DE102018210611A1

DE102018210611A1 - Elektrohydraulische Antriebseinheit und Mobile Arbeitsmaschine mit der Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102018210611A1
Application number: DE102018210611.8A
Authority: DE
Inventors: Philip Nagel; Steffen Rose; Nils Steker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-02
Also published as: CN110657134A

Abstract

Offenbart ist eine elektrohydraulische Antriebseinheit für eine, insbesondere mobile, Arbeitsmaschine, mit einer als Elektromaschine ausgebildeten Antriebsmaschine mit einer Antriebsleistung und einem davon antreibbaren mechanischen Abtrieb, sowie mit einer Hydromaschine und einem davon antreibbaren hydraulischen Abtrieb.Offenbart ist weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine damit.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit dieser Antriebseinheit gemäß Patentanspruch 14.
Aus dem Stand der Technik ist eine mobile Arbeitsmaschine bekannt, die Aktuatoren, beispielsweise zur Steuerung eines Auslegers, Stiels oder Löffels, aufweist. Zudem sind meistens rotierende Antriebe, wie beispielsweise ein Drehwerksmotor, ein Fahrmotor oder ein Lüftermotor vorgesehen. Eine solche Arbeitsmaschine ist beispielsweise ein Bagger. Die genannten Aktuatoren oder Abtriebe sind häufig hydraulisch realisiert. Beispielsweise verfügt ein Kompaktbagger oder ein Mobilbagger in der Gewichtsklasse zwischen 8 und 17 Tonnen über ein System mit einer Hydropumpe, an welche die Abtriebe über Ventile, die in einem hydraulischen Steuerblock zusammengefasst sein können, angekoppelt sind. Die Hydropumpe wird dabei von einer als Verbrennungsmotor ausgestalteten Antriebsmaschine angetrieben. Über dieselbe Hydromaschine wird der Fahrmotor über eine Ventilsteuerung mit Druckmittel versorgt.
Um durch wahlweises Abschaltung einzelner Hydropumpen oder Zusammenschalten energetische Verluste reduzieren zu können, sind bei größeren Arbeitsmaschinen, etwa ab 20 Tonnen Einsatzgewicht, mehrere Hydropumpen zur Druckmittelversorgung der Aktuatoren oder Abtriebe vorgesehen. Dabei können beispielsweise die Druckmittelvolumenströme der beiden Hydropumpen summiert werden, so dass sie sich wie eine einzige, große Hydromaschine verhalten. Andererseits kann bei geringem Druckmittelvolumenstrom durch Zusammenschalten beider hydraulischer Kreise, unter Abschalten einer der Hydropumpen, der Wirkungsgrad der in Betrieb verbleibenden Hydropumpe verbessert werden.
Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an emissionsfreie oder emissionsarme Antriebssysteme mobiler Arbeitsmaschinen, hält die Elektrifizierung der Antriebssysteme Einzug. So zeigt beispielsweise der Hersteller Komatsu mit seinem Hybridmodell HB215LC-2 einen Bagger mit Drehwerksabtrieb, der rein elektrisch angetrieben ist. Neben der genannten Verringerung der Emission durch einen elektrifizierten Antrieb erlaubt dieser die Energierückgewinnung durch Speicherung, von beispielsweise kinetischer Energie des Drehwerks, in der elektrischen Domäne, insbesondere in einem Hochleistungskondensator. Im genannten Hybridmodell wird die so gespeicherte elektrische Energie beim Hochbeschleunigen der Verbrennungskraftmaschine (Dieselmotor) unterstützend eingesetzt. Hierdurch trägt das offenbarte Antriebssystem zu einer Kraftstoffersparnis und Emissionsverringerung bei.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die vergleichsweise aufwendige und kostenintensive elektrische Antriebstechnik lediglich für einen der Abtriebe eingesetzt wird und in Ruhezeiten des Abtriebs ungenutzt ist.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine zu schaffen, die eine höhere Auslastung aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine mobile Arbeitsmaschine mit besser ausgelasteter elektrohydraulischer Antriebseinheit zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine elektrohydraulische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrohydraulischen Antriebseinheit sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 beschrieben. Diejenige der mobilen Arbeitsmaschine ist im Patentanspruch 15 beschrieben.
Eine elektrohydraulische Antriebseinheit für eine insbesondere mobile Arbeitsmaschine, insbesondere einen Bagger, hat eine als Elektromaschine ausgebildete Antriebsmaschine.
