DE102017219799A1

DE102017219799A1 - Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102017219799A1
Application number: DE102017219799.4A
Authority: DE
Inventors: Bastian Volpert
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-05-09
Also published as: WO2019091677A1

Abstract

Eine teilelektrifizierte Arbeitsmaschine weist eine Brennkraftmaschine (2) und ein Leistungsverzweigungsgetriebe (3) auf, das zur Aufnahme von Antriebskraft mit der Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist. Ferner ist ein elektrischer Generator (9) zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Bordnetz der Arbeitsmaschine vorgesehen. Antriebsachsen (4, 5) der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine werden über das Leistungsverzweigungsgetriebe (3) durch Antriebskraft der Brennkraftmaschine (2) und zumindest unterstützend mithilfe von elektrisch betriebenen Antriebsunterstützungseinheiten (6, 7) angetrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine teilelektrifizierte Arbeitsmaschine, bei der eine Brennkraftmaschine als Antriebsquelle vorgesehen ist und die ferner mit einem zumindest unterstützenden elektrischen Antrieb versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine teilelektrifizierte Arbeitsmaschine, die mit einem Niederspannungsbordnetz versehen ist.
Stand der Technik
Selbstfahrende Arbeitsmaschinen, bei denen ein Antriebsstrang durch eine Kombination aus Brennkraftmaschine und elektrischer Antriebsmaschine angetrieben wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden auch Generatoren eingesetzt, um Energie in ein Bordnetz der Arbeitsmaschine einzuspeisen. Ferner kann bei bekannten Arbeitsmaschinen wahlweise die Brennkraftmaschine als einzige Antriebsquelle betrieben werden, während es auch möglich ist, die elektrische Antriebsmaschine zuzuschalten oder als einzige Antriebsquelle zu verwenden.
Zusammenfassung
Eine teilelektrifizierte Arbeitsmaschine kann mit einer Brennkraftmaschine und einem Leistungsverzweigungsgetriebe versehen sein, das zur Aufnahme von Antriebskraft mit der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Ferner kann die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine zumindest einen elektrischen Generator aufweisen, der zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Bordnetz der Arbeitsmaschine von der Brennkraftmaschine antreibbar ist. Die Arbeitsmaschine kann ferner als selbstfahrende Arbeitsmaschine ausgestaltet werden und zu diesem Zweck mit zumindest einer Antriebsachse versehen werden. Die Arbeitsmaschine kann eine Antriebsachse aufweisen oder aber mit zwei oder mehr Antriebsachsen versehen sein. Dabei können zusätzlich zu der zumindest einen Antriebsachse auch eine oder mehrere nicht angetriebene Achsen vorgesehen sein.
Die zumindest eine Antriebsachse ist zum Antrieb von diesen zugeordneten Rädern mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe durch ein Koppelelement gekoppelt. An dem Koppelelement ist bei der Arbeitsmaschine ein mit einer elektrischen Maschine gekoppeltes Überlagerungsgetriebe zur Bildung einer Antriebsunterstützungseinheit vorgesehen.
Mit diesem Aufbau der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann die zumindest eine Antriebsachse mithilfe des Leistungsverzweigungsgetriebes durch die Brennkraftmaschine allein angetrieben werden oder ist eine Unterstützung der von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Antriebskraft durch die elektrische Maschine der Antriebsunterstützungseinheit erzielbar. Ferner kann die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine auch ausschließlich mithilfe der von der elektrischen Maschine der Antriebsunterstützungseinheit bereitgestellten Antriebskraft angetrieben werden.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine weist das Koppelelement einen Eingangsabschnitt zwischen dem Leistungsverzweigungsgetriebe und dem Überlagerungsgetriebe und einen Ausgangsabschnitt zwischen dem Überlagerungsgetriebe und der Antriebsachse auf. Dabei kann in Abhängigkeit vom Betriebszustand der elektrischen Maschine eine Relativrotation zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt des Koppelelements beeinflusst werden. Der Betriebszustand der elektrischen Maschine betrifft dabei die Beaufschlagung der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie, die zu einem Antrieb der elektrischen Maschine führt, oder die Regelung der elektrischen Maschine, so dass diese als elektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie wirkt.
