DE102018218938A1

DE102018218938A1 - Elektrisch-hydraulische Antriebseinheit und mobile Arbeitsmaschine mit der Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102018218938A1
Application number: DE102018218938.2A
Authority: DE
Inventors: Philip Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Offenbart ist eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Baumaschine, mit ersten hydraulischen Aktoren, die zu ihrer Druckmittelversorgung jeweils mit einer ersten Hydromaschine fluidisch verbunden sind, die wiederum mit einer ersten Elektromaschine der Antriebseinheit koppelbar oder gekoppelt ist, wobei wenigstens einer der ersten Aktoren über eine Verdrängungsvolumen-Verstellung der ersten Hydromaschine, mit der er verbunden ist, und/oder über eine Drehzahl-Verstellung der koppelbaren oder gekoppelten ersten Elektromaschine, orientiert an einer hydraulischen Leistungsanforderung des wenigstens einen ersten Aktors, mit Druckmittel versorgbar ist, und mit einer zweiten Hydromaschine, die wiederum mit einer zweiten Elektromaschine der Antriebseinheit koppelbar oder gekoppelt ist.Offenbart ist weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine mit einer derartigen Antriebseinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit der Antriebseinheit, gemäß Patentanspruch 15.
Eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Baumaschine, verfügt über mehrere hydraulische Verbraucher. So hat beispielsweise ein Bagger jeweils wenigstens einen hydraulischen Linearzylinder zur Betätigung eines Auslegers, Stiels und Löffels und darüber hinaus beispielsweise einen rotierenden Antrieb, wie beispielsweise einen Drehwerksmotor, zur Drehung seines Oberwagens. Hierbei kommt häufig eine Antriebseinheit mit einer Hydropumpe zum Einsatz, von der die Aktoren über jeweils ein Drosselventil mit Druckmittel versorgbar sind. Klassischer Weise ist die Hydropumpe über einen Verbrennungsmotor, beispielsweise einen Diesel angetrieben.
Größere Baumaschinen oder Bagger ab etwa 20 Tonnen verfügen über eine Antriebseinheit mit zwei oder mehreren Hydropumpen, um Energieverluste bei Parallelbetätigung ihrer Aktoren zu reduzieren. Reicht der von einer der Hydropumpen gelieferte Druckmittelvolumenstrom für die zu versorgenden Aktoren nicht aus, so ist ein Summationsventil vorgesehen, welches beide Hydropumpen fluidisch parallel verbindet, sodass sie sich gemeinsam die Leistung einer größeren Hydropumpe abbilden.
Um emissionsarme oder sogar emissionsfreie Antriebseinheiten in mobilen Arbeitsmaschinen bereitstellen zu können ist eine Elektrifizierung der Antriebsmaschinen möglich. Eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine zeigt beispielsweise die Druckschrift CN 106 284 475 A . Dabei sind zwei Hydropumpen zur Druckmittelversorgung linearer und rotatorischer Aktoren vorgesehen, wobei jede der Hydropumpen über einen Elektromotor drehzahlvariabel und mit verstellbarem Verdrängungsvolumen betreibbar ist. Die Versorgung der einzelnen Verbraucher mit Druckmittel erfolgt jeweils über ein Drosselventil.
Um notwendige Speichermedien, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle oder Batterie, klein und damit kostengünstig dimensionieren zu können, ist bei den elektrifizierten Antrieben auf eine hohe Effizienz des Antriebsstrangs zu achten. Ein Schritt in diese Richtung ist, die hydraulischen Verbraucher anstatt durch Drosselsteuerung durch direkte Verdrängersteuerung der Hydropumpe zu realisieren. Dabei wird jeder hydraulische Verbraucher durch eine zugeordnete Hydropumpe versorgt und die Geschwindigkeit des Verbrauchers durch den bereitgestellten Volumenstrom gesteuert. Entsprechende Systeme zur Steuerung im geschlossenen Kreis ist von Hippalgaonkar R. und Ivantysynova M. in „Series-Parallel Hydraulic Hybrid Mini-Excavator with Displacement Controlled Actuators“ (für Bagger) und von Schneider M. et al. in „Verbundprojekt TEAM - Technologieträger Grüner Radlader“ gezeigt. Eine Verdrängersteuerung für Minibagger im offenen Kreis wird von Ivantysyn R. und Weber J. in „Open Circuit Displacement Control in a 300t Mining Excavator“ untersucht.
Da die jeweilige Elektromaschine auch für den relativ selten auftretenden Fall einer maximalen Leistungsaufnahme des ihr zugeordneten hydraulischen Verbrauchers ausgelegt sein muss, diese aber selten auftreten, wird sie für den Großteil der Zeit in weniger effizienten Betriebspunkten betrieben. Dies mindert die Effizienz der elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit mit höherer Effizienz zu schaffen. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mobile Arbeitsmaschine mit einer derartigen Antriebseinheit zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit sind in den Patentansprüchen 2 bis 14 beschrieben.
Eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere für eine Baumaschine wie beispielsweise einen Bagger, hat erste hydraulische Aktoren, über die Werkzeuge, Aggregate oder Wagen der Arbeitsmaschine bewegbar oder betätigbar sind. Dies sind beispielsweise Löffel, Schaufel, Greifer, Lüfter, Oberwagen oder dergleichen. Die ersten Aktoren können linear, beispielsweise als Hydrozylinder, oder rotatorisch, beispielsweise als Hydromotoren, ausgebildet sein. Zu ihrer Druckmittelversorgung sind die ersten Aktoren jeweils mit einer ersten Hydromaschine fluidisch verbunden, die wiederum mit einer ersten Elektromaschine der Antriebseinheit koppelbar oder gekoppelt ist. Dabei kann jeder ersten Hydromaschine eine erste Elektromaschine individuell zugeordnet sein oder mehreren ersten Hydromaschinen sind gemeinsam nur einer ersten Elektromaschine zugeordnet. Wenigstens einer der ersten Aktoren ist über eine Verdrängungsvolumen-Verstellung der ersten Hydromaschine, mit der er verbunden ist, und/oder über eine Drehzahl-Verstellung der koppelbaren oder gekoppelten ersten Elektromaschine mit Druckmittel versorgbar. Diese Versorgung erfolgt dabei orientiert an einer hydraulischen Leistungsanforderung dieses einen ersten Aktors, insbesondere einer Geschwindigkeitsanforderung, beispielsweise in Abhängigkeit einer Joystickstellung, bei gegebener Last und damit gegebenem Lastdruck. Weiterhin ist eine zweite Hydromaschine vorgesehen, die wiederum mit einer zweiten Elektromaschine der Antriebseinheit koppelbar oder gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist eine hydraulische Summiereinrichtung vorgesehen ist, über die in Abhängigkeit der hydraulischen Leistungsanforderung eine hydraulische Leistung der zweiten Hydromaschine mit einer hydraulischen Leistung der ersten Hydromaschine, die mit dem einen ersten Aktor fluidisch verbunden ist, oder mit einer hydraulischen Leistung einer der anderen ersten Hydromaschinen summierbar ist.
Über die Leistungssummierung kann die erste Hydromaschine von der zweiten Hydromaschine zur Deckung der hydraulischen Leistungsanforderung unterstützt werden. Dementsprechend muss die erste Elektromaschine nicht mehr für den größten anzunehmenden Leistungsfall der ersten Aktoren oder des einen ersten Aktors ausgelegt sein, sondern kann kleiner dimensioniert werden. Dies gilt auch für die zweite Elektromaschine, da alle Leistungsfälle oberhalb einer Leistungsschwelle vom Zusammenwirken dieser beiden Elektromaschinen abgedeckt werden können und nicht mehr von einer einzelnen, großen Elektromaschine abgedeckt werden müssen. Diese Maßnahme führt zu Elektromaschinen, die in Summe weniger Bauraum beanspruchen und weniger Kosten verursachen.
In einer Weiterbildung ist eine hydraulische Nennleistung einer Einheit, die sich aus der ersten Hydromaschine, die dem einen ersten Aktor zugeordnet ist, und der ersten Elektromaschine zusammensetzt, kleiner als eine maximale hydraulische Leistungsanforderung des einen ersten Aktors. Entsprechend ist die elektrische Nennleistung kleiner wählbar.
In einer Weiterbildung ist eine hydraulische Nennleistung einer Einheit aus zweiter Hydromaschine und gekoppelter zweiter Elektromaschine kleiner als eine maximale hydraulische Leistungsanforderung des einen ersten Aktors. Entsprechend ist auch hier die elektrische Nennleistung kleiner wählbar.
In einer Weiterbildung sind mehrere zweite Hydromaschinen vorgesehen, deren jeweilige hydraulische Leistung über die hydraulische Summiereinrichtung in Abhängigkeit der hydraulischen Leistungsanforderung des einen ersten Aktors oder anderer erster Aktoren mit der hydraulischen Leistung der ersten Hydromaschine oder der ersten Hydromaschinen summierbar ist.
In einer Weiterbildung hat die Antriebseinheit eine insbesondere elektronische Steuereinrichtung, über die die Summiereinrichtung, ansteuerbar ist. Die Ansteuerung erfolgt dabei über die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der hydraulischen Leistungsanforderung und der Nennleistungen.
Vorteilhafter Weise ist die hydraulische Summiereinrichtung eine Ventileinrichtung, über die zur Leistungssummierung eine fluidische Verbindung der zweiten Hydromaschine mit der ersten Hydromaschine, welche mit dem einen ersten Aktor fluidisch verbunden ist, oder mit einer anderen der ersten Hydromaschinen ausbildbar ist.
Vorzugsweise wird die fluidische Verbindung der zweiten Hydromaschine mit derjenigen ersten Hydromaschine ausgebildet, deren fluidisch verbundener erster Aktor die höchste hydraulische Leistungsanforderung aller ersten Aktoren aufweist.
Die fluidische Verbindung der zweiten mit der ersten Hydromaschine kann in einer Variante in Reihe ausbildbar sein, sodass bei gegebenem Druckmittelvolumenstrom die Leistungssummierung mittels einer Summierung der Druckdifferenzen über die erste Hydromaschine und die zweite Hydromaschine ausgebildet ist. So muss die erste Hydromaschine nicht mehr die volle Druckdifferenz alleine „erzeugen“ und das Drehmoment ihrer Triebwelle ist dadurch verringert, wodurch die notwendige elektrische Leistung der gekoppelten ersten Elektromaschine zum Aufbringen des Drehmomentes verringert ist.
