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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regeneration von kinetischer Energie.
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Ein Antriebssystem zur Regenerierung (Rekuperation) von Energie von Gleiskettenfahrzeugen wird beispielsweise in der
US 5,282,516 beschrieben. Vorgeschlagen wird ein offener hydrostatischer Kreislauf mit jeweils einen Kettenantrieb pro Fahrzeugseite, wobei durch unterschiedliche Verstellung der Hydromotore Lenkbewegungen ausgeführt werden und die überschüssige Energie der einen Seite über Ventilsteuerungen auf die andere Fahrzeugseite geleitet wird, verbunden mit dem Ziel der Energierückgewinnung.
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Eine weitere Antriebseinrichtung ist in der
JP 06116984 A beschrieben. Vorgeschlagen wird ein im offenen hydrostatischen Kreislauf betriebenes Lenksystem mit Überkreuzventile zur Regenerierung von Energie bzw. Leistung.
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Auch wenn hier bereits positive Weiterentwicklungen bezüglich der Regeneration von Energie herbeigeführt werden können, ist jedoch nachteilig, dass dies nicht durch unabhängig voneinander verstellbare komplette Hydraulikkreisläufe pro Fahrzeugseite erfolgen kann, sondern nur über verlustbehaftete hydraulische Widerstände in direkter Verbindung zwischen den beidseitigen Hydromotoren als Teilkomponenten des hydrostatischen Kreislaufes, wodurch z.B. Nebenantriebe im Bereich der Hydraulikpumpen nicht mit Energie versorgt werden können.
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Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, den Stand der Technik dahingehend weiterzubilden, dass die Regeneration von Energie einerseits effektiver erfolgt und andererseits auch die gewonnene Energie flexibler auf mehr Verbraucher im Antriebsstrang verteilt werden kann.
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Dieses Ziel wird erreicht durch ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regeneration von kinetischer Energie, bestehend aus mindestens einem Antriebsmotor, mindestens einem mit dem Antriebsmotor in Wirkverbindung stehenden Pumpenverteilergetriebe und mindestens jeweils einem stufenlos verstellbaren Hydraulikkreislauf pro Fahrzeugseite, wobei jeder Hydraulikkreislauf aus mindestens einer Hydraulikpumpe und mindestens einem Hydraulikmotor besteht, wobei beide Hydraulikpumpen in Wirkverbindung mit dem Pumpenverteilergetriebe stehen, wobei zur Regeneration von kinetischer Energie der sich bewegenden Fahrzeugmasse die Richtung und die Höhe der Leistungsflüsse der Hydraulikkreisläufe unabhängig voneinander stufenlos einstellbar sind.
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Dieses Ziel wird auch erreicht durch ein Verfahren zur Steuerung der Regeneration von kinetischer Energie für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen, wobei die Richtung und die Höhe der Leistungsflüsse der Hydraulikkreisläufe unabhängig voneinander stufenlos eingestellt werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Verwendung findet ein kompletter Hydraulikkreislauf pro Fahrzeugseite. Diese können wahlweise unabhängig voneinander in Bezug der Höhe und Richtung ihres Leistungsflusses eingestellt werden, verbunden mit der Möglichkeit den Leistungsfluss beliebig auf mehrere Verbraucher zu verteilen und zwar ohne verlustbehaftete Ventile im direkten Bereich zwischen den Hydraulikmotoren und den Hydraulikpumpen. Das Antriebssystem besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus mindestens zwei Hydraulikkreisläufen, die jeweils mindestens eine Hydraulikpumpe und einen Hydraulikmotor beinhalten, wobei die Ansteuerung der Hydraulikkreisläufe unabhängig voneinander vorgesehen ist. Hierbei kann z.B. beim Lenken der Leistungsfluss eines rechten Hydraulikkreislaufes mit Bremswirkung im Hinblick auf die Fahrzeugmasse eingestellt werden, so dass Energie von einem rechten Hydraulikmotor zu einer dann motorisch wirkenden rechten Hydraulikpumpe fließt, um dann einen primären Antriebsmotor, z.B. Dieselmotor, unterstützen zu können. Die regenerierte Energie steht dann im Anfangsbereich des Antriebsstranges zur Verfügung und kann von hier aus flexibel auf alle Verbraucher verteilt werden.