Die Antriebsunterstützungseinheit kann mit einer Bremseinrichtung oder Blockiereinrichtung versehen werden, mit der die Beeinflussung der Relativrotation zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt des Koppelelements unterbunden wird.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine ist die Antriebsunterstützungseinheit außerdem zum Antrieb der zumindest einen Antriebsachse der Arbeitsmaschine bei Stillstand des Eingangsabschnitts des Koppelelements ausgelegt. Der Stillstand des Eingangsabschnitts kann beispielsweise in einem Betriebszustand vorliegen, in welchem die Brennkraftmaschine außer Betrieb gesetzt ist. Hierzu kann es vorteilhaft sein, den Eingangsabschnitt des Koppelelements durch eine Bremseinrichtung oder Blockiereinrichtung zu blockieren.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine ist die Antriebsunterstützungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie durch Antreiben des Eingangsabschnitts des Koppelelements und Betreiben der elektrischen Maschine als Generator ausgelegt. In diesem Fall ist eine Relativrotation zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt des Koppelelements erforderlich. Insbesondere kann ein solcher Zustand durch Festlegen des Ausgangsabschnitts des Koppelelements beispielsweise durch Blockieren der Räder der Antriebsachse mittels einer vorgesehenen Betriebsbremse herbeigeführt werden.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine sind die Antriebsunterstützungseinheiten unter Berücksichtigung des Betriebszustands der Arbeitsmaschine zur Regelung von Drehmoment und/oder Drehzahl der Räder und/oder Schlupf der zumindest einen Antriebsachse betreibbar. Durch das Überlagerungsgetriebe kann nämlich bei Rotation des Eingangsabschnitts des Koppelelements eine Relativrotation zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes durch geregelten elektrischen Antrieb der elektrischen Maschine der Antriebsunterstützungseinheit beeinflusst werden.
Dies bedeutet, dass das von dem Leistungsverzweigungsgetriebe an eines der Koppelelemente abgegebene Drehmoment durch ein Unterstützungsdrehmoment der elektrischen Maschine ergänzt werden kann. Ferner kann die Drehzahl des Ausgangsabschnitts relativ zu der Drehzahl des Eingangsabschnitts von einem der Koppelelemente durch entsprechenden Betrieb der elektrischen Maschine der Antriebsunterstützungseinheit beeinflusst, insbesondere erhöht oder verringert werden. Damit kann eine Schlupfregelung der Antriebsachse im Zusammenhang mit einer entsprechenden Regelungseinrichtung vorgenommen werden.
Bei der Arbeitsmaschine können zwei Antriebsachsen vorgesehen sein, von denen jede zum Antrieb von dieser zugeordneten Rädern mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe durch jeweils ein Koppelelement gekoppelt ist. An jedem der Koppelelemente kann dabei ein mit einer elektrischen Maschine gekoppeltes Überlagerungsgetriebe zur Bildung einer der jeweiligen Antriebsachse zugeordneten Antriebsunterstützungseinheit vorgesehen ist. Die Ausgestaltung der entsprechenden Antriebsunterstützungseinheiten kann dabei für jede der vorgesehenen Antriebsachsen zumindest ähnlich sein. In jedem Fall ist dann für jede der Antriebsachsen eine eigenständige Antriebsunterstützungseinheit mit einem eigenen Koppelelement und einer eigenen elektrischen Maschine vorgesehen. Außerdem ist jedes der Koppelelemente mit dem Eingangsabschnitt mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe gekoppelt. Dabei können die Koppelelemente über ein Längsdifferential mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe gekoppelt sein.
