DE102010010578A1

DE102010010578A1 - Hydrostatisch-elektrischer Antrieb, Flurförderfahrzeug mit einem solchen Antrieb

Info

Publication number: DE102010010578A1
Application number: DE102010010578A
Authority: DE
Inventors: Carsten Müller; Klaus Müller; Reinhard Wiebe
Original assignee: Mkf & Co KG GmbH
Current assignee: INDUSTRIE HOLDING GMBH, AT
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: DE102010010578B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrostatisch-elektrischen Antrieb für ein Flurförderfahrzeug (1) mit einem hydraulischen Kreislauf (22), der eine hydraulische Pumpe (16, 18, 20) und einen Hydromotor (24) aufweist. Eine Antriebsanordnung (10) umfasst dabei als Antriebsaggregate (14, 40) wenigstens zwei mit einem elektrischen Energiespeicher (38) verbundene Elektromotoren (14, 14a), die über ein Verteiler-/Summationsgetriebe (12) mechanisch mit der hydraulischen Pumpe (16, 18, 20) gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Flurförderfahrzeug (1), insbesondere einen Gabelstapler, der mit einem solchen hydrostatisch-elektrischen Antrieb versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrostatisch-elektrischen Antrieb für ein Flurförderfahrzeug mit einem hydraulischen Kreislauf, der eine hydraulische Pumpe und einen Hydromotor aufweist sowie eine Antriebsanordnung, welche die hydraulische Pumpe betreibt.
Dieses Antriebskonzept ist bei Flurförderern (z. B. Schlepper oder Gabelstapler) verbreitet. Bei solchen Flurförderfahrzeugen haben sich batterieelektrische und verbrennungsmotorische Antriebskonzepte oder kombinierte Hybridantriebe, die wahlweise verbrennungsmotorisch oder batterieelektrisch angetrieben werden, durchgesetzt.
Es gibt auch hydrostatisch-elektrische Antriebe, bei denen die Räder über einen Hydromotor angetrieben werden, der wiederum über Druckleitungen mit einer Hydropumpe gekoppelt ist, die mechanisch über eine Brennkraftmaschine oder eine elektrische Maschine angetrieben wird.
Bei einem aus der DE 10 2006 019 535 A1 bekannten Konzept erfolgt beispielsweise der Radantrieb über einen Hydromotor, der gemeinsam mit einem Elektromotor eine Antriebswelle für ein Rad antreibt. Dabei ist für jedes Antriebsrad ein Hydromotor und ein Elektromotor vorzusehen, die hintereinander über eine oder mehrere Getriebe miteinander gekoppelt sind. Der Hydromotor wird dabei über eine Hydropumpe angetrieben, die wiederum wahlweise über eine Brennkraftmaschine oder eine elektrische Maschine angetrieben wird.
Ein anderes Konzept ist aus der DE 3501 608 A1 bekannt, bei der ein Hybridkonzept realisiert ist, bei welcher ein hydraulischer Kreislauf mit einem hydraulischen Motor zum Antrieb einer Fahrachse vorgesehen ist und eine verbrennungsmotorisch angetriebene hydraulische Pumpe, welche diesen hydraulischen Motor antreibt. Gleichzeitig ist der hydraulische (Primär)Kreislauf mit einem weiteren hydraulischen (Sekundär)Kreislauf gekoppelt, der über eine elektrisch angetriebene hydraulische Pumpe ebenfalls auf den hydraulischen Motor wirken kann. Im Fahrbetrieb kann zwischen beiden Antrieben hin- und hergeschaltet werden. Bei diesem Konzept ist für jede Hydraulikpumpe eine Antriebsmaschine (Verbrennungs- bzw. Elektromotor) erforderlich.
