DE102017219994A1

DE102017219994A1 - Antriebsachse für eine elektrisch angetriebene Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102017219994A1
Application number: DE102017219994.6A
Authority: DE
Inventors: Migen Bebeti; Gerhard Stempfer; Jan Döring; Peter Tepfenhart; Norbert Feuchtner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-11-11
Also published as: WO2019091679A1; US20200406681A1; DE102017219994B4; CN111344173A; US11518191B2

Abstract

Eine Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine zum Antrieb von mit der Antriebsachse (30) gekoppelten Rädern (33L, 33R) weist eine Stirnradgetriebestufe (34) mit einer Eingangswelle und einen mit der Stirnradgetriebestufe gekoppelten Differentialgetriebesatz (31) auf. Die Antriebsachse (30) weist ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe (35) mit einem Ausgangselement, das mit der Eingangswelle der Stirnradgetriebestufe (34) gekoppelt ist, und einem Eingangselement auf, das mit einer Ausgangswelle (4) einer elektrischen Antriebsmaschine (1) gekoppelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse für eine Arbeitsmaschine mit elektrischem Antrieb, die mit einer kompakten elektrischen Antriebsmaschine versehen ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, die mit einer elektrisch betriebenen Antriebsachse versehen ist, sowie eine Arbeitsmaschine mit einer elektrisch betriebenen Antriebsachse oder einem elektrisch betriebenen Antriebsstrang.
Stand der Technik
Selbstfahrende Arbeitsmaschinen mit einem elektrisch betriebenen Antriebsstrang sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bei bekannten Arbeitsmaschinen wird eine Antriebsachse des Antriebsstrangs durch eine elektrische Antriebsmaschine angetrieben, um an der Antriebsachse montierte Antriebsräder in der Regel über einen Differentialgetriebesatz anzutreiben. Dabei unterscheiden sich die im Stand der Technik bekannten Antriebsachsen nicht wesentlich von solchen Antriebsachsen, die bisher durch einen Hydraulikmotor angetrieben werden. Es ist somit bekannt, den im Stand der Technik vorgesehenen Hydraulikmotor durch eine elektrische Maschine zu ersetzen, um somit die Vorteile durch den elektrischen Antrieb der Arbeitsmaschine zu erzielen.
Im Stand der Technik nach DE 600 13 340 T2 ist ein Antriebsstrang für elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen gezeigt, bei dem ein Satz elektrischer Maschinen zum Antrieb des Antriebsstrangs dient.
Zusammenfassung
Eine Antriebsachse für eine Arbeitsmaschine ist zum Antrieb von mit der Antriebsachse gekoppelten Rädern vorgesehen. Die Antriebsachse kann eine Stirnradgetriebestufe mit einer Eingangswelle und einen mit der Stirnradgetriebestufe gekoppelten Differentialgetriebesatz aufweisen. Der Differentialgetriebesatz ist über Radantriebswellen mit den Rädern gekoppelt, um die in den Differentialgetriebesatz eingeleitete Antriebskraft auf die Räder zu verteilen. Die Antriebsachse kann ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe mit einem Ausgangselement, das mit der Eingangswelle der Stirnradgetriebestufe gekoppelt ist, und einem Eingangselement aufweisen, das mit einer Ausgangswelle einer elektrischen Antriebsmaschine gekoppelt ist.
Bei der Arbeitsmaschine kann es sich um eine Baumaschine, eine Landmaschine oder eine andere Arbeitsmaschine handeln, die für den Fahrbetrieb zumindest eine mit einer elektrischen Antriebsmaschine angetriebene Antriebsachse aufweist. Insbesondere kann es sich bei der Arbeitsmaschine um eine kompakte Arbeitsmaschine mit geringen Abmessungen handeln.
Die Stirnradgetriebestufe kann in einer Baugruppe mit dem Differentialgetriebesatz ausgeführt sein. Dabei kann ein Stirnrad der Stirnradgetriebestufe mit einem Tellerrad des Differentialgetriebesatzes eingreifen.
Bei der Antriebsachse kann das zusätzliche Untersetzungsgetriebe als Planetengetriebesatz ausgeführt sein. Der Planetengetriebesatz kann zumindest ein Sonnenrad, zumindest einen Planetenträger, der zumindest ein Planetenrad trägt, und ein drehfestes Hohlrad aufweisen. Dabei greift das Sonnenrad mit dem Planetenrad ein, greift das Planetenrad mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad ein und bildet der Planetenträger das Ausgangselement und bildet das Sonnenrad das Eingangselement. Während ein Planetenrad für den Planetengetriebesatz prinzipiell ausreichend ist, können zur Lastverteilung mehrere Planetenräder an dem Planetenträger vorgesehen werden, wie z. B. zwei, drei oder eine beliebige Anzahl.
Bei dem Planetengetriebesatz kann die Antriebskraft in das Sonnenrad als Eingangselement eingeleitet werden. Dadurch werden die mit dem Sonnenrad eingreifenden Planetenräder angetrieben und wird aufgrund des Eingriffs der Planetenräder mit einer Verzahnung am Innenumfang des Hohlrads eine Rotation des drehbar gelagerten Planetenträgers herbeigeführt. Die Antriebskraft wird durch den Planetenträger als Ausgangselement von dem Planetengetriebesatz abgegeben. Mit einem solchen Aufbau kann eine besonders starke Untersetzung zwischen am Sonnenrad vorliegender Eingangsdrehzahl und am Planetenträger vorliegender Ausgangsdrehzahl mit einem sehr geringen Übersetzungsverhältnis herbeigeführt werden.
