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Die Erfindung betrifft einen leistungsverzweigten Achsantrieb für eine Arbeitsmaschine. Die Verwendung des leistungsverzweigten Achsantriebs erstreckt sich vornehmlich auf Arbeitsmaschinen.
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Unter Arbeitsmaschinen sind dabei insbesondere Maschinen zu verstehen, die nach ihrer Bauart und ihren besonderen, mit dem Fahrzeug fest verbundenen Einrichtungen zur Verrichtung von Arbeiten, jedoch nicht zur Beförderung von Personen oder Gütern bestimmt und geeignet sind. Beispielsweise sind hierunter land- oder forstwirtschaftliche Maschinen oder auch Baumaschinen zu verstehen. Exemplarisch sind hier Ackerschlepper oder auch Traktoren zu nennen.
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Unter leistungsverzweigt ist dabei zu verstehen, dass eine Eingangsleistung in mehrere Leistungszweige aufgeteilt wird. Die jeweiligen Leistungszweige können dabei jeweils mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder in einer Kombination der genannten Ausführungsformen dargestellt werden.
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Aus der
DE 10 2013 224 383 A1 geht ein leistungsverzweigter Achsantrieb hervor. Dieser umfasst wenigstens ein Hauptantriebselement, ein erstes Zusatzantriebselement, ein zweites Zusatzantriebselement, eine erste Fahrzeugachse, eine zweite Fahrzeugachse und ein Hauptgetriebe. Eine durch das Hauptantriebselement erzeugbare Rotationsbewegung beziehungsweise ein erzeugbares Drehmoment ist über eine erste Welle in das Hauptgetriebe und/oder das erste Zusatzantriebselement einleitbar, wobei durch die Rotationsbewegung beziehungsweise das Drehmoment des Hauptantriebselements wenigstens die erste Fahrzeugachse über das Hauptgetriebe antreibbar ist. Der leistungsverzweigte Achsantrieb weist ein Leistungsverzweigungsgetriebe auf, welches über eine zweite Welle mit der ersten Fahrzeugachse und dem Hauptgetriebe verbunden ist, über eine dritte Welle mit dem zweiten Zusatzantriebselement verbunden ist und über eine vierte Welle mit der zweiten Fahrzeugachse verbunden ist. Das zweite Zusatzantriebselement wirkt auf das Leistungsverzweigungsgetriebe ein, wodurch ein Vorlauf der zweiten Fahrzeugachse regelbar ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen leistungsverzweigten Achsantrieb für eine Arbeitsmaschine weiterzuentwickeln.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer leistungsverzweigter Achsantrieb für eine Arbeitsmaschine umfasst ein Hauptantriebselement, ein einziges Zusatzantriebselement mit einem Energiespeicher, eine erste Fahrzeugachse, eine zweite Fahrzeugachse, ein Hauptgetriebe und ein Leistungsverzweigungsgetriebe, wobei eine durch das Hauptantriebselement erzeugbare Rotationsbewegung beziehungsweise ein erzeugbares Drehmoment über eine erste Welle in das Hauptgetriebe einleitbar ist und durch die Rotationsbewegung beziehungsweise das Drehmoment des Hauptantriebselements wenigstens die erste Fahrzeugachse über das Hauptgetriebe antreibbar ist, wobei das Leistungsverzweigungsgetriebe über eine zweite Welle mit der ersten Fahrzeugachse und dem Hauptgetriebe verbunden ist, über eine dritte Welle mit dem Zusatzantriebselement verbunden ist und über eine vierte Welle mit der zweiten Fahrzeugachse verbunden ist, wobei das Zusatzantriebselement in einem Normalbetrieb der Arbeitsmaschine dazu vorgesehen ist, generatorisch betrieben zu werden, um Energie in den Energiespeicher einzuspeisen, wobei das Zusatzantriebselement in einem Regelungsbetrieb zur Regelung des Vorlaufs der zweiten Antriebsachse mit der Energie aus dem Energiespeicher motorisch betrieben wird.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantrieb ist, dass der Leistungsbedarf des Zusatzantriebselements im Vergleich zur Gesamtantriebsleistung verhältnismäßig gering ist, da ein Großteil der Antriebsleistung über den mechanischen Pfad und dem Hauptantriebselement erbracht wird. Dies ermöglicht es, dass das Zusatzantriebselement auch über längere Zeit durch den Energiespeicher betrieben werden kann. Mithin wird ein regelbares Drehmomentenverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Antriebsachse geschaffen, bei der das Drehmomentenverhältnis situationsbedingt geändert werden kann um so die Traktion der Arbeitsmaschine zu optimieren.