Es gibt auch rein elektrische Antriebskonzepte, bei denen ein Elektromotor über ein Differenzialgetriebe zwei Räder antreibt oder die Antriebsräder von je einem Elektromotor angetrieben werden. In diesem Fall ist zum Drehzahlausgleich (bei Kurvenfahrt) das kurveninnere Rad (das sich langsamer dreht) in der Leistung reduziert und kann damit nur ein geringeres Drehmoment aufbringen. Dies kann insbesondere bei Kurvenfahrten auf schrägen Ebenen problematisch sein. Um bei diesem Antriebskonzept auch in solchen extremen Betriebszuständen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass für jeden Radantrieb ein für die meisten Betriebszustände überdimensionierter Elektromotor vorgesehen werden muss, der zum einen schwer und teuer ist, aber auch Platzprobleme verursachen kann.
Es besteht daher die Aufgabe, ein verbessertes Antriebskonzept für Flurförderfahrzeuge bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile zumindest teilweise behebt. Diese Aufgabe erfüllt der hydrostatisch-elektrische Antrieb gemäß Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße hydrostatisch-elektrische Antrieb, der insbesondere für Flurförderfahrzeuge geeignet ist, weist einen hydraulischen Kreislauf auf, der wenigstens eine hydraulische Pumpe und einen Hydromotor aufweist. Die hydraulische Pumpe ist dabei mit einer Antriebsanordnung gekoppelt, die als Antriebsaggregate wenigstens zwei mit einem elektrischen Energiespeicher verbundene Elektromotoren aufweist und mechanisch über ein Verteiler-/Summationsgetriebe mit der hydraulischen Pumpe zu deren Antrieb gekoppelt ist.
Diese Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte und variable Antriebseinheit, in der die elektrische Energie mehrerer Motoren mechanisch gebündelt und bedarfsgerecht über eine hydraulische Pumpe in hydraulische Antriebsenergie umgewandelt wird. Dabei können die eigentlichen hydraulischen Antriebe (Hydraulikmotoren), z. B. als Radantriebe, platzsparend an den Antriebsnaben angeordnet werden und brauchen nur über entsprechende Hydraulikleitungen mit der Antriebseinheit verbunden werden. So ein Antrieb für ein Flurförderfahrzeug mit hydraulischen Motoren, die jeweils in die Antriebsnabe integriert sind, sind besonders platzsparend. Die Geschwindigkeitsregelung erfolgt dabei einfacherweise über die Drehzahlregelung der Elektromotoren. Damit wird z. B. die Fahrgeschwindigkeit rein hydraulisch durch die drehzahlabhängige Regelung der hydraulischen Pumpe gesteuert. Gleichzeitig wirkt so ein hydrostatischer Antrieb auch wie ein Differenzial und verteilt die Antriebskräfte auch bei Kurvenfahrten trotz unterschiedlicher Antriebsgeschwindigkeiten gleichmäßig auf die Antriebsräder. Sind die Elektromotoren, das Verteiler-/Summationsgetriebe und die Hydraulikpumpe(n) zu einer relativ schweren, kompakten Einheit zusammengefasst, so kann diese schwerpunktgünstig, z. B. in Richtung Heck eines Fahrzeugs angeordnet werden und schafft gleichzeitig Raum zwischen den Antriebsrädern, z. B. für eine Hubeinrichtung oder andere in diesem Bereich erforderliche Komponenten.
Bei der Anordnung gemäß Anspruch 2 sind die Elektromotoren besonders kompakt, nämlich nebeneinander, mit dem Verteiler-/Summationsgetriebe zu koppeln und schaffen so weitere Platzvorteile.
Gemäß Anspruch 3 sind mehrere Abtriebswellen vorgesehen, die jeweils mit einer hydraulischen Pumpe gekoppelt sind. So können mehrere hydraulische Pumpen z. B. für die Lenkung oder die Arbeitshydraulik hydraulisch, ggf. auch mit unterschiedlichen Drehzahlen, betrieben werden.
Gemäß Anspruch 4 ist eine Fahrantriebspumpe vorgesehen, die hydraulisch mit zwei Hydromotoren gekoppelt ist. Damit ist ein anzuordnender sehr kompakter Einzelradantrieb im Radbereich realisierbar.
