DE102015007235A1 - Arbeitsmaschine, insbesondere Muldenkipper oder Truck - Google Patents

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Abstract

Diese Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere in Form eines Muldenkippers oder eines Trucks, mit einem dieselelektrischen Fahrantrieb und einem Kühlsystem, wobei ein gemeinsamer Kühlkreislauf des flüssigen Kühlmediums für die parallele Kühlung ein oder mehrerer Komponenten der Leistungselektronik und für die Kühlung ein oder mehrerer Antriebskomponenten im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse vorgesehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere in Form eines Muldenkippers oder eines Trucks, mit einem dieselelektrischen Fahrantrieb und einem Kühlsystem.
  • Muldenkipper oder sogenannte Large-Dump-Trucks werden überwiegend in Kohle- oder Erzgewinnungsbetrieben für den Transport der abgebauten Kohle, Mineralien und Erze eingesetzt. Diese Schüttgutkipper werden in einer Größe von über 90 t bis zu mehreren 100 t Eigengewicht und Nutzlast hergestellt, sodass sie insgesamt sehr große Abmessungen aufweisen.
  • Als Fahrantrieb kommt ein dieselelektrischer Antrieb zur Anwendung, wobei die durch einen Dieselmotor erzeugte mechanische Energie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie für die Versorgung der elektrischen Fahrantriebe gewandelt wird. Grund für dieses Verfahren ist, dass Dieselmotoren wie alle Verbrennungsmotoren nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich mit optimalem Wirkungsgrad betrieben und nicht unter Last angefahren werden können. Die eingesetzten Wechselstrommotoren für die Fahrachse können auch zum Anfahren das gewünschte Drehmoment im unteren Drehzahlbereich aufbringen. Der verwendete Verbrennungsmotor lässt sich durchgehend im optimalen Drehzahlbereich betreiben.
  • Bisher wurden diverse kühlbedürftige Komponenten der Fahrantriebes mittels separater Kühlsysteme gekühlt, was zu einem nicht unerheblichen konstruktionsbedingten Aufwand bei der Produktion derartiger Muldenkipper führte.
  • Erschwerend kommt hinzu, dass der Kühlereinlass der mobilen Arbeitsmaschine üblicherweise im Bereich der Fahrzeugfront sitzt, die zu kühlenden Komponenten bei den verwendeten dieselelektrischen Antrieben jedoch eher im Heckbereich angeordnet sind. Momentan wird das zu kühlende Getriebeöl vom Fahrzeugheck in Richtung der an der Fahrzeugfront montierten Wärmetauscher geführt, um die Kühlwirkung des Fahrtwindes auszunutzen. Das heiße Öl wird nachteilig an der Verbrennungsmaschine vorbeigeführt, wodurch sich ein enormes Feuerrisiko ergibt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kühlsystem einer gattungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine aufzuzeigen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere einen Muldenkipper oder einen Truck, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Arbeitsmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird ein gemeinsamer Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium für die parallele Kühlung einer oder mehrerer Komponenten der Leistungselektronik des dieselelektrischen Antriebes sowie zur Kühlung einer oder mehrerer Antriebskomponenten im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse vorgeschlagen. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Kühlkreislaufs wird der benötigte Zirkulationsweg des flüssigen Kühlmediums auf ein Minimum reduziert. Durch die verkürzten Strömungswege lässt sich eine effektive Kühlwirkung erzielen. Gleichzeitig verringert sich die Gesamtkomplexität der Arbeitsmaschine, da keine separaten Kühlsysteme bereitgestellt und gewartet werden müssen.
  • Als verwendetes Kühlmedium kommt beispielsweise Wasser oder Glykol in Betracht.
  • Die eine oder mehreren zu kühlenden Komponenten der angetriebenen Fahrzeugsachse sind beispielsweise ein oder mehrere elektrische Antriebsmotoren des dieselelektrischen Antriebs, die beispielsweise paarweise die Bereifung der angetriebenen Achse antreiben. Üblicherweise ist die Hinterachse die angetriebene Achse der mobilen Arbeitsmaschine.
  • Denkbar ist es, dass die elektrischen Antriebsmotoren über geeignete Getriebe ihren zugeordneten Achsabschnitt bzw. die Radnaben der angetriebenen Fahrzeugachse übersetzt antreiben. Das verwendete Getriebeöl kann ebenfalls durch den gemeinsamen Kühlkreislauf kühlbar sein. Als derartiges Getriebe werden häufig ein oder mehrere Planetengetriebe eingesetzt, die jeweils in den Radnaben integriert sind und das Ausgangsmoment der elektrischen Motoren auf die Radachse bzw. Radnabe übertragen.