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Bei dem Hauptantriebselement handelt es sich in bevorzugter Weise um eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einen mit Gas, Benzin oder Dieselkraftstoff betriebenen Motor. Alternativ kann das Hauptantriebselement jedoch auch in Form einer elektrischen Maschine realisiert werden.
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Bei dem Zusatzantriebselement handelt es sich bevorzugt um eine elektrische Maschine. Darüber hinaus ist es auch denkbar eine hydraulische Maschine, beispielsweise ein hydrostatisches Antriebselement, zu verwenden. Mithin ist das Zusatzantriebselement vorzugsweise als elektrische oder hydraulische Maschine ausgebildet und über eine Leitung mit dem Energiespeicher verbunden.
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Durch die Einwirkung des Zusatzantriebselements auf das Leistungsverzweigungsgetriebe wird insbesondere ein Vorlauf der zweiten Fahrzeugachse geregelt. Ferner ermöglicht das Zusatzantriebselement auch einen Betrieb der Arbeitsmaschine ohne Hauptantriebselement und eine variable Drehmomentverteilung zwischen der ersten und zweiten Fahrzeugachse.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Zusatzantriebselement sowohl generatorisch, als auch motorisch betreibbar ist, wobei das Zusatzantriebselement in einem Normalbetrieb der Arbeitsmaschine dazu vorgesehen ist, generatorisch betrieben zu werden, um Energie in den Energiespeicher einzuspeisen. Somit ist der leistungsverzweigte Achsantrieb derart ausgelegt beziehungsweise die Übersetzung des Leistungsverzweigungsgetriebes wird derart gewählt, dass im Normalbetrieb, beispielsweise während einer Geradeausfahrt der Arbeitsmaschine mit annähernd gleicher Umfangsgeschwindigkeit der Räder an der ersten und zweiten Achse, das Zusatzantriebselement generatorisch betrieben wird und somit der Energiespeicher geladen wird. In Situationen in denen ein erhöhter Vorlauf der Vorderachse benötigt wird, beispielsweise beim Wenden der Arbeitsmaschine, arbeitet das Zusatzantriebselement motorisch mit der Energie aus dem Energiespeicher.
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Somit wirkt im generatorischen Betrieb das Zusatzantriebselement bremsend, wobei eine kinetische Energie aus einer Rotationsbewegung der Räder in eine elektrische oder hydraulische beziehungsweise potentielle Energie umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu wird im motorischen Betrieb des Zusatzantriebselements Energie, insbesondere elektrische oder hydraulische beziehungsweise potentielle Energie aus dem Energiespeicher in das Zusatzantriebselement eingespeist, wodurch eine Drehbewegung beziehungsweise ein Drehmoment erzeugt wird. Somit ist unter dem Normalbetrieb der Arbeitsmaschine eine Fahrt der Arbeitsmaschine im Wesentlichen ohne zusätzliche Einwirkung des Zusatzantriebselements auf den Vorlauf zu verstehen, wobei unter dem Regelungsbetrieb der Arbeitsmaschine eine Fahrt der Arbeitsmaschine mit zusätzlicher Einwirkung des Zusatzantriebselements auf den Vorlauf zu verstehen ist.
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Der Energiespeicher zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es Energie aufnehmen, Energie speichern und Energie abgeben kann. Bevorzugt handelt es sich bei dem Energiespeicher um eine Batterie, einen Akkumulator oder einen Kondensator zur Speicherung von elektrischer Energie. In weiteren Ausführungen sind jedoch auch Druckspeicher zum Speichern von Fluiden denkbar.
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Bei der ersten Fahrzeugachse und der zweiten Fahrzeugachse handelt es sich um Fahrzeugachsen, welche antreibbar ausgeführt sein können. Darüber hinaus können sowohl die erste Fahrzeugachse und/oder die zweite Fahrzeugachse lenkbar ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die erste Fahrzeugachse als Hinterachse der Arbeitsmaschine ausgebildet, wobei die zweite Fahrzeugachse als Vorderachse der Arbeitsmaschine ausgebildet ist. Die Räder an der Hinterachse der Arbeitsmaschine weisen insbesondere einen größeren Durchmesser auf als die Räder an der Vorderachse der Arbeitsmaschine.