Deren Antriebsleistung wird zum Antrieb eines mechanischen Abtriebs der Antriebseinheit genutzt. Der mechanische Abtrieb ist insbesondere rotatorisch, insbesondere ein Drehwerk. Des Weiteren hat die Antriebseinheit eine Hydromaschine zur Druckmittelversorgung und somit zum hydraulischen Antreiben eines hydraulischen Abtriebes der Antriebseinheit. Erfindungsgemäß ist die Antriebsleistung der Elektromaschine verzweigbar, kann also nicht nur zum Antrieb des mechanischen Abtriebs, sondern auch zum Antrieb eines oder mehrerer anderer Abtriebe genutzt werden.
Durch die Verzweigung ist die Elektromaschine in Ruhezeiten des mechanischen Abtriebs nicht zwangsläufig stillgelegt, sondern sie kann anderweitig eingesetzt sein. Dadurch sind ihre Auslastung und die Auslastung der Antriebseinheit erhöht oder zumindest erhöhbar, wodurch Investitionskosten gesenkt werden können. So kann beispielsweise die durch die Verzweigung zur Verfügung stehende Antriebsleistung dazu führen, dass an anderer Stelle der Antriebseinheit auf eine sonst notwenige Antriebsmaschine verzichtet oder diese zumindest kleiner ausgelegt werden kann.
In einer Weiterbildung ist die Verzweigung - insbesondere von einer Steuereinheit der Antriebseinheit - derart steuerbar, dass die Antriebsleistung wahlweise entweder der Hydromaschine oder dem mechanischen Abtrieb bereitgestellt wird. Dann steht die Antriebsleistung lediglich in einer Ruhephase des mechanischen Abtriebs, jedoch in vollem Umfang, zum Antrieb der hydraulischen Abtriebe zur Verfügung.
Alternativ oder ergänzend kann die Verzweigung in einer Weiterbildung derart gesteuert sein, dass die Antriebsleistung anteilig auf die Hydromaschine und den mechanischen Abtrieb verzweigbar ist. Diese Art oder Steuerung der Verzweigung erweist sich als noch flexibler und kann die Auslastung gegenüber der genannten Weiterbildung mit allein wahlweiser Verzweigung verbessern.
Die Anteile können fest, stufig variabel oder kontinuierlich variabel sein. Die genannten Alternativen können dabei alternativ oder ergänzend zueinander vorgesehen sein.
Um die Verzweigung zu ermöglichen und / oder um einen Leistungspfad zwischen der Elektromaschine und dem mechanischen Abtrieb zu unterbrechen oder die an diesen übertragene Antriebsleistung zumindest zu reduzieren, ist in einer Weiterbildung eine betätigbare Kupplung zwischen der Elektromaschine und dem mechanischen Abtrieb angeordnet.
Die Kupplung kann derart ausgestaltet sein, dass sie lastfrei oder lastbehaftet betätigbar ist. Sie kann eine Reibkupplung, eine nass- oder trockenlaufende Lamellenkupplung, ein Drehmomentwandler oder eine formschlüssige Kupplung sein. Je nach Ausgestaltung kann der Leistungspfad dann wahlweise entweder verbunden oder unterbrochen sein oder, wie beispielsweise einer schleifenden Kupplung oder eines Drehmomentwandlers kann die übertragene Antriebsleistung variabel verändert werden.
In einer Weiterbildung hat die Antriebseinheit eine Bremse zum Abbremsen und / oder Feststellen des mechanischen Abtriebs.
Besonders kompakt erweist sich eine Weiterbildung, bei der die Antriebsleistung an der Hydromaschine verzweigbar ist. Dadurch fungiert die Hydromaschine sowohl als hydraulische Antriebsmaschine für den hydraulischen Abtrieb als auch als Leistungsverzweiger oder -teiler, wodurch beispielsweise auf ein mechanisches Getriebe zur Leistungsverzweigung verzichtet werden kann.
Zum Zwecke der Leistungsverzweigung an der Hydromaschine ist in einer Weiterbildung eine Triebwelle oder ein Durchtrieb der Hydromaschine einerseits mit der Elektromaschine und andererseits mit dem mechanischen Abtrieb verbindbar oder verbunden.