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Das Antriebssystem treibt das Fahrzeug über die beidseitig angebrachten Hydraulikkreisläufe an, indem ein primärer Antriebsmotor, z.B. Dieselmotor, über ein Pumpenverteilergetriebe zwei Pumpen antreibt, die durch Vergrößerung ihres Schwenkwinkels stetig mehr Hydrauliköl fördern, das getrennt auf die beidseitig angebrachten Hydraulikmotoren geleitet wird, deren Abtriebswellen dadurch stetig schneller rotieren. Mit dem Erreichen der maximalen Schwenkwinkel der Hydraulikpumpen werden zur weiteren Erhöhung der Rotationsbewegungen der Schwenkwinkel der Hydraulikmotoren reduziert. Die Abtriebswellen der Hydraulikmotoren treiben beidseitig und unabhängig voneinander Summierungsgetriebe und wahlweise zusätzlich in Reihe geschaltete weitere Getriebe an, die ihrerseits das massebehaftete Fahrzeug über Ketten oder Räder in lineare Bewegung versetzen, mit entsprechender kinetischer Energie. Die Regeneration dieser kinetischer Energie kann während des Bremsens bei Geradeausfahrt erfolgen oder beim Lenken durch einseitige Verstellung von nur einem Hydraulikkreislauf. Beim Abbremsen während der Geradeausfahrt erfolgt die stufenlose Verstellung der Hydraulikkreisläufe beidseitig gleich, durch quantitativ gleiche Vergrößerung der Übersetzungen, d.h. je nach aktuellem Geschwindigkeitswert eine Vergrößerung der Schwenkwinkel von den Hydromotoren oder eine Verkleinerung der Schwenkwinkel der Hydropumpen. In diesem Betriebszustand des Abbremsens werden dann die Hydromotoren im Pumpenbetrieb wirken, angetrieben von der Fahrzeugmasse, und die Hydropumpen arbeiten motorisch und treiben ihrerseits nun auch das Pumpenverteilergetriebe an. Die in das Pumpenverteilergetriebe geleitete Energie kann nun wiederverwendet werden, z.B. zum Betrieb von Nebenantrieben. Während des Lenkens erfolgt prinzipiell die gleiche Prozedur, aber mit ungleicher Verstellung der beiden rechts und links angeordneten Hydraulikkreisläufe, wodurch die Fahrzeugmasse einseitig abgebremst und dadurch gelenkt wird und der Energie- bzw. Leistungsfluss von der abzubremsenden Seite in die gegenüberliegende Seite fließt bzw. regeneriert wird.
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Zur kontrollierten Einstellung der gewünschten Fahrtrichtung, bzw. Lenkbewegung, wird der Drehwinkel eines Lenkrades messtechnisch als Führungsgröße erfasst und einer Steuer- und Regelungseinheit zugeführt. Der Steuer- und Regelungseinheit werden als Istwerte auch die Drehzahlen beidseitiger Abtriebswellen der Hydraulikmotoren zugeführt. Mit der Steuer- und Regelungseinheit wird der Drehwinkel des Lenkrades mit der Drehzahldifferenz der beidseitigen Abtriebswellen der Hydraulikmotoren verglichen und ggf. angepasst durch entsprechende Verstellung der Hydraulikkreisläufe.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit der Verwendung von mindestens einem zusätzlichen und abschaltbaren Hydraulikmotor pro Fahrzeugseite. Die Einstellung der Höhe der zu regenerierenden Energie kann dann wahlweise von mindestens einem der beiden auf jeweils einer Seite angebrachten Hydraulikmotoren erfolgen oder durch über die Steuer- und Regelungseinheit abgestimmte gleichzeitige Ansteuerung durchgeführt werden kann.