Die Antriebsachse kann ein Achsgehäuse aufweisen, in dem die Stirnradgetriebestufe, der Differentialgetriebesatz und das zusätzliche Untersetzungsgetriebe untergebracht sind. Die elektrische Antriebsmaschine kann dabei an dem Achsgehäuse montiert sein, um eine Reaktionskraft beim Antrieb der Antriebsachse von der elektrischen Antriebsmaschine in das Achsgehäuse einzuleiten.
Das Gehäuse kann dabei in einzelne Gehäuseabschnitte unterteilt sein, die miteinander verbunden sind, um eine mechanische Einheit zu bilden. Die elektrische Arbeitsmaschine kann über eine beliebige Verbindung mit dem Achsgehäuse kraftschlüssig verbunden sein, wie beispielsweise durch Verschraubungen oder Ähnliches.
Bei der Antriebsachse kann alternativ die elektrische Arbeitsmaschine separat von dem Achsgehäuse montiert sein und dann über ein Kopplungselement mit dem Eingangselement des zusätzlichen Untersetzungsgetriebes gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Antriebsmaschine an einen Abschnitt der Arbeitsmaschine montiert werden, an dem die Antriebsachse angebracht ist. Das Kopplungselement kann beispielsweise eine Welle, insbesondere eine Gelenkwelle umfassen oder als Riemenantrieb oder Ähnliches ausgestaltet sein.
Die Antriebsachse kann ferner ein Verteilergetriebe aufweisen, das mit einer zweiten Antriebsachse koppelbar ist. Das Verteilergetriebe kann dabei zwischen dem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe und der Stirnradgetriebestufe vorgesehen sein. Das Verteilergetriebe kann verschiedenartig ausgeführt sein, solange die Möglichkeit besteht, zumindest einen Teil der in die Antriebsachse eingeleiteten Antriebskraft nach außen abgeben zu können. Dabei kann die nach außen abgegebene Antriebskraft auf eine zweite Antriebsachse übertragen werden, um eine Antriebskraftverteilung zwischen den dann zwei vorgesehenen Antriebsachsen zu erzielen. Das Verteilergetriebe kann einen als Längsdifferential wirkenden Differentialgetriebesatz aufweisen, um die Antriebskraft zwischen der Antriebsachse, an der das Verteilergetriebe montiert ist, und der weiteren Antriebsachse zu verteilen. Ferner kann das Verteilergetriebe als schaltbares Verteilergetriebe ausgestaltet sein, bei dem die Abgabe der zusätzlichen Antriebskraft unterbrochen werden kann. Zudem kann das Längsdifferential als sperrbarer Differentialgetriebesatz ausgeführt sein. Mit dieser Ausgestaltung ist die Antriebsachse in einer Arbeitsmaschine mit Knicklenkung einsetzbar.
Die Antriebsachse kann auch ohne Verteilergetriebe ausgestaltet sein, wenn die in die Antriebsachse eingeleitete Antriebskraft nicht auf eine weitere Antriebsachse verteilt wird.
Bei der Antriebsachse kann das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangselement des zusätzlichen Untersetzungsgetriebes und den Radantriebswellen 1/100 oder weniger, beispielsweise 1/200 oder darunter betragen. Die Ausgestaltung mit einer großen Untersetzung zwischen dem Eingangselement, an dem die Antriebskraft des Elektromotors eingeleitet wird, und den Radantriebswellen wirkt sich auf die Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine aus. Insbesondere kann die elektrische Antriebsmaschine dann mit einer hohen Nenndrehzahl ausgelegt werden, was wiederum Auswirkungen auf den Wirkungsgrad und die Baugröße der elektrischen Antriebsmaschine hat.
Bei der Antriebsachse kann die elektrische Antriebsmaschine mit einer besonderen Ausgestaltung eingesetzt werden. Die eingesetzte elektrische Arbeitsmaschine kann zwei elektrisch voneinander unabhängige und in Umfangsrichtung benachbarte Statorabschnitte aufweisen. Die Statorabschnitte können dabei gemeinsam den Umfang der elektrischen Arbeitsmaschine einnehmen. Die elektrische Arbeitsmaschine kann ferner einen radial innerhalb der Statorabschnitte vorgesehenen Rotor aufweisen. Der Rotor kann dabei als Antriebswelle oder Ausgangselement der elektrischen Arbeitsmaschine wirken.
Bei der elektrischen Antriebsmaschine ist jedem der Statorabschnitte zur separaten geregelten Zufuhr von elektrischer Energie jeweils eine Leistungselektronikeinheit zugeordnet. Die Leistungselektronikeinheit kann dabei ein elektrischer Umrichter sein, der das erforderliche Wechselfeld für den jeweiligen Statorabschnitt zur Verfügung stellt. Dabei wird für jeden der Statorabschnitte eine eigenständige Leistungselektronikeinheit verwendet, um das erforderliche elektrische Feld in demjenigen Bereich der elektrischen Antriebsmaschine zur Verfügung zu stellen, den der entsprechende Statorabschnitt einnimmt. Die Statorabschnitte können in Umfangsrichtung aneinander angrenzen, solange eine elektrische Trennung bestehen bleibt. Die Leistungselektronikeinheiten können dabei in einer Leistungselektronikbaugruppe vereinheitlicht sein, stellen jedoch die Ausgangsleistung jeweils unabhängig von der oder den weiteren Leistungselektronikeinheiten zur Verfügung. Die Leistungselektronikeinheiten können von einer elektrischen Energiespeichereinheit mit Energie versorgt werden.