Hat die Hydromaschine in einer Weiterbildung ein, insbesondere auf Null, verstellbares Verdrängungsvolumen, so kann die Leistungsverzweigung selbst dann erfolgen, wenn die Hydromaschine fest mit der Elektromaschine gekoppelt ist, also an dieser Stelle keine lösbare sondern feste Kupplung vorgesehen ist. Die Verzweigung kann dann anteilig durch stufiges oder kontinuierliches Verstellen des Verdrängungsvolumens erfolgen.
In einer Variante weist die Hydromaschine ein konstantes Verdrängungsvolumen auf. Dann ist eine betätigbare Kupplung zwischen Elektromaschine und der Hydromaschine vorgesehen, über die der Leistungspfad zwischen der Elektromaschine und der Hydromaschine ausbildbar und unterbrechbar ist.
Energieeffizienter ist die Antriebseinheit ausgestaltet, wenn die Elektromaschine in einer Weiterbildung derart ausgestaltet ist, dass über sie eine Rekuperation von hydraulischer und / oder kinetischer Energie von wenigstens einem der Abtriebe möglich ist, sie also im Generatorbetrieb antreibbar ist.
Vorzugsweise sind hierzu die Leistungen der Abtriebe an einer Triebwelle der Hydromaschine summierbar. Dabei stellen beispielsweise ein Durchtrieb der Hydromaschine, der mit dem mechanischen Abtrieb verbunden ist, den Eingang für die zu rekuperierende Leistung des mechanischen Abtriebs und ein Hochdruck- oder Arbeitsanschluss der Hydromaschine, der mit dem hydraulischen Abtrieb verbunden ist, den Eingang für die zu rekuperierende Leistung des hydraulischen Abtriebs dar.
Neben der Möglichkeit, die rekuperierte Leistung des jeweiligen Abtriebes über die Hydromaschine zu wandeln und direkt auf den jeweils anderen der Abtriebe zu leiten, bietet sich eine erste ergänzende oder alternative Weiterbildung an, bei der diese Energie über die im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine einer elektrischen Speichereinheit der Antriebseinheit, insbesondere einem Hochleistungskondensator, zuführbar ist. In einer zweiten ergänzenden oder alternativen Weiterbildung ist diese Energie über die Hydromaschine einer hydraulischen Speichereinheit der Antriebseinheit, insbesondere einem Hydrospeicher, zuführbar und darin speicherbar.
In einer Weiterbildung hat die Antriebseinheit eine Steuereinheit, über die die Verzweigung, die Summierung, die Betätigung der Kupplung, und / oder die Rekuperation in Abhängigkeit einer Anforderung an wenigstens einen der Abtriebe und / oder eines Betriebszustandes der Antriebseinheit oder mobilen Arbeitsmaschine steuerbar ist oder sind.
Eine noch flexibler einzusetzende Weiterbildung der Antriebseinheit hat diese eine zweite Antriebsmaschine, insbesondere eine zweite Elektromaschine, mit einer zweiten Antriebsleistung und einer davon antreibbaren, zweiten Hydromaschine, sowie einem davon antreibbaren zweiten hydraulischen Abtrieb. Auf diese Weise sind zwei getrennte oder trennbare hydraulische Kreise aufgebaut.
Über eine zusätzliche Ventilanordnung sind in einer Weiterbildung Arbeitsanschlüsse der beiden Hydromaschinen verbindbar. Deren Druckmittelvolumenströme - und damit hydraulischen Leistungen - können somit in einen der Kreise eingespeist werden und sind summierbar.
Auch im umgekehrten Fall - der Rekuperation - kann die Ventilanordnung in einer Weiterbildung Druckmittelvolumenströme der Kreise summieren und beispielsweise auf nur eine der Hydromaschinen, die dann im Motorbetrieb läuft, leiten.
Über die erstgenannte Hydromaschine, an der die Antriebsleistung wie oben erwähnt verzweigbar ist und ergänzend die Abtriebsleistungen summierbar sind, kann dann in Zusammenwirken mit der Ventilanordnung die Leistung aller Abtriebe, oder einer Teilmenge davon, auf nur eine der Elektromaschinen summiert werden.
Die Antriebseinheit, und insbesondere der hydraulische Abtrieb, ist in einer Weiterbildung derart ausgestaltet, dass der hydraulische Abtrieb in Richtungsumkehr betreibbar ist.
