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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der Fahrzeugtechnik sind mobile Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel mobile Kranwagen oder dergleichen bekannt, die einen Unterwagen mit einem Fahrantrieb und einen auf diesem drehbar gelagerten Oberwagen mit mehreren Arbeitskomponenten zum Ausführen von Arbeitsbewegungen umfasst. Zur Energieversorgung des Fahrantriebes ist ein Verbrennungsmotor im Unterwagen direkt mit dem Fahrantrieb verbunden. Ferner ist zur Energieversorgung der Arbeitskomponenten ein zusätzlicher Verbrennungsmotor im Oberwagen direkt mit dem Hydraulikantrieb der Arbeitskomponenten verbunden. Durch die immer weiter ansteigenden Fahrzeugmassen der Arbeitsmaschinen steigt auch die benötigte Leistung bei den als Primärenergiequellen vorgesehenen Verbrennungsmotoren an. Neben den steigenden Kosten der Arbeitsmaschinen werden die Verbrennungsmotoren in Teil- oder Niedriglastzuständen immer ineffizienter. Je nach Verbrennungsmotorgröße sind ferner aufwändige Abgasnachbehandlungssysteme und weitere notwendige Infrastrukturen erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mobile Arbeitsmaschine der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, welche möglichst effizient und kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.
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Demnach wird eine mobile Arbeitsmaschine zum Beispiel in Form eines Mobilkrans oder dergleichen mit einem den Fahrantrieb aufweisenden Unterwagen und einem an dem Unterwagen drehbar angeordneten Oberwagen mit mehreren Arbeitskomponenten zum Ausführen von Arbeits- und Komfortfunktionen vorgeschlagen. Zur Energieversorgung des Fahrantriebes und der Arbeitskomponenten ist zumindest ein Verbrennungsmotor als Primärenergiequelle vorgesehen, wobei zur Leistungsunterstützung zumindest eines Verbrennungsmotors zumindest eine elektrische Maschine vorgesehen ist.
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Durch eine geeignete Anbindung der elektrischen Maschine kann die erforderliche Leistung bei dem Verbrennungsmotor entsprechend verkleinert werden. Somit kann ein so genanntes Downsizing zumindest bei dem für die Arbeitshydraulik zuständigen Verbrennungsmotor durch den Einsatz der elektrischen Maschine erreicht werden. Durch eine entsprechende Leistungsaufteilung zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine kann der Verbrennungsmotor in einem verbrauchs- und emissionseffizienten Bereich betrieben werden, so dass beispielsweise auf ein Abgasnachbehandlungssystem, ein Wärmemanagementsystem oder dergleichen verzichtet werden kann. Auf diese Weise wird der Bauraumbedarf bei der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine verringert, so dass entsprechender Bauraum für Komfort- oder Arbeitskomponenten geschaffen wird. Ferner kann dadurch die Ballastierung erhöht werden, so dass auch die mögliche Traglast der Arbeitsmaschine vergrößert werden kann.
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Durch die Kombination von elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor kann eine beliebige Leistungsaufteilung zwischen dem Verbrennungsmotor im Oberwagen und/oder im Unterwagen und der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor realisiert werden. Wenn zusätzlich ein Energiespeicher vorgesehen ist, können je nach Energiebedarf auch generatorische Betriebszustände bei der elektrischen Maschine realisiert werden, um den Energiespeicher aufzuladen. Ebenso ist es möglich, dass neben mechanischen Hydraulikantrieben auch elektrische Hydraulikantriebe für Arbeitskomponenten zum Ausführen von Komfort- und Arbeitsfunktionen eingesetzt werden. Der elektrische Hydraulikantrieb kann motorisch und generatorisch betrieben werden. Ferner ist es möglich, das auch elektrisch betriebene Arbeitskomponenten im Oberwagen vorgesehen sind, die z. B. direkt mit der als Generator ausgeführten elektrischen Maschine oder mit Energiespeichern zur elektrischen Energieversorgung verbunden sind oder direkt mit einer externen Energieversorgung verbunden sind, z. B. mittels Plug-In am Unterwagen oder mittels Stromnetz.
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Insbesondere in Betriebszuständen, bei denen keine maximale Leistung für den Fahrantrieb der Arbeitsmaschine angefordert wird, also bei Teillast-Betriebszuständen, kann in Abhängigkeit von Wirkungsgrad und Emissionsausstoß entweder der Verbrennungsmotor oder auch die elektrische Maschine bzw. der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine durch Leistungsaddition zur Energieversorgung eingesetzt werden.
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Wenn beispielsweise die elektrische Maschine die geforderte maximale Leistung beispielsweise für die Hydraulikantriebe der Arbeitskomponenten abdecken kann, kann in vorteilhafter Weise der Verbrennungsmotor im Oberwagen entfallen. Hierbei erfolgt die Energieversorgung entweder durch eine im Oberwagen angeordnete elektrische Maschine, wenn keine elektrische Maschine im Unterwagen angeordnet ist, oder über eine im Unterwagen angeordnete elektrische Maschine, also außerhalb des Oberwagens. Es ist auch denkbar, dass bei der Energieversorgung des Oberwagens auf eine externe Energiequelle im stationären Zustand der Arbeitsmaschine oder auf einen Energiespeicher zumindest zeitweise zurückgegriffen wird.
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Um auch eine externe Energieversorgung zu ermöglichen, kann vorzugsweise an dem Oberwagen und/oder dem Unterwagen zum Beispiel eine externe Steckdose zum Anschließen einer externen Energiequelle vorgesehen sein.
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Wenn die Arbeitskomponenten des Oberwagens elektrifiziert sind und die Energieversorgung durch den Unterwagen durch entsprechende Energiequellen, wie zum Beispiel einem Generator, einem elektrischen Energiespeicher und/oder einer Brennstoffzelle realisiert wird, um die maximal benötigte Leistung der Arbeitskomponenten abzudecken, kann z. B. ein Drehübertrager vorgesehen sein, der elektrische Energie zwischen dem Unterwagen und dem Oberwagen überträgt. Eine Übertragung von Energie zwischen Unterwagen und Oberwagen kann auch über eine Steckverbindung, eine Kabelverbindung oder dergleichen erfolgen, wenn der Unterwagen steht bzw. stationär ist und die Arbeitskomponenten des Oberwagens aktiv sind.
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Es ist jedoch auch möglich, dass anstelle einer im Oberwagen vorgesehenen Hydraulikpumpe zum Antrieb der Arbeitskomponenten diese im Unterwagen angeordnet ist. Somit kann auf den Hydraulikantrieb im Oberwagen verzichtet werden, um mehr Bauraum z. B. für höhere Traglasten in dem Oberwagen zur Verfügung zu stellen. Hierzu wird hydraulische Energie durch das Drehwerk bzw. den Drehübertrager von dem Unterwagen zum Oberwagen übertragen. Beispielsweise kann ein mechanischer Hydraulikantrieb mit dem Verbrennungsmotor im Unterwagen mechanisch verbunden sein und/oder auch elektrisch mit der als Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine verbunden sein. Ein elektrischer Hydraulikantrieb oder eine elektrisch betriebene Arbeitskomponente kann mit der als Generator ausgeführten elektrischen Maschine oder mit dem Energiespeicher oder mit einer externen Energieversorgung zur elektrischen Energieversorgung indirekt oder direkt verbunden sein.