  • Die Kühlung des Getriebeöls kann mittels ein oder mehrere Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher realisiert sein. Die benötigten Wärmetauscher sind beispielsweise getriebenah angeordnet, um den Leitungsweg des Getriebeöls so kurz wie möglich zu gestalten. Denkbar ist eine Anordnung im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse bzw. im Bereich zwischen angetriebener Achse und Leistungselektronik oder besonders bevorzugt im Bereich zwischen Generator und Leistungselektronik. Kühlflüssigkeit des gemeinsamen Kühlkreislaufs durchströmt damit zum einen die verwendeten Elektromotoren und zum anderen die einen oder mehreren Getriebe, insbesondere Planetengetriebe, d. h. die eingesetzten Wärmetauscher.
  • Die vorteilhafte Anordnung der Wärmetauscher macht eine Zuführung des heißen Getriebeöls von der angetriebenen Hinterradachse bis zum Frontbereich des Fahrzeugs überflüssig, das Risiko, dass sich das beförderte Öl entzündet, wird reduziert.
  • Eine oder mehrere der zu kühlende Komponenten der Leistungselektronik sind beispielsweise einer oder mehrere Frequenzumrichter zur Ansteuerung der einen oder mehreren Elektromotoren der angetriebenen Fahrzeugachse. Auch der eingesetzte Generator des dieselelektrischen Antriebs wird in diesem Zusammenhang als zu kühlende Komponente verstanden. Die einen oder mehreren Komponenten der Leistungselektronik werden in bekannter Art und Weise durch die Kühlflüssigkeit des gemeinsamen Kühlkreislaufs durchströmt und effektiv heruntergekühlt.
  • Vorzugsweise erfolgt die Zirkulation innerhalb des Kühlmittelkreislaufs derart, dass Komponenten mit höherem Kühlbedarf vorrangig gekühlt bzw. durchströmt werden, während Komponenten mit geringerem Kühlbedarf nachgeordnet im Kühlkreislauf angeordnet sind. Beispielsweise müssen die Komponenten der Leistungselektronik deutlich stärker heruntergekühlt werden bzw. erfordern eine geringere Temperatur des Kühlmittels, da die reguläre Betriebstemperatur der Komponente niedriger liegt.
  • Das verwendete Getriebeöl der ein oder mehreren zu kühlenden Getriebe ist demgegenüber anspruchsloser und weniger kühlbedürftig, so dass die Temperatur des Kühlmittels für eine ausreichende Kühlung höher liegen darf. Aus diesem Grund wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass das Kühlmedium des gemeinsamen Kühlkreislaufes zuerst diejenigen Komponenten der Leistungselektronik, wie beispielsweise die Frequenzumrichter, und/oder die Elektromotoren der angetriebenen Achse kühlt bzw. durchströmt und nachrangig den ein oder mehreren Wärmetauschern für die Kühlung des Getriebeöls der verwendeten Getriebetypen in der angetriebenen Fahrzeugachse zugeführt wird.
  • Vorzugsweise ist der gemeinsame Kühlkreislauf derart ausgebildet, so dass zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten mit ähnlichen Kühlanforderungen parallel gekühlt bzw. durchströmt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Komponenten der Leistungselektronik und/oder wenigstens einer der elektrischen Antriebsmotoren parallel durch das Kühlmedium des gemeinsamen Kühlkreislaufs gekühlt bzw. durchströmt werden, während die ein oder mehrere Getriebe der angetriebenen Fahrzeugachse nachgeordnet gekühlt bzw. durchströmt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmedium durch einen im Frontbereich der Arbeitsmaschine angeordneten Flüssigkeitskühler als Wärmesenke durchgeleitet und von dort aus über eine oder mehrere Pumpen in Richtung der zu kühlenden Komponenten im Heckbereich geführt.
  • Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Es zeigen:
  • 1 bis 4: mehrere Darstellungen des erfindungsgemäßen Muldenkippers,
  • 5: eine perspektivische Detailansicht des Fahrzeugrahmens des erfindungsgemäßen Muldenkippers,
  • 6: eine skizzenhafte Schaltbilddarstellung des Kühlmittelkreislaufs des erfindungsgemäßen Muldenkippers.
