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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinheit zum Antrieb einer mobilen
Arbeitsmaschine mit einem hydraulischen Generator für eine
Arbeitshydraulik.
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Mobile
Arbeitsmaschinen besitzen ein Antriebsaggregat, beispielsweise bei
einer mobilen Baumaschine einen Verbrennungsmotor oder beispielsweise
einen Elektromotor bei einem Gabelstapler. Dieses Antriebsaggregat
wird zum Fahrantrieb genutzt und kann zusätzlich Energie
für eine eventuelle Arbeitshydraulik liefern, beispielsweise
zum Heben und Senken einer Gabel bei einem Gabelstapler und/oder
kann zum Antreiben von Nebenaggregaten, beispielsweise einer Lichtmaschine,
dienen.
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Antriebssysteme,
bei denen eine Hydraulikpumpe bzw. ein Hydraulikmotor zwischen einem
Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist, sind beispielsweise
aus der
US 2006/0118346
A1 bekannt. In dieser wird beschrieben, wie ein hydraulisches
Hybridsystem in ein Fahrzeug integriert werden kann. Durch die Hydraulikpumpe
wird, beispielsweise beim Bremsen, dem Fahrzeug über den
Antriebsstrang kinetische Energie entzogen. Die Energie wird in
einem Druckspeicher gespeichert und bei Bedarf über den
Hydraulikmotor wieder an den Antriebsstrang abgegeben. Das Hydraulikaggregat, kann
gemäß
US 2006/0118346 A1 als stufenlos verstellbare
Radialkolbenpumpe ausgeführt sein und wird dabei rein für
den Fahrantrieb genutzt.
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Ferner
sind Kurbelwellengeneratoren als elektrische Generatoren aus Nutzfahrzeugen
bekannt. Ein solches System ist in der
DE 103 51 308 A1 beschrieben.
Dabei handelt es sich um ein Fahrzeugachssystem mit einer vorzugsweise
pendelnd gelagerten vorderen Fahrzeugachse für landwirtschaftliche
oder industrielle Nutzfahrzeuge, bei denen ein elektrischer Antrieb
für diese nicht vom Verbrennungsmotor angetriebene Achse
verwirklicht wird. Ein elektrischer Kurbelwellengenerator ist dabei zwischen
Verbrennungsmotor und Getriebe angeordnet. Die aus dem Kurbelwellengenerator
gewonnene elektrische Energie wird zum Antrieb des Achssystems genutzt.
Die elektrischen Komponenten für die elektrisch angetriebene
Achse sind dabei vorzugsweise in einem Schubrohr des Fahrzeugs angebracht.
Das Schubrohr hat des Weiteren die Funktion, die Achsaufhängung
am Rahmen abzustützen. Somit ist auch hier ein Konzept
beschrieben, bei dem die über einen elektrischen Kurbelwellengenerator gewonnene
Energie für den Antrieb, in diesem Fall für eine
nicht vom Verbrennungsmotor angetriebene Achse des Fahrzeugs, genutzt
wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Längsrichtung
der Abtriebswelle eines Antriebsaggregats kurz bauendes Antriebssystem
für den Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine mit Arbeitshydraulik
und eventuellen Nebenaggregaten zu entwickeln, welches Antriebssystem
verschiedene Arten von Getrieben aufweisen kann und möglichst
effizient die Leistung des Antriebsaggregat auf den Fahrantrieb,
die Arbeitshydraulik und eventuelle Nebenaggregate aufteilen kann.
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Die
Aufgabe wird mit einer mobilen Arbeitsmaschine mit den Merkmalen
gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Erfindungsgemäß ist
zwischen einem Antriebsmotor und einem Getriebe zum Antrieb einer mobilen
Arbeitsmaschine eine Hydraulikpumpe auf der Abtriebswelle des Antriebsaggregats
angeordnet, bei der es sich um eine Radialkolbenpumpe handelt. Eine
Radialkolbenpumpe bietet den Vorteil, dass sie in Richtung der Abtriebswellenachse
des Antriebsaggregats eine sehr kurze Baulänge aufweist.