Eine mobile Arbeitsmaschine hat eine Antriebseinheit, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist. Dabei ist der mechanische Abtrieb vorzugsweise ein Drehwerk, insbesondere eines Aufbaus der Arbeitsmaschine. Die Vorteile der mobilen Arbeitsmaschine ergeben sich aus den genannten Vorteilen für die Antriebseinheit. Durch den flexibleren Einsatz der Elektromaschine, nicht nur zum Antrieb des mechanischen Abtriebs, kann an anderer Stelle der Arbeitsmaschine ggf. auf eine sonst notwendige Antriebsmaschine verzichtet werden, wodurch Bauraum, Gewicht und Kosten einsparbar sind.
Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Antriebseinheit sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine,
2a bis 2c verschiedene Betriebszustände der Antriebseinheit gemäß 1, im Falle einer Verzweigung der Antriebsleistung auf Abtriebe,
3a bis 3c verschiedene Betriebszustände der Antriebseinheit gemäß 1, im Falle einer Rekuperation wenigstens einer der Abtriebsleistungen, und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Antriebseinheit.

Gemäß 1 hat eine elektrohydraulische Antriebseinheit 1 eine Elektromaschine 2, die über eine Antriebswelle 4 mit einer Hydromaschine 6 zur Übertragung eines Drehmomentes verbunden ist. Die Hydromaschine 6 hat einen Wellendurchtrieb 8, der drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden ist. Am Wellendurchtrieb 8 ist eine betätigbare Kupplung 10 angeordnet, über die der Wellendurchtrieb 8 mit einem rotierbaren Element, insbesondere einer Drehachse 12 eines Drehwerks (nicht dargestellt), verbunden ist, über das beispielsweise der Aufbau einer mobilen Arbeitsmaschine drehbar ist. Alternativ kann über die Welle 12 anstatt des Drehwerks beispielsweise ein Fahrabtrieb, ein Lüfter oder ein anderer rotierender Abtrieb angetrieben sein. Des Weiteren hat die Antriebseinheit 1 eine Bremse 14, über die die Drehachse 12 abbremsbar und / oder feststellbar ist.
Die elektrohydraulische Antriebseinheit 1 hat zwei als Differentialzylinder ausgestaltete hydraulische Verbraucher oder Abtriebe 16, 18, die von der Hydromaschine 6 mit Druckmittel versorgbar sind. Die hydraulischen Abtriebe 16, 18 sind im offenen hydraulischen Kreis mit der Hydromaschine 6 und einem Tank T angeordnet. Der hydraulische Abtrieb 16 ist zur Betätigung eines Auslegers und der hydraulische Abtrieb 18 zur Betätigung einer Schaufel der als Bagger ausgestalteten mobilen Arbeitsmaschine vorgesehen. Die Hydromaschine 6 ist über eine erste Arbeitsleitung 20 mit einem jeweiligen Bodenraum 22, 24 der Abtriebe 16, 18 fluidverbindbar. In einer individuellen Arbeitsleitung 26, 28 ist dabei jeweils eine Zumessblende 30, 32 zur Bemessung des Druckmittelvolumenstroms zum jeweiligen Bodenraum 22, 24 angeordnet. Ein jeweiliger stangenseitiger Ringraum 34, 36 der Abtriebe 16, 18 ist über eine jeweils zugeordnete Rücklaufleitung 38, 40 mit dem Tank T verbunden. In den Rücklaufleitungen 38, 40 ist jeweils ein Bremsventil 42, 44 zur Drosselung des Rücklaufs angeordnet.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete elektrohydraulische Antriebseinheit 1 ist ausgelegt, die von der Elektromaschine 2 bereitgestellte Antriebs- oder Wellenleistung der Triebwelle 4 zu verzweigen. Die Verzweigung kann dabei auf die Triebwelle 8 und auf den hydraulischen Zweig, der durch die Arbeitsleitung 20 repräsentiert wird, erfolgen. Unterhalb der Darstellung gemäß 1 sind hierfür beispielhaft drei Betriebszustände der elektrohydraulischen Einheit 1 zum Antrieb der Arbeitsmaschine skizziert. Sie entsprechend jeweils einem Leistungsflussdiagramm. Ausgangspunkt ist die bereitgestellte Antriebsleistung P₄ , die sich aus Drehzahl n₄ und Drehmoment M₄ der Triebwelle 4 zusammensetzt. Mit P₆ ist eine interne Verlustleistung der Hydromaschine 6 bezeichnet, die sich beispielsweise aus Lagerwiderständen, Fluidmittelwiderständen und Leckage zusammensetzt. Mit Ps ist die Wellenleistung der Triebwelle 8 bezeichnet. Analoges trifft auf die Triebwelle 12 mit der Bezeichnung P₁₂ zu. Als P₂₀ wird die hydraulische Leistung in der Arbeitsleitung 20 bezeichnet, die sich aus deren Druckmittelvolumenstrom und Druck zusammensetzt. Als P₁₂ wird die netto an der Triebwelle des Drehwerks bereitgestellte Wellenleistung des Abtriebes 12 bezeichnet.