Es können auch mehr als zwei Antriebsachsen vorgesehen sein, wobei dann für jede Antriebsachse die vorstehend beschriebenen Elemente gesondert vorgesehen sind. In diesem Fall können die Antriebsunterstützungseinheiten unabhängig voneinander geregelt werden, so dass eine Schlupfregelung für jede der Antriebsachsen erzielt werden kann.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann der zumindest eine elektrische Generator als Motorgenerator ausgestaltet sein. Der als Motorgenerator ausgestaltete elektrische Generator ist zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz der Arbeitsmaschine von der Brennkraftmaschine über das Leistungsverzweigungsgetriebe antreibbar. Ferner ist der Motorgenerator zur Einleitung von Antriebskraft in das Leistungsverzweigungsgetriebe betreibbar. Dabei wird durch eine Regelungseinrichtung die Betriebsweise des Motorgenerators bestimmt. Durch diesen Aufbau kann eine Entkoppelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine von der Drehzahl der Antriebsräder der Antriebsachsen erzielt werden, wenn der Motorgenerator entsprechend angesteuert wird.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe eine Hydraulikpumpeneinheit gekoppelt sein. Die Hydraulikpumpeneinheit kann durch Antriebsleistung der Brennkraftmaschine und/oder des als Motorgenerator ausgelegten Generators für einen Betrieb von hydraulischen Einrichtungen der Arbeitsmaschine betrieben werden. Mit diesem Aufbau ist die Hydraulikpumpeneinheit nicht nur durch die Antriebskraft der Brennkraftmaschine antreibbar, sondern zusätzlich oder alternativ durch die Antriebskraft, die durch den Generator in das Leistungsverzweigungsgetriebe eingeleitet wird.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann der zumindest eine elektrische Generator als Kurbelwellenstartergenerator ausgelegt sein, der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Ferner kann der elektrische Generator als Riemenstartergenerator ausgelegt sein, der mit einem Riementrieb der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Bei der Arbeitsmaschine können auch mehrere Generatoren mit verschiedenartigen Ausgestaltungen vorgesehen sein. Der elektrische Generator kann dabei sowohl als elektrischer Generator als auch als Startermotor zum Starten der Brennkraftmaschine dienen. Mit diesem Aufbau kann die Arbeitsmaschine mit der Funktion einer Start-Stopp-Automatik ausgeführt werden.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann die Brennkraftmaschine als aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Turbolader oder Kompressor zum Aufladen von Einlassluft ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann zwar auch als Saugmotor vorgesehen werden, jedoch kann durch Aufladen der zugeführten Luft der Wirkungsgrad und die Leistung erhöht werden. Zusätzlich kann die Effizienz durch den elektrischen Antrieb des Turboladers weitergehend erhöht werden.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine können verschiedenartige Verbraucher der Arbeitsmaschine aus dem Bordnetz der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie versorgt werden. Zu diesen gehören eine Abgasnachbehandlungszuheizvorrichtung, ein Kühlerlüfter und/oder weitere Nebenverbraucher der Brennkraftmaschine. Die Nebenverbraucher können bspw. eine Regelungseinrichtung, Stellmotoren, Kraftstoffheizvorrichtungen und anderes umfassen.
Die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine kann ferner mit der Arbeitsmaschine koppelbare und zumindest teilweise elektrisch betreibbare Anbaugeräte aufweisen. Diese können durch das Bordnetz der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie versorgt werden. Zusätzlich ist es möglich, eine Teilelektrifizierung der Anbaugeräte vorzusehen, indem in vorbestimmten Betriebszuständen ein elektrischer Antrieb vorgesehen wird, während in anderen Betriebszuständen beispielsweise ein hydraulischer Antrieb oder eine Kombination aus elektrischem und hydraulischem Antrieb vorgesehen werden kann. Die Anbaugeräte können Hubeinrichtungen, Gebläse, Presseinrichtungen und anderes umfassen und abnehmbar an der Arbeitsmaschine anbringbar sein. Ferner können die Anbaugeräte auch einem an der Arbeitsmaschine koppelbaren Nachläufer zugeordnet sein.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann ein elektrischer Energiespeicher in das Bordnetz integriert sein, der wahlweise durch Energiezufuhr aus dem Bordnetz aufladbar ist und elektrische Energie in das Bordnetz einspeisen kann. Beispiele für den elektrischen Energiespeicher umfassen einen Bleiakkumulator oder eine Lithium-Ionen-Batterie. Andere Formen von elektrischen Energiespeichern sind denkbar, solange sie die genannte Funktion erfüllen. Ferner ist es möglich, mehrere elektrische Energiespeicher für die Arbeitsmaschine vorzusehen. Auch kann der elektrische Energiespeicher austauschbar sein. Der elektrische Energiespeicher kann auch zusätzlich oder alternativ durch elektrische Energie aufgeladen werden, die aus einem stationären Netz zugeführt wird.
Bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine kann das Bordnetz der Arbeitsmaschine mit den damit verbundenen elektrischen Einrichtungen als Niederspannungsbordnetz ausgestaltet sein. Dabei kann die Nennspannung des Niederspannungsbordnetzes 48 Volt betragen. Andere Nennspannungen sind ebenfalls denkbar, wie z. B. 60 Volt. Eine Spannung von maximal 60 Volt als Nennspannung hat den Vorteil, dass nicht speziell ausgebildetes Wartungspersonal Wartungsaufgaben an der Arbeitsmaschine erfüllen kann. Für die Funktion der Arbeitsmaschine kann jedoch eine Spannung von mehr als 60 Volt grundsätzlich eingesetzt werden.