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Das Hauptgetriebe zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass eine Übersetzung der Drehzahl beziehungsweise des Drehmoments von einem Getriebeeingang zu einem Getriebeausgang stattfindet. Dabei ist der Getriebeeingang an einer Seite des Hauptgetriebes angeordnet, welche bevorzugt dem Hauptantriebselement zugewandt ist. Der Getriebeausgang befindet sich bevorzugt auf einer dem Getriebeeingang gegenüberliegenden Seite des Hauptgetriebes. Das Hauptgetriebe kann dabei als Stufenautomatgetriebe, als stufenloses Getriebe (CVT), als Handschaltgetriebe oder auch als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt sein.
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Bei dem Leistungsverzweigungsgetriebe handelt es sich um ein Planetengetriebe beziehungsweise Umlaufrädergetriebe. Ein solches Planetengetriebe weist wenigstens drei Wellen auf, nämlich das Sonnenrad, das Hohlrad und den Planetenträger. In einem Zwei-Wellen-Betrieb wird eine erste Welle angetrieben, eine zweite Welle ist stationär festgesetzt und über eine dritte Welle erfolgt der Abtrieb. In einem Drei-Wellen-Betrieb arbeitet das Planetengetriebe als Summiergetriebe oder als Verteilergetriebe. Bei dem Summiergetriebe sind zwei Wellen treibend ausgeführt und eine Welle ist getrieben. Im Gegensatz dazu ist bei einem Verteilergetriebe eine Welle treibend ausgeführt und zwei Wellen sind getrieben.
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Unter einer Welle ist nachfolgend nicht ausschließlich ein beispielsweise zylindrisches, drehbar gelagertes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmomenten zu verstehen, sondern vielmehr sind hierunter auch allgemeine Verbindungselemente zu verstehen, die einzelne Bauteile oder Elemente miteinander verbinden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Zusatzantriebselement und dem Leistungsverzweigungsgetriebe eine Bremse angeordnet, wobei die Bremse dazu vorgesehen ist, die dritte Welle stationär festzulegen. Mithin erfolgt durch das stationäre Festlegen der dritten Welle eine Überbrückung der Leistungsverzweigung. Unter einer Bremse ist bevorzugt ein reibschlüssiges Schaltelement zu verstehen, welches auf der einen Seite mit einem feststehenden Element, beispielsweise einem Gehäuse oder einem Fahrzeugrahmen, und auf einer anderen Seite mit einem rotierbaren Element, nämlich der ersten Welle, verbunden ist. Dabei wird in der Regel über einen Aktuator eine Kraft auf die Verbindungsstelle eingeleitet, wodurch eine Reibkraft entsteht, durch welche beispielsweise eine Drehbewegung des drehbaren Bauteils gegen das feststehende Bauteil abgestützt und somit die Drehbewegung gehemmt beziehungsweise verhindert wird. Der Aktuator zum Betätigen der Bremse kann hydraulisch, elektromechanisch, elektromagnetisch oder beispielsweise auch pneumatisch betätigbar ausgeführt sein. Bevorzugt ist unter einer nicht betätigten Bremse eine geöffnete Bremse zu verstehen. Das bedeutet, dass sich das rotierbare Bauteil im Freilauf befindet, das heißt, dass die Bremse bevorzugt keinen Einfluss auf die Drehzahl des rotierbaren Bauteils nimmt. Insbesondere ist für eine Betätigung der Bremse eine Druckmittelbeaufschlagung der Bremse vorgesehen. Bei betätigter beziehungsweise geschlossener Bremse wird eine feste Verbindung zwischen dem rotierbaren Bauteil und dem feststehenden Bauteil hergestellt. Sofern aus dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand der Bremse geschaltet wird erfolgt zunächst eine Reduzierung der Drehzahl des rotierbaren Bauteils. Je nach Anwendung kann die Reduzierung der Drehzahl des rotierbaren Bauteils bis hin zum Stillstand erfolgen. Alternativ dazu sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Bremse im nicht betätigten Zustand geschlossen und im betätigten Zustand geöffnet ist. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist auch eine formschlüssige Bremse denkbar. Bei formschlüssigen Verbindungen erfolgt eine, beispielsweise drehfeste Verbindung zweier Bauteile aufgrund des Eingriffs der Konturen der zu verbindenden Bauteile. Formschlüssige Verbindungen weisen insbesondere den Vorteil auf, dass sie bei vergleichsweise geringen Abmessungen und Gewicht hohe Kräfte und Momente übertragen können. Darüber hinaus ist die aufzubringende Energie für die Verbindungsherstellung wesentlich geringer, als bei reibschlüssigen Verbindungen, wodurch beispielsweise der Aktuator kleiner ausgelegt werden kann.