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Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß wird bei der Verwendung von jeweils mindestens einem Feinsteuerventil pro Hydraulikkreislauf diese Feinsteuerventile während des Vorganges einer Regeneration deaktiviert bleiben, also nicht angesteuert werden, um die zu regenerierende Energie auf Maximalwerte zu halten.
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Zur weiteren Optimierung des Fahr- und Lenkungsverhaltens sowie der Wirkungsgradoptimierung beim Regenerieren wird eine parameteradaptive Regelung verwendet, die als Eingangsgrößen die Betriebsdaten vom Antriebsmotor, die Hydraulikdrücke über Drucksensoren, die Temperaturen und Drehzahlen einzelner oder aller Antriebskomponenten sowie Stellgrößen vom Fahrpersonal ganz oder teilweise erfassen kann.
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Die Summierungsgetriebe und weiteren Getriebe können wahlweise feste Übersetzungen aufweisen oder auch Stufenschaltgetriebe sein. Die Übersetzungen auf den Abtrieb können von den Antrieben aus betrachtet unterschiedlich sein, wie auch die Größen der Hydraulikfahrmotoren. Der Abtrieb der Summierungsgetriebe kann wahlweise direkt auf ein Kettenrad oder auf einen Radreifen wirken oder auch zur antriebstechnischen Optimierung über ein oder mehrere zwischengeschaltete Getriebe, die auch wahlweise feste Übersetzung aufweisen oder auch schaltbar sein können.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen kann in allen Fahrzeugen eingesetzt werden. Dies betrifft unter anderem Raupen, Panzer, Radlader, Teleskoplader, Gabelstapler, LKW, Busse, Nutzfahrzeuge, Spezialfahrzeuge, Agrarmaschinen oder dergleichen.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand zweier Ausführungsbeispiele in Zeichnungen dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen
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1 Prinzipskizze des Antriebsschemas für ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regeneration von kinetischer Energie.
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2 Prinzipskizze mit Leistungs- und Energiefluss des Antriebsschemas für ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regeneration von kinetischer Energie bei Lenkung in rechter Fahrtrichtung.
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3 Prinzipskizze des Antriebsschemas für ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regeneration von kinetischer Energie mit pro Seite zusätzlichen und abschaltbaren Hydromotoren sowie Feinsteuerventilen;
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1 zeigt als Prinzipskizze des Antriebsschemas für ein Antriebssystem für Kettenfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen zur Regenerierung von kinetischer Energie:
Ein Antriebsmotor 1 treibt über ein Pumpenverteilergetriebe 2 Hydraulikpumpen 3/23 an, die unabhängig voneinander hydraulische Leistung auf die Hydraulikfahrmotoren 5/25 geben. Die Hydraulikfahrmotoren 5/25 wirken unabhängig voneinander auf ein Summierungsgetriebe 7/27. Die Abtriebe der Summierungsgetriebe 7/27 treiben das Kettenfahrzeug oder die mobile Arbeitsmaschine an. Beim Abbremsen während einer Geradeausfahrt werden die Hydraulikkreisläufe 16/17 durch die Steuer- und Regelungseinheit 8 beidseitig und quantitativ gleich so verstellt, dass die Übersetzung der Hydraulikkreisläufe 16/17 sich vergrößert, indem je nach aktuellem Geschwindigkeitswert eine Vergrößerung der Schwenkwinkel der Hydraulikfahrmotoren 5/25 oder eine Verkleinerung der Schwenkwinkel der Hydraulikpumpen 3/23 erfolgt. In diesem Betriebszustand des Abbremsens operieren die Hydraulikfahrmotor 5/25 im Pumpenbetrieb und die Hydraulikpumpen 3/23 arbeiten motorisch und treiben ihrerseits nun auch das Pumpenverteilergetriebe 2 an. Die in das Pumpenverteilergetriebe 2 geleitete Energie kann nun wiederverwendet werden, z.B. zum Betrieb von Nebenantrieben.