Dabei kann die elektrische Maschine der jeweiligen Antriebsunterstützungseinheit aus dem Bordnetz der Antriebsmaschine über eine Regelungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden.
Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Auslegung von Antriebselementen für eine teilelektrifizierte Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
1 zeigt in einer Ausführungsform Elemente der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine. Es ist anzumerken, dass die in 1 gezeigte Darstellung lediglich beispielhaft ist und mehr oder weniger Elemente ebenfalls denkbar sind. Die Arbeitsmaschine ist als selbstfahrende Arbeitsmaschine ausgeführt.
Die in 1 gezeigten Elemente sind an der Arbeitsmaschine teilweise abnehmbar montiert. Dabei weist die Arbeitsmaschine ein nicht gezeigtes Fahrgestell auf, an dem eine erste Antriebsachse 4 und eine zweite Antriebsachse 5 angebracht sind. Die erste Antriebsachse 4 und die zweite Antriebsachse 5 weisen jeweils drehbar daran montierte Räder sowie den Rädern zugeordnete Bremsen auf, die jeweils nicht dargestellt sind. Ferner werden bei der teilelektrifizierten Arbeitsmaschine Antriebsachsen verwendet, die jeweils einen nicht gezeigten Differentialgetriebesatz aufweisen, in den eine der Antriebsachse zugeordnete Antriebskraft über eine Antriebswelle eingeleitet wird.
Im in 1 gezeigten Fall ist für die erste Antriebsachse 4 ein erstes Koppelelement 40 vorgesehen, um Antriebskraft in den Differentialgetriebesatz der ersten Antriebsachse 4 einzuleiten. Für die zweite Antriebsachse 5 ist ein zweites Koppelelement 50 vorgesehen, über das die Antriebskraft in den Differentialgetriebesatz der zweiten Antriebsachse 5 eingeleitet wird. Über den Differentialgetriebesatz werden die nicht gezeigten Räder der ersten und zweiten Antriebsachse 4, 5 angetrieben.
Am ersten und zweiten Koppelelement 40, 50 ist jeweils eine Antriebsunterstützungseinheit 6, 7 vorgesehen. Die Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 haben in der vorliegenden Ausführungsform einen ähnlichen Aufbau. Daher wird nur eine der Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 im Folgenden erläutert und ist diese Erläuterung auch auf die andere Antriebsunterstützungseinheit anwendbar.
Die Antriebsunterstützungseinheit 6 weist ein Überlagerungsgetriebe 62 und eine elektrische Antriebsmaschine 61 auf. Das Überlagerungsgetriebe 62 hat in der vorliegenden Ausführungsform einen bekannten Aufbau und ist mit einem Eingangselement 42 und einem Ausgangselement 41 des ersten Koppelelements 40 gekoppelt. Das Überlagerungsgetriebe 62 ist ferner mit der elektrischen Antriebsmaschine 61 gekoppelt. Das Ausgangselement 41 koppelt dabei einen Ausgang des Überlagerungsgetriebes 62 mit der ersten Antriebsachse 4. Außerdem koppelt das Eingangselement 42 einen Eingang des Überlagerungsgetriebes 6 mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe 3, das weiter unten beschrieben wird.
Die Funktionsweise der Antriebsunterstützungseinheit 6 wird im Folgenden erläutert. Eine Rotation des Eingangselements 42 des ersten Koppelelements 40, die von dem Leistungsverzweigungsgetriebe 3 bewirkt wird, wird in das Überlagerungsgetriebe 62 eingeleitet. Bei Stillstand der elektrischen Antriebsmaschine 61 wird diese Rotation auf das Ausgangselement 41 des ersten Koppelelements 40 übertragen. Dabei wird das Verhältnis zwischen einer Drehzahl des Eingangselements 42 und des Ausgangselements 41 durch ein unveränderliches Übersetzungsverhältnis bestimmt, das durch die Konstruktion des Überlagerungsgetriebes 62 vorgegeben wird. Dieses Übersetzungsverhältnis kann je nach Konstruktion des Überlagerungsgetriebes 62 einen Wert von 1 oder einen von 1 abweichenden Wert annehmen.