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Zusatzantriebselement und der zweiten Antriebsachse eine erste Kupplung angeordnet, wobei die erste Kupplung dazu vorgesehen ist, die dritte Welle drehfest mit der vierten Welle zu verbinden. Kupplungen beschreiben Schaltelemente, welche, je nach Betätigungszustand, eine Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen zulassen oder eine feste Verbindung zur Übertragung eines Drehmoments beziehungsweise einer Drehbewegung bereitstellen. Unter einer Relativbewegung ist beispielsweise eine Rotation zweiter Bauteile zu verstehen, wobei die Drehzahl des ersten Bauteils und die Drehzahl des zweiten Bauteils voneinander abweichen. Darüber hinaus ist auch die Rotation nur eines der beiden Bauteile denkbar, während das andere Bauteil stillsteht oder in eine entgegengesetzte Richtung rotiert. Bevorzugt handelt es sich bei den Kupplungen um reibschlüssige Elemente, wobei bevorzugt über einen Aktuator eine Kraft auf die Verbindungsstelle der beiden Bauteile eingeleitet wird, wodurch eine Reibkraft entsteht, durch welche eine Drehbewegung beziehungsweise ein Drehmoment zwischen den zwei drehbeweglichen Bauteilen übertragbar ist. Im Folgenden ist unter einer nicht betätigten Kupplung eine geöffnete Kupplung zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen möglich ist. Bei betätigter beziehungsweise geschlossener Kupplung rotieren die beiden Bauteile dementsprechend mit gleicher Drehzahl in dieselbe Richtung. Alternativ dazu sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Kupplung im betätigten Zustand geöffnet und im nicht betätigten Zustand geschlossen ist. In einer alternativen Ausführungsform ist die Kupplung als formschlüssiges Element ausgeführt. Der Aktuator zur Betätigung der Kupplung kann dabei wie der Aktuator zur Betätigung der Bremse ausgeführt sein.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Zusatzantriebselement und der ersten Antriebsachse eine zweite Kupplung angeordnet, wobei die zweite Kupplung dazu vorgesehen ist, die dritte Welle drehfest mit der zweiten Welle zu verbinden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen der zweiten Antriebsachse und der ersten Antriebsachse eine dritte Kupplung angeordnet, wobei die dritte Kupplung dazu vorgesehen ist, die vierte Welle drehfest mit der zweiten Welle zu verbinden.
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Durch das Koppeln der dritten Welle mit der vierten Welle oder der dritten Welle mit der zweiten Welle oder der vierten Welle mit der zweiten Welle erfolgt eine Überbrückung der Leistungsverzweigung.
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Bei überbrückter Leistungsverzweigung läuft die zweite Fahrzeugachse, nämlich die Vorderachse mit einem Vorlauf. Dieser Zustand kann bei voll aufgeladener Batterie und/oder hohen Zugkraftanforderungen durch Schließen der Bremse oder Kupplung jederzeit eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines leistungsverzweigten Achsantriebs für eine Arbeitsmaschine, wobei der leistungsverzweigte Achsantrieb ein Hauptantriebselement, zumindest ein generatorisch betreibbares Zusatzantriebselement, zumindest ein motorisch betreibbares Zusatzantriebselement, eine erste Fahrzeugachse, eine zweite Fahrzeugachse, ein Hauptgetriebe und ein Leistungsverzweigungsgetriebe umfasst, wobei das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement dazu vorgesehen ist, kontinuierlich elektrische Energie für elektrische Verbraucher der Arbeitsmaschine und das zumindest motorisch betreibbare Zusatzantriebselement zu erzeugen, wobei das zumindest motorisch betreibbare Zusatzantriebselement dazu vorgesehen ist, zumindest die zweite Fahrzeugachse anzutreiben, wobei ein Normalbetrieb der Arbeitsmaschine eingestellt wird, wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements ist. In einem Normalbetrieb der Arbeitsmaschine erfolgt eine uneingeschränkte Allradregelung und ein uneingeschränkter Betrieb des Leistungsverzweigungsgetriebes.