Das Antriebsaggregat kann beispielsweise als Verbrennungsmotor,
der mit Diesel, Benzin, Gas oder andern Treibstoffen betrieben wird,
oder als Elektromotor ausgeführt sein. Insbesondere bei
quer zur Fahrzeugrichtung eingebauten Antriebseinheiten spielt die
Baulänge der gesamten Antriebseinheit, die zumindest das
Antriebsaggregat, die Radialkolbenpumpe und das Getriebe umfasst,
eine große Rolle, wobei die Baulänge der Radialkolbenpumpe
direkt in die Gesamtlänge einfließt.
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Als
weiter vorteilhaft kann die Verwendung einer von außen
beaufschlagten Radialkolbenpumpe mit Kippkolben zur Versorgung der
Arbeitshydraulik sein, da diese im Vergleich zu konventionellen
Radialkolbenpumpen geringere diametrale Abmessungen aufweist. Somit
bietet diese Bauart einer Radialkolbenpumpe über den Vorteil
einer kurzen Bauweise in Längsrichtung der Antriebsachse
hinaus noch den Vorteil des geringeren diametralen Bauraums. Der Bauraumbedarf
der kompakten Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine
kann damit weiter reduziert werden.
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In
die kompakte Antriebseinheit können dabei die verschiedensten
Getriebeausführungen integriert werden. Als Getriebe können
beispielsweise mechanische Getriebe, Leistungsverzweigungsgetriebe,
insbesondere hydromechanische Getriebe (HMG's), Drehmomentwandler
mit Lastschaltgetriebe oder hydrostatische Fahrantriebspumpen vorgesehen
werden. Beispielswei se werden ein mechanisches Getriebe und eine
Radialkolbenpumpe zur Versorgung der Arbeitsfunktionen auf der gleichen Mittelachse
wie die Abtriebswelle des Antriebsaggregats im Fahrzeug angeordnet.
Bei hydrostatischen Fahrantrieben wird zumindest die Hydraulikpumpe für
den Fahrantrieb auf der gleichen Mittelachse wie die Abtriebswelle
des Antriebsaggregats angebracht. Beispielsweise bei mobilen Arbeitsmaschinen
werden häufig hydrostatische Getriebe bzw. Antriebe verwendet.
Eine dabei vorteilhafte Ausführungsform ist ein geschlossener
Kreislauf mit einer einstellbaren Pumpe, z. B. eine Axialkolbenpumpe
mit einer Schrägscheibe, und einem Hydraulikmotor, der
als Konstant- oder Verstellmotor ausgeführt sein kann. Der
Hydromotor kann dabei mit radialer oder axialer Anordnung der Kolben
oder in einer sonstigen Bauform ausgeführt sein.
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Die
kompakte Antriebseinheit kann dabei als strukturelle Einheit angesehen
werden. Durch die Ausführung als kompakte Baugruppe, die
beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet sein kann, bieten
sich Vorteile bei der Montage und Demontage des Antriebsstrangs.
So können zum Beispiel verschiedene Ausführungsformen
des Antriebsaggregats bzw. der Radialkolbenpumpe im Baukastenprinzip
angeboten werden und als vorgefertigte Einheiten beispielsweise
bei Montage der mobilen Arbeitsmaschine bereitgestellt werden. Auch
bezüglich Reparaturarbeiten an der mobilen Arbeitsmaschine
oder beim Austausch des Antriebs bietet die Ausführung als
komplette Baugruppe Vorteile in der Handhabung.
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Die
Radialkolbenpumpe kann variabel, je nach Bedarf, zugeschaltet werden.
Die Radialkolbenpumpe ist beispielsweise in einen offenen Ölkreislauf integriert
und weist einen Sauganschluss und mindestens einen Hochdruckanschluss
zur Versorgung von Arbeitshydraulikfunktionen mit hydraulischer
Energie auf. Als Funktionen der Arbeitshydraulik können
dabei beispielsweise folgende Systeme genannt werden: Die Lenkung
der Arbeitsmaschine, Aktoren zum Heben, Senken und Kippen einer
Schaufel oder Gabel, beispielsweise eines Gabelstaplers oder Baggers,
Aktoren zum Ein- und Ausfahren eines Teleskoparms oder weitere hydraulische
Aktuatoren zur Erfüllung von Arbeitsfunktionen. Bei mehreren
Verbrauchern ist es sinnvoll, die hydraulische Energie gezielt,
beispielsweise über eine logische Ventilsteuerung oder
einen Ventilblock, zu verteilen.