In diesem Fall ist zur Leistungssummierung über die Ventileinrichtung ein Niederdruckraum der ersten Hydromaschine, die mit dem einen ersten Aktor fluidisch verbunden ist, insbesondere deren Niederdruckanschluss, mit einem Hochdruckraum der zweiten Hydromaschine, insbesondere deren Hochdruckanschluss, verbindbar.
In einer anderen Variante ist die fluidische Verbindung der ersten und zweiten Hydromaschine parallel ausbildbar, sodass die Leistungssummierung bei gegebenem Lastdruck mittels einer Summierung der Druckmittelvolumenströme der ersten Hydromaschine und der zweiten Hydromaschine ausgebildet ist. So muss die erste Hydromaschine nicht mehr den vollen Druckmittelvolumenstrom alleine fördern und die Drehzahl ihrer Triebwelle ist dadurch verringert, wodurch die notwendige elektrische Leistung der gekoppelten ersten Elektromaschine zum Aufbringen der Drehzahl verringert ist.
In diesem Fall ist zur Leistungssummierung über die Ventileinrichtung ein Hochdruckraum der ersten Hydromaschine, die mit dem einen ersten Aktor fluidisch verbunden ist, insbesondere deren Hochdruckanschluss, mit einem Hochdruckraum der zweiten Hydromaschine verbindbar.
Um insbesondere Leckage der ersten Aktoren oder deren Pendel-/Differenz-Volumen ausgleichen zu können, ist vorzugsweise eine, insbesondere im offenen Kreis betreibbare, dritte Hydromaschine, insbesondere eine Speisepumpe, vorgesehen, die mit einer Antriebsmaschine, insbesondere einer dritten Elektromaschine, koppelbar oder gekoppelt ist. Dabei ist ein Hochdruckraum der dritten Hydromaschine mit einem Niederdruckraum oder einer Niederdruckleitung wenigstens des einen ersten Aktors zur Einspeisung und / oder fluidisch verbindbar. In einer Weiterbildung kann ein Hydrospeicher mit dem Hochdruckraum der dritten Hydromaschine verbunden sein. Ein Niederdruckraum der dritten Hydromaschine ist vorzugsweise mit einem Tank verbunden.
Ist die fluidische Verbindung der zweiten und ersten Hydromaschine parallel vorgesehen, erweist sich eine Weiterbildung als vorteilhaft, bei der die dritte Hydromaschine mit der ersten Hydromaschine, die dem einen ersten Aktor zugeordnet ist, fluidisch in Reihe geschaltet ist. Im Falle der fluidischen Reihenschaltung der zweiten mit der ersten Hydromaschine erweist sich eine Weiterbildung als vorteilhaft, bei der die dritte Hydromaschine mit der zweiten Hydromaschine fluidisch in Reihe geschaltet ist.
Besonders vorteilhaft erweist sich eine Weiterbildung, in der mit der zweiten Hydromaschine ein zweiter hydraulischer Aktor fluidisch verbunden ist, der ohnehin mit Druckmittel versorgt werden muss. Vorzugsweise ist dies ein Aktor, der selten verwendet wird, oder der zumindest dann nicht verwendet wird, wenn der oder die ersten Aktoren oberhalb der genannten Leistungsschwelle genutzt werden, wenn also die Leistungsunterstützung durch die zweite Hydromaschine erforderlich ist.
In einer vorrichtungstechnisch einfachen Weiterbildung ist die zweite Hydromaschine in nur einer Kraftrichtung des einen ersten Aktors zuschaltbar. Alternativ ist sie in beiden Kraftrichtungen des einen ersten Aktors zuschaltbar.
Eine mobile Arbeitsmaschine hat eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist. Mit den ersten Aktoren sind vorzugsweise jeweils ein Ausleger, ein Stiel, ein Löffel oder eine Schaufel gekoppelt. Die ersten Aktoren sind dabei vorzugsweise jeweils als Hydrozylinder ausgebildet. Mit dem zweiten Aktor ist vorzugsweise ein drehbarer Oberwagen gekoppelt, wobei der zweite Aktor ein Hydromotor eines Drehwerks ist. Durch die erfindungsgemäße, vorbeschriebene fluidische Verbindung der zweiten mit der ersten Hydromaschine in Betriebszuständen oberhalb der Leistungsschwelle können kleinere, sich gegenseitig auf beschrieben Weise leistungsunterstützende Elektromaschinen verbaut werden, was wie bereits erwähnt Bauraum und Kosten spart.
Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit, sowie ein Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen hydraulischen Schaltplan einer elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen hydraulischen Schaltplan einer elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
3 eine Ventileinrichtung für die Antriebseinheiten gemäß 1 und 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit 1 gemäß 1 ist beispielsweise für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere einen Bagger vorgesehen. Sie hat eine Gruppe erster Aktoren 2, 4, die jeweils als Linearantrieb in Form eines Differentialzylinders, bzw. eines doppelten Differentialzylinders ausgestaltet sind. Der erste Aktor 2 ist dabei zum Anlenken eines Auslegers des Baggers und der erste Aktor 4 zum Anlenken eines Stiels, der am Ausleger befestigt ist, vorgesehen. Die ersten Aktoren 2, 4 sind jeweils über einen geschlossenen hydraulischen Kreis mittels Arbeitsleitungen 6, 8 und 10, 12 mit einer ersten Hydromaschine 14, 16 fluidisch verbunden. Diese ist im geschlossenen Kreis sowohl als Hydropumpe, als auch als Hydromotor betreibbar. Sie hat ein verstellbares Verdrängungsvolumen. Beispielsweise sind die ersten Hydromaschinen 14, 16 als Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise ausgeführt, wobei eine Verstellung ihres Verdrängungsvolumens durch Verschwenken der Schrägscheibe erfolgt.