Wie aus 1 ersichtlich, kann die Triebwelle 4 eine Antriebsleistung an die Hydromaschine 6 und deren Durchtrieb 8 übertragen. Auf diese Weise kann einerseits der Druckmittelvolumenstrom der Arbeitsleitung 20 und andererseits das Antriebsdrehmoment und eine entsprechende Drehzahl an der Drehachse 12 des Drehwerks bereitgestellt werden. In anderen Worten wird an der Hydromaschine 6 die Antriebsleistung P₄ in eine hydraulische Leistung P₂₀ und eine mechanische Wellenleistung P₁₂ verzweigt. Die 2a bis 2c berücksichtigen dabei in der Darstellung auch die Verlustleistungen P₆ der Hydromaschine und P₈ des Durchtriebs 8.
2a zeigt einen Betriebszustand, in dem ein Verdrängungsvolumen V₆ der Hydromaschine 6 gleich Null ist. Demgemäß wird das Triebwerk der Hydromaschine 6 durch die Antriebsleistung P₄ lediglich „mitgeschleppt“. Die zum Mitschleppen benötigte Leistung entspricht dem Wert P₆ und ist vergleichsweise gering. Aufgrund V₆ = 0 werden die Verbraucher 16, 18 nicht mit Druckmittel versorgt. Die hydraulische Leistung P₂₀ ist somit Null. Damit steht dem Durchtrieb 8 die volle Antriebsleistung P₄ , gemindert um die Verlustleistung P₆ , zur Verfügung. Ist die Kupplung 10 geschlossen, so wird diese 1:1 an die Triebwelle 12 übertragen.
Im Betriebszustand gemäß 2b ist das Verdrängungsvolumen V₆ > 0, sodass die Hydromaschine 6 die hydraulischen Abtriebe 16, 18, oder zumindest einen davon, über die Arbeitsleitung 20 mit hydraulischer Leistung P₂₀ versorgt. Gleichzeitig ist die Kupplung 10 geschlossen und die Triebwelle 12 treibt mit der Leistung P₁₂ das Triebwerk an. Gemäß 2b wird die Antriebsleistung P₄ somit an der Hydromaschine 6 in die Abtriebsleistungen P₂₀ und P₁₂ verzweigt.
Gemäß 2c ist ein Betriebszustand dargestellt, in dem die Kupplung 10 geöffnet ist. Gleichzeitig ist die Bremse 14 geschlossen, so dass die Drehzahl n₁₂ = 0 ist. Demzufolge ist auch die an die Drehachse übertragbare Abtriebsleistung P₁₂ = 0. Jedoch ist nach wie vor die Verlustleistung P₈ des Durchtriebs 8 existent. Die Antriebsleistung P₄ steht dann, gemindert um die innere Verlustleistung P₆ der Hydromaschine 6, den hydraulischen Abtrieben als hydraulische Abtriebsleistung P₂₀ zur Verfügung.
Erfindungsgemäß ist eine elektrohydraulische Einheit 1 realisiert, bei der die Elektromaschine 2 zumindest zeitweise auch die Hydromaschine 6 antreiben kann, so dass diese die hydraulische Leistung P₂₀ bereitstellt. Dabei kann die hydraulische Leistung P₂₀ bereitgestellt werden, wenn (wie in 2c gezeigt) der ansonsten von der Elektromaschine 2 angetriebene Abtrieb 12 (Drehwerk) stillsteht (vgl. 2c) oder wenn dieser angetrieben ist (vgl. 2b).