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2 zeigt das gleiche Antriebsschema, wie es in 1 dargestellt ist, so dass gleiche Bezugszeichen gelten, ist aber erweitert um mit Pfeilen dargestellten Energie- und Leistungsflüssen während der Lenkung in rechter Fahrtrichtung. Das Lenkrad 13 wird in rechter Richtung verdreht und der Drehwinkel wird gemessen und der Steuer- und Regelungseinheit 8 zugeführt. Die Drehzahlistwerte der Hydraulikfahrmotoren 5/25 werden über die Drehzahlsensoren 9/29 messtechnisch erfasst und gleichfalls der Steuer- und Regeleinheit 8 zugeführt. Die Steuer- und Regelungseinheit 8 vergleicht den Drehwinkel des Lenkrades 13 mit der Drehzahldifferenz der beidseitigen Abtriebswellen der Hydraulikfahrmotoren 5/25 und verstellt die Hydraulikkreisläufe 16/17 bis zur Anpassung von Soll- und Istwerten. Während dieses Lenkvorganges wird die Fahrzeugmasse 14 einseitig abgebremst bzw. gelenkt und der Energie- bzw. Leistungsfluss erfolgt über den Hydraulikkreis 17 in das Pumpenverteilergetriebe 2, wo sich der zu regenerierende Energie- und Leistungsfluss mit dem Leistungsfluss vom Antriebsmotor 1 summiert und den Nebenverbraucher 15 sowie dem Hydraulikkreis 16 verfügbar gemacht wird.
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3 zeigt das gleiche Antriebsschema, wie es in 2 dargestellt ist, so dass gleiche Bezugszeichen gelten, ist aber pro Fahrseite erweitert um jeweils mindestens einen, über eine Schaltvorrichtung 6/26 abschaltbaren, zusätzlichen Hydraulikfahrmotor 4/24 pro Fahrzeugseite und jeweils einem Feinsteuerventil 10/20. Die Einstellung der Höhe einer zu regenerierenden Energie kann dann pro Fahrseite wahlweise vom Hydraulikfahrmotor 5/25 oder vom Hydraulikfahrmotor 4/24 durchgeführt werden oder durch über die Steuer- und Regelungseinheit (8) abgestimmte gleichzeitige Ansteuerung der Hydraulikmotoren 5/25 und 4/24. Die Steuer- und Regelungseinheit 8 erfasst darüber hinaus den Zustand, ob zu regenerierende Energie fließt und deaktiviert die Feinsteuerventile 10/20 während der Zeitdauer der Regeneration.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsmotor
- 2
- Pumpenverteilergetriebe
- 3
- Hydraulikpumpe links (Hydraulikfahrpumpe)
- 4
- erster Hydraulikfahrmotor links (Hydraulikmotor)
- 5
- zweiter Hydraulikfahrmotor links (Hydraulikmotor)
- 6
- Schaltvorrichtung links
- 7
- Summierungsgetriebe links
- 8
- Steuer- und Regelungseinheit
- 9
- Drehzahlsensor links
- 10
- Feinsteuerventil links
- 11
- Getriebe links
- 12
- Kette links
- 13
- Lenkrad
- 14
- Fahrzeugmasse
- 15
- Nebenverbraucher (Nebenantriebe)
- 16
- Hydraulikkreislauf links
- 17
- Hydraulikkreislauf rechts
- 18
- frei
- 19
- frei
- 20
- Feinsteuerventil rechts
- 21
- Getriebe rechts
- 22
- Kette rechts
- 23
- Hydraulikpumpe rechts (Hydraulikfahrpumpe)
- 24
- erster Hydraulikfahrmotor rechts (Hydraulikmotor)
- 25
- zweiter Hydraulikfahrmotor rechts (Hydraulikmotor)
- 26
- Schaltvorrichtung rechts
- 27
- Summierungsgetriebe rechts
- 28
- frei
- 29
- Drehzahlsensor rechts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5282516 [0002]
- JP 06116984 A [0003]