Die Energieversorgung kann durch ein Hybridsystem erfolgen, in dem eine Brennkraftmaschine eingesetzt wird, mit der neben mechanischer Energie auch elektrische Energie erzeugt werden kann. Die elektrische Energie kann in der elektrischen Energiespeichereinheit gespeichert und den Leistungselektronikeinheiten zugeführt werden. Die elektrische Antriebsmaschine kann auch zur Rekuperation von Energie ausgelegt sein, so dass beim Bremsen elektrische Energie erzeug und in der elektrischen Energiespeichereinheit gespeichert wird.
Bei der Antriebsachse können die Leistungselektronikeinheiten über eine Synchronisationseinrichtung unter Berücksichtigung der Phase des Rotors der elektrischen Antriebsmaschine angesteuert werden. Ferner können die jeweiligen Ausgangsleistungen der Leistungselektronikeinheiten unabhängig voneinander regelbar ausgestaltet sein. Dabei kann die Phase des Rotors durch einen Sensor erfasst und den Leistungselektronikeinheiten als Signal zugeführt werden. Der Sensor kann beispielsweise in der elektrischen Antriebsmaschine integriert sein. Ferner können auch andere elektrische Größen verwendet werden, um die Phase des Rotors für die Ansteuerung der Leistungselektronikeinheiten bereitzustellen. Mit der Berücksichtigung der Phase des Rotors kann somit bewirkt werden, dass jeder der Statorabschnitte entsprechend seiner Umfangslage in der elektrischen Antriebsmaschine angesteuert wird, um die Rotation des Rotors herbeizuführen. Die Synchronisationseinrichtung kann dabei jede der Leistungselektronikeinheiten so ansteuern, dass die Leistungszufuhr und Frequenz entsprechend der Lage der Statorabschnitte geregelt wird.
Bei der Antriebsachse kann die elektrische Antriebsmaschine als Asynchronmaschine ausgebildet sein. Andere Bauformen der elektrischen Antriebsmaschine, wie z. B. eine Synchronmaschine oder andere Bauformen, sind jedoch denkbar, solange diese eine Fremderregung am Stator aufweist.
Bei der Antriebsachse weist die elektrische Arbeitsmaschine zwei Statorabschnitte auf, die jeweils 180 Grad des Umfangs der elektrischen Arbeitsmaschine einnehmen. Dabei bleiben bei dieser Angabe in Umfangsrichtung vorgesehene Beabstandungen zwischen den Statorabschnitten unberücksichtigt. Hierdurch wird eine Statorauslegung herbeigeführt, bei der durch zwei Statorabschnitte möglichst der gesamte Umfang der elektrischen Arbeitsmaschine abgedeckt wird. Alternativ kann bei der Antriebsachse die elektrische Arbeitsmaschine vier Statorabschnitte aufweisen, die jeweils 90 Grad des Umfangs der elektrischen Arbeitsmaschine einnehmen. Andere Aufteilungen sind ebenfalls denkbar.
Ein Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine weist eine erste Antriebsachse von mit der ersten Antriebsachse gekoppelten Rädern und eine zweite Antriebsachse zum Antrieb von mit der zweiten Antriebsachse gekoppelten Rädern auf. Die erste Antriebsachse kann dabei ein Verteilergetriebe mit einem Ausgangselement aufweisen, das mit einer Zwischenwelle mit der zweiten Antriebsachse gekoppelt werden kann. Dadurch kann die von der elektrischen Antriebsmaschine abgegebene Antriebskraft auf die zweite Antriebsachse übertragen werden.
Die erste Antriebsachse des Antriebsstrangs kann dabei durch eine Antriebsachse ausgebildet sein, die vorstehend definiert ist. Die Zwischenwelle kann eine Gelenkwelle sein, die mit einem Gelenk versehen ist, um beispielsweise eine Knicklenkung des Antriebsstrangs zu ermöglichen. Ferner kann das Verteilergetriebe als schaltbares Getriebe ausgeführt sein, um die Übertragung der Antriebskraft über die Zwischenwelle auf die zweite Antriebsachse unterbrechen zu können.
Bei dem Antriebsstrang weist die zweite Antriebsachse eine Stirnradgetriebestufe mit einer Eingangswelle und einen mit der Stirnradgetriebestufe gekoppelten Differentialgetriebesatz auf. Der Differentialgetriebesatz kann dabei über Radantriebswellen der zweiten Antriebswelle mit den Rädern gekoppelt sein. Die Zwischenwelle kann über eine Eingangswelle der Stirnradgetriebestufe der zweiten Antriebsachse mit dem Ausgangselement des Verteilergetriebes der ersten Antriebsachse gekoppelt sein. Dabei kann die Stirnradgetriebestufe der zweiten Antriebsachse mit einem Übersetzungsverhältnis ausgeführt sein, das demjenigen der Stirnradgetriebestufe der ersten Antriebsachse entspricht. Jedoch kann die Auslegung der Stirnradgetriebestufe der zweiten Antriebsachse auch von derjenigen der Stirnradgetriebestufe der ersten Antriebsachse abweichen, wobei dann die Gesamtauslegung des Antriebsstrangs an diese Abweichung angepasst wird.