Nach Anspruch 5 ist wenigstens eine zusätzliche Arbeitspumpe und/oder eine Lenkpumpe zum Heben und Neigen der Hubeinrichtung bzw. zum Verstellen der gelenkten Räder vorgesehen. So sind getrennte und unabhängig voneinander steuerbare Hydrauliksysteme realisierbar, die genau für ihre jeweiligen Anforderungen ausgelegt werden können.
Dabei können gemäß Anspruch 6 auch weitere Pumpen in Linie (also gemeinsam) auf einer Antriebswelle des Verteiler-/Summationsgetriebes angeordnet werden. So ist es möglich mehr Pumpen zu betreiben, als Abtriebswellen zur Verfügung stehen. Zum Beispiel können drei Pumpen mit nur zwei Abtriebswellen angetrieben werden.
Auch ist es möglich, dass Verteiler-/Summationsgetriebe ggf. über eine weitere Antriebswelle mit einem Verbrennungsmotor zu koppeln, so dass auf besonders einfache Weise ein Hybridantrieb realisierbar ist, bei dem wahlweise oder in Kombination Elektromotoren und Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
Werden mehrere Elektromotoren auf einer Antriebswelle „hintereinander geschaltet”, so sind besonders schlanke Antriebsaggregate realisierbar. Auch eine bedarfsgerechte Zu- oder Abschaltung der Motoren, je nach Leistungsbedarf der Hydraulikkomponenten, ist so einfach zu realisieren.
Die zum Antrieb der Räder vorgesehenen Hydraulikmotoren können auch beim Bremsen als Hydraulikpumpen wirken und so die dann als Motor operierende Hydraulikpumpe antreiben, die dann wiederum über das Verteiler-/Summationsgetriebe die als Generatoren arbeitenden Elektromotoren antreibt. Der beim Bremsvorgang erzeugte Strom wird in den Energiespeicher (Batterie) zurückgespeist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
1 eine perspektivische Teilansicht eines Gabelstaplers mit einer in 2 dargestellten Antriebseinheit in Einbaulage;
2 eine perspektivische schematische Ansicht der Antriebseinheit eines erfindungsgemäßen hydrostatisch-elektrischen Antriebs und
3 einen schematischen Schaltplan der Antriebsstränge eines Gabelstaplers, der einen erfindungsgemäßen Antrieb umfasst.
1 zeigt eine Teilansicht eines Schwerlastgabelstaplers 1 in Vierradbauweise mit einem Fahrzeugrahmen 2, der an seinem hinteren Ende ein auf einer ggf. arretierbaren Pendelachse Lenkräder 3 aufweist. An seinem vorderen Ende trägt der Fahrzeugrahmen 2 das Hubgerüst bzw. den Hubmast 4, der über zwei mit dem Fahrzeugrahmen 2 gekoppelte Neigezylinder 5 hydraulisch nach vorne und nach hinten geneigt werden kann. Dazu ist das Hubgerüst 4 vorne am Fahrzeugrahmen 2 gelenkig gelagert. Das Hubgerüst 4 besteht aus mehreren Rahmenelementen, an dessen Profilen der Hubschlitten 4a mittels Rollen geführt wird. Am Fuß des Hubgerüsts 4 ist ein hydraulischer Hubzylinder 6 (vgl. 3) angeordnet, der über eine Verstellung der Rahmen den Hubschlitten 4a übersetzt nach oben oder unten führt. Die Übersetzung erfolgt über nicht dargestellte Hubketten und Umlenkrollen. Eine Fahrerschutzkabine 7 sowie die sehr stabilen hinteren Seitenwangen 8, die auch als Gegengewicht dienen, schützen den in einer Bedienkanzel sitzenden Fahrzeugführer. Im Bodenbereich des Fahrzeugsrahmens 2 ist eine Antriebseinheit 10 angeordnet, welche die vorderen Antriebsräder 9, den oder die Hubzylinder 6 und den oder die Neigezylinder 5 hydraulisch betätigen.
