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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht auf eine Antriebsanordnung mit einem Elektromotor für eine Arbeitsmaschine. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Arbeitsmaschine mit solch einer Antriebsanordnung und ein Verfahren zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem Elektromotor.
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Stand der Technik
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Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen ist ein Trend zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs erkennbar. So ist beispielsweise aus der
US 2017/0136871 A1 ein Antriebsstrang bekannt, bei welchem jedem Rad der Arbeitsmaschine ein eigener Elektromotor zugewiesen ist. Zwischen den Elektromotoren und den Rädern ist dabei jeweils ein zweigängiges Untersetzungsgetriebe vorgesehen, um die relativ hohen Drehzahlen der Elektromotoren zu untersetzen. Die Untersetzungsgetriebe der Vorderräder können dabei eine andere Umschaltgeschwindigkeit vom ersten in den zweiten Gang aufweisen als die Untersetzungsgetriebe der Hinterräder.
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Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für eine Arbeitsmaschine. Die Arbeitsmaschine kann eine Bau- oder Landmaschine sein. Beispielsweise handelt es sich bei der Arbeitsmaschine um einen Radlader oder einen Ackerschlepper. Die Antriebsanordnung umfasst eine linke Radaufnahme zum Aufnehmen eines linken Rads und eine rechte Radaufnahme zum Aufnehmen eines rechten Rads. Die Radaufnahmen können beispielsweise eine Radnabe aufweisen. Die Antriebsanordnung kann zum Antreiben von Vorder- und/oder Hinterrädern der Arbeitsmaschine ausgebildet sein. Die Antriebsanordnung weist eine Kopplungseinrichtung auf. Die Kopplungseinrichtung erstreckt sich entlang einer Verbindungsachse zwischen der linken Radaufnahme und der rechten Radaufnahme. Bei der Verbindungsachse kann es sich um eine Achse handeln, welche durch das Zentrum der linken und rechten Radaufnahme verläuft. Über die Kopplungseinrichtung werden die linke und rechte Radaufnahme in mechanische Wirkverbindung miteinander gebracht. Sind zwei Elemente mechanisch wirkverbunden, so sind diese unmittelbar oder mittelbar derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung des einen Elements eine Reaktion des anderen Elements bewirkt. Zwischen den Elementen können dabei weitere Elemente, beispielsweise eine oder mehrere Getriebestufen, vorgesehen sein.
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Ferner umfasst die Antriebsanordnung einen Elektromotor. Bei dem Elektromotor kann es sich um einen Synchron- oder Asynchronmotor handeln. Der Elektromotor ist zum Antreiben der linken und rechten Radaufnahme ausgebildet. Folglich weist der Elektromotor beispielsweise eine Leistung auf, die das Antreiben eines linken und rechten Rads einer Arbeitsmaschine ermöglicht. Darüber hinaus umfasst die Antriebsanordnung ein Stirnradgetriebe, das zwischen dem Elektromotor und der Kopplungseinrichtung vorgesehen ist. Das Stirnradgetriebe kann ein Ritzel aufweisen, welches permanent drehfest auf der Abtriebswelle des Elektromotors vorgesehen sein. Das Ritzel kann direkt oder indirekt über andere mechanische Bauteile, beispielsweise Zahnräder, mit einer Verzahnung in Wirkverbindung stehen oder gebracht werden, die permanent drehfest auf der Kopplungseinrichtung vorgesehen ist. Bei dem Stirnradgetriebe kann es sich um ein Lastschaltgetriebe handeln. Unter einer drehfesten Verbindung zweier Elemente wird eine Verbindung verstanden, bei welcher die beiden Elemente zu allen bestimmungsgemäßen Zuständen des Getriebes starr miteinander gekoppelt sind. Die Elemente können dabei als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen.
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Die Antriebsanordnung der vorliegenden Erfindung ist derart ausgestaltet, dass die linke und rechte Radaufnahme mit dem Elektromotor über das Stirnradgetriebe und die Kopplungseinrichtung antreibbar sind. In anderen Worten weist die Antriebsanordnung einen Leistungsfluss von dem Elektromotor über das Stirnradgetriebe und die Kopplungseinrichtung zu den Radaufnahmen auf. Der Elektromotor kann beim Vorsehen der Antriebsanordnung in einer Arbeitsmaschine in Längsrichtung der Arbeitsmaschine vor oder hinter der Kopplungseinrichtung angeordnet sein. In Höhenrichtung der Arbeitsmaschine kann der Elektromotor auch direkt oberhalb der Kopplungseinrichtung angeordnet sein. Die Höhenrichtung der Arbeitsmaschine verläuft in Richtung eines Vektors, der normal auf der Berührungsebene der Räder der Arbeitsmaschine mit dem Boden steht. Die Längsrichtung verläuft senkrecht zur Höhenrichtung und vom Vorder- zum Hinterabschnitt der Arbeitsmaschine.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann die Leistung des Elektromotors über ein Stirnradgetriebe an die Räder übertragen werden. Damit ist mit einem einzigen Elektromotor der Antrieb von linkem und rechtem Rad auf effiziente Art und Weise möglich. Das Stirnradgetriebe weist nämlich im Gegensatz zu beispielsweise einem Kegelradgetriebe eine hohe Effizienz mit geringen Reibverlusten auf. Die Antriebsanordnung der vorliegenden Erfindung kann eine herkömmliche Antriebsachse aufweisen, die zuvor über einen Verbrennungsmotor angetrieben wurde. Um eine Antriebsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, kann die herkömmliche Antriebsachse um ein Stirnradgetriebe und einen Elektromotor erweitert werden. So wird mit der vorliegenden Erfindung eine gute Nachrüstbarkeit bestehender Antriebe mit Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor gewährleitstet.