Eine Arbeitsmaschine kann mit einer Antriebsachse oder einem Antriebsstrang gemäß der vorhergehenden Beschreibung ausgestattet sein. Ferner kann die Arbeitsmaschine mit einer elektrischen Energiespeichereinheit und Leistungselektronikeinheiten zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschine versehen sein. Wenn die Arbeitsmaschine mit einer elektrischen Energiespeichereinheit versehen ist, kann diese vollelektrisch betrieben werden und bietet eine besonders hohe Energieeffizienz.
Die elektrische Energiespeichereinheit kann als beliebige Speichereinheit zum Speichern und Abgeben von elektrischer Leistung ausgeführt sein. Denkbar sind Bleiakkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder andere Ausführungen. Die Arbeitsmaschine kann einen Rahmen aufweisen, an dem der Antriebsstrang montiert ist. An dem Rahmen können alle weiteren Elemente vorgesehen sein, wie z.B. Betriebseinrichtungen für den Betrieb der Arbeitsmaschine, zusätzliche Arbeitsvorrichtungen, wie z.B. Hubeinrichtungen, Kippvorrichtungen oder Ähnliches, sowie die Energiespeichereinheit angebracht sein.
Die Arbeitsmaschine kann mit einem Bordnetz versehen sein, dessen Nennspannung als Niederspannung ausgelegt ist. Die Nennspannung kann dabei maximal 60 Volt betragen. Ferner ist eine Auslegung mit einer Nennspannung von 48 Volt denkbar. Im Fall einer Auslegung mit Niederspannung ergeben sich für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine hohe Stromstärken bei vorgegebener Nennleistung. Von den oben genannten Nennspannungen abweichende Werte sind ebenfalls möglich.
Figurenliste

1 zeigt eine Antriebsachse mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Antriebsstrang mit der in 1 gezeigten Antriebsachse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt schematisch den Aufbau der elektrischen Antriebsmaschine, die in den Ausführungsformen von 1 und 2 anwendbar ist.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsachse 30, die in einer Arbeitsmaschine, wie z.B. einer Baumaschine, einer Landmaschine oder Ähnlichem, anwendbar ist. Die Antriebsachse 30 weist ein Achsgehäuse 38 auf, in welchem Elemente der Antriebsachse 30 untergebracht sind. Das Achsgehäuse 38 ist dabei ersichtlich mehrteilig ausgestaltet, kann jedoch auch einstückig ausgeführt werden. Neben der Aufnahme von Elementen der Antriebsachse 30 ist der Zweck des Achsgehäuses 38, Kräfte von Bauteilen, die an dem Achsgehäuse 38 montiert sind, geeignet aufnehmen zu können. Ferner ist das Achsgehäuse 38 ausgestaltet, um an einer Arbeitsmaschine montiert zu werden.
An den Endabschnitten des Achsgehäuses sind ein linkes Rad 33L und ein rechtes Rad 33R jeweils drehbar montiert. Zwischen den Rädern 33L, 33R ist im Achsgehäuse 38 ein Differentialgetriebesatz 31 untergebracht. Vom Differentialgetriebesatz 31 erstrecken sich nicht gezeigte Antriebsachsen zu Naben der Räder 33R, 33L, so dass die in den Differentialgetriebesatz 31 eingeleitete Antriebskraft auf die Räder 33R, 33L in bekannter Weise verteilt werden kann.
Im Achsgehäuse 38 ist ferner eine Stirnradgetriebestufe 34 untergebracht. Die Stirnradgetriebestufe 34 weist ein Antriebsstirnrad auf, das mit einem Abtriebszahnrad des Differentialgetriebesatzes 31 eingreift. Die Stirnradgetriebestufe 34 weist eine Eingangswelle auf, die mit dem Eingangsstirnrad verbunden ist. Die Stirnradgetriebestufe 34 ist als Untersetzungsgetriebe ausgebildet.
Ferner ist in dem Achsgehäuse 38 der in 1 gezeigten Antriebswelle 30 ein Verteilergetriebe 32 vorgesehen. Dieses Verteilergetriebe 32 wird benötigt, wenn die Antriebsachse 30 in einem Triebstrang zum Einsatz kommt, in welchem zusätzlich zu der Antriebsachse 30 eine weitere Antriebsachse vorgesehen ist. Das Verteilergetriebe 32 dient in herkömmlicher Weise dazu, eine in dieses eingeleitete Antriebskraft auf zwei Antriebsachsen zu verteilen. Im vorliegenden Fall wird ein Teil der Antriebskraft auf die in 1 gezeigte Antriebsachse 30 verteilt. Der andere Teil der Antriebskraft wird in diesem Anwendungsfall über ein Ausgangswellengelenk und eine Zwischenwelle auf eine weitere Antriebsachse übertragen.
Am Achsgehäuse 38 ist ferner eine elektrische Antriebsmaschine 1 angebracht. Die Antriebsmaschine ist über einen am Achsgehäuse 38 vorgesehenen Flansch montiert. Wie in 1 ersichtlich ist, ist die axiale Ausrichtung der elektrischen Antriebsmaschine 1 parallel zu Drehachsen der rotierenden Elemente des Verteilergetriebes 32 ausgerichtet. Dabei ist die Mittelachse der elektrischen Antriebsmaschine 1 parallel versetzt zu einer Mittelachse eines Ausgangselements des Verteilergetriebes 32, an das das Ausgangswellengelenk 37 angeschlossen ist.