Bei einem Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 61 wird diese Rotation in das Überlagerungsgetriebe 62 eingeleitet und die eingeleitete Rotation überlagert die Rotation des Eingangselements 42 des ersten Koppelelements 40. Eine Rotation, die durch Überlagerung der von der elektrischen Antriebsmaschine 61 in das Überlagerungsgetriebe 62 eingeleitete Rotation und der Rotation des Eingangselements 42 gebildet wird, wird als überlagerte Rotation auf das Ausgangselement 41 des ersten Koppelelements 40 abgegeben. Diese Rotation wird dann in die erste Antriebsachse 4 eingeleitet.
Dabei kann in Abhängigkeit der Drehrichtung der elektrischen Antriebsmaschine 61 die Drehzahl des Ausgangselements 41 relativ zu der Drehzahl des Eingangselements 42 des ersten Koppelelements 40 beeinflusst, nämlich erhöht oder verringert werden. Außerdem kann der Antrieb des Ausgangselements 41 des ersten Koppelelements 40 ausschließlich durch den Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 61 herbeigeführt werden, wenn das Eingangselement 42 des ersten Koppelelements still steht bzw. blockiert wird. Alternativ kann durch Blockieren des Ausgangselements 41 des ersten Koppelelements und durch Einleiten einer Rotation über das Eingangselement 42 die elektrische Antriebsmaschine 61 über das Nebenantriebselement des Überlagerungsgetriebes 62 angetrieben werden. In diesem Fall kann die elektrische Antriebsmaschine als Generator verwendet werden.
Wie vorstehend angegeben ist, ist der Aufbau der ersten Antriebsunterstützungseinheit 6 demjenigen der zweiten Antriebsunterstützungseinheit 7 ähnlich. Dies trifft ebenfalls für die vorstehend beschriebenen Funktionen zu, die für die erste Antriebsachse 4 und die zweite Antriebsachse 5 unabhängig erzielbar sind.
Die Eingangselemente 42, 52 der jeweiligen Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 sind mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe 3 gekoppelt. Das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 ist mit mehreren Eingangs- und Ausgangswellen versehen, deren Drehzahlen und Drehrichtungen sich mit einem vorbestimmten Zusammenhang gegenseitig beeinflussen. Das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Eingangswelle 31 auf, die mit einer Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine 2 gekoppelt ist. Ferner weist das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 eine erste Ausgangswelle 32 auf, die mit einem Generator 9 gekoppelt ist. Zusätzlich weist das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 eine dritte Ausgangswelle 33 auf, die mit einer Hydraulikpumpe 11 gekoppelt ist. Die Funktionalität eines Leistungsverzweigungsgetriebes 3 ist bekannt und wird nur kurz beschrieben.
Die Rotation, die über die Eingangswelle 31 durch die Brennkraftmaschine 2 in das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 eingeleitet wird, wird durch einen Getriebesatz aufgenommen, der als Kombination aus Planetengetriebesätzen oder anderen Ausgestaltungen aufgebaut ist. Die eingeleitete Rotation wird dann auf die Eingangselemente 42, 52 der ersten und zweiten Koppelelemente 40, 50 sowie auf die mit dem Generator 9 gekoppelte erste Ausgangswelle 32 und die mit der Hydraulikpumpe 11 gekoppelte Ausgangswelle 33 verteilt.
Dabei kann durch Einstellung des Betriebszustands des Generators 9, der die Funktion eines Motorgenerators aufweist, das Drehzahlverhältnis zwischen Eingangswelle 31 und den Eingangselementen 42, 52 der Koppelelemente 40, 50 stufenlos variabel gestaltet werden. Insbesondere können die Drehzahl des Generators 9 und die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 so eingestellt werden, dass eine vorbestimmte Drehzahl an den Eingangselementen 42, 52 der Koppelelemente 40, 50 erzielt wird. Dieselbe vorbestimmte Drehzahl kann jedoch auch mit einer Einstellung herbeigeführt werden, bei der die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 höher oder niedriger ist und die Drehzahl des Generators 9 entsprechend angepasst wird. Durch Umkehrung der Drehrichtung des Generators 9 kann dabei eine weitergehende Entkopplung von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 erzielt werden.
Insgesamt kann damit eine Entkoppelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 und der Drehzahlen der Eingangselemente 42, 52 der Koppelelemente 40, 50, der ersten Ausgangswelle 32 und der zweiten Ausgangswelle 33 herbeigeführt werden. Diese Entkoppelung kann bei Betrieb des Generators 9 als Motor eingesetzt werden, um einen Betrieb der Arbeitsmaschine umfassend zumindest den Fahrantrieb und den Betrieb der Hydraulikpumpe 11 auch bei stillgesetzter Brennkraftmaschine 2 zu ermöglichen.