Triebwellen der ersten Hydromaschinen 14, 16 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Triebwelle 18 drehfest verbunden. Beide Hydromaschinen 14, 16 sind somit gemeinsam von einer ersten, als Elektromaschine ausgebildeten Antriebsmaschine 20 angetrieben. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist diese mit konstanter Drehzahl betrieben. In einer weiteren Ausprägung kann sie drehzahlvariabel ausgestaltet sein. Des Weiteren hat die Antriebseinheit 1 eine zweite Hydromaschine 22, die von einer ebenso drehzahlkonstanten, zweiten Elektromaschine 24 angetrieben ist. Die zweite Hydromaschine 22 versorgt dabei in den gezeigten Ausführungsbeispielen keinen individuell zugeordneten Aktor, sondern sie ist lediglich zur Unterstützung der ersten Hydromaschinen 14, 16 vorgesehen. Abweichend davon kann die zweite Hydromaschine 22 selbstverständlich mit einem Aktor, beispielsweise einem rotatorischen Hydromotor fluidisch verbunden sein, der beispielsweise ein Drehwerk eines Oberwagens der mobilen Arbeitsmaschine antreibt. Auch die zweite Hydromaschine 22 ist sowohl als Hydropumpe, als auch als Hydromotor und auch mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet.
Des Weiteren hat die Antriebseinheit 1 eine Ventileinrichtung 26, die im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei 4/2-Schaltventilen 28, 30 aufweist. Dabei ist das Schaltventil 28 für eine parallele fluidische Verbindung der zweiten Hydromaschine 22 mit den Arbeitsleitungen 6, 8 vorgesehen und das Schaltventil 30 ist für eine parallele fluidische Verbindung der zweiten Hydromaschine 22 mit den Arbeitsleitungen 10, 12 vorgesehen. Die zweite Hydromaschine 22 hat zwei Arbeitsleitungen 32, 34, von denen eine Hochdruck und die jeweils andere Niederdruck aufweist. Das Schaltventil 28 hat einen mit der Arbeitsleitung 34 verbundenen Pumpenanschluss 36 und einen mit der Arbeitsleitung 32 verbundenen Pumpenanschluss 38. Des Weiteren hat das Schaltventil 28 einen mit der Arbeitsleitung 6 verbundenen Arbeitsanschluss 40 und einen mit der Arbeitsleitung 8 verbundenen Arbeitsanschluss 42. In einer federvorbelasteten Grundstellung a sind alle Anschlüsse 36, 38, 40, 42 abgesperrt. In einer weiteren Ausprägung kann diese Grundstellung a einen Kurzschluss zwischen den Anschlüssen 36 und 38 bzw. 44 und 46 aufweisen. In einer elektromagnetisch betätigbaren Schaltstellung b sind der Pumpenanschluss 36 mit dem Arbeitsanschluss 40 und der Pumpenanschluss 38 mit dem Arbeitsanschluss 42 fluidisch verbunden. Das andere Schaltventil 30 ist identisch mit dem Schaltventil 28 aufgebaut. Es hat einen Pumpenanschluss 44 verbunden mit der Arbeitsleitung 34, einen Pumpenanschluss 46 verbunden mit der Arbeitsleitung 32, einen Arbeitsanschluss 48 verbunden mit der Arbeitsleitung 10 und einen Arbeitsanschluss 50 verbunden mit der Arbeitsleitung 12.
Des Weiteren hat die Antriebseinheit 1 eine dritte Hydromaschine 51 als Speisepumpe, deren Niederdruck- oder „Saug“-Anschluss mit einem Tank T verbunden ist. Die Speisepumpe 51 ist als Konstantpumpe ausgestaltet und mit einer dritten, drehzahlvariabel betreibbaren Elektromaschine 52 gekoppelt. Die Speisepumpe 51 ist druckgeregelt. Zur Speisedruckregelung ist eine Leistungselektronik 54 - mit einem Druckregler als Unterkomponente einer elektronischen Steuereinrichtung - vorgesehen, die über eine Signalleitung 56 mit einer Speiseleitung 58 verbunden ist, in die die Speisepumpe 51 Druckmittel fördert. In Abhängigkeit eines Speisedruck-Sollwertes und des über die Signalleitung 56 abgegriffenen Speisedruck-Istwertes erfolgt die Verstellung der Drehzahl der dritten Elektromaschine 51. An die Speisleitung 58 ist ein Hydrospeicher 60 zur Kompensierung von Druckschwankungen und eines Pendelvolumens der ersten Aktoren 2, 4 angeschlossen.