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Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Verfahren als Betriebsstrategie zur Regelung einer elektrischen Leistungsverteilung zwischen mehreren elektrischen Verbrauchern der Arbeitsmaschine vorgesehen. Die elektrische Leistungsverteilung wird in Abhängigkeit von Parametern und Sensordaten, beispielsweise in Abhängigkeit eines Radschlupfs und einer Zugleistung, geregelt. Sofern mehrere elektrische Verbraucher an der Arbeitsmaschine angeschlossen sind und die Arbeitsmaschine keinen Energiespeicher umfasst beziehungsweise der Energiespeicher klein dimensioniert ist, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Leistungsbedarf aller elektrischen Verbraucher abgedeckt werden. Das zumindest eine motorisch betreibbare Zusatzantriebselement ist einer der elektrischen Verbraucher, wobei ein weiterer elektrischer Verbraucher beispielsweise ein elektrisch betriebenes Anbaugerät sein kann. Insbesondere ist es denkbar, dass die Arbeitsmaschine statt einem leistungsverzweigten Antrieb einen elektrischen Direktantrieb aufweist, wobei der elektrische Direktantrieb eine zuschaltbare Verbindung zum Hauptgetriebe aufweist, durch welche die zweite Achse auch rein mechanisch angetrieben werden kann. Mithin können die erste und zweite Fahrzeugachse über eine Kupplung starr miteinander gekoppelt werden. Ferner kann der elektrische Direktantrieb auch durch eine zentrale elektrische Maschine für die jeweilige Fahrzeugachse, oder durch elektrische Maschinen an den Radnaben realisiert werden.
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Vorzugsweise werden die beiden Fahrzeugachsen starr miteinander gekoppelt, wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements ist und ein Schlupf mindestens einer Fahrzeugachse größer als ein Schlupfgrenzwert ist. Der leistungsverzweigte Achsantrieb, insbesondere das Leistungsverzweigungsgetriebe wird über eine Kupplung überbrückt, wobei ein starrer Allradbetrieb ohne Regelung eines Vorlaufs an der zweiten Fahrzeugachse realisiert wird. Die Leistungsaufnahme des motorisch betreibbaren Zusatzantriebselements sinkt somit auf null. Zusätzlich zur automatischen Regelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch denkbar über einen manuell betätigbaren Schalter den starren Allradbetrieb zu aktivieren. Alternativ kann die Leistungsaufnahme des motorisch betreibbaren Zusatzantriebselements auf einen minimalen Grenzwert reduziert werden, nicht jedoch zu null.
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Bevorzugt wird die Antriebsleistung für das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement reduziert, wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements ist und ein Schlupf beider Fahrzeugachsen kleiner als ein Schlupfgrenzwert ist. Mithin wird die Allradregelung der Arbeitsmaschine eingeschränkt. Der Schlupfgrenzwert der beiden Fahrzeugachsen ist abhängig von der Zugleistung der Arbeitsmaschine. Dabei werden für die erste und zweite Fahrzeugachse unterschiedliche Schlupfgrenzwerte festgesetzt. Falls die Kupplung nicht geschlossen werden kann, werden andere elektrische Verbraucher nach einer vorgegeben Priorität oder gleichermaßen bezüglich der elektrischen Leistungsaufnahme reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine verminderte Antriebsleistung des motorisch betreibbaren Zusatzantriebselements einem Fahrer der Arbeitsmaschine angezeigt. Die Anzeige kann akustisch und/oder optisch in der Fahrerkabine der Arbeitsmaschine erfolgen. Dadurch wird der Fahrer der Arbeitsmaschine darüber informiert, dass die Allradregelung der Arbeitsmaschine eingeschränkt ist.
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Ferner bevorzugt wird das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement mit einer Überleistung betrieben, wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als die erste maximale Generatorleistung und kleiner als eine zweite maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements ist und eine Betriebsdauer des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements mit der Überleistung kürzer als eine maximale Betriebsdauer ist.
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Die erste maximale Generatorleistung ist ein Grenzwert, der einer Dauerleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements entspricht. Demgegenüber ist die zweite maximale Generatorleistung ein Grenzwert, der einer kurzzeitigen Überleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements entspricht. Unter einer Überleistung ist eine Leistung zu verstehen, die größer als die Dauerleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements ist, jedoch bei kurzem Betrieb das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement nicht schädigt oder beeinträchtigt. Die Dauer des kurzen Betriebs ist anwendungsspezifisch und im Wesentlichen von den Leistungsmerkmalen des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements sowie von der Höhe der zweiten maximalen Generatorleistung abhängig. Ferner ist es auch denkbar weitere maximale Generatorleistungen einzustellen, die unterschiedliche Betriebsdauern aufweisen können.
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Von einem Steuergerät wird eine Zeit für die Anforderungsdauer der Überleistung berechnet. Das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement wird mit einer Überleistung betrieben bis eine Maximalzeit für die Überleistung erreicht wird. Wenn die Maximalzeit erreicht wird, werden entweder die beiden Fahrzeugachsen starr miteinander gekoppelt oder die Antriebsleistung für das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement wird reduziert.