Mit der Eingangswelle 31 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Kurbelwellenstartergenerator 8 gekoppelt. Dieser Kurbelwellenstartergenerator 8 dient in der vorliegenden Ausführungsform sowohl als Starter für die Brennkraftmaschine 2 und als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie. Zusätzlich oder alternativ ist ein Riemenstartergenerator 22 vorgesehen, der mit einem Riemenantrieb eines Steuertriebs 23 der Brennkraftmaschine 2 gekoppelt ist. Der Riemenstartergenerator 22 hat ebenfalls die Funktion zum Starten der Brennkraftmaschine 2 und die Funktion als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie.
Das Antriebssystem der Arbeitsmaschine weist ferner eine elektrische Energiespeichereinheit 1 in Form einer Batterie auf. Die Batterie ist eine aufladbare Batterie, die in das Bordnetz der Arbeitsmaschine integriert ist.
Das Antriebssystem der Arbeitsmaschine weist ferner einen Kühler 25 zur Wärmeabfuhr von durch die Brennkraftmaschine 2 erzeugter Wärme auf, der im Bedarfsfall mit einem Kühlerlüfter 24 gekühlt wird. Der Kühlerlüfter 24 ist als elektrisch betriebener Lüfter ausgeführt.
Die Brennkraftmaschine weist außerdem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung auf, in der eine Abgasnachbehandlungszuheizvorrichtung 27 vorgesehen ist. Diese Abgasnachbehandlungszuheizvorrichtung 27 ist in der vorliegenden Ausführungsform elektrisch betrieben.
Die Brennkraftmaschine 2 ist als aufgeladene Brennkraftmaschine ausgestaltet, bei der ein elektrisch betriebener Turbolader 21 vorgesehen ist. Bei diesem elektrischen Turbolader 21 wird zumindest ein Teil der erforderlichen Antriebskraft durch einen elektrischen Antriebsmotor erzeugt.
An der Arbeitsmaschine sind Anbaugeräte 10 anbringbar. Diese Anbaugeräte können die Funktionalität der Arbeitsmaschine erweitern und erhöhen durch die Auslegung als abnehmbare Anbaugeräte 10 die Flexibilität der Arbeitsmaschine. Bei den Anbaugeräten 10 handelt es sich je nach Einsatzgebiet der Arbeitsmaschine um Mäheinrichtungen, Reinigungswalzeneinrichtungen, Mischeinrichtungen oder Ähnliches. Es sind auch Anbaugeräte 10 verwendbar, die sowohl elektrisch als auch hydraulisch angetrieben werden. In diesem Fall kann die Art des Antriebs der Anbaugeräte 10 im Einzelfall gewählt werden. Dabei wird auch ein teilelektrischer und teilhydraulischer Betrieb des Anbaugerätes 10 je nach Ausgestaltung des Anbaugeräts 10 ermöglicht.
Die vorstehend genannten Elemente sind in das Bordnetz der Arbeitsmaschine integriert. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Bordnetz mit einer Nennspannung von 48 Volt ausgelegt. Eine solche Auslegung hat verschiedene Vorteile gegenüber Nennspannungen, die insbesondere oberhalb von 60 Volt liegen. Bis zu einer Nennspannung von 60 Volt können zur Durchführung von Wartungsarbeiten aufgrund von gesetzlichen Regelungen Personen zum Einsatz kommen, die nicht für Arbeiten an hohen Spannungen geschult und hierfür besonders zugelassen sind. Außerdem können elektrische Energiespeichereinheiten mit einem einfacheren Aufbau und geringeren Herstellungskosten verwendet werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Gesamtsystems und der einzelnen Elemente mit den damit verbundenen Vorteilen näher erläutert.
Die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform bietet verschiedene Vorteile. Zum einen wird durch die Verwendung des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 eine Entkopplung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 von den Antriebsachsen 4, 5 herbeigeführt. Dies kann, wie vorstehend beschrieben ist, durch den geregelten Betrieb des Generators 9 erfolgen. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine mit einem vollelektrischen oder teilelektrischen Antrieb zu betreiben.