Die Speiseleitung 58 ist auf die beiden hydraulischen Kreise 6, 8 und 10, 12 verzweigt. Jeder der hydraulischen Kreise 6, 8 und 10, 12 hat gemäß dem Ausführungsbeispiel zwei 2/2-Schaltventile 62, über die die Speiseleitung 58 mit derjenigen der Arbeitsleitungen 6, 8, bzw. 10, 12 druckmittelverbindbar ist, die den momentan niedrigeren Druck aufweist. Die für diese Druckmittelverbindung vorgesehenen Ventile 62 sind in alternativen Ausgestaltungen ausgeführt sein. Sie können beispielsweise jeweils als gekoppeltes oder integrierte Spül- und Nachspeiseventil ausgestaltet sein. Die den höheren Druck aufweisende der Arbeitsleitungen 6, 8, bzw. 10, 12 ist dann gesperrt. Auf diese Weise wird das Niederdruckniveau in den Arbeitsleitungen 6, 8, bzw. 10, 12 konstant gehalten und ein Differenzvolumen kann ausgeglichen werden. Eine Ausspeisung des Druckmittels zum Wärmetausch und zur Ölreinigung ist vorgesehen, aber nicht dargestellt.
Im Betrieb der Antriebseinheit 1 werden beide erste Hydromaschinen 14, 16 von der ersten Elektromaschine 20 angetrieben. Die Druckmittelversorgung der ersten Aktoren 2, 4 erfolgt bei konstanter Drehzahl durch individuelle Verstellung des jeweiligen Verdrängungsvolumens der beiden ersten Hydromaschinen 14, 16. So wird der an der jeweiligen Leistungsanforderung der ersten Aktoren 2, 4 orientierte Druckmittelvolumenstrom zu den Aktoren 2, 4 gefördert und deren Geschwindigkeit gesteuert. Die Steuerung erfolgt dabei ohne Drosselventile durch direkte Verdrängersteuerung der Hydromaschinen 14, 16.
Die erste Elektromaschine 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit kleinerer elektrischer Leistung ausgelegt, als es zur Abdeckung der maximal angeforderten hydraulischen Leistungen der ersten Aktoren 2, 4 notwendig wäre. Daher können die ersten Hydromaschinen 14, 16 von der ersten Elektromaschine 20 allein nur in Betriebszuständen mit unterschwelliger hydraulischer Leistungsanforderung der Aktoren 2, 4 ausreichend angetrieben werden, um die hydraulische Leistungsanforderung zu erfüllen. Für Betriebszustände mit einer Leistungsanforderung oberhalb der Schwelle ist also zunächst eine hydraulische Leistungslücke vorhanden.
In einem solchen Betriebszustand wird erfindungsgemäß die Einheit aus zweiter Elektromaschine 24 und zweiter Hydromaschine 22 zugeschaltet. Dies erfolgt, indem die Arbeitsleitungen 32, 34 der zweiten Hydromaschine 22 über die Schaltventile 28, 30 mit den Arbeitsleitungen 6, 8 und/oder 10, 12 fluidisch verbunden werden. Vorzugsweise, jedoch nicht zwingend notwendig, wird derjenige der ersten Aktoren 2, 4 mit der zweiten Hydromaschine 22 verbunden, der die höchste der Leistungsanforderungen aufweist. Ist dies beispielsweise der erste Aktor 2, so wird das Schaltventil 28 in die Schaltstellung b geschaltet. Es können aber auch beide Schaltventile 28, 30 oder nur das Schaltventil 30 geschaltet. In jedem Fall übernimmt die Einheit aus zweiter Elektromaschine 24 und Hydromaschine 22 hydraulische die Leistungsanforderung anteilig und schließt so die hydraulische Leistungslücke.
Es erfolgt somit eine Leistungsaddition, die auf der Addition der beiden elektrischen Leistungen der Elektromaschinen 20 und 24 beruht. Anders als konventionell üblich, werden anstatt einer großen Elektromaschine zwei kleiner bemessene Elektromaschinen eingesetzt. Besonders sinnvoll ist dies, wenn die Einheit aus zweiter Elektromaschine 24 und zweiter Hydromaschine 22 ohnehin bereits in der Antriebseinheit 1 integriert ist, wie dies beispielsweise für die Achse eines Drehwerks der Fall ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1; 101 ist, dass aus den ersten Aktoren 2, 4 über die Schaltventile 28, 30 abströmendes Druckmittel zur zweiten Hydromaschine 22 strömen kann und von dieser an den der ersten Aktoren 2, 4 gefördert werden kann, der es benötigt.
Für diesen Fall ist vorzugsweise ein hydraulisches Steuermittel vorgesehen, um einen hydraulischen Kurzschluss der beiden hydraulischen Kreise der ersten Aktoren 2, 4 zu verhindern.
Insbesondere kann dieses Steuermittel von den Ventilen 28, 30 ausgebildet sein, sofern diese nicht schaltend, sondern alternativ oder ergänzend stetig verstellbar ausgestaltet sind, sodass eine gezielte Drosselung zur Unterbindung des hydraulischen Kurzschlusses erfolgen kann.