Dazu ist die Antriebseinheit 10, wie in 2 gezeigt, folgendermaßen aufgebaut. Sie umfasst ein Verteiler-/Summationsgetriebe 12, welches zwei Antriebswellen 13 aufweist, die jeweils ein Elektromotor 14 antreibt. Das Verteiler-/Summationsgetriebe 12 bündelt die Antriebsleistung der Elektromotoren 14 und verteilt diese auf zwei Abtriebswellen, auf denen eine Fahrpumpe 16 und eine Arbeitspumpe 18 sitzt, wobei die Abtriebswelle 15 der Fahrpumpe 16 gleichzeitig eine Lenkpumpe 20 antreibt.
Die Elektromotoren 14 werden über eine ebenfalls im Fahrzeugrahmen angeordnete, aufladbare Stromquelle 38 (Batterieeinheit) mit Energie versorgt und jeweils über eine Steuerung 36 angesteuert (siehe 3). Die Steuerung 36 übernimmt dabei die Drehzahlregelung der Elektromotoren 14 in Abhängigkeit von der Stellung eines „Gaspedals” oder eines anderen Stellelements (nicht dargestellt). Im Bremsbetrieb schalten die Steuerungen 36 die Elektromotoren 14 in den Generatorbetrieb und regeln die Rückspeisung der erzeugten elektrischen Energie in die Stromquelle/Batterieeinheit 38. Das Verteiler-/Summationsgetriebe 12, das hier als Stirnradgetriebe ausgelegt ist, bündelt die Antriebsleistung der Elektromotoren 14, synchronisiert deren Drehzahlen und verteilt die Antriebsleistung auf die Abtriebswellen 13, die dort bedarfsgerecht von den Verbrauchern (Fahrpumpe 16, Lenkpumpe 20, Arbeitspumpe 18) abgerufen wird.
Steuerung und Betrieb des Staplers wird anhand des in 3 dargestellten Antriebsplans erläutert. Die über die eine Abtriebswelle 15 des Verteiler-/Summationsgetriebes 12 mechanisch angetriebene Fahrpumpe 16 ist in einen hydraulischen Kreislauf 22 eingegliedert, der zwei Hydromotoren 24 umfasst, die über die Fahrpumpe 16 angetrieben werden. Die Hydromotoren 24 bilden zusammen mit ihren Antriebswellen 26 und den Antriebsrädern 9 den Fahrantrieb des Staplers 1.
Die auf der gleichen Antriebswelle 15 sitzende, zusammen mit der Fahrpumpe 16 angetriebene Lenkpumpe 20 wirkt über eine Hydraulikleitung 27 und eine mit der Lenkung 28 gekoppelte Steuereinheit 30 auf einen doppelt wirkenden hydraulischen Lenkzylinder 32. Auf der anderen Abtriebswelle 15 des Verteiler-/Summationsgetriebes 12 sitzt die Arbeitspumpe 18, die über eine Verstelleinheit 34 die Hubzylinder 6 und die Neigezylinder 5 hydraulisch ansteuert und so den Hubmast 4 und den Hubschlitten 4a betätigt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel (1 und 2) sind zwei Elektromotoren 14 vorgesehen. In der 3 sind optional zwei weitere Elektromotoren 14a vorgesehen, die an zusätzlichen Antriebswellen 13a vorgesehen sein können und entsprechend (nicht dargestellt) über eine Steuerung 36 mit der Stromquelle 38 verbunden sind.
In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführung können die zusätzlichen Elektromotoren 14a auch jeweils paarweise mit den vorhandenen Elektromotoren 14 auf der gleichen Antriebswelle 13 angeordnet sein.
Als weitere Option besteht die Möglichkeit, dass Verteiler-/Summationsgetriebe 12 mit einer weiteren Antriebswelle 19 zu versehen, über welche ein Verbrennungsmotor 40 auf das Getriebe 12 wirkt. Alternativ ist es auch möglich, eine der Antriebswellen 13 mit dem Verbrennungsmotor 40 anzutreiben und die andere mit den Elektromotoren 14.