  • In den 1 bis 4 ist ein Muldenkipper 10 dargestellt. Es handelt sich hier um einen sogenannten Large-Dumping-Truck, wie er beispielsweise in Erzminen eingesetzt wird. An einem starren Rahmen 12 sind Vorderräder 14 und über nicht näher dargestellte Elektromotoren angetriebene Hinterräder 16 gelagert. Die Hinterräder 16 sind mit Zwillingsbereifungen ausgeführt.
  • Am Rahmen 12 ist schwenkbar eine Mulde 18 angelenkt, die über beidseitig am Fahrzeug vorgesehene hydraulische Hubzylinder 20 verschwenkbar ist. Im in Fahrtrichtung vorderen Bereich des Fahrzeugs 10 wird dieses durch die Stoßstange 22 begrenzt. Oberhalb der Stoßstange 22 ist ein Kühlermodul 24 angeordnet. Wiederum oberhalb des Kühlermoduls 24 erstreckt sich über die Breite des Muldenkippers 10 ein Oberdeck 26, auf dem eine Fahrerkabine 28 angeordnet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fahrerkabine 28 auf der in Fahrtrichtung linken Seite des Oberdecks 26 platziert. Damit liegt die Fahrerkabine oberhalb des linken Vorderrades 14.
  • Der Muldenkipper 10 umfasst einen dieselelektrischen Antrieb, der in der perspektivischen Detailansicht des Fahrzeugrahmens 12 in 5 gut erkennbar ist. Der Antrieb umfasst den Dieselmotor 40, der im in Fahrtrichtung gesehen vorderen Bereich im Fahrzeugrahmen 12 montiert ist. Insbesondere sitzt der Verbrennungsmotor 40 im Bereich der Vorderachse 14 unterhalb des Oberdecks 26 und der Fahrzeugkabine 28. Direkt vor dem Verbrennungsmotor 40 an der Fahrzeugfront sitzt das Kühlermodul 24.
  • Der Verbrennungsmotor 40 treibt den Generator 60 mechanisch an, um die notwendige elektrische Energie für die elektrischen Fahrantriebe 80 zu erzeugen. Als Fahrantrieb dienen zwei Wechselstrommotoren 80, die links und rechts in die Hinterradachse 16 integriert sind. Für die Steuerung bzw. Regelung der Elektromotoren 80 sowie des Generators 60 steht eine Leistungselektronik 100 mit den notwendigen Leistungsbauteilen, wie Frequenzumrichtern etc. zur Verfügung.
  • Die beiden Elektromotoren 80 treiben unabhängig voneinander die linke bzw. rechte Radnabe der angetriebenen Hinterachse 16 an. Der Antrieb erfolgt über ein in der 5 nicht dargestelltes Planetengetriebe. Jeder Elektromotor 80 ist über ein Planetengetriebe mit der Radnabe der angetriebenen Hinterradachse 16 verbunden.
  • Sowohl die Leistungselektronik 100 als auch das verwendete Öl der Planetengetriebe müssen während des Betriebs des Muldenkippers 10 gekühlt werden. Dazu wird der neue erfindungsgemäße Kühlmittelkreislauf eingesetzt. Der Kühlmittelkreislauf verwendet ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Glykol, das von dem Kühlermodul 24 als Wärmesenke entsprechend heruntergekühlt wird. Über die Kühlleitungen wird das Kühlmedium mittels ein oder mehrerer Hydraulikpumpen 65 in den hinteren Teil des Fahrzeugrahmens 12 befördert.
  • Die ein oder mehreren Hydraulikpumpen 65 werden durch einen Nebenabtrieb des Pumpenverteilergetriebes 50 bedient, das im gezeigten Ausführungsbeispiel direkt am Generatorausgang sitzt. Das Pumpenverteilergetriebe 50, an welchem die Hydraulikpumpen 65 angeordnet sind, ist in den Kühlkreis eingebunden. Das Verteilergetriebe 50 kann jedoch alternativ direkt am Verbrennungsmotor 40 oder am Generator 60 bzw. zwischen Generator 60 und Verbrennungsmotor 40 angeordnet sein.
  • Die Pumpe 65 befördert das Hydraulikmedium von der Frontseite des Muldenkippers 10 in Richtung der Leistungselektronik 100, sodass diese Komponenten, insbesondere die Frequenzumrichter, durch das geförderte Kühlmedium gekühlt bzw. durchströmt und auf das gewünschte Betriebstemperaturniveau heruntergekühlt werden. Zudem wird das Kühlmittel den von der Fahrzeugfront aus gesehen im Bereich vor der Leistungselektronik 100 montierten ein oder mehreren Wasser-Öl-Wärmetauschern 90, vorzugsweise pro Planetengetriebe ein Wärmetauscher, zugeführt, um das verwendete Getriebeöl der Planetengetriebe in der angetriebenen Hinterradachse 16 zu kühlen. Dazu wird das Öl von der Hinterradachse 16 bis zu den Wärmetauschern 90 geführt. Das Kühlmittel kann weiterhin den Elektromotoren 80 den Getriebeölkühlern nachgeschaltet zugeführt werden.