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In vorteilhafter Weise kann durch eine Elektrifizierung des Hydraulikantriebes der Leistungsbedarf jeder Arbeitskomponente von der Drehzahl des Verbrennungsmotors entkoppelt werden. Dadurch kann die Motordrehzahl und damit der Motorbetriebspunkt frei gewählt werden. Dies führt zu Verbrauchsvorteilen. Gleichzeitig können neben den Arbeitskomponenten auch Nebenaggregate des Oberwagens, wie zum Beispiel Klimakompressoren, Motorlüfter oder dergleichen elektrifiziert werden. Durch die Elektrifizierung eröffnen sich zudem zahlreiche Anordnungsvarianten der einzelnen Komponenten.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert, in denen verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine dargestellt sind. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Anordnungsmöglichkeit von Verbrennungsmotor, elektrischer Maschine und Hydraulikantrieb im Oberwagen einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine;
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2 eine schematische Ansicht einer weiteren Anordnungsmöglichkeit von Verbrennungsmotor, elektrischer Maschine und Hydraulikantrieb im Oberwagen einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine;
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3 eine schematische Ansicht einer Anordnungsmöglichkeit zur Energieübertragung zwischen Unterwagen und Oberwagen bei der Arbeitsmaschine;
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4 eine schematische Ansicht einer weiteren Anordnungsmöglichkeit zur Energieübertragung zwischen Unterwagen und Oberwagen bei der Arbeitsmaschine; und
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5 eine schematische Ansicht einer Anbindungsmöglickeit von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine mit weiteren Komponenten bei der Arbeitsmaschine.
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Eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine ist in den 1 bis 5 exemplarisch als mobiler Kranwagen mit einem Unterwagen 1 und einem Oberwagen 2 lediglich schematisch angedeutet. Der Oberwagen 2 ist über einen Drehantrieb drehbar auf dem Unterwagen 1 gelagert. In dem Unterwagen 1 befindet sich ein Fahrantrieb bzw. ein Antriebsstrang wahlweise mit einem Verbrennungsmotor 13 als Primärenergiequelle, der beispielsweise mit einem Getriebe gekoppelt ist. Ferner sind mehrere Radachsen vorgesehen, von denen zumindest eine angetrieben ist. Der Oberwagen 2 der Arbeitsmaschine kann wahlweise als Primärenergiequelle einen Verbrennungsmotor 3 umfassen, mit dem Arbeits- und Komfortfunktionen im Oberwagen 2 realisiert werden.
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Erfindungsgemäß ist zumindest eine elektrische Maschine EM im Unterwagen 1 und/ oder im Oberwagen 2 vorgesehen, die je nach Konfiguration der Arbeitsmaschine mit dem im Oberwagen 2 vorgesehenen Verbrennungsmotor 3 und/ oder wahlweise mit dem im Unterwagen 1 vorgesehenen Verbrennungsmotor 13 zur Leistungsunterstützung verbindbar ist. Dabei bedeutet verbindbar einerseits, dass die elektrische Maschine EM entweder direkt verbunden ist, indem beispielsweise die Wellen oder ähnliches von Verbrennungsmotor 3, 13 und elektrischer Maschine EM verbunden sind. Andererseits bedeutet verbindbar, dass z. B. die Wellen von elektrischer Maschine EM und Verbrennungsmotor 3, 13 über zumindest ein Element lösbar verbunden sind. Als Element kann zum Beispiel eine Kupplung oder auch ein Getriebe oder dergleichen verwendet werden. Es ist möglich, dass die elektrische Maschine EM so ausgeführt ist, dass der im Oberwagen 2 vorgesehene Verbrennungsmotor 3 vollständig durch die elektrische Maschine EM leistungsmäßig ersetzt wird, so dass dieser entfallen kann. Es ist auch denkbar, dass die elektrische Maschine EM den Verbrennungsmotor 13 ersetzt oder zumindest unterstützt.
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In 1 ist eine Anordnungsmöglichkeit von Verbrennungsmotor 3 und elektrischer Maschine EM im Oberwagen 2 der Arbeitsmaschine beispielhaft dargestellt. Dabei ist der Verbrennungsmotor 3 und die elektrische Maschine EM zur Leistungsaddition in Reihe angeordnet, um einen mechanischen Hydraulikantrieb 4 und/ oder einen elektrischen Hydraulikantrieb 5 von Arbeitskomponenten 6 im Oberwagen 2 mit Energie zu versorgen. Die Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 3 und der elektrischen Maschine EM ist über eine Trennkupplung 7 entkoppelbar, so dass die mit der elektrischen Maschine EM verbundene Arbeitskomponente 6 z. B. auch ausschließlich über die elektrische Maschine EM mit Energie versorgt werden kann.
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In 2 ist eine alternative Anordnungsmöglichkeit dargestellt, bei der der Verbrennungsmotor 3 und die elektrische Maschine EM leistungsmäßig parallel zueinander in Abhängigkeit vom Kupplungszustand z. B. über ein Planetengetriebe oder dergleichen im Oberwagen 2 angeordnet sind. Somit kann der mechanische Hydraulikantrieb 4 und/ oder der elektrische Hydraulikantrieb 5 von Arbeitskomponenten 6 auch unabhängig voneinander sowohl vom Verbrennungsmotor 3 als auch von der elektrischen Maschine EM mit Energie versorgt werden. Sowohl der Verbrennungsmotor 3 als auch die elektrische Maschine EM sind beispielhaft über Trennkupplungen 8, 9 mit den hydraulischen Antrieben 4, 5 der Arbeitskomponente 6 verbindbar bzw. entkoppelbar, wobei das z. B. einsetzbare Planetengetriebe nicht weiter dargestellt ist. Der elektrische Hydraulikantrieb 5 kann angetrieben werden, wenn der Verbrennungsmotor 3 die elektrische Maschine EM als Generator über die Kupplungen 8 und 9 antreibt. Dies ist in 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
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3 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine, bei der auf den Verbrennungsmotor 3 im Oberwagen 2 zum Beispiel verzichtet wird und stattdessen die elektrische Maschine EM im Unterwagen 1 der Arbeitsmaschine angeordnet ist. Die elektrische Maschine EM ist mit dem als Primärenergiequelle vorgesehenen Verbrennungsmotor 13 lösbar verbunden. Zur Energieübertragung zwischen Unterwagen 1 und Oberwagen 2 ist ein Drehübertrager 10 vorgesehen, der beispielsweise die von der als Generator ausgeführten elektrischen Maschine EM erzeugte elektrische Energie für elektrische Arbeitskomponenten 6 oder elektrische Hydraulikantriebe 5 zum Oberwagen 2 überträgt.
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Gemäß 4 ist eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine gezeigt, bei der ebenfalls auf den Verbrennungsmotor 3 im Oberwagen 2 verzichtet wird. Bei dieser Ausgestaltung sind die Hydraulikantriebe 4, 5 im Unterwagen 1 angeordnet und werden von dem Verbrennungsmotor 13 im Unterwagen und/ oder von der elektrischen Maschine EM mit Energie versorgt. Dazu sind der Verbrennungsmotor 13 und die elektrische Maschine EM lösbar miteinander verbunden. Zur Übertragung der durch die Hydraulikantriebe 4, 5 erzeugte hydraulische Energie ist ein entsprechend gestalteter Drehübertrager 10 zwischen dem Unterwagen 1 und dem Oberwagen 2 zum Antrieb der Arbeitskomponenten 6 im Oberwagen 2 vorgesehen.
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Schließlich zeigt 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine, bei der der Verbrennungsmotor 3 im Oberwagen 2 über eine Trennkupplung oder dergleichen mit der elektrischen Maschine EM im Oberwagen 2 lösbar verbunden ist, wobei die elektrische Maschine EM sowohl mit einem Energiespeicher 11 zum Austausch von elektrischer Energie als auch mit einer externen Energiequelle 12 zur Einspeisung von externer Energie koppelbar ist. Ferner ist die elektrische Maschine EM beispielsweise über den Drehübertrager 10 mit dem Unterwagen 1 energetisch gekoppelt, so dass auch Energie in den Unterwagen 1 übertragen werden kann oder auch Energie aus dem Unterwagen 1 in den Oberwagen 2 übertragen werden kann, um die schematisch angedeuteten Arbeitskomponenten 6 im Oberwagen 2 mit Energie zu versorgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unterwagen
- 2
- Oberwagen
- 3
- Verbrennungsmotor im Oberwagen
- 4
- mechanischer Hydraulikantrieb
- 5
- elektrischer Hydraulikantrieb
- 6
- Arbeitskomponente
- 7
- Trennkupplung
- 8
- Trennkupplung
- 9
- Trennkupplung
- 10
- Drehübertrager
- 11
- Energiespeicher
- 12
- externe Energiequelle
- 13
- Verbrennungsmotor im Unterwagen
- EM
- elektrische Maschine