Der hydraulische Kreislauf 22 mit der Fahrpumpe 16 und den Hydromotoren 24 kann auch als Bremseinheit dienen, indem beim Verzögern über die Hydromotoren 24, die dann als Pumpe wirken, die Fahrpumpe 16 angetrieben wird, die dann als Verzögerungsmotor dient und über das Verteiler-/Summationsgetriebe 12 ihre Leistung an die Elektromotoren 14 abgibt, die dann im Generatorbetrieb die Stromquelle 38 aufladen können.
Dazu ist die Fahrpumpe 16 als Verstellpumpe (z. B. Axialkolbenpumpe) ausgeführt und die Hydromotoren 24 weisen ein konstantes Schluckvolumen auf. Die Arbeitspumpe 18 ist ebenfalls als Verstellpumpe ausgeführt, während die Lenkpumpe 20 als Zahnradpumpe ausgeführt ist. Im Prinzip sind aber auch andere geeignete hydrostatische Antriebe wie z. B. Radialkolbenpumpen usw. anwendbar.
Die Leistungsverteilung der Elektromotoren 14 über das Verteiler-/Summationsgetriebe 12 erfolgt zum einen über die Drehzahlsteuerung der Motoren 14 selbst, aber auch über die zusätzliche mechanische Synchronisierung über das Verteiler-/Summationsgetriebe 12, welches dann als Stirnradgetriebe ausgebildet ist. In anderen Ausführungen, bei denen Antriebswellen 13 mit unterschiedlichen Drehzahlen und ggf. auch Antriebswellen 15 mit verschiedenen Drehzahlen vorgesehen sind, kann das Verteiler-/Summationsgetriebe 12 auch als Planetengetriebe-Baugruppe ausgeführt sein.
Weitere Varianten und Abwandlungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006019535 A1 [0004]
DE 3501608 A1 [0005]

Claims

Hydrostatisch-elektrischer Antrieb für ein Flurförderfahrzeug (1) mit einem hydraulischen Kreislauf (22), der eine hydraulische Pumpe (16, 18, 20) und einen Hydromotor (24) aufweist, und einer Antriebsanordnung (10), wobei die Antriebsanordnung (10) als Antriebsaggregate (14, 40) wenigstens zwei mit einem elektrischen Energiespeicher (38) verbundenen Elektromotoren (14) aufweist, die über ein Verteiler-/Summationsgetriebe (12) mechanisch mit der hydraulischen Pumpe (16, 18, 20) gekoppelt sind.
Antrieb nach Anspruch 1, bei welchem die Antriebsaggregate (14, 40) wenigstens über wenigstens zwei getrennte Antriebswellen (13, 19) mit den Verteiler-/Summationsgetriebe (12) gekoppelt sind.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Verteiler-/Summationsgetriebe (12) wenigstens zwei Antriebswellen (15) aufweist, deren jede mit wenigstens einer hydraulischen Pumpe (16, 18, 20) gekoppelt ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher als hydraulische Pumpe eine Fahrpumpe (16) vorgesehen ist, die hydraulisch mit zwei Hydromotoren (24) zum Antrieb jeweils eines Antriebsrades (9) gekoppelt ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine hydraulische Lenkpumpe (20) zum Antrieb eines Lenkaggregats (30, 32) und/oder eine Arbeitspumpe (18) zum Antrieb eines Arbeitsaggregats (34, 5, 6) zum Heben und Neigen eines Hubmasts (4) vorgesehen ist.
Antrieb nach Anspruch 5, bei welchem die Fahrpumpe (16) und die Lenkpumpe (20) oder die Arbeitspumpe (18) gemeinsam auf einer Abtriebswelle (15) des Verteiler-/Summationsgetriebes (12) sitzen.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem als Antriebsaggregat ein Verbrennungsmotor (40) vorgesehen ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 2–7, bei welchem auf jeder Antriebswelle (13, 19) zwei koaxial auf der Eingangswelle angeordnete Elektromotoren (14, 14a) angeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektromotoren (14, 14a) als Generatoren betreibbar sind, und die Pumpe (16, 18) als hydraulischer Motor (16, 18).
Flurförderfahrzeug (1), insbesondere Gabelstapler, mit einem hydrostatisch-elektrischen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche.