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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrantrieb für eine Arbeitsmaschine, insbesondere für einen Radlader.
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Fahrantriebe für derartige Arbeitsmaschinen sind aus dem Stand der Technik beispielsweise mit folgenden Antriebskonzepten ausgestattet: Drehmomentwandler mit gegebenenfalls Lastschaltgetriebe, hydraulischer Antrieb, leistungsverzweigter Antrieb, dieselelektrischer Antrieb.
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Der dieselelektrische Antrieb ist an sich vorteilhaft einsetzbar, jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass dessen Einsatz vergleichsweise kostenintensiv ist. Dies ist beispielsweise bei einem Radlader darauf zurückzuführen, dass eine hohe Spreizung zwischen der erforderlichen Maximalzugkraft a gemäß 1 und der Höchstgeschwindigkeit b gemäß 1 gefordert ist.
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In 1 ist auf der Abszisse die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Radladers dargestellt und auf der Ordinate die durch die Arbeitsmaschine bzw. den Radlader aufzubringende Zugkraft. Bei einem dieselelektrischen Antrieb kommt erschwerend hinzu, dass der Bereich hoher Zugkraft gleichzeitig auch der Bereich mit den größten Stromstärken und somit mit den größten thermischen Belastungen ist. Dies führt zu der oben genannten kostenintensiven Ausführung, da entsprechende Anforderungen an den Traktionsmotor, die Kühlung und die Stromrichter zu stellen sind.
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Aus der
DE 10 2013 018 067 A1 ist eine Arbeitsmaschine in Form eines Muldenkippers oder eines Trucks bekannt, dessen Fahrantrieb durch einen Elektromotor und einen mittels einer Kupplung zuschaltbaren und abkuppelbaren Hydraulikmotor antreibbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrantrieb dahingehend weiterzubilden, dass die Schleppverluste im Antriebsstrang möglichst gering sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fahrantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass der Fahrantrieb wenigstens einen elektrischen Strang und wenigstens einen hydraulischen bzw. hydrostatischen Strang aufweist, die angeordnet sind, das durch diese Stränge erzeugte Drehmoment mittels wenigstens einer Summierungseinheit gemeinsam auf wenigstens eine Antriebsachse der Arbeitsmaschine zu übertragen, wobei in dem hydraulischen Strang ein Freilauf vorgesehen ist, der ausgebildet ist, in wenigstens einem Betriebszustand der Arbeitsmaschine die Drehmomentübertragung vom Fahrantrieb zu der Antriebsachse zu unterbinden.
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Dabei ist der Freilauf vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass dieser bei Vorwärtsfahrt der Arbeitsmaschine im Zug Drehmoment vom Fahrantrieb zu der Antriebsachse überträgt. In diesem Fall erfolgt somit kein Freilauf, sondern eine Drehmomentübertragung. Der Freilauf ist vorzugsweise derart angeordnet, dass bei Vorwärtsfahrt im Zug Drehmoment übertragen werden kann, bei Schub oder Nullhub des Hydromotors wirkt der Freilauf und ist somit „ausgekuppelt“.
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Der Fahrantrieb umfasst vorzugsweise eine Antriebseinheit, z.B. in Form einer Verbrennungskraftmaschine und insbesondere in Form eines Dieselmotors. Diese Antriebseinheit leitet Drehmoment in den hydraulischen Strang sowie auch in den dieselelektrischen Strang ein.
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Denkbar ist auch, dass die Pumpe des hydraulischen Zweigs von einem Elektromotor bzw. von einem weiteren Elektromotor angetrieben wird. Dieser Elektromotor kann von einer Batterie, einer Brennstoffzelle, einem Generator, der seinerseits vorzugsweise von einem Verbrennungsmotor, wie einem Dieselmotor angetrieben wird, mit elektrischer Leistung versorgt werden. In Betracht kommen grundsätzlich beliebige elektrischen Energiequellen zur Versorgung des Elektromotors mit Strom bzw. Spannung.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Freilauf derart ausgebildet ist, dass dieser bei Rückwärtsfahrt der Arbeitsmaschine kein Drehmoment von dem Fahrantrieb zu der Antriebsachse überträgt. In diesem Fall wird der Hydromotor von dem Fahrantrieb mitgedreht.
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Bevorzugt ist es, wenn der Hydromotor des hydraulischen Strangs als nullschwenkbarer Verstellmotor ausgeführt ist. Vorzugsweise ist dadurch ein gezielter Momentenaufbau durch Ausschwenken des Hydromotors möglich. Für den Fall, dass die Traktionsleistung des Hydromotors nicht benötigt wird, erfolgt die Nullschwenkung und durch die Wirkung des Freilaufs bleibt der Hydromotor stehen und bleibt verlustlos.
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Vorzugsweise wird für die Rückwärtsfahrt infolge des Freilaufs kein Moment übertragen und der Hydromotor bleibt in Null stehen.
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Als wesentlicher Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass auf eine vergleichsweise aufwändige und kostenintensive Kupplung verzichtet werden kann, da deren Funktion der Freilauf übernimmt, der den hydraulischen Strang in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter abkoppelt, so dass dieser nicht an der Drehmomentübertragung teilnimmt. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass keine Schleppverluste im Antriebsstrang aufgebracht werden müssen, da der Hydromotor vorzugsweise entkoppelt ist, wenn kein Antriebsmoment vom Hydromotor abgegeben wird.
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Vorzugsweise ist der Hydromotor derart ausgelegt, dass er nur für geringe Drehzahlen bzw. Fahrgeschwindigkeiten drehzahffest ist, beispielsweise bis zu einer Geschwindigkeit von bis zu 5 km/h. Es kann eine Steuer- oder Regelungseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, den hydraulischen Strang bei Überschreiten eines Geschwindigkeitsgrenzwertes zu deaktivieren.
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Der Hydromotor wird entsprechend der Fahrgeschwindigkeit angetrieben und muss somit jedenfalls für diese Fahrgeschwindigkeiten drehzahlfest sein. Vor diesem Hintergrund kann vorgesehen sein, dass die Arbeitsmaschine ausgebildet ist, dass diese eine geringere Rückwärtsfahrt-Höchstgeschwindigkeit, z.B. maximal 20 bis 25 km/h aufweist als die Vorwärtsfahrt-Höchstgeschwindigkeit, von z.B. 40 km/h.
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Bleibt der Hydromotor in der Rückwärtsfahrt nullgeschwenkt, was eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung darstellt, ergeben sich nur geringe Schleppverluste.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Fahrantrieb einzusetzen, bei dem eine Kombination aus zumindest einem elektrischen Strang und zumindest einem hydraulischen Strang zum Einsatz kommt.
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Denkbar ist es, dass der elektrische Strang bei allen Fahrgeschwindigkeiten der Arbeitsmaschine arbeitet, der hydraulische Strang jedoch nur bis zum Erreichen eines bestimmten Geschwindigkeitsgrenzwertes.
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Vorzugsweise ist somit vorgesehen, dass der hydraulische Strang im Bereich hoher Zugkräfte arbeitet und somit einen Teil der Zugkraft bzw. der Leistung abdeckt. Dabei ist es denkbar, dass der hydraulische Strang bis zu 40 % der aufzubringenden Zugkraft übernimmt und der verbleibende Teil von dem elektrischen Strang übernommen wird.
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Denkbar ist es weiterhin, dass bei Überschreiten einer Geschwindigkeitsschwelle der hydraulische Strang nach Null geschwenkt wird, sodass in diesem Bereich nur noch der elektrische Strang des Fahrantriebes arbeitet.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen vergleichsweise kleinen, billigen hydraulischen Strang vorzusehen, da dieser vorzugsweise nur eine vergleichsweise geringe Geschwindigkeitsspreizung abdecken muss. Zudem besteht der Vorteil, dass die Hydraulik bei diesen Betriebspunkten (kleine Geschwindigkeit, hohe Zugkraft) mit vorteilhaften Wirkungsgraden arbeitet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund des Einsatzes des hydraulischen Strangs der elektrische Antrieb bzw. elektrische Strang im Bereich hoher Stromstärken, das heißt bei hohen Zugkräften deutlich entlastet wird und somit ebenfalls in seiner Spreizung zurückgenommen und wesentlich billiger ausgeführt werden kann, als wenn der elektrische Strang die gesamte Zugkraftspanne abdecken müsste.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Dieselmotor“ stellvertretend für jeden beliebigen Verbrennungsmotor bzw. für jede beliebige Verbrennungskraftmaschine steht. Diese treibt in einer Ausführungsform wenigstens einen hydraulischen und wenigstens einen elektrischen Strang an, die über wenigstens eine Summierungseinheit ihr Drehmoment auf eine oder mehrere Achsen der Arbeitsmaschine übertragen. Der durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebene elektrische Strang wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „dieselelektrischer Strang“ bezeichnet. Der von der Verbrennungskraftmaschine oder durch eine sonstige Energiequelle angetriebene hydraulische Strang wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „hydrostatischer Strang“ oder als „hydraulischer Strang“ bezeichnet.
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An dieser Stelle wird ferner darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der hydraulische Strang wenigstens eine von dem Dieselmotor oder von einer sonstigen Energiequelle angetriebene hydraulische Einheit, die ihrerseits zumindest aus einer hydraulischen Pumpe und zumindest aus einem Hydromotor besteht. Denkbar ist es, dass es sich bei dem hydraulischen Antrieb um einen vergleichsweise einfachen Antrieb mit einer oder mehreren hydraulischen Pumpen und einem oder mehreren hydraulischen Motoren im offenen oder auch geschlossenen Kreis handelt. Handelt es sich um einen offenen Kreis, werden solche Pumpen ohnehin an Bord der Arbeitsmaschine für Zylinderbewegungen gebraucht. Dies bedeutet, dass die gesamte Infrastruktur wie beispielsweise die Kühlung, der Tank, die Filterung usw. ohnehin vorhanden sind.
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Denkbar ist es, dass die Pumpe außer dem Hydromotor auch andere Verbraucher zusätzlich bedient, wie beispielsweise Zylinder bzw. Zylinderbewegungen bewirkt. Von der Erfindung ist jedoch auch der Fall umfasst, dass die Pumpe ausschließlich den hydraulischen Motor und sonst keinen weiteren Verbraucher antreibt.
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Wie ausgeführt, kann der hydraulische Strang auch als geschlossener Kreis ausgeführt sein, wie dies bei klassischen hydraulischen Antrieben mit Pumpe und Motor der Fall ist.
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Die hydraulische Pumpe könnte ausschließlich den Motor antreiben und/oder gegebenenfalls von dem Verbrennungsmotor bzw. Dieselmotor bzw. einer sonstigen Energiequelle abkuppelbar ausgeführt sein. Ein solches Abkuppeln erfolgt, wenn der hydraulische Strang nicht mehr benötigt wird, das heißt insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, das heißt bei Geschwindigkeiten, die einen Grenzwert überschreiten. In diesem Fall wird die Kupplung geöffnet, sodass der Verbrennungsmotor bzw. Dieselmotor bzw. die Energiequelle die Pumpe nicht mehr antreibt und der hydraulische Strang somit nicht arbeitet.
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In einer weiteren besonders kostengünstigen Ausführung könnte der Motor ohne Kupplung ausgeführt werden. In diesem Fall wird der Schwenkwinkel des Motors auf Null oder auf einen geringen Wert eingestellt, wenn eine höhere Drehzahl bzw. eine höhere Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine benötigt wird.
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Der dieselelektrische Strang kann wenigstens einen von dem Dieselmotor angetriebenen Generator, vorzugsweise wenigstens einen Zwischenkreis sowie wenigstens einen Elektromotor aufweisen. Denkbar ist es, dass es sich um einen hochdrehenden Elektromotor handelt, der direkt oder über Übersetzungen die Summiereinheit bzw. die Achsen antreibt.
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Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht dahingehend beschränkt, dass es sich bei dem elektrischen Strang um einen dieselelektrischen Strang handelt.
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Grundsätzlich kann es sich um ein beliebiges Aggregat handeln, das den Elektromotor des elektrischen Strangs antreibt. In Betracht kommt beispielsweise eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder sonstige Elemente, die elektrische Leistung bereitstellen können, etc. In diesem Fällen kann auf einen Generator verzichtet werden. Die Batterie oder ein sonstiges Element, das elektrische Leistung für den Elektromotor des elektrischen Strangs bereitstellt, kann seinerseits mit einem elektrischen Versorger in Verbindung stehen, der die Batterie, einen Akku etc. dauerhaft oder bei Unterschreitung eines bestimmten Ladepegels wieder auflädt bzw. mit Strom/Spannung versorgt. Bei diesem Versorger kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise um einen Dieselmotor, mit nachgeschaltetem Generator handeln.
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Der Antrieb bzw. der Motor könnte einstufig, also mit einer Übersetzung oder auch mit der Möglichkeit ausgestattet sein, mit mehreren Gängen die Arbeitsmaschine anzutreiben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Strang zumindest ein Schaltgetriebe aufweist. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass die Arbeitsmaschine in höheren Gängen rein elektrisch, das heißt ohne hydraulische Unterstützung gefahren werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Darstellung der Arbeitsbereiche des hydraulischen Strangs sowie des elektrischen Strangs,
- 2: einen schematischen Aufbau des Fahrantriebes gemäß der Erfindung und
- 3: eine Ansicht des hydraulischen Strangs mit zusätzlichem Verbraucher.
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In 1 ist auf der Ordinate die Zugkraft dargestellt, die von einer Arbeitsmaschine, insbesondere von einem Radlader aufzubringen ist und auf der Abszisse die Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine. Das Bezugszeichen a kennzeichnet die maximale Zugkraft und das Bezugszeichen b die maximale Geschwindigkeit, die in dem hier dargestellten Beispiel, das nicht beschränkend ist mit 40 km/h angegeben ist.
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Das Bezugszeichen 1 kennzeichnet den Arbeitsbereich des dieselelektrischen Strangs und das Bezugszeichen 2 den Arbeitsbereich des hydraulischen Strangs.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt einen dieselelektrischen Strang, gilt analog jedoch auch für beliebige anders ausgeführte elektrische Stränge, z.B. mit einer Batterie oder einer Brennstoffzelle ausgeführte elektrische Stränge, die den Motor des elektrischen Strangs mit der erforderlichen Energie versorgt.
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Wie dies aus der Figur hervorgeht, arbeitet der hydraulische Strang nur in dem Bereich 2, das heißt nur bis zum Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit, wie beispielsweise in der Spanne von 5 bis 7 km/h liegen kann. Bei höheren Geschwindigkeiten wird der hydraulische Strang abgeschaltet und es arbeitet nur noch der dieselelektrische Strang des Fahrantriebes in dem Bereich 1.
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Wie dies weiter aus der 1 hervorgeht, wird bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen der hydraulische Strang arbeitet, die Zugkraft durch diesen aufgebracht. Die Zugkraft wird einerseits durch den dieselelektrischen Strang und andererseits durch den hydraulischen Strang erzeugt, wobei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Anteil der durch den hydraulischen Strang aufgebrachten Zugkraft im Bereich von bis zu 40 % der gesamten Zugkraft a gebildet wird. Der verbleibende Teil wird durch den dieselelektrischen Strang bereitgestellt.
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Bei höheren Geschwindigkeiten, bei denen der hydraulische Strang nicht arbeitet, wird die Zugkraft wie aus 1 ersichtlich, ausschließlich durch den dieselelektrischen Strang aufgebracht.
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2 zeigt mit dem Bezugszeichen VKM bzw. 3 eine Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise einen Dieselmotor der Arbeitsmaschine, insbesondere eines Radladers. Die Verbrennungskraftmaschine 3 treibt sowohl den hydraulischen Strang 5 als auch den elektrischen bzw. dieselelektrischen Strang 4 an. Wie dies weiter aus 2 hervorgeht, wird das Drehmoment bei der Stränge 4,5 einer Summierungseinheit 6 zugeführt, die ihr Drehmoment auf ein oder mehrere Achsen A (Bezugszeichen 9) der Arbeitsmaschine überträgt. Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet einen Freilauf, der den hydraulischen Strang von der Summierungseinheit 6 selektiv entkoppeln kann. Der hydraulische Strang kann beispielsweise aus einer hydraulischen Pumpe 20 (vgl. 3) und einem Hydromotor 21 bestehen. Wie dies aus 3 hervorgeht, kann die Pumpe 20 nicht nur den Hydromotor 21, sondern auch weitere Verbraucher, wie beispielsweise Zylinder antreiben. Dies stellt eine optionale Ausgestaltung der Erfindung dar. Von der Erfindung ist auch der Fall umfasst, dass die Pumpe 20 ausschließlich den oder die Hydromotoren 21 antreibt.
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Wie dies weiter aus 3 hervorgeht, kann eine Kupplung 23 vorgesehen sein, mittels derer die Pumpe 20 von der Verbrennungskraftmaschine 3 getrennt werden kann.
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Im Bereich vergleichsweise geringer Fahrgeschwindigkeiten der Arbeitsmaschine wird die Energie der Verbrennungskraftmaschine 3 auf beide Stränge 4, 5 übertragen und deren Drehmomente werden gemeinsam der Summierungseinheit 6 zugeführt, von der das Drehmoment auf die Antriebsachse 9 übertragen wird. In diesem Bereich vergleichsweise geringer Geschwindigkeiten (z.B. bis 7 km/h) wird somit die Zugkraft von beiden Strängen 4, 5 aufgebracht.
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Im Bereich höherer Geschwindigkeiten wird in diesem Ausführungsbeispiel die Zugkraft nur noch durch den dieselelektrischen Strang 4 bereitgestellt, das heißt der hydraulische Strang wird deaktiviert.
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Dies kann im Falle einer kupplungsfreien Ausführung durch das Verstellen des Schwenkwinkels des Motors 21 auf null erreicht werden. Durch die Wirkung des Freilaufs bleibt der Motor 21 stehen und bleibt verlustlos.
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Die vorliegende Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass der hydraulische Strang 5 vergleichsweise klein und daher billig ausgeführt werden kann, weil er wie aus 1 ersichtlich in einer bevorzugten Ausgestaltung nur in einem vergleichsweise geringen Geschwindigkeitsbereich von Null bis zu einem bestimmten Grenzwert (beispielsweise im Bereich von 5 bis 7 km/h) arbeiten muss. In diesem geringen Geschwindigkeitsbereich trägt der hydraulische Strang zum Aufbringen der Zugkraft bei.
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In diesen geringen Geschwindigkeitsbereichen wird der elektrische Zweig dementsprechend entlastet, weil dieser nicht die gesamte Zugkraft aufbringen muss, wie dies aus 1 hervorgeht. Damit kann dieser wesentlich billiger ausgeführt werden, als für den Fall, dass dieser den gesamten Bereich der Zugkraft abdecken müsste.
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Ein weitere Vorteil ist es, dass in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im hydraulischen Strang keinerlei Kupplung angeordnet ist, sondern nur der erfindungsgemäße Freilauf, was mit Kostenvorteilen verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013018067 A1 [0005]