In Betriebszuständen der mobilen Arbeitsmaschine, in denen an der Triebwelle 12 des Drehwerks keine oder nur eine geringe Leistung P₁₂ angefordert wird, gibt die Elektromaschine 2 keine oder nur eine geringe Leistung an die Triebwelle 12 ab. Durch die Integration der Hydromaschine 6 und die erfindungsgemäße Verzweigung kann die Elektromaschine 2 dann zur Bereitstellung der hydraulischen Leistung P₂₀ genutzt werden. Dadurch ist eine höhere Auslastung der Elektromaschine 2 ermöglicht, so dass an anderer Stelle der mobilen Arbeitsmaschine auf eine ansonsten notwenige, zusätzliche Antriebs- oder Elektromaschine und die damit verbundenen, benötigten Steuerungselemente (beispielsweise Kraftstoffversorgung, Leistungselektronik, Steuergeräte) verzichtet werden kann.
Anders formuliert wird die Elektromaschine 2 in Phasen geringerer Leistungsanforderung des Drehwerks zu anderen Zwecken, insbesondere zur Leistungsversorgung anderer Abtriebe, eingesetzt. Dieser Synergieeffekt kann zur Effizienzsteigerung und zur Senkung von Systemkosten genutzt werden, da die Elektromaschine 2 am Abtrieb 12 ohnehin vorhanden ist.
Die 3a bis 3c zeigen einen weiteren Effekt und Vorteil der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Einheit 1. Dargestellt sind Betriebszustände, in denen die Energierückgewinnung durch Rekuperation der Abtriebsleistungen P₂₀ und P₁₂ erfolgt.
Gemäß 3a wird an die Triebwelle 12 die Antriebsleistung P₁₂ übertragen. Diese setzt sich zusammen aus der an der Hydromaschine 6 gewandelten, rekuperierten hydraulischen Abtriebsleistung P₂₀ und der entsprechend geminderten Antriebsleistung P₄ der Elektromaschine 2 (Triebwelle 4). Dieser Betriebszustand ist realisiert, indem die Hydromaschine 6 im Motorbetrieb arbeitet. Dabei strömt das Druckmittel von einem oder beiden Abtrieben 16, 18 über die Arbeitsleitung 20 zur Hydromaschine 6, an deren Triebwerk es entspannt wird. Dadurch wird an der Hydromaschine 6 die hydraulische Leistung P₂₀ in Wellenleistung gewandelt und zur Wellenleistung P₄ summiert.
Im Betriebszustand gemäß 3b tragen beide Leistungszweige, zum einen der hydraulische (20) und zum andern der mechanische (12), zur Energierückgewinnung bei. Dieser Fall tritt beispielsweise ein, wenn sich unter Lasteinwirkung - und vom Bediener angefordert - der mit dem Abtrieb 16 gekoppelte Ausleger absenkt und somit unter Lastdruck Druckmittel aus dem Kolbenraum 22 über die Arbeitsleitung 26 zur Hydromaschine 6 strömt und dort entspannt wird. Gleichzeitig überträgt das sich drehende Drehwerk (Triebwelle 12) kinetische Rotationsenergie an die Triebwelle 8. Dabei werden die hydraulische Leistung P₂₀ und die mechanische Leistung P₁₂ an der Hydromaschine 6 summiert und an die Triebwelle 4 übertragen. Die so rekuperierte Abtriebsleistung kann dann im Generatorbetrieb der Elektromaschine 2 einem Hochleistungskondensator zur Speicherung zugeführt werden.
3c zeigt einen Betriebszustand, in dem sowohl Antriebsleistung P₄ von der Elektromaschine 2 als auch zurückgewonnene kinetische Rotationsenergie P₁₂ des Drehwerks an der Hydromaschine 6 zu hydraulischer Leistung P₂₀ summiert werden. Die 3c zeigt eindrücklich, dass in diesem Fall auf verlustbehaftete mechanisch- elektrische Wandlung und verlustbehaftete elektrische Energiespeicherung verzichtet werden kann, da die durch das Drehwerk eingespeiste Leistung P₁₂ vollständig direkt von der Hydromaschine 6 aufgenommen wird und einem Hydrospeicher zugeführt werden kann. Dadurch können Wandlungsverluste minimiert werden.
