DE102019203721B4

DE102019203721B4 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102019203721B4
Application number: DE102019203721.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Legner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN113597382A; DE102019203721A1; US11878675B2; WO2020187962A1; US20220153255A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) einer Arbeitsmaschine, wobei ein Fahrantrieb (8) des Antriebsstrangs (1) über ein Fahrgetriebe (4) von einem elektrischer Fahrmotor (2) angetrieben wird, wobei bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes (8) eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors (2) auf die einzulegende Gangstufe erfolgt und wobei für die Drehzahlsynchronisation ein rechnerisches Modell des Fahrmotors (2) herangezogen wird, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors (2) ein für die Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsantrieb (9) des Antriebsstrangs (1) über ein Arbeitsgetriebe (5) von einem elektrischen Arbeitsmotor (3) angetrieben wird, wobei eine Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb hergestellt wird, so dass der Fahrantrieb (8) vom Arbeitsmotor (3) unterstützend angetrieben wird und dass der Fahrantrieb (8) vom Arbeitsmotor (3) immer dann unterstützend angetrieben wird, wenn sich dadurch gegenüber dem ausschließlichen Antrieb des Fahrantriebs (8) durch den Fahrmotor (2) eine Verbesserung eines Gesamtwirkungsgrads des Antriebsstrangs (1) erzielen lässt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder auch Bagger, bekannt. Diese elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen für ihre Energieversorgung ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. einen elektrischen Akkumulator, oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator, üblicherweise in Verbindung mit einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor wird von einer Batterie bzw. einem Akkumulator gespeist und übernimmt hier typischerweise eine sog. Boost-Funktion.
Ebenfalls bekannt sind lastschaltbare Getriebe für Arbeitsmaschinen, bei denen während eines Schaltvorgangs eine Drehzahlsynchronisierung zwischen der Drehzahl eines Antriebsaggregats und der Drehzahl einer einzulegenden Gangstufe erfolgt. Bei einem Hochschaltvorgang wird die Drehzahl des Antriebsaggregats entsprechend reduziert, bei einem Herunterschaltvorgang entsprechend erhöht.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 20 2014 000 738 U1 einen rein elektromotorisch angetriebener Radlader, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist.
Aus der EP 0 962 597 A2 ist eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine bekannt, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und für den Arbeitsantrieb einen weiteren Elektromotor aufweist. Die zwei Elektromotoren für den Fahrantrieb sind in die Vorderachse integriert, wobei jeder der zwei Elektromotoren ein Rad antreibt.
Die DE 695 22 797 T2 offenbart ein Gangschalt-Regelverfahren für ein Elektrokraftfahrzeug mit einem Gaspedal zum Steuern eines Antriebsmotors, mit einem zwischen dem Motor und den Antriebsrädern angeordneten Getriebe mit mehreren Übersetzungen und mit einer Gangschalt-Regeleinrichtung für die Abgabe eines Gangstellungs-Wechselsignals bzw. entsprechend einem Fahrzeugfahrtzustand. In einem ersten Schritt erfolgt bei Abgabe eines Gangstellungs-Wechselsignals durch die Gangschalt-Regeleinrichtung eine Änderung des Modus der Ausgangsdrehmomentregelung des Motors dahingehend, dass ein Drehmoment des Motors nicht mehr abhängig von einer Stellung des Gaspedals erfolgt, sondern nach Maßgabe einer erforderlichen Drehzahlsynchronisation erfolgt. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Berechnen einer zur Synchronisation erforderlichen Motorsolldrehzahl basierend auf einer Fahrzeuggeschwindigkeit sowie eine entsprechende Ansteuerung des Motors, um die erforderliche Motorsolldrehzahl zu erreichen. Im dritten Schritt wird das Getriebe geschaltet. Im vierten Schritt wird das Ausgangsdrehmoment wieder auf eine dem Gaspedal entsprechende Stellung zurückgesetzt.
Aus der DE 10 2017 004 006 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Arbeitsfahrzeug bekannt, mit einem Elektromotor mit einer Motorwelle und einem Motorgehäuse und mit einem Getriebe mit einem Getriebegehäuse. Das Getriebe weist eine Ausgangswelle auf, deren Drehachse mit der Drehachse von wenigstens einer Komponente einer Antriebswelle des Arbeitsfahrzeugs fluchtet. Die Ausgangswelle ist dazu ausgebildet, dass an ihr die Komponente der Antriebswelle ankoppelbar ist, wobei das Getriebegehäuse und das Motorgehäuse zu einer baulichen Einheit verbunden sind.
Die DE 10 2004 026 039 A1 beschreibt eine Antriebsachse mit einem Elektromotor, einem koaxial dazu angeordneten Differentialgetriebe eines Fahrantriebs und einem Planetengetriebe, das zwischen den Elektromotor und das Differentialgetriebe geschaltet ist. Um den Bauaufwand der Antriebsachse zu verringern, ist der Elektromotor mittels einer in Wirkverbindung mit dem Planetengetriebe stehenden Kupplungseinrichtung mit dem Fahrantrieb bzw. einem Arbeitsantrieb in Antriebsverbindung bringbar. Dadurch kann der Elektromotor alternativ oder zusätzlich zum Fahrantrieb einen Arbeitsantrieb speisen.
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass eine Drehzahlsynchronisation der beteiligten Gangstufen bei einem Schaltvorgang gegenüber einem identischen Vorgang bei einer verbrennergetriebenen Arbeitsmaschine erschwert ist. Die Ursache hierfür liegt einerseits im vergleichsweise größeren Trägheitsmoment eines Elektromotors gegenüber einem Verbrennungsmotor, sowie andererseits im vergleichsweise größeren Drehzahlspektrums des Elektromotors, wodurch auch entsprechend höhere auszugleichende Differenzdrehzahlen vorliegen können. Dies macht üblicherweise eine entsprechend größere und leistungsstärkere Auslegung der Kupplungen in elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen notwendig, um eine unerwünschte zeitliche Verlängerung des Synchronisationsvorgangs und damit des Schaltvorgangs zu vermeiden. Eine solche vergleichsweise größere und leistungsstärkere Auslegung der Kupplung erfordert jedoch einen erhöhten Bauraumbedarf und führt zu einem erhöhten Gewicht sowie erhöhten Herstellungskosten. Weiterhin weisen vergleichsweise größere Kupplungen auch vergleichsweise größere Schleppmomente und Reibungsverluste auf.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine, wobei ein Fahrantrieb des Antriebsstrangs über ein Fahrgetriebe von einem elektrischer Fahrmotor angetrieben wird und wobei bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors auf die einzulegende Gangstufe erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass für die Drehzahlsynchronisation ein rechnerisches Modell des Fahrmotors herangezogen wird, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors ein für die Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt.
Bei einem Gangstufenwechsel aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe muss der Fahrmotor über die zeitliche Dauer des Gangstufenwechsel, welche typischerweise weniger als 1 s beträgt, seine Drehzahl