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Die Entscheidung für die jeweilige Betriebsstrategie wird über das Abrufen unterschiedlicher Parameter des Betriebs der Arbeitsmaschine getroffen. Beispielsweise wird eine Höhe der benötigten elektrischen Leistung für ein Anbaugerät beziehungsweise für die fahrzeuginternen Nebenverbraucher vom generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselement abgefragt. Ferner wird eine Höhe des Radschlupfs an der ersten und/oder zweiten Fahrzeugachse in Anbetracht des Schlupfgrenzwertes abgefragt. Des Weiteren können weitere Parameter in die Entscheidung für die jeweilige Betriebsstrategie mit einbezogen werden. Beispielsweise wird die Zugleistung oder Zugleistungsanforderung der Arbeitsmaschine, der Lenkeinschlag zumindest an der zweiten Fahrzeugachse sowie die von Temperatursensoren gemessene Temperatur an den elektrischen Maschinen berücksichtigt.
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Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
- 6 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß 5, und
- 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß 5.
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Gemäß den 1 bis 4 umfasst ein erfindungsgemäßer leistungsverzweigter Achsantrieb für eine - hier nicht dargestellte - Arbeitsmaschine ein Hauptantriebselement 1, ein einziges Zusatzantriebselement 2 mit einem Energiespeicher 4, eine erste Fahrzeugachse 3a, eine zweite Fahrzeugachse 3b, ein Hauptgetriebe 5 und ein Leistungsverzweigungsgetriebe 6. Das Zusatzantriebselement 2 ist vorliegend als elektrische Maschine ausgebildet und umfasst einen gehäusefesten Stator sowie ein darin beweglich angeordneten Rotor. Das Zusatzantriebselement 2 ist über eine Leitung 7 mit dem Energiespeicher 4 verbunden, wobei der Energiespeicher 4 elektrische Energie aufnehmen, elektrische Energie speichern und elektrische Energie abgeben kann.
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Eine durch das Hauptantriebselement 1 erzeugbare Rotationsbewegung beziehungsweise ein erzeugbares Drehmoment ist über eine erste Welle W1 in das Hauptgetriebe 5 einleitbar, wobei durch die Rotationsbewegung beziehungsweise das Drehmoment des Hauptantriebselements 1 wenigstens die erste Fahrzeugachse 3a über das Hauptgetriebe 5 antreibbar ist. Das Leistungsverzweigungsgetriebe 6 ist über eine zweite Welle W2 mit der ersten Fahrzeugachse 3a und dem Hauptgetriebe 1 verbunden. Ferner ist das Leistungsverzweigungsgetriebe 6 über eine dritte Welle W3 mit dem Zusatzantriebselement 2 verbunden und über eine vierte Welle W4 mit der zweiten Fahrzeugachse 3b verbunden.
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Das Zusatzantriebselement 2 in einem Normalbetrieb der Arbeitsmaschine dazu vorgesehen, generatorisch betrieben zu werden, um Energie in den Energiespeicher 4 einzuspeisen. Demgegenüber wird das Zusatzantriebselement 2 in einem Regelungsbetrieb zur Regelung des Vorlaufs der zweiten Antriebsachse 3b mit der Energie aus dem Energiespeicher 4 motorisch betrieben. Somit weist der leistungsverzweigte Achsantrieb lediglich ein einziges Zusatzantriebselement 2 auf.
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Gemäß 1 ist zwischen dem Zusatzantriebselement 2 und dem Leistungsverzweigungsgetriebe 6 eine Bremse K angeordnet, wobei die Bremse K dazu vorgesehen ist, die dritte Welle W3 stationär festzulegen. Mithin verbindet die Bremse K im betätigten Zustand die dritte Welle W3 mit einem Gehäuse und überbrückt dadurch das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.
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Nach 2 ist zwischen dem Zusatzantriebselement 2 und der zweiten Antriebsachse 3b eine erste Kupplung K1 angeordnet, wobei die erste Kupplung K1 dazu vorgesehen ist, die dritte Welle W3 drehfest mit der vierten Welle W4 zu verbinden. Mithin verbindet die erste Kupplung K1 im betätigten Zustand die dritte Welle W3 drehfest mit der vierten Welle W4 und überbrückt dadurch das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.
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Nach 3 ist zwischen dem Zusatzantriebselement 2 und der ersten Antriebsachse 3b eine zweite Kupplung K2 angeordnet, wobei die zweite Kupplung K2 dazu vorgesehen ist, die dritte Welle W3 drehfest mit der zweiten Welle W2 zu verbinden. Mithin verbindet die zweite Kupplung K2 im betätigten Zustand die dritte Welle W3 drehfest mit der zweiten Welle W2 und überbrückt dadurch das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.