Wird vom Drehwerk nicht die maximale Antriebsleistung P₄ der Elektromaschine 2 gefordert, so kann eine verbleibende Leistungsreserve der Elektromaschine 2 zum Antrieb der Hydromaschine 6 genutzt werden, was in 2b dargestellt wurde. Fordert das Drehwerk keine Leistung (Stillstand), so wird die Bremse 14 geschlossen und die Kupplung 10 getrennt. Die Elektromaschine 2 kann nun unabhängig vom Drehwerk die hydraulischen Verbraucher 16, 18 antreiben (2b) oder aus diesen Energie zurückgewinnen.
Steigt der Leistungsbedarf des Drehwerks während die Elektromaschine 2 auf diese Weise die hydraulischen Verbraucher 16, 18 antreibt, so wird die Kupplung 10 wieder geschlossen und die Drehzahlen n₄ der Elektromaschine 2 und n₁₂ des Drehwerks werden angeglichen. Je nach Leistungsbedarf der Hydromaschine 6 und der Triebwelle 12 (Drehwerk) ist über eine Steuereinheit (nicht dargestellt) der Antriebseinheit 1 eine passende Drehzahl n₄ der Triebwelle 4 einzustellen. Ebenso ist zu steuern, ob die Kupplung 10 sperrt, und somit Schlupf- und Verlustfrei betrieben wird, oder ob sie schlupfend zu betreiben ist, zum Beispiel als nicht gesperrter Drehmomentwandler.
Im Falle einer Verzögerung des Drehwerks speist dieses über die Triebwelle 12 aktiv Leistung in den Durchtrieb 8 und die Triebwelle 4 der Elektromaschine 2 ein (Rekuperation). Diese Leistung kann je nach Steuerung der Elektromaschine 2 und der Hydromaschine 6 entweder elektrisch gewandelt oder hydraulisch gewandelt werden. Durch diese Flexibilität kann die Effizienz der gesamten elektrohydraulischen Antriebseinheit weiter gesteigert werden. Durch die direkte Verwendbarkeit der rekuperierten Abtriebsleistung P₁₂ gemäß 3c und deren Wandlung in der Hydromaschine 6 in hydraulische Leistung P₂₀ wird auch eine maximale elektrische Speicherleistung reduziert. Dadurch können Kosten eines elektrischen Speichers, insbesondere Hochleistungskondensators, reduziert werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrohydraulischen Einheit 101 für eine mobile Arbeitsmaschine zeigt 4. Diese beinhaltet als Teilsystem die elektrohydraulische Einheit 1 gemäß den vorangegangenen 1 bis 3, so dass auf deren Beschreibung nicht erneut eingegangen wird.
Ergänzend weist die elektrohydraulischen Einheit 101 einen rein hydraulischen Kreis auf, der baugleich zur elektrohydraulischen Einheit 1 gemäß 1 - jedoch reduziert um den Durchtrieb 8 und aller abtriebsseitigen Komponenten Kupplung 10, Bremse 14 und Triebwelle 12 - ausgebildet ist. Der rein hydraulische Kreis weist somit eine zweite Elektromaschine 102, eine über eine zweite Triebwelle 104 verbundene zweite Hydromaschine 106 und darüber mit Druckmittel versorgbare zweite hydraulische Verbraucher oder Abtriebe 116, 118 auf. Die Druckmittelversorgung über die zweite Hydromaschine 106 und die Druckmittelabfuhr hin zum Tank T inklusive der dafür notwendigen Ventile ist baugleich mit der elektrohydraulischen Einheit 1 gemäß 1.
Ergänzend hat die elektrohydraulische Einheit 101 gemäß 4 eine Verbindungsleitung 46 mit einem Summationsventil 48, über die die Arbeitsleitungen 20, 120 der beiden Hydromaschinen 6, 106 fluidisch miteinander verbindbar sind. Die vorbeschriebene Funktion der Leistungsverzweigung und -summierung an der Hydromaschine 6 der Unterbaugruppe der vorbeschriebenen elektrohydraulischen Einheit 1 bleibt auch im zweiten Ausführungsbeispiel erhalten. Unabhängig von der elektrohydraulischen Einheit 1 können die zweiten hydraulischen Abtriebe 116 und 118 von der zweiten Elektromaschine 102 und Hydromaschine 106 individuell angetrieben werden. Für den Fall, dass einer der Abtriebe 16, 18, 116, 118, oder eine Untermenge von diesen, mehr hydraulische Leistung benötigt, als dies eine der jeweils zugeordneten Hydromaschinen 6, 106 in der Lage ist zu liefern, kann die jeweils andere der Hydromaschinen 106, 6 über die Verbindungsleitung 46 und das Ventil 48 zugeschaltet werden.