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Das Stirnradgetriebe kann ein Untersetzungsgetriebe sein. Ein Untersetzungsgetriebe hat ein Übersetzungsverhältnis, welches einen Betrag größer als 1 aufweist. Es findet also eine Übersetzung ins Langsame statt. Das Untersetzungsgetriebe kann einen oder mehrere Gänge aufweisen. Durch die erfolgende Untersetzung kann ein Elektromotor mit größerer Drehzahl und damit geringerem Bauraum verwendet werden. So wird eine kompakte Antriebsanordnung bereitgestellt. Das Untersetzungsgetriebe kann mindestens zwei Untersetzungsgänge aufweisen. Beispielsweise weist das Untersetzungsgetriebe zwei oder drei Untersetzungsgänge auf. Verschiedene Untersetzungsgänge können verschiedene Untersetzungsverhältnisse bereitstellen. Durch das Vorsehen mehrerer Gänge kann der Bauraum weiter verringert werden. Durch den geringen Bauraum kann der Elektromotor nahe den anzutreibenden Radaufnahmen in die Arbeitsmaschine integriert werden. Ferner kann durch die mehreren Gänge ein relativ breites Fahrtgeschwindigkeitsspektrum bereitgestellt werden.
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Der Elektromotor weist einen Abtrieb mit einer Rotationsachse auf, welche achsparallel zu der Verbindungsachse zwischen linker und rechter Radaufnahme angeordnet sein kann. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders kompakt ausgebildete Antriebsanordnung.
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Die Kopplungseinrichtung zum Herbeiführen einer mechanischen Wirkverbindung zwischen linker und rechter Radaufnahme kann ein Differentialgetriebe aufweisen. Das Differentialgetriebe dient dem Ausgleichen von Drehzahlunterschieden zwischen der linken und rechten Radaufnahme. Dabei kann das Stirnradgetriebe das Drehmoment des Elektromotors auf das Differential übertragen. Beispielsweise überträgt das Stirnradgetriebe das Drehmoment auf den Umlaufträger, Käfig oder Korb des Differentials. Hierfür kann dieses eine Außenverzahnung aufweisen, welche beispielsweise mit einem über die Abtriebswelle des Elektromotors angetriebenen Zahnrad kämmt.
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Darüber hinaus kann die Kopplungseinrichtung ein linkes Planetenraduntersetzungsgetriebe im Leistungsfluss zwischen dem Differential und der linken Radaufnahme und ein rechtes Planetenraduntersetzungsgetriebe im Leistungsfluss zwischen dem Differential und der rechten Radaufnahme aufweisen. So wird eine weitere Untersetzungsstufe bereitgestellt, die einen kleineren Bauraum des Elektromotors ermöglicht. Das Planetenradgetriebe erlaubt eine Koaxialität von An- und Abtrieb, was ebenfalls zu einem kompakten Bauraum beiträgt.
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Im Rahmen einer Ausführungsform stehen ein Gehäuse von Elektromotor, Stirnradgetriebe und/oder Kopplungseinrichtung miteinander in physischem Kontakt. Alle zum Anrieb der Radaufnahmen erforderlichen Einrichtungen sind damit kompakt in einer zusammenhängenden Baugruppe vorgesehen. Ein kompakter Antrieb wird so bereitgestellt.