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Nach 4 ist zwischen der zweiten Antriebsachse 3a und der ersten Antriebsachse 3b eine dritte Kupplung K3 angeordnet, wobei die dritte Kupplung K3 dazu vorgesehen ist, die vierte Welle W4 drehfest mit der zweiten Welle W2 zu verbinden. Mithin verbindet die dritte Kupplung K3 im betätigten Zustand die vierte Welle W4 drehfest mit der zweiten Welle W2 und überbrückt dadurch das Leistungsverzweigungsgetriebe 6.
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Gemäß 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines leistungsverzweigten Achsantriebs für eine Arbeitsmaschine dargestellt. Der leistungsverzweigte Achsantrieb weist ein Hauptantriebselement 1, ein generatorisch betreibbares Zusatzantriebselement 2a, ein motorisch betreibbares Zusatzantriebselement 2b, eine erste Fahrzeugachse 3a, eine zweite Fahrzeugachse 3b, ein Hauptgetriebe 5 und ein Leistungsverzweigungsgetriebe 6 auf. Die beiden Zusatzantriebselement 2a, 2b sind als elektrische Maschinen ausgebildet und über eine Leitung 7 mit einem elektrischen Energiespeicher 4 und miteinander verbunden. Ferner ist das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2a über eine erste Welle W1 mit dem Hauptantriebselement 1 und dem Hauptgetriebe 5 verbunden. Das Hauptgetriebe 5 ist über eine zweite Welle W2 mit der ersten Fahrzeugachse 3a sowie mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe 6 verbunden. Das Leistungsverzweigungsgetriebe 6 ist über eine dritte Welle W3 mit dem motorisch betreibbaren Zusatzantriebselement 2b verbunden. Ferner ist Das Leistungsverzweigungsgetriebe 6 über eine vierte Welle W4 mit der zweiten Fahrzeugachse 3b verbunden. Zwischen der ersten und der zweiten Fahrzeugachse 3a, 3b ist eine dritte Kupplung K3 zur Überbrückung des Leistungsverzweigungsgetriebes 6 und Realisierung einer starren Koppelung der beiden Fahrzeugachsen 3a, 3b. Das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2a ist dazu vorgesehen, kontinuierlich elektrische Energie für elektrische Verbraucher der Arbeitsmaschine und für das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2b zu erzeugen. Demgegenüber ist das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2b dazu vorgesehen, zumindest die zweite Fahrzeugachse 3b anzutreiben.
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In den 6 und 7 ist ein jeweiliges Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des leistungsverzweigten Achsantriebs gemäß 5 vereinfacht dargestellt. Im Betrieb der Arbeitsmaschine wird der leistungsverzweigte Achsantrieb durch eine darin integrierte - hier nicht dargestellte - Getriebesteuerung überwacht und gesteuert. In Abhängigkeit von der Summe der elektrischen Verbraucherleistungen sowie des Betriebszustandes der Arbeitsmaschine werden unterschiedliche Verfahrensschritte eingeleitet, die dem jeweiligen Blockschaltbild zu entnehmen sind.
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Gemäß 6 wird in einem ersten Verfahrensschritt A zunächst geprüft, ob eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist. Wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem ersten Pfeil a ein erstes Verfahrensergebnis E1 eingeleitet, wobei ein Normalbetrieb der Arbeitsmaschine eingestellt. Wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem zweiten Pfeil b ein zweiter Verfahrensschritt B eingeleitet.
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In einem zweiten Verfahrensschritt B wird geprüft, ob ein Schlupf mindestens einer Fahrzeugachse 3a, 3b größer als ein Schlupfgrenzwert ist. Wenn ein Schlupf mindestens einer Fahrzeugachse 3a, 3b größer als ein Schlupfgrenzwert ist, wird gemäß dem dritten Pfeil c ein zweites Verfahrensergebnis E2 eingeleitet, wobei die beiden Fahrzeugachsen 3a, 3b vorliegend über die Kupplung K3 starr miteinander gekoppelt werden. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird gemäß dem vierten Pfeil d ein drittes Verfahrensergebnis E3 eingeleitet, wobei die Antriebsleistung für das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2b reduziert wird. Eine dadurch generierte verminderte Antriebsleistung des motorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2b wird einem Fahrer in der Kabine der Arbeitsmaschine angezeigt.