Analoges gilt für die Rekuperation von hydraulischer Leistung. Soll diese allein elektrisch gespeichert werden, so kann dies beispielsweise über lediglich eine der Elektromaschinen 2, 102 erfolgen, indem über die Verbindungsleitung 46 und das Ventil 48 sämtliche Druckmittelvolumenströme über die Hydromaschine 6, oder alternativ über die Hydromaschine 106, entspannt werden.
Für den Fall der Rekuperation hydraulischer Energie zum direkten Antrieb der Triebwelle 12 des Drehwerks müssen die Druckmittelvolumenströme der zweiten hydraulischen Abtriebe 116, 118 über die Verbindungsleitung 46 und das Ventil 48 über die Hydromaschine 6 entspannt werden.
Offenbart ist eine elektrohydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere einen Kran oder Bagger, mit einem hydraulischen und mit einem mechanischen Abtrieb, wobei letztgenannter über eine Elektromaschine der Antriebseinheit antreibbar ist. Erfindungsgemäß ist deren Antriebsleistung nicht nur auf den mechanischen, sondern auf noch wenigstens einen anderen Abtrieb vollständig oder anteilig verzweigbar.

Claims

Elektrohydraulische Antriebseinheit für eine, insbesondere mobile, Arbeitsmaschine, mit einer als Elektromaschine (2) ausgebildeten Antriebsmaschine mit einer Antriebsleistung (P₄) und einem davon antreibbaren mechanischen Abtrieb (12), sowie mit einer Hydromaschine (6; 6, 106) und einem davon antreibbaren hydraulischen Abtrieb (16, 18; 16, 18, 116, 118), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung (P₄) verzweigbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei die Antriebsleistung (P₄) wahlweise entweder auf den hydraulischen Abtrieb (16, 18; 16, 18, 116, 118) oder auf den mechanischen Abtrieb (12) verzweigbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antriebsleistung (P₄) anteilig auf den hydraulischen Abtrieb (16, 18; 16, 18, 116, 118) und den mechanischen Abtrieb (12) verzweigbar ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antriebsleistung (P₄) variabel auf den hydraulischen Abtrieb (16, 18; 16, 18, 116, 118) und den mechanischen Abtrieb (12) verzweigbar ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer betätigbaren Kupplung (10) zwischen Elektromaschine (2) und mechanischem Abtrieb (12).
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsleistung (P₄) an der Hydromaschine (6) verzweigbar ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Triebwelle (4, 8) der Hydromaschine (6) mit der Elektromaschine (2) und dem mechanischen Abtrieb (12) drehfest und fest verbunden oder drehfest und trennbar verbunden ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hydromaschine (6) ein verstellbares Verdrängungsvolumen (V₆) aufweist und eine feste Kupplung zwischen der Elektromaschine (2) und der Hydromaschine (6) vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Hydromaschine ein konstantes Verdrängungsvolumen aufweist und eine betätigbare Kupplung zwischen Elektromaschine und Hydromaschine vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektromaschine (6; 106) zur Rekuperation von Energie von wenigstens einem der Abtriebe (12, 16, 18; 12, 16 18, 116, 118) im Generatorbetrieb antreibbar ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Leistungen der Abtriebe (12, 16, 18; 12, 16 18, 116, 118) an der Hydromaschine (6) summierbar sind.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektrischen und / oder einer hydraulischen Speichereinheit zur Speicherung rekuperierter Energie wenigstens eines der Abtriebe (12, 16, 18; 12, 16 18, 116, 118).
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer zweiten Antriebsmaschine (102), insbesondere einer zweiten Elektromaschine, mit einer zweiten Antriebsleistung und einer davon antreibbaren zweiten Hydromaschine (106) und einem davon antreibbaren zweiten hydraulischen Abtrieb (116, 118), und mit einer Ventilanordnung (48), über die Druckmittelvolumenströme der Hydromaschinen (6; 6, 106) summierbar sind.
Mobile Arbeitsmaschine mit einer elektrohydraulischen Antriebseinheit (1; 101), die gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 14, wobei der mechanische Abtrieb (12) ein Drehwerk, insbesondere der eines Aufbaus der Arbeitsmaschine, ist.