  • Die Erfindung offenbart einen einzigen Kühlkreislauf für die genannten Komponenten, der von der Frontseite des Fahrzeugrahmens 12 bis zum Fahrzeugheck verläuft. Die Zirkulation des Kühlmediums ist auf den Rahmenbereich beschränkt, wobei die kurzen Leitungswege eine effektive Kühlung ermöglichen. Zum Ausgleich der Temperaturschwankungen des Kühlmediums ist zusätzlich das Druckausgleichsgefäß 70 vorgesehen.
  • 6 zeigt eine skizzierte Darstellung des Kühlkreislaufs. Von dem Kühlmodul 24 als Wärmesenke wird das verwendete Kühlmedium über die Pumpe 65 in Richtung der Leistungselektronik 100, sowie der Wärmetauscher 90 befördert. Da die Frequenzumrichter der Leistungselektronik 100 ein geringeres Temperaturniveau für den Betrieb erfordern, hier kleiner 65°, wird das durch das Kühlmodul 24 heruntergekühlte Medium (Temperatur kleiner 55°) vorrangig an diese Komponenten 100 befördert.
  • Nach Durchströmung dieser Wärmequellen hat das Kühlmedium nunmehr eine höhere Temperatur im Bereich von 65°, die ausreichend für die Kühlung des Getriebeöls ist. Folglich sind die Wärmetauscher 90 im Zirkulationsfluss des Kühlmediums der Leistungselektronik 100 nachgeschaltet. Die Wärmetauscher 90 werden ebenfalls parallel zueinander durchströmt.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt einen gemeinsamen Kühlkreislauf für die zu kühlenden Komponenten, sodass die Anzahl der Kühlkreislaufkomponenten etc. reduziert und dennoch eine ausreichend effektive Kühlung geschaffen wird.

Claims (9)

  1. Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere in Form eines Muldenkippers oder eines Trucks, mit einem dieselelektrischen Fahrantrieb und einem Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Kühlkreislauf des flüssigen Kühlmediums für die parallele Kühlung ein oder mehrerer Komponenten der Leistungselektronik und für die Kühlung ein oder mehrerer Antriebskomponenten im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse vorgesehen ist.
  2. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden Komponenten im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse ein oder mehrere elektrische Antriebsmotoren zum Antrieb der Fahrzeugachse sind.
  3. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden Komponenten im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse ein oder mehrere Getriebe, insbesondere Planetengetriebe, sind, mittels derer das Drehmoment ein oder mehrerer Elektromotoren auf die Fahrzeugachse bzw. Radnabe übertragbar ist.
  4. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung des Kühlmittels über ein oder mehrere Wärmetauscher an das Getriebeöl der verwendeten Getriebe abgebar ist, wobei die Wärmetauscher an oder im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse angeordnet sind.
  5. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Komponenten der Leistungselektronik ein oder mehrere Frequenzumrichter und/oder der Generator des dieselelektrischen Antriebes sind.
  6. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislaufs derart erfolgt, so dass zu kühlende Komponenten mit höherem Kühlbedarf vorrangig gekühlt bzw. durchströmt werden, während Komponenten mit geringerem Kühlbedarf nachgeordnet im Kühlkreislauf angeordnet sind.
  7. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit höherem Kühlbedarf ein oder mehrere Komponenten der Leistungselektronik umfassen, während die Komponenten mit geringerem Kühlbedarf ein oder mehrere Getriebe, insbesondere Planetengetriebe, im Bereich der angetriebenen Fahrzeugachse umfassen.
  8. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kühlkreislauf derart ausgebildet ist, so dass zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten der Leistungselektronik parallel durch das Kühlmedium des gemeinsamen Kühlkreislaufs gekühlt bzw. durchströmt werden, während die ein oder mehrere Getriebe der angetriebenen Fahrzeugachse nachgeordnet gekühlt bzw. durchströmt werden
  9. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch einen im Frontbereich der Arbeitsmaschine angeordnetes Kühlmodul als Wärmesenke strömt und von dort aus über ein oder mehrere Pumpen in Richtung der zu kühlenden Komponenten im Bereich des Fahrzeughecks gefördert wird.
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