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Über
die Radialkolbenpumpe können bei Bedarf auch verschiedene
Nebenverbraucher wie z. B. Generatoren (Lichtmaschine), Kühlerpumpe,
Luftkompressoren, z. B. für das Bremssystem der mobilen
Baumaschine oder zur Aufladung des Verbrennungsmotors, etc. angetrieben
werden. Im Rahmen der Erfindung werden diese Nebenaggregate als
Teil der Arbeitshydraulik angesehen. Der direkte Antrieb von Verbrauchern
mit hydraulischer Energie kann dahingehend Vorteile aufweisen, dass
Energie nicht umgewandelt werden muss. Bei beispielsweise einer elektrischen Kühlerpumpe
muss die zugeführte mechanische Energie des Antriebsaggregats
zuerst in elektrische Energie und wieder zurück in mechanische
Energie umgewandelt werden, was beispielsweise über einen
elektrischen Generator und einen Elektromotor geschehen kann. Die
Radialkolbenpumpe kann zumindest einige der Nebenaggregate direkt
antreiben, wodurch die Umwandlung der Energie und die damit verbundenen
Energieverluste entfallen. Dies kann darüber hinaus dahingehend
Vorteile bieten, dass ein zum Beispiel hydraulisch angetriebener
Generator und das damit verbundene elektrische System kleiner dimensioniert
werden können und sich somit weitere Vorteile im Bauraum
und hinsichtlich der Kosten ergeben. Ferner kann ein hydraulisch
angetriebener Generator parallel zum mechanischen Antrieb der Arbeitsmaschine
angeordnet werden.
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Es
besteht ferner die Möglichkeit, einen Hydraulikspeicher
durch die Radialkolbenpumpe zu befüllen. Das Befüllen
des Speichers erfolgt beispielsweise dann, wenn mehr Energie vom
Antriebsaggregat bereitgestellt wird als von dem Fahrantrieb und den
sonstigen hydraulischen Verbrauchern abgenommen wird. Das Befüllen
des hydraulischen Speichers kann insbesondere dann erfolgen, wenn
zum Beispiel beim Abbremsen der mobilen Arbeitsmaschine ein sogenanntes
regeneratives Bremsen stattfindet, bei dem zumindest ein Teil der
Bremsenergie, d. h. der kinetischen Energie des Fahrzeugs, in hydraulische
Energie umgewandelt wird. Des Weiteren kann es von Vorteil sein,
dem Antriebsaggregat gezielt mehr Energie abzuverlangen, um es in
einem Bereich mit einem besseren Wirkungsgrad zu betreiben und überschüssige
Energie, welche beispielsweise nicht durch den Antrieb und die Arbeitshydraulik
mit den Nebenaggregaten abgenommen wird, in den hydraulischen Speicher
zu leiten.
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Des
Weiteren ist die Versorgung von verschiedenen hydraulischen Verbrauchern,
sowohl einzeln als auch gemeinsam, von der Radialkolbenpumpe und
dem hydraulischen Speicher gleichzeitig möglich.
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Durch
den Hydraulikspeicher können die Verbraucher mit Energie
versorgt werden, ohne dass die Radialkolbenpumpe in Betrieb sein
muss. Der Hydraulikspeicher übernimmt somit die Funktion
eines Energiepuffers. Dies kann z. B. bei Stillstand des Antriebsaggregats
oder im Fahrbetrieb genutzt werden, ohne dass Energie des Antriebsaggregats
an die Radialkolbenpumpe abgezweigt werden muss. Letzteres kann
zum Beispiel bei einem Gabelstapler, einem Radlader oder Telehandler
beim Absenken einer Last während der Fahrt von Vorteil
sein. Somit besteht die Möglichkeit, das Antriebsaggregat
kleiner zu dimensionieren, da sich die maximal abrufbare Leistung
der mobilen Arbeitsmaschine aus der Leistung des Antriebsaggregats
und der Leistung der aus dem Hydraulikspeicher angetriebenen Aggregate
zusammensetzt.