Ferner ist ersichtlich, dass die Zwischenwelle 36, die über das Ausgangswellengelenk 37 mit dem Ausgangselement des Verteilergetriebes 32 verbunden ist, schwenkbar ausgestaltet ist. Der Bereich, in dem die Zwischenwelle 36 geschwenkt werden kann, wird im in 1 gezeigten Fall unter anderem durch die Abmessungen der elektrischen Antriebsmaschine 1 bestimmt. Insbesondere ist ein mechanischer Kontakt zwischen der Zwischenwelle 36 und einem Gehäuse 2 der elektrischen Antriebsmaschine 1 unter allen Umständen zu vermeiden.
Im Achsgehäuse 38 ist ergänzend zu den bisher erläuterten Getriebeelementen ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe 35 vorgesehen. Dieses zusätzliche Untersetzungsgetriebe 35 ist so gestaltet, dass ein Eingangselement mit der Ausgangswelle der elektrischen Antriebsmaschine 1 eingreift und somit die von der elektrischen Antriebsmaschine 1 abgegebene Antriebskraft aufnimmt. Ferner ist bei dem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe 35 ein Ausgangselement mit einem Eingangselement des Verteilergetriebes 32 in Eingriff.
Das zusätzliche Untersetzungsgetriebe 35 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Planetengetriebesatz ausgebildet. Dieses als Planetengetriebesatz ausgestaltete zusätzliche Untersetzungsgetriebe 35 ist zwar im Einzelnen nicht dargestellt, weist jedoch in bekannter Weise ein Sonnenrad als Eingangselement, einen Planetenträger als Ausgangselement mit einer Anzahl Planetenräder sowie ein relativ zum Achsgehäuse 38 ortsfestes Hohlrad auf. Das Sonnenrad greift dabei mit den am Planetenträger drehbar gehaltenen Planetenrädern ein. Die Planetenräder wiederum greifen mit einer Verzahnung des Hohlrads ein, die an dessen Innenumfang ausgebildet ist. Durch das Festhalten des Hohlrads relativ zum Achsgehäuse 38 und entsprechende Auslegung der Elemente des Planetengetriebesatzes kann eine große Untersetzung mit einem sehr geringen Übersetzungsverhältnis zwischen Sonnenrad und Planetenträger herbeigeführt werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist in der vorliegenden Konstruktion eine kompakte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsmaschine 1 wünschenswert. Eine solche kompakte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsmaschine 1 kann durch Auslegung derselben mit einer hohen Nenndrehzahl erzielt werden. Das zusätzliche Untersetzungsgetriebe 35 bewirkt dabei, dass die hohe Nenndrehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 1 in eine nutzbare Drehzahl zum Antrieb der Antriebsachse 30 verwendbar wird. Somit kann bereits durch diese Maßnahme eine kompakte Ausgestaltung der elektrischen Antriebsmaschine durch Verwendung einer hohen Nenndrehzahl erzielt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Antriebstrangs, in welchem zusätzlich zu der in 1 gezeigten Antriebsachse 30 eine zweite Antriebsachse 40 vorgesehen ist. Die zweite Antriebsachse 40 ist im dargestellten Triebstrang beabstandet von der Antriebsachse 30 vorgesehen. Wie vorstehend erläutert, kann ein Teil der Antriebskraft, die in die Antriebsachse 30 durch die elektrische Antriebsmaschine 1 eingeleitet wird, über die Zwischenwelle 36 auf die zweite Antriebsachse 40 übertragen werden. Dazu weist die zweite Antriebsachse 40 zusätzlich zu Rädern 43R, 43L einen dazwischenliegenden Differentialgetriebesatz 41 auf. Ferner ist in der zweiten Antriebsachse 40 äquivalent zu der Antriebsachse 30 eine Stirnradgetriebestufe vorgesehen, mit der in dessen Eingangselement eingeleitete Antriebskraft auf den Differentialgetriebesatz 41 übertragen wird. Die in den Differentialgetriebesatz 41 eingeleitete Antriebskraft wird ähnlich wie bei der Antriebsachse 30 über nicht gezeigte Antriebswellen auf die Räder 43R, 43L verteilt. Die Zwischenwelle 36 ist somit mit dem Eingangselement der Stirnradgetriebestufe 44 der zweiten Antriebsachse 40 verbunden, so dass die von dem Verteilergetriebe 32 der Antriebsachse 30 abgegebene Antriebskraft zu einem Teil auf die Räder 33R, 33L der Antriebsachse 30 und zu einem anderen Teil über die Zwischenwelle 36 auf die Räder 43R, 43R der zweiten Antriebsachse 40 übertragen wird.
An der zweiten Antriebsachse 40 ist eine Zwischenwellenbremse 39 vorgesehen, die auf die Zwischenwelle 36 einwirkt. Die Zwischenwellenbremse 39 wirkt dabei als Betriebsbremse auf diejenigen Räder, die mit der Zwischenwelle 36 gekoppelt sind. Die Räder 33 R, 33L sind optional zusätzlich oder alternativ mit Bremsen, wie z.B. Trommelbremsen oder Scheibenbremsen, ausgestattet.