Somit kann mit dieser teilelektrifizierten Antriebsmaschine ein Marktsegment bedient werden, in welchem zumindest teilweise ein vollelektrischer Betrieb erforderlich ist, wie z. B. in emissionssensiblen Umgebungen. Gegenüber einer vollelektrischen Arbeitsmaschine, die keine Brennkraftmaschine aufweist, hat die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Vorteil, dass eine Aufladung der elektrischen Energiespeichereinheit 1 unabhängig von einem stationären Netz erfolgen kann. Außerdem ist es möglich, mit dieser Ausführungsform eine Hydraulikpumpe 11 ebenfalls vollelektrisch oder teilelektrisch zu betreiben. Dies kann dann bei stillstehender Brennkraftmaschine 2 durch Einleitung von Antriebsleistung in das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 durch den Generator 9 erfolgen, wenn dieser als elektrischer Motor betrieben wird.
Hinsichtlich des Betriebs der Antriebsachsen 4, 5 wird zusätzlich zu der Funktion eines voll- oder teilelektrischen Antriebs eine Drehmoment- und/oder Schlupfregelung an den einzelnen Antriebsachsen 4, 5 ermöglicht. Diese Regelung wird, wie vorstehend beschrieben ist, durch die Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 herbeigeführt, die ihre Antriebskraft bzw. ihre Rotation mit derjenigen überlagern kann, die von dem Leistungsverzweigungsgetriebe 3 in die Koppelelemente 40, 50 eingeleitet wird. Eine solche Regelung ist besonders exakt, hat ein gutes Ansprechverhalten und kann mit einer geeigneten in das Gesamtsystem integrierten Regelungseinrichtung 80 mit einfachen Mitteln vorgenommen werden. Hierzu ist im Übrigen in das System eine Sensorik integriert, die Drehzahlen von Rädern an der ersten Antriebsachse 4 und der zweiten Antriebsachse 5 erfasst und die erfassten Drehzahlen bei der Regelung der Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 berücksichtigt.
Eine zusätzliche Funktion ergibt sich durch die Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7, in denen jeweils die Überlagerungsgetriebe 62, 72 vorgesehen sind. Wenn nämlich die erste Antriebsachse 4 und die zweite Antriebsachse 5 beispielsweise durch die vorgesehenen Betriebsbremsen blockiert werden, kann durch Antrieb der Antriebsunterstützungseinheiten 6, 7 elektrische Energie durch den Antrieb der elektrischen Antriebsmaschinen 61, 71 erzeugt werden. Diese elektrische Energie kann dann in die elektrische Energiespeichereinheit 1 eingeleitet oder anderweitig eingesetzt werden.
Außerdem bietet die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine die Möglichkeit, elektrisch betreibbare Anbaugeräte 10, die an der Arbeitsmaschine montiert werden können, zumindest teilweise elektrisch zu betreiben. Bei solchen Anbaugeräten kann es sich beispielsweise um Mäheinrichtungen, Reinigungswalzeneinrichtungen, Mischeinrichtungen oder Ähnliches handeln. Die elektrisch betreibbaren Anbaugeräte 10 können dabei ebenfalls mit einer Nennspannung mit 48 Volt ausgelegt werden. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität für den Einsatz der Arbeitsmaschine, da der Austausch von elektrisch betreibbaren Anbaugeräten 10 besonders unkompliziert erzielt werden kann.
Insgesamt bietet die teilelektrifizierte Arbeitsmaschine gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine verbesserte Funktionalität bei gleichzeitiger Optimierung der Energieeffizienz. Zusätzlich kann die Sicherheit im Betrieb durch neuartige Regelungsoptionen für den Fahrbetrieb verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Energiespeichereinheit
2: Brennkraftmaschine
3: Leistungsverzweigungsgetriebe
4: (erste) Antriebsachse
5: (zweite) Antriebsachse
6: (erste) Antriebsunterstützungseinheit
7: (zweite) Antriebsunterstützungseinheit
8: Kurbelwellenstartergenerator
9: Generator
10: Anbaugerät
11: Hydraulikpumpeneinheit
21: elektrisch betreibbarer Turbolader
22: Riemenstartergenerator
23: Steuertrieb
24: Kühlerlüfter
25: Kühler
26: Nebenverbraucher
27: Abgasnachbehandlungszuheizvorrichtung
31: Eingangswelle
32: erste Ausgangswelle
33: zweite Ausgangswelle
40: (erstes) Koppelement
41,51: Ausgangselement
42, 52: Eingangselement
50: (zweites) Koppelelement
61, 71: Elektrische Antriebsmaschine
62, 72: Überlagerungsgetriebe
80: Regelungseinrichtung

Claims

Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine mit einer Brennkraftmaschine (2), einem Leistungsverzweigungsgetriebe (3), das zur Aufnahme von Antriebskraft mit der Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist, und zumindest einem elektrischen Generator (9; 8; 22), der zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Bordnetz der Arbeitsmaschine von der Brennkraftmaschine (2) antreibbar ist, ferner mit einer oder mehreren Antriebsachsen (4; 5), von denen zumindest eine zum Antrieb von dieser zugeordneten Rädern mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) durch ein Koppelelement (40; 50) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Koppelelement (40; 50) ein mit einer elektrischen Maschine (61; 71) gekoppeltes Überlagerungsgetriebe (62; 72) zur Bildung einer Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) vorgesehen ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelement (40; 50) einen Eingangsabschnitt (42; 52) zwischen dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) und dem Überlagerungsgetriebe (62; 72) und einen Ausgangsabschnitt (41; 51) zwischen dem Überlagerungsgetriebe (62; 72) und der zumindest einen Antriebsachse (4; 5) aufweist, wobei in Abhängigkeit vom Betriebszustand der elektrischen Maschine (61; 71) eine Relativrotation zwischen dem Eingangsabschnitt (42; 52) und dem Ausgangsabschnitt (41; 51) des Koppelements (40; 50) beinflussbar ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) zum Antrieb der zumindest einen Antriebsachse (4) der Arbeitsmaschine bei Stillstand des Eingangsabschnitts (42; 52) des Koppelements (41, 42) ausgelegt ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) zur Erzeugung elektrischer Energie durch Antreiben des Eingangsabschnitts (42; 52) des Koppelements (40; 50) und Betreiben der elektrischen Maschine (61; 71) als Generator ausgelegt ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) unter Berücksichtigung des Betriebszustands der Arbeitsmaschine zur Regelung von Drehmoment und/oder Drehzahl der Räder und/oder Schlupf der zumindest einen Antriebsachse (4; 5) betreibbar ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Antriebsachsen (4, 5) vorgesehen sind, von denen jede zum Antrieb von dieser zugeordneten Rädern mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) durch jeweils ein Koppelelement (40, 50) gekoppelt ist, wobei an jedem der Koppelelemente (40, 50) ein mit einer elektrischen Maschine (61, 71) gekoppeltes Überlagerungsgetriebe (62, 72) zur Bildung einer der jeweiligen Antriebsachse (4, 5) zugeordneten Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) vorgesehen ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) eine Hydraulikpumpeneinheit (11) gekoppelt ist, die durch Antriebsleistung der Brennkraftmaschine (2) und/oder des Generators (9) für einen Betrieb von hydraulischen Einrichtungen der Arbeitsmaschine betreibbar ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Generator (8; 22) als Kurbelwellenstartergenerator (8), der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist, und/oder als Riemenstartergenerator (22), der mit einem Riementrieb der Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist, ausgelegt ist und sowohl als elektrischer Generator als auch als Startermotor zum Starten der Brennkraftmaschine (2) dient.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Generator (9) als Motorgenerator ausgestaltet ist, der zur Erzeugung elektrischer Energie für das Bordnetz der Arbeitsmaschine von der Brennkraftmaschine (2) über das Leistungsverzweigungsgetriebe (3) antreibbar und zur Einleitung von Antriebskraft in das Leistungsverzweigungsgetriebe (3) betreibbar ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) als aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem zumindest teilweise elektrisch betreibbaren Turbolader (21) ausgebildet ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach eine der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasnachbehandlungszuheizvorrichtung (27), ein Kühlerlüfter (25) und/oder Nebenverbraucher (26) der Brennkraftmaschine (2) aus Bordnetz der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie versorgt werden.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach eine der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Arbeitsmaschine koppelbare und zumindest teilweise elektrisch betreibbare Anbaugeräte (10) durch das Bordnetz der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie versorgt werden.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequelle ein elektrischer Energiespeicher (1) in das Bordnetz integriert ist, der durch Energiezufuhr aus dem Bordnetz aufladbar ist und Energie in das Bordnetz einspeisen kann.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz der Arbeitsmaschine mit den damit verbundenen elektrischen Einrichtungen als Niederspannungsbordnetz mit einer Nennspannung von 48 Volt ausgelegt ist.
Teilelektrifizierte Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (61; 71) der Antriebsunterstützungseinheit (6; 7) jeder Antriebsachse (4, 5) aus dem Bordnetz der Arbeitsmaschine über eine Regelungseinrichtung (80) mit elektrischer Energie versorgt wird.