Über die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1; 101 kann hydraulische Leistung der ersten Aktoren 2, 4 über die zweite Hydromaschine 22 direkt rekuperiert werden, indem die hydraulische Leistung direkt an die Triebwelle der zweiten Hydromaschine 22 übertragen wird, ohne dass eine Leistungswandlung von hydraulischer in mechanische, in elektrische Leistung und umgekehrt zurück in hydraulische Leistung erfolgen müsste.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt somit die Leistungssummierung durch Parallelschaltung der zweiten Hydromaschine 22 mit einer oder mit beiden ersten Hydromaschinen 14, 16. Wird beispielsweise die erste Hydromaschine 14 durch Zuschaltung des Schaltventils 28 durch die zweite Hydromaschine 22 unterstützt, so wirkt auf beide Hydromaschinen 14, 22 der Lastdruck des ersten Aktors 2. Bei gleichem Lastdruck werden durch die fluidische Verbindung über das Schaltventil 28 somit die Druckmittelvolumenströme der Hydromaschinen 14, 22 addiert.
Ein abgewandeltes Konzept zeigt 2. Die Antriebseinheit 101 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht in weiten Bereichen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, weshalb vorwiegend auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen werden soll. Die zweite Hydromaschine 22 gemäß 2 ist im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nicht fluidsch parallel zu den ersten Hydromaschinen 14, 16, sondern fluidisch in Reihe schaltbar. Sie ist dabei bezüglich des Druckniveaus zwischen der dritten Hydromaschine 51 und den ersten Hydromaschinen 14, 16 angeordnet. Gemäß 2 kann eine Umschaltung der Steuerung der ersten Aktoren 2, 4 vom jeweils geschlossenen hydraulischen Kreis in den offenen hydraulischen Kreis erfolgen.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die ersten Hydromaschinen 14, 16 durch die in der Leistung kleiner dimensionierte erste Elektromaschine 20 angetrieben und steuern die Aktoren 2, 4. Auch sind die jeweils Niederdruck führenden Arbeitsleitungen der hydraulischen Kreise 6, 8 und 10, 12 über die Schaltventile 62 mit Speisedruckmittel über die Speiseleitung 58 versorgt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird der Speisedruck durch die Speisepumpe 51 mit damit gekoppelter dritter Elektromaschine 52 und Leistungselektronik 54 geregelt. Dabei wird der über die Signalleitung 14 abgegriffene Druck der Speisedruckleitung 58 als Istwert von der Leistungselektronik 54 verarbeitet. Für beide Ausführungsbeispiele gilt, dass andere Realisierungen der Druckregelung in der Speisedruckleitung 58 möglich sind.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist die zweite Hydromaschine 22 mit konstantem Verdrängungsvolumen ausgestaltet und über die mit ihr gekoppelte zweite Elektromaschine 24 und über eine Leistungselektronik 64 drehzahlvariabel antreibbar. Ihr Niederdruck- oder Sauganschluss ist mit der Speisedruckleitung 58 und ihr Hochdruckanschluss ist mit einer Druckleitung 66 verbunden. An die Druckleitung 66 sind zum einen ein Hydrospeicher 68 und zum anderen 4/2-Schaltventile 28, 30 mittels Anschlüssen 36 und 44 angeschlossen. Pumpenanschlüsse 38, 46 der 4/2-Schaltventile 28, 30 sind jeweils an die Speisedruckleitung 58 angeschlossen.
Über eine Signalleitung 70 ist die Druckleitung 66 mit der Leistungselektronik 64 der zweiten Elektromaschine 24 signalverbunden, so dass der Druck im Hydrospeicher 68 und der Druckleitung 66 als Istwert an die Regelung der Leistungselektronik 64 übergebbar ist.
Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel sind die 4/2-Schaltventile 28, 30 mit einer verändert ausgestalteten Grundstellung a vorgesehen, in der die aktorseitigen Anschlüsse 40 und 42 des Schaltventile 28 miteinander verbunden sind. Gleiches gilt für das Schaltventil 30 und die aktorseitigen Anschlüsse 48 und 50. Auf diese Weise sind in der jeweiligen Grundstellung a die Arbeitsleitungen 6, 8 des ersten Aktors 2 und die Arbeitsleitungen 10, 12 des ersten Aktors 4 jeweils in geschlossenem Kreis verbunden. Wie auch im vorherigen Ausführungsbeispiel wird das mögliche Pendelvolumen über die Speisedruckleitung 58 und den Hydrospeicher 60 kompensiert. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hält die zweite Hydromaschine 22 durch die drehzahlvariable Druckregelung mittels der Leistungselektronik 64 den Druck in der Druckleitung 66 und dem Hydrospeicher 68 konstant. Dieser Druck liegt zwischen dem Druckniveau des oder der Lastdrücke der ersten Aktoren 2, 4 und dem Speisedruck in der Speisedruckleitung 58.
Wird nun beispielsweise die maximale elektrische Leistung der ersten Elektromaschine 20 erreicht und die hydraulische Leistungsanforderung des oder der ersten Aktoren 2, 4 liegt höher, so wird eine der beiden ersten Hydromaschinen 14, 16, insbesondere diejenige, die die höhere hydraulische Leistungsanforderung aufweist, mittels einem der beiden 4/2-Schaltventile 28, 30 zur Steuerung im offenen hydraulischen Kreis umgeschaltet. Dies erfolgt über die Schaltstellung b. Für den Fall, dass beide Schaltventile 28, 30 derart geschaltet werden, sind dann die Hydromaschinen 14, 16 an ihren Pumpenanschlüssen 36, 44, also „saugseitig“, mit dem Druck aus dem Hydrospeicher 68 belastet, so dass die von Ihnen geforderte hydraulische Leistung zum Erreichen des Lastdrucks des ersten Aktors 2, 4 reduziert ist, da aufgrund der geringeren Druckdifferenz über die jeweils erste Hydromaschine 14, 16 sich an der ersten Hydromaschine 14, 16 auch das Drehmoment verringert. Gemäß der Schaltstellung b ist dann die jeweilige Ablaufseite des ersten Aktors 2, bzw. 4 über den jeweiligen Pumpenanschluss 38, bzw. 46 mit der Speisedruckleitung 58 und dem Hydrospeicher 60 verbunden.
