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Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Fahrantrieb und einer Arbeitshydraulik, wobei die Arbeitsmaschine eine von einem Antriebsaggregat angetriebene Radialkolbenpumpe aufweist.
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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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Aus
DE 10 2006 010 508 A1 ist Fahrzeug mit einem Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrantriebs bekannt. Im Antriebsstrang des Fahrzeugs ist zwischen Antriebsaggregat und Fahrantrieb eine Hydraulikmaschine angeordnet, welche mit einem hydraulischen Speicher verbunden ist. Über eine weitere im Antriebsstrang angeordnete Hydraulikpumpe ist Druckmittel in eine Arbeitshydraulik des Fahrzeugs pumpbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Längsrichtung der Abtriebswelle eines Antriebsaggregats kurz bauende Antriebseinheit für den Antrieb einer mobilen Arbeitsmaschine mit Fahrantrieb und Arbeitshydraulik und eventuellen Nebenaggregaten zu entwickeln, wobei der Fahrantrieb verschiedene Arten von Getrieben aufweisen kann, und die Leistung des Antriebsaggregat möglichst effizient auf den Fahrantrieb, die Arbeitshydraulik und eventuelle Nebenaggregate aufteilt wird.
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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. Beispielsweise 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 Nebenantrieben 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:
- 1: eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine mit einer kompakten Antriebseinheit gemäß der Erfindung;
- 2: eine kompakte Antriebseinheit gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, wobei die Radialkolbenpumpe am Schwungradgehäuse des Verbrennungsmotors angeordnet ist; und
- 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 hydrautischen 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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Bezugszeichenliste
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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