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Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Arbeitsmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise ein Radlader sein. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem Elektromotor. Das Verfahren umfasst das Demontieren einer Momentübertragungseinrichtung zum Übertragen eines Drehmoments an ein Differential. Die zu demontierende Momentübertragungseinrichtung kann beispielsweise eine Welle sein. Über das Differential kann eine mechanische Wirkverbindung zwischen einer linken und einer rechten Radaufnahme hergestellt werden. Ferner umfasst das Verfahren das Anbinden eines Elektromotors an das Differential mittels eines Stirnradgetriebes. Die Anbindung kann dabei derart erfolgen, dass die Radaufnahmen über das Stirnradgetriebe und den Elektromotor antreibbar sind. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale sowie deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Antriebsanordnung verwiesen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Antriebsanordnung für eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine Antriebsanordnung 1 einer Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Antriebsanordnung 1 umfasst eine linke Radaufnahme 2 und eine rechte Radaufnahme 3. An den Radaufnahmen 2, 3 sind ein linkes Rad 4 beziehungsweise ein rechtes Rad 5 drehfest angebracht. Bei den Räder 4, 5 kann es sich um Vorder- oder Hinterräder der Arbeitsmaschine handeln.
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Darüber hinaus weist die Antriebsanordnung 1 eine Kopplungseinrichtung 6 auf, welche die linke Radaufnahme 2 und die rechte Radaufnahme 3 entlang einer Verbindungachse A verbindet. Die Verbindungsachse A verläuft durch die Zentren von linker und rechter Radaufnahme 2, 3. Über die Kopplungseinrichtung 6 werden die linke Radaufnahme 2 und die rechte Radaufnahme 3 in mechanische Wirkverbindung miteinander gebracht. Hierfür weist die Kopplungseinrichtung 6 ein Differential 7 auf, welches in der vorliegenden Ausführungsform als Torque Vectoring Differential ausgebildet ist. Über das Torque Vectoring Differential können die Antriebsmomente links und rechts unterschiedlich verteilt werden. Folglich lassen sich so beispielsweise der Gierwinkel oder die Gierwinkelgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine beeinflussen. Hier ist ebenso ein Kegelraddifferential oder ein anderes Differential denkbar.
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Die Kopplungseinrichtung 6 weist ferner ein linkes Untersetzungsgetriebe 8 und ein rechtes Untersetzungsgetriebe 9 auf. Die Untersetzungsgetriebe 8, 9 sind in dieser Ausführungsform jeweils als Planetenradgetriebe ausgebildet. Das linke Untersetzungsgetriebe 8 ist im Leistungsfluss zwischen dem Differential 7 und der linken Radaufnahme 2 vorgesehen. Das rechte Untersetzungsgetriebe 9 ist im Leistungsfluss zwischen dem Differential 7 und der rechten Radaufnahme 3 vorgesehen. Folglich wird vom linken Rad 4 über die linke Radaufnahme 2, das linke Planetenradgetriebe 8, das Differential 7, das rechte Planetenradgetriebe 9 und die rechte Radaufnahme 3 eine mechanische Wirkverbindung zum rechten Rad 5 hergestellt.
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Die Antriebsanordnung 1 weist darüber hinaus einen Elektromotor 10 auf. Die Rotationsachse R des Abtriebs des Elektromotors 10 verläuft dabei achsparallel zur Verbindungsachse A der Kopplungseinrichtung 6. Das Drehmoment des Elektromotors 10 wird über ein Stirnradgetriebe 11 auf das Differential 7 übertragen. Das Stirnradgetriebe 11 ist in dieser Ausführungsform ein lastschaltbares Getriebe mit 3 Gängen. Der Elektromotor 10, das Lastschaltgetriebe 11 und das Differential 6 sind in dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass deren Gehäuse allesamt in physischer Wirkverbindung miteinander stehen.
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In 2 ist ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem ersten Schritt I wird eine Momentübertragungseinrichtung zum Übertragen eines Drehmoments an ein Differential der Arbeitsmaschine demontiert. Die zu demontierende Momentübertragungseinrichtung überträgt in dieser Ausführungsform ein Drehmoment von einem Verbrennungsmotor auf das Differential. Das Differential kann entsprechend dem Differential 7 in 1 ausgebildet sein und eine mechanische Wirkverbindung zwischen rechter und linker Radaufnahme 2, 3 herstellen.
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In einem zweiten Schritt II wird ein Elektromotor 10 an das Differential 7 über ein Stirnradgetriebe 11 angebunden. Die Anbindung erfolgt derart, dass die Radaufnahmen 2, 3 über den Elektromotor 10 und das Stirnradgetriebe 11 angetrieben werden können. Eine bestehende Radachse kann somit einfach auf einen Elektroantrieb umgerüstet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsanordnung
- 2
- linke Radaufnahme
- 3
- rechte Radaufnahme
- 4
- linkes Rad
- 5
- rechtes Rad
- 6
- Kopplungseinrichtung
- 7
- Differential
- 8, 9
- Planetenraduntersetzungsgetriebe
- 10
- Elektromotor
- 11
- Stirnradgetriebe
- A
- Verbindungsachse Kopplungseinrichtung
- R
- Rotationsachse Elektromotor
- I
- Demontieren Momentübertragungseinrichtung
- II
- Anbinden Elektromotor über Stirnradgetriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0136871 A1 [0002]