Im Falle einer an einem oder beiden der ersten Aktoren 2, 4 wirkenden aktiven Last kann zur Energierückgewinnung das oder die Schaltventile 28, 30 in die Schaltstellung b geschaltet werden, wodurch nicht mehr die gesamte hydraulisch zurückgewinnbare Energie hydraulisch-mechanisch gewandelt wird, sondern teilweise hydraulisch im Hydrospeicher 68 (Mitteldruckspeicher) gespeichert oder direkt über die Druckleitung 66 zum jeweils anderen ersten Aktor 2, bzw. 4 gespeist werden kann. Auch dadurch reduzieren sich Wandlungsverluste und die Energieeffizienz steigt.
Die in 2 gezeigte Antriebseinheit 101 ermöglicht aufgrund der Ventileinrichtung 26 (Schaltventile 28, 30) die Umschaltung vom jeweils geschlossenen hydraulischen Kreis in den offenen hydraulischen Kreis bei einer festen Lastseite der ersten Aktoren 2, 4. Soll hingegen diese Umschaltung für beide Kraftrichtungen der ersten Aktoren 2, 4 ermöglicht werden, so muss das jeweilige Schaltventil 28, 30 modifiziert ausgestaltet sein.
Ein derartiges, als 6/3-Schaltventil ausgestaltetes Ventil zeigt 3. Es hat die aktorseitigen Arbeitsanschlüsse 40 (A), 42 (B) und die zur zweiten Hydromaschine 22 gewandten Pumpenanschlüsse 36 (p_A ) und 38 (p_B ). Das Schaltventil 128 hat eine federzentrierte Grundstellung a und zwei schaltbare Endstellungen b_A und b_B . Wie bereits erwähnt ist die für beide Kraftrichtungen der ersten Aktoren 2, 4 ausgelegte zweite Hydromaschine 22 in beiden Richtungen betreibbar. In der Grundstellung a sind die Pumpenleitungen p_A und p_B der zweiten Hydromaschine 22 mit den Arbeitsanschlüssen 40, 42 und bzw. (A), (B) verbunden. Die mit dem Pumpenanschluss 36 verbundene Druckleitung 66 (Mitteldruckleitung) und die mit dem Pumpenanschluss 38 verbundene Speiseleitung 58 sind in der Grundstellung a verschlossen. Je nach Kraftrichtung des ersten Aktors 2 wird entweder die linke Schaltstellung b_A oder die rechte Schaltstellung b_B geschaltet. Dabei wird jeweils die lastnahe Seite der zweiten Hydromaschine 22 mit der Lastseite verbunden. In der Schaltstellung b_A wird somit p_A mit 36 verbunden, in der Schaltstellung b_B wird p_B mit 36 verbunden. Der jeweils lastfreie Anschluss des ersten Aktors 2 wird dann in der jeweiligen Schaltstellung b_A , b_B mit der Speisedruckleitung 58, bzw. mit dem Pumpenanschluss 38 verbunden. Ist der erste Aktor 2 beispielsweise ein Zylinder eines Auslegers der mobilen Arbeitsmaschine, so kann er bei geringer Last im geschlossenen Kreis bewegt werden und bei hoher Last im offenen Kreis. Bei hoher Last und geänderter Kraftrichtung, wenn beispielsweise der Baggerarm auf den Boden gedrückt wird, so dass der Bagger vorne abhebt, kann im offenen Kreis eine hohe Leistungsversorgung sichergestellt werden.
Das System zur Umschaltung im offenen Kreis gemäß den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 sollte nur eingesetzt werden, wenn währenddessen keine Lastwechsel am ersten Aktoren zu erwarten sind. Ein hierfür charakteristischer erster Aktor ist beispielsweise der Auslegerzylinder eines Baggers.
Offenbart ist eine elektrisch-hydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, mit hydraulischen Aktoren zum Anlenken von Tragwerken und/oder Werkzeugen der Arbeitsmaschine. Wenigstens einem der Aktoren ist eine von einer ersten Elektromaschine angetriebene erste Hydromaschine eindeutig zugeordnet, über die der Aktor durch Verdrängersteuerung, das heißt ohne Drosselung, allein durch Steuerung der Drehzahl und/oder des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine, mit Druckmittel versorgbar ist. Um eine anforderungsgerechte Druckmittelversorgung auch oberhalb einer Leistungsschwelle der ersten Elektromaschine zu gewährleisten, ist eine zuschaltbare Einheit aus zweiter Elektromaschine mit davon angetriebener zweiter Hydromaschine vorgesehen. Die Zuschaltung kann derart sein, dass die Druckmittelvolumenströme der beiden Hydromaschine und/oder deren Druckdifferenzen summierbar sind.