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Die
im Hydraulikspeicher gespeicherte Energie kann auch wieder über
die Radialkolbenpumpe abgegeben werden, die dann als Hydraulikmotor
betrieben wird. Somit besteht die Möglichkeit, dem Antriebsstrang
durch Entleeren des Hydraulikspeichers mehr Energie zur Verfügung
zu stellen als das Antriebsaggregat erzeugt. Dies könnte
beispielsweise beim Anfahren oder beim Beschleunigen in vorteilhafter
Weise erfolgen.
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Über
den hydraulischen Druckspeicher können auch weitere Funktionen
abgedeckt werden. Denkbar wäre eine Notlauffunktion, bei
der mit der im Hydraulikspeicher gespeicherten Energie ein hydraulischer
Fahrantriebsmotor, zumindest solange betrieben wird, bis im Hydraulikspeicher
keine Energie mehr gespeichert ist. Natürlich kann darüber
hinaus z. B. bei Ausfall der hydraulischen Antriebspumpe, auch die
Radialkolbenpumpe als Fahrpumpe verwendet werden.
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Ferner
kann die Radialkolbenpumpe in Verbindung mit einem Hydraulikspeicher
dazu genutzt werden, die Funktion eines Starters/Anlassers bei Verwendung
eines Verbrennungsmotors als Antriebsaggregat zu erfüllen.
Somit kann auf einen beispielsweise elektromechanischen Anlasser
verzichtet werden, was Vorteile hinsichtlich des Bauraums und der
Kosten mit sich bringt.
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Die
Leistungsaufnahme des hydraulischen Kurbelwellengenerators, also
der Radialkolbenpumpe, kann variiert werden. Dabei kann die gesamte Leistung
des beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgeführten Antriebsaggregats
durch die Mittelachse, welche der Abtriebswellenachse des Antriebsaggregats
entspricht, zum Fahrantrieb durchgeleitet werden. Die gesamte Leistung
kann jedoch auch von der Hydraulikpumpe abgenommen werden, wenn keine
Energie für den Fahrantrieb, sondern nur für die
Arbeitshydraulik mit Nebenaggregaten und/oder für den hydraulischen
Speicher benötigt wird. Dazwischen ist auch jede erdenkliche
Leistungsaufteilung zwischen dem Fahrantrieb und der Radialkolbenpumpe
für die Versorgung der Arbeitshydraulik mit eventuellen
Nebenaggregaten und/oder die Befüllung des hydraulischen
Speichers möglich.
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Des
Weiteren ist auch ein in radialer Richtung verschachtelter Aufbau
der Radialkolbenpumpe für die Arbeitshydraulik mit dem
Getriebe oder dem Antriebsaggregats möglich. So kann beispielsweise der
Kolbenträger der Radialkolbenpumpe für die Arbeitshydraulik
in radialer Richtung um die Axialkolbenpumpe für den Fahrantrieb
angeordnet werden. Mit einem solchen Aufbau kann der Bauraum in
axialer Richtung der Abtriebswelle des Antriebsaggregats weiter
verkürzt werden.
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Der
wesentliche Gedanke der Erfindung ist die Kombination aus einem
Antriebsaggregat mit Radialkolbenpumpe und einem Getriebe zu einer
in axialer Richtung kompakt bauenden Antriebseinheit, um damit eine
Arbeitshydraulik mit Arbeitsfunktionen und eventuellen Nebenan trieben
und/oder einen Hydraulikspeicher direkt mit hydraulischer Energie
aus der Radialkolbenpumpe zu versorgen, wobei, eventuell gleichzeitig,
die mobile Arbeitsmaschine angetrieben wird.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden
Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten. Im Folgenden werden
bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine mit
einer kompakten Antriebseinheit gemäß der Erfindung;
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2:
eine kompakte Antriebseinheit gemäß der Erfindung
in schematischer Darstellung, wobei die Radialkolbenpumpe am Schwungradgehäuse des
Verbrennungsmotors angeordnet ist; und
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3:
eine Schnittdarstellung einer speziellen Radialkolbenpumpe, die
in der kompakten Antriebseinheit gemäß der Erfindung
verwendet werden kann.
