoren 6a bzw. b erzeugt wird, in ein Widerstandsgitter 11 abzuleiten. In dem Widerstandsgitter 11 wird diese elektrische Bremsenergie in Wärme umgewandelt. Ein typisches Antriebssystem 1 erzeugt an dem Motor Ausgang der Motoren 6a bzw. b jeweils ca. 2.000 bis 4.000 PS. Ein mit dem Antriebssystem 1 angetriebenes Nutzfahrzeug hat beispielsweise eine Antriebsleistung (gemessen an den Antriebsrädern) von etwa 3500 bis 5000 PS und eine Verzögerungs- oder Bremsleistung von ca. 4.500 bis 6.000 PS. Die Maximalgeschwindigkeit liegt beispielsweise bei 40 mph.

Claims (11)

  1. Antriebssystem (1) für ein Nutzfahrzeug – mit einem Generator (4), der zur Erzeugung von elektrischer Energie an einen Verbrennungsmotor (2) gekoppelt und/oder koppelbar ist, – mit mindestens einem elektrischen Antriebsmotor (6a, b), der zur Versorgung mit der erzeugten elektrischen Energie mit dem Generator (4) verschaltet ist und – mit mindestens einem Getriebe (7a, b), wobei der mindestens eine Antriebsmotor (6a, b) über das mindestens eine Getriebe (7a, b) mit einem oder mehreren Antriebsrädern des Nutzfahrzeugs verbunden und/oder verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Getriebe als Verstellgetriebe (7a, b) ausgebildet ist.
  2. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung (3) von Verbrennungsmotor (2) und Generator (4) zur Übertragung von mechanischer Energie für die Erzeugung der elektrischen Energie ausgebildet ist.
  3. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den als Dieselmotor (2) ausgebildeten Verbrennungsmotor.
  4. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (6a, b) mit dem Generator (4) über einen Speicherkondensator (9) zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verschaltet ist.
  5. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (6a, b) als AC-Motor ausgebildet ist.
  6. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Antriebsrad des Nutzfahrzeuges ein Elektromotor (6a, b) und ein Verstellgetriebe (7a, b) zugeordnet ist.
  7. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstellgetriebe (7a, b) als ein Getriebe mit im Betrieb automatisch und/oder manuell einstellbaren Unter- und/oder Übersetzungsverhältnis ausgebildet ist.
  8. Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstellgetriebe als Schaltgetriebe (7a, b) ausgebildet ist.
  9. Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (7a, b) genau zwei Schaltstufen aufweist.
  10. Antriebssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltstufe mit großer Untersetzung zur Erzeugung eines hohen Anfahrmoments und/oder die zweite Stufe mit kleiner Untersetzung zur Erreichung einer maximalen Fahrgeschwindigkeit angepasst ist.
  11. Nutzfahrzeug, gekennzeichnet durch ein Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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