Offenbart ist des Weiteren eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Bagger, mit einer derartigen Antriebseinheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 106284475 A [0004]

Claims

Elektrisch-hydraulische Antriebseinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Baumaschine, mit ersten hydraulischen Aktoren (2, 4), die zu ihrer Druckmittelversorgung jeweils mit einer ersten Hydromaschine (14, 16) fluidisch verbunden sind, die wiederum mit einer ersten Elektromaschine (20) der Antriebseinheit (1; 101) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei wenigstens einer der ersten Aktoren (2, 4) über eine Verdrängungsvolumen-Verstellung der ersten Hydromaschine (14, 16), mit der er verbunden ist, und/oder über eine Drehzahl-Verstellung der koppelbaren oder gekoppelten ersten Elektromaschine, orientiert an einer hydraulischen Leistungsanforderung des wenigstens einen ersten Aktors (2, 4), mit Druckmittel versorgbar ist, und mit einer zweiten Hydromaschine (22), die wiederum mit einer zweiten Elektromaschine (24) der Antriebseinheit (1; 101) koppelbar oder gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Summiereinrichtung (26, 28, 30; 128) vorgesehen ist, über die in Abhängigkeit der hydraulischen Leistungsanforderung eine hydraulische Leistung der zweiten Hydromaschine (22) mit einer hydraulischen Leistung der ersten Hydromaschine (20), die mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbunden ist, summierbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei eine hydraulische Nennleistung einer Einheit aus erster Hydromaschine (14, 16), die mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbunden ist, und gekoppelter erster Elektromaschine (20), kleiner ist, als eine maximale hydraulische Leistungsanforderung des einen ersten Aktors (2, 4) oder der ersten Aktoren (2, 4).
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine hydraulische Nennleistung einer Einheit aus zweiter Hydromaschine (22) und gekoppelter zweiter Elektromaschine (24) kleiner ist, als eine maximale hydraulische Leistungsanforderung des einen ersten Aktors (2, 4) oder der ersten Aktoren (2, 4).
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydraulische Summiereinrichtung (26) eine Ventileinrichtung (28, 30; 128) ist, über die zur Leistungssummierung eine fluidische Verbindung der zweiten Hydromaschine (22) mit der ersten Hydromaschine (14, 16), die mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbunden ist, ausbildbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 4, wobei die fluidische Verbindung der ersten (14, 16) und zweiten Hydromaschine (22) in Reihe ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 5, wobei über die Ventileinrichtung (28, 30; 128) ein Niederdruckraum der ersten Hydromaschine (14, 16), die mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbunden ist, mit einem Hochdruckraum der zweiten Hydromaschine (22) verbindbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 4, wobei die fluidische Verbindung der ersten (14, 16) und zweiten Hydromaschine (22) parallel ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, wobei über die Ventileinrichtung (28, 30) ein Hochdruckraum der ersten Hydromaschine (14, 16), die mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbunden ist, mit einem Hochdruckraum der zweiten Hydromaschine (22) verbindbar ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer dritten Hydromaschine (51), insbesondere einer Speisepumpe, die mit einer Antriebsmaschine (52), insbesondere einer dritten Elektromaschine, koppelbar oder gekoppelt ist, wobei ein Hochdruckraum der dritten Hydromaschine (51) mit einem Niederdruckraum oder einer Niederdruckleitung (6, 8, 10, 12) wenigstens des einen ersten Aktors (2, 4) fluidisch verbindbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 9, wobei die dritte Hydromaschine (51) mit der zweiten Hydromaschine (22) fluidisch in Reihe geschaltet ist, oder wobei die dritte Hydromaschine (51) mit der ersten Hydromaschine (14, 16), die dem einen ersten Aktor (2, 4) zugeordnet ist, fluidisch in Reihe geschaltet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten hydraulischen Aktor, der mit der zweiten Hydromaschine zu dessen Druckmittelversorgung fluidisch verbunden ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 11, wobei ein gleichzeitiger Betrieb des zweiten Aktors mit dem einen ersten Aktor oder mit den ersten Aktoren selten oder, insbesondere über die Steuereinrichtung, verhinderbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 4 oder einem darauf rückbezogenen Anspruch, die (1) derart ausgestaltet ist, dass die zweite Hydromaschine (22) mit der mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbundenen ersten Hydromaschine (14, 16) über die Ventileinrichtung (26) fluidisch parallel zuschaltbar ist, oder die (101) derart ausgestaltet ist, dass zweite Hydromaschine (22) zur mit dem einen ersten Aktor (2, 4) fluidisch verbundenen ersten Hydromaschine (14, 16) über die Ventileinrichtung (26) fluidisch in Reihe zuschaltbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 13, wobei die zweite Hydromaschine über die Ventileinrichtung in nur einer Kraftrichtung oder in beiden Kraftrichtungen des einen ersten Aktors zuschaltbar ist.
Mobile Arbeitsmaschine mit einer elektrisch-hydraulischen Antriebseinheit, die gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, wobei mit den Aktoren jeweils ein Ausleger, Stiel, Löffel, eine Schaufel, ein Oberwagen, Unterwagen und/oder ein Fahrabtrieb, oder dergleichen, gekoppelt ist.