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1 zeigt
schematisch, wie ein Antriebssystem einer mobilen Arbeitsmaschine
mit zugehöriger Arbeitshydraulik 22 für
Arbeitsfunktionen 24 und Nebenaggregate 25 sowie
einem Ventilblock 26 gemäß der Erfindung
in angeordnet sein kann. Das Antriebsaggregat beziehungsweise in
diesem Fall ein Verbrennungsmotor 10 treibt dabei über
die Abtriebswelle 12 beziehungsweise über die
Kurbelwelle die Radialkolbenpumpe 20 für die Arbeitshydraulik 22 an. Über
die Mittelachse der Radialkolbenpumpe 20 kann des Weiteren
Energie an das Getriebe 30 weitergeleitet werden. Als Getriebe 30 dient
in diesem Ausführungsbeispiel eine Fahrantriebspumpe 52 eines
hydrostatischen Fahrantriebs 50 mit einem als Konstantmotor
ausgeführten Fahrantriebsmotor 54 in einem geschlossenen
Hydraulikkreislauf. Des Weiteren ist in der mobilen Arbeitsmaschine
ein hydraulischer Speicher 28 angeordnet. Das von der Radialkolbenpumpe 20 über
eine Saugleitung angesaugte Öl wird von dem Ventilblock 26 auf
die Arbeitsfunktionen 24, die Nebenantriebe 25 und
den Hydraulikspeicher 28 aufgeteilt.
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Bei
entsprechender Schaltung des Ventilblocks 26 kann die hydraulische
Energie des Hydraulikspeichers 28 für die Arbeitsfunktionen 24 und/oder für
die Nebenaggregate 25 genutzt werden und/oder die Radialkolbenpumpe 20 angetrieben
werden, die dann als Motor arbeitet. Die Leistung des Radialkolbenmotors
kann dann in den Fahrantrieb eingespeist werden oder als Anlasser
für den Verbrennungsmotor genutzt werden. Des Weiteren
kann die Versorgung der hydrau lischen Verbraucher, in diesem Fall der
Arbeitsfunktionen und der Nebenaggregate, auch gemeinsam über
die Radialkolbenpumpe und dem hydraulischen Speicher erfolgen.
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In 2 ist
schematisch eine kompakte Antriebseinheit 40 dargestellt,
aufweisend einen Verbrennungsmotor 10 mit Schwungradgehäuse 14, eine
Radialkolbenpumpe 20 und eine Fahrantriebspumpe 52.
Dabei befinden sich sowohl die Radialkolbenpumpe 20 als
auch die Fahrantriebspumpe 52 auf der Achse 16 der
Abtriebswelle 12 des Antriebsaggregats 10 bzw.
in diesem Fall der Kurbelwelle. Die Radialkolbenpumpe 20 ist
dabei direkt an dem Schwungradgehäuse 14 des Antriebsaggregats 10 bzw.
in diesem Fall des Verbrennungsmotors angeordnet. Am Endgehäuse
der Radialkolbenpumpe 20 ist die Fahrantriebspumpe 52 angeordnet.
Somit ist eine in Richtung der Kurbelwellenachse sehr kompakte Antriebseinheit 40 gemäß der
Erfindung verwirklicht.
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3 zeigt
eine von außen beaufschlagte Radialkolbenpumpe 20 mit
Kippkolben. Diese bietet dahingehend zusätzlich den Vorteil,
dass sie zu dem geringen axialen Bauraum einer Radialkolbenpumpe 20 auch
noch einen geringeren diametralen Bauraum als andere Radialkolbenpumpen 20 mit
in Zylinderlängsrichtung geführten Kolben aufweist.
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- 10
- Antriebsaggregat
- 12
- Abtriebswelle
des Antriebsaggregats
- 14
- Schwungradgehäuse
- 16
- Achse
der Abtriebswelle des Antriebsaggregats
- 20
- Radialkolbenpumpe
- 22
- Arbeitshydraulik
- 24
- Arbeitsfunktionen
- 25
- Nebenaggregate
- 26
- Ventilblock
- 28
- Hydraulikspeicher
- 30
- Getriebe
- 40
- kompakte
Antriebseinheit
- 50
- Fahrantrieb
- 52
- Fahrantriebspumpe
- 54
- Fahrantriebsmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0118346
A1 [0003, 0003]
- - DE 10351308 A1 [0004]