Der in 2 gezeigte Antriebsstrang ist für eine allradgetriebene Arbeitsmaschine einsetzbar. Hierzu werden die Antriebsachse 30 und die zweite Antriebsachse 40 an Tragelementen der Arbeitsmaschine montiert. Zusätzlich ist das in der Antriebsachse 30 vorgesehene Verteilergetriebe 32 als schaltbares Verteilergetriebe ausgeführt, sodass die Übertragung der Antriebskraft auf die zweite Antriebsachse 40 über die Zwischenwelle 36 unterbrochen werden kann. Somit ist der Antriebsstrang zum Betrieb mit zwei angetriebenen Rädern oder zum Betrieb mit vier angetriebenen Rädern ausgelegt.
Um eine Verteilung der Antriebskraft bei unterschiedlichen Drehzahlen der Räder beispielsweise beim Durchfahren von engen Kurven oder bei vorliegendem Schlupf von einem oder mehreren Rädern zu gewährleisten, ist zusätzlich zu den Differentialgetriebesätzen 31 und 41 ein Differentialgetriebesatz als Längsdifferential in dem Verteilergetriebe 32 vorgesehen. Dieser zusätzliche Differentialgetriebesatz bewirkt einen Ausgleich von Drehzahldifferenzen an den beiden Ausgangselementen des Verteilergetriebes 32, um eine Verspannung des Antriebsstrangs bei Schlupf- oder engen Kurvenfahrten zu vermeiden. Es ist anzumerken, dass jeder der Differentialgetriebesätze eine Sperrfunktion aufweisen kann, um die Differentialfunktion zur Verbesserung des Vortriebs in schwerem Gelände zu unterbinden.
3 zeigt konzeptartig den Aufbau der elektrischen Arbeitsmaschine 1. Dabei stellt 3 einige Elemente der elektrischen Antriebsmaschine im Querschnitt dar. Die elektrische Antriebsmaschine 1 weist das schon vorher erwähnte Gehäuse 2 auf. Innerhalb dieses Gehäuses 2 befindet sich ein Rotor 3, der auf einer Motorwelle 4 drehbar gelagert ist. Die Motorwelle 4 dient gleichzeitig als Ausgangswelle der elektrischen Antriebsmaschine 1.
An der Innenseite des Gehäuses befinden sich ein erster Statorabschnitt 11 und ein zweiter Statorabschnitt 21. Die Statorabschnitte 11 und 21 sind in herkömmlicher Weise als Wicklungen mit leitfähigem Draht ausgeführt. Die elektrische Antriebsmaschine 1 ist im vorliegenden Beispiel als Asynchronmaschine ausgeführt. Dabei kann der Rotor 3 als fremderregter Läufer, als Kurzschlussläufer oder mit einer anderen geeigneten Ausgestaltung ausgeführt sein.
Die Besonderheit des Aufbaus der elektrischen Antriebsmaschine 1 wird im Folgenden erläutert. Die elektrische Antriebsmaschine 1 ist in einen ersten Antriebsmaschinenabschnitt 10 und einen zweiten Antriebsmaschinenabschnitt 20 unterteilt, wie in 3 ersichtlich ist. Dabei sind die Abschnitte 10, 20 in Umfangsrichtung unterteilt, so dass der erste Statorabschnitt 11 einen Umfangsabschnitt von 180 Grad einnimmt, während der zweite Statorabschnitt 21 den verbleibenden Umfangsabschnitt von 180 Grad einnimmt.
Der erste Statorabschnitt 11 ist elektrisch vom zweiten Statorabschnitt 21 getrennt. Somit bildet der erste Statorabschnitt 11 eine elektrische Einheit, die das erforderliche Wechselfeld auf einen Umfangsbereich von 180 Grad der elektrischen Antriebsmaschine und somit auf den Rotor 3 aufprägt. Der zweite Statorabschnitt 21 erzeugt ein elektrisches Wechselfeld in einem Umfangsbereich von dem verbleibenden 180 Grad der elektrischen Antriebsmaschine 1 und somit des Rotors 3, das für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 1 erforderlich ist.
Dem ersten Statorabschnitt 11 ist dabei eine erste Leistungselektronikeinheit 51 zugeordnet, die dem ersten Statorabschnitt 11 die erforderliche elektrische Leistung über eine Anschlussleitung 54 zuführt. Dem zweiten Statorabschnitt 21 ist eine zweite Leistungselektronikeinheit 52 zugeordnet, die dem zweiten Statorabschnitt 21 die elektrische Leistung über eine Anschlussleitung 55 zuführt. Die erste Leistungselektronikeinheit 51 und die zweite Leistungselektronikeinheit 52 sind als elektrische Umrichter oder Wechselrichter ausgestaltet, um das erforderliche Wechselfeld für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine zur Verfügung zu stellen.
Eine Synchronisationseinrichtung 53 ist ferner vorgesehen, die unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Umfangspositionen des ersten Statorabschnitts 11 und des zweiten Statorabschnitts 21 die Leistungselektronikeinheiten 51, 52 anzusteuern. Die Synchronisationseinrichtung 53 synchronisiert dabei die erste Leistungselektronikeinheit und die zweite Leistungselektronikeinheit dahingehend, dass das Wechselfeld des jeweiligen Statorabschnitts an die Phase des Rotors 3 der elektrischen Antriebsmaschine 1 angepasst ist. Ein Signal, das die gegenwärtige Phase des Rotors 3 der elektrischen Antriebsmaschine darstellt, wird von einem entsprechenden Sensor bereitgestellt. Der Sensor kann dabei in der elektrischen Antriebsmaschine vorgesehen sein oder als externes Element ausgeführt werden.