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Das Blockschaltbild gemäß 7 ist gegenüber dem Blockschaltbild gemäß 6 um einen dritten und vierten Verfahrensschritt C, D sowie um ein viertes Verfahrensergebnis und einem fünften, sechsten, siebten und achten Pfeil e, f, g, h erweitert.
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Gemäß 7 wird in einem ersten Verfahrensschritt A zunächst geprüft, ob eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist. Wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem ersten Pfeil a ein erstes Verfahrensergebnis E1 eingeleitet, wobei ein Normalbetrieb der Arbeitsmaschine eingestellt. Wenn eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als eine erste maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem zweiten Pfeil b ein dritter Verfahrensschritt C eingeleitet.
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In einem dritten Verfahrensschritt C wird geprüft, ob eine Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als eine zweite maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist. Wenn die Summe von elektrischen Verbraucherleistungen kleiner als die zweite maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem fünften Pfeil e der zweite Verfahrensschritt B, der aus dem Blockschaltbild gemäß 6 bekannt ist, eingeleitet. Im zweiten Verfahrensschritt B wird geprüft, ob der Schlupf mindestens einer Fahrzeugachse 3a, 3b größer als der Schlupfgrenzwert ist. Wenn der Schlupf mindestens einer Fahrzeugachse 3a, 3b größer als ein Schlupfgrenzwert ist, wird gemäß dem dritten Pfeil c das zweite Verfahrensergebnis E2 eingeleitet, wobei die beiden Fahrzeugachsen 3a, 3b starr miteinander gekoppelt werden. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird gemäß dem vierten Pfeil d das dritte Verfahrensergebnis E3 eingeleitet, wobei die Antriebsleistung für das motorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2b reduziert wird. Wenn die Summe von elektrischen Verbraucherleistungen größer als die zweite maximale Generatorleistung des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a ist, wird gemäß dem sechsten Pfeil f der vierte Verfahrensschritt D eingeleitet.
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Im vierten Verfahrensschritt D wird geprüft, ob eine Betriebsdauer des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a mit einer Überleistung für eine voreingestellte maximale Betriebsdauer möglich ist. Wenn die Betriebsdauer des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a mit einer Überleistung die voreingestellte maximale Betriebsdauer überschreitet, wird gemäß dem siebten Pfeil g der zweite Verfahrensschritt B eingeleitet. Wenn die Betriebsdauer des generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselements 2a mit einer Überleistung die voreingestellte maximale Betriebsdauer nicht überschreitet oder keine Aussage darüber getroffen werden kann, wird gemäß dem achten Pfeil h das vierte Verfahrensergebnis E4 eingeleitet, wobei das generatorisch betreibbare Zusatzantriebselement 2a für eine maximale Betriebsdauer mit einer Überleistung betrieben wird. Sofern die maximale Betriebsdauer überschritten wird, wird gemäß dem siebten Pfeil g der zweite Verfahrensschritt B eingeleitet.
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Die beiden erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die Verwendung eines kleineren und kostengünstigeren generatorisch betreibbaren Zusatzantriebselement 2a bei gleichzeitig hoher Funktionalität der Arbeitsmaschine. Insbesondere ermöglichen die beiden erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung eines 48V Systems oder eines anderen Niedervolt-Systems, obwohl dies aufgrund der Summe von elektrischen Verbraucherleistungen der elektrischen Verbraucher nicht möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hauptantriebselement
- 2
- Zusatzantriebselement
- 2a
- generatorisch betreibbares Zusatzantriebselement
- 2b
- motorisch betreibbares Zusatzantriebselement
- 3a
- erste Fahrzeugachse
- 3b
- zweite Fahrzeugachse
- 4
- Energiespeicher
- 5
- Hauptgetriebe
- 6
- Leistungsverzweigungsgetriebe
- 7
- Leitung
- K
- Bremse
- K1
- erste Kupplung
- K2
- zweite Kupplung
- K3
- dritte Kupplung
- W1
- erste Welle
- W2
- zweite Welle
- W3
- dritte Welle
- W4
- vierte Welle
- A
- erster Verfahrensschritt
- B
- zweiter Verfahrensschritt
- C
- dritter Verfahrensschritt
- D
- vierter Verfahrensschritt
- E1
- erstes Verfahrensergebnis
- E2
- zweites Verfahrensergebnis
- E3
- drittes Verfahrensergebnis
- E4
- viertes Verfahrensergebnis
- a
- erster Pfeil
- b
- zweiter Pfeil
- c
- dritter Pfeil
- d
- vierter Pfeil
- e
- fünfter Pfeil
- f
- sechster Pfeil
- g
- siebter Pfeil
- h
- achter Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224383 A1 [0004]