Im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine wird somit über die erste Leistungselektronikeinheit 51 und die zweite Leistungselektronikeinheit 52 elektrische Leistung mit einem Wechselfeld mit abgestimmter Phase zu dem ersten Statorabschnitt 11 und dem zweiten Statorabschnitt 21 zugeführt. Insbesondere bei kompakten Arbeitsmaschinen wird ein Niederspannungsbordnetz verwendet, das mit Nennspannungen von maximal 60 Volt ausgelegt ist. Damit wird gewährleistet, dass eine Wartung einfach und ohne speziell im Hochspannungsbereich geschultes Personal vorgenommen werden kann. Außerdem ist eine Auslegung des Bordnetzes mit einer Nennspannung von 48 Volt besonders effizient. Mit der Auslegung des elektrischen Antriebs gemäß den vorstehenden Ausführungsformen können bei Vorliegen eines Bordnetzes mit Niederspannung die sich daraus ergebenden hohen Ströme auf zwei Leistungselektronikeinheiten verteilt werden.
Dies führt zu einer einfacheren Verfügbarkeit der Leistungselektronikeinheiten und einer höheren Betriebssicherheit. Ferner hat sich herausgestellt, dass mit einer Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine 1 mit zwei getrennten Statorabschnitten die elektrische Antriebsmaschine 1 auch bei Fehlfunktion eines Statorabschnitts oder einer der Leistungselektronikeinheiten zumindest in einem Notbetrieb funktionsbereit bleibt.
Die erste Leistungselektronikeinheit 51 und die zweite Leistungselektronikeinheit 52 sind in der dargestellten Ausführungsform in einer Leistungselektronikbaugruppe 50 zusammengefasst. Dabei ist nach der vorliegenden Ausführungsform jedenfalls jede Leistungselektronikeinheit als eigenständige Vorrichtung aufzufassen, die auch bei Außerbetriebsetzung der anderen Leistungselektronikeinheit betreibbar bleibt.
Wie in der schematischen Darstellung von 3 gezeigt ist, ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der der Stator der elektrischen Antriebsmaschine 1 nicht in zwei Abschnitte, sondern in vier Statorabschnitte unterteilt ist. Dabei erstreckt sich jedes dieser Statorelemente über einen Umfangsbereich von 90 Grad. Ferner sind in diesem Fall in der Leistungselektronikbaugruppe 50 vier Leistungselektronikeinheiten vorzusehen.
Insgesamt ergeben sich aus den vorstehend diskutierten Ausführungsformen Vorteile bei der Auslegung einer Arbeitsmaschine mit elektrischem Antrieb, insbesondere bei Verwendung eines Niederspannungsbordnetzes. Zum einen kann eine kompakte elektrische Antriebsmaschine 1 zur Verfügung gestellt werden, da die Antriebsachse 30 mit dem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe 35 versehen ist. Dadurch kann eine elektrische Antriebsmaschine 1 mit sehr hoher Nenndrehzahl von beispielsweise >15000 U/min verwendet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn das zusätzliche Untersetzungsgetriebe 35 mit einer Untersetzung ausgelegt ist, so dass sich für die Antriebsachse 30 ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 1/100 oder weniger, beispielsweise 1/200 oder darunter, ergibt.
Zusätzlich kann auf den Einsatz von Umrichtern mit extrem hohem Stromdurchsatz verzichtet werden, da mit der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsmaschine 1 eine Aufteilung der Ströme auf mehrere Statorelemente vorgenommen werden kann. Zusätzlich bietet die vorgeschlagene Auslegung den Vorteil einer Redundanz hinsichtlich der elektrischen Baugruppen aus jeweils mindestens zwei Statorelementen und mindestens zwei Leistungselektronikeinheiten. Aufgrund der kompakten Auslegung der elektrischen Antriebsmaschine 1 wird ferner der Freiheitsgrad bei der Gesamtauslegung des Antriebsstrangs verbessert, da der Bewegungsraum für die Zwischenwelle 36 vergrößert wird.
Bezugszeichenliste

1: ELEKTRISCHE ANTRIEBSMASCHINE
2: GEHÄUSE DER ELEKTRISCHEN ANTRIEBSMASCHINE
3: ROTOR
4: MOTORWELLE
5: ELEKTRISCHE ENERGIESPEICHEREINHEIT
10: ERSTER ANTRIEBSMASCHINENABSCHNITT
11: ERSTER STATORABSCHNITT
20: ZWEITER ANTRIEBSMASCHINENABSCHNITT
21: ZWEITER STATORABSCHNITT
30: ANTRIEBSACHSE
31: DIFFERENTIALGETRIEBESATZ
32: VERTEILERGETRIEBE
33R: RECHTES RAD
33L: LINKES RAD
34: STIRNRADGETRIEBESTUFE
35: ZUSÄTZLICHES UNTERSETZUNGSGETRIEBE
36: ZWISCHENWELLE
37: AUSGANGSWELLENGELENK
38: ACHSGEHÄUSE
39: ZWISCHENWELLENBREMSE
40: ZWEITE ANTRIEBSACHSE
41: ZWEITER DIFFERENTIALGETRIEBESATZ
43R: RECHTES RAD
43L: LINKES RAD
44: ZWEITE STIRNRADGETRIEBESTUFE
50: LEISTUNGSELEKTRONIKBAUGRUPPE
51: ERSTE LEISTUNGSELEKTRONIKEINHEIT
52: ZWEITE LEISTUNGSELEKTRONIKEINHEIT
53: SYNCHRONISATIONSEINRICHTUNG
54, 55: ANSCHLUSSLEITUNG

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60013340 T2 [0003]

Claims

Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine zum Antrieb von mit der Antriebsachse (30) gekoppelten Rädern (33L, 33R), wobei die Antriebsachse (30) eine Stirnradgetriebestufe (34) mit einer Eingangswelle und einen mit der Stirnradgetriebestufe gekoppelten Differentialgetriebesatz (31) aufweist, der über Radantriebswellen mit den Rädern (33L, 33R) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (30) ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe (35) mit einem Ausgangselement, das mit der Eingangswelle der Stirnradgetriebestufe (34) gekoppelt ist, und einem Eingangselement, das mit einer Ausgangswelle (4) einer elektrischen Antriebsmaschine (1) gekoppelt ist, aufweist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Untersetzungsgetriebe (35) als Planetengetriebesatz mit zumindest einem Sonnenrad, zumindest einem Planetenträger, der zumindest ein Planetenrad trägt, und einem drehfesten Hohlrad ausgebildet ist, wobei das Sonnenrad mit dem Planetenrad eingreift, das Planetenrad mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad eingreift, der Planetenträger das Ausgangselement bildet und das Sonnenrad das Eingangselement bildet.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (30) ein Achsgehäuse (38) aufweist, in dem die Stirnradgetriebestufe (34), der Differentialgetriebesatz (31) und das zusätzliche Untersetzungsgetriebe (35) untergebracht sind, wobei die elektrische Antriebsmaschine (1) an dem Achsgehäuse (38) montiert ist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachse (30) ein Achsgehäuse (38) aufweist, in dem die Stirnradgetriebestufe (34), der Differentialgetriebesatz (31) und das zusätzliche Untersetzungsgetriebe (35) untergebracht sind, wobei die elektrische Antriebsmaschine (1) separat von dem Achsgehäuse (38) montiert ist und über ein Kopplungselement mit dem Eingangselement des zusätzlichen Untersetzungsgetriebes (35) gekoppelt ist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebskraftverlauf zwischen dem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe (35) und der Stirnradgetriebestufe (34) ein Verteilergetriebe (32) vorgesehen ist, das mit einer zweiten Antriebsachse (40) koppelbar ist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangselement des zusätzlichen Untersetzungsgetriebes (35) und den Radantriebswellen 1/100 oder weniger beträgt.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (1) zumindest zwei elektrisch voneinander unabhängige und in Umfangsrichtung benachbarte Statorabschnitte (11, 21), die gemeinsam den Umfang der elektrischen Antriebsmaschine (1) einnehmen, und einen radial innerhalb der Statorabschnitte (11, 21) vorgesehenen Rotor (3) aufweist, wobei jedem der Statorabschnitte (11; 21) zur separaten geregelten Zufuhr von elektrischer Energie jeweils eine Leistungselektronikeinheit (51; 52) zugeordnet ist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikeinheiten (51, 52) über eine Synchronisationseinrichtung (53) unter Berücksichtigung der Phase des Rotors (3) der elektrischen Antriebsmaschine (1) angesteuert werden und die jeweiligen Ausgangsleistungen der Leistungselektronikeinheiten (51, 52) unabhängig voneinander regelbar sind.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (1) als Asynchronmaschine ausgebildet ist.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (1) zwei Statorabschnitte (11, 21) aufweist, die jeweils 180 Grad des Umfangs der elektrischen Arbeitsmaschine (1) einnehmen.
Antriebsachse (30) für eine Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebsmaschine (1) vier Statorabschnitte (11, 21) aufweist, die jeweils 90 Grad des Umfangs der elektrischen Arbeitsmaschine (1) einnehmen.
Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine mit einer ersten Antriebsachse von mit der ersten Antriebsachse (30) gekoppelten Rädern (33L, 33R) und mit einer zweiten Antriebsachse (40) zum Antrieb von mit der zweiten Antriebsachse (40) gekoppelten Rädern (43L, 43R), wobei die erste Antriebsachse (30) mit einem Verteilergetriebe (32) mit einem Ausgangselement versehen ist, das mit einer Zwischenwelle (36) mit der zweiten Antriebsachse (40) gekoppelt ist, um die von der elektrischen Antriebsmaschine (1) abgegebene Antriebskraft auf die zweite Antriebsachse (40) zu übertragen, wobei die erste Antriebsachse (30) ferner durch eine Antriebsachse nach einem der Ansprüche 1-11 ausgebildet ist.
Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine nach Anspruch 12, wobei die zweite Antriebsachse (40) eine Stirnradgetriebestufe (44) mit einer Eingangswelle und einen mit der Stirnradgetriebestufe (44) gekoppelten Differentialgetriebesatz (41) aufweist, der über Radantriebswellen der zweiten Antriebswelle (40) mit den Rädern (43L, 43R) gekoppelt ist, wobei die Zwischenwelle (36) über eine Eingangswelle der Stirnradgetriebestufe (44) der zweiten Antriebsachse (40) mit dem Ausgangselement des Verteilergetriebes (32) der ersten Antriebsachse (30) gekoppelt ist.
Arbeitsmaschine mit einer Energiespeichereinheit (60) und Leistungselektronikeiheiten (51, 52) zur Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine (1), ferner mit einer Antriebsachse (30) nach einem der Ansprüche 1-11 oder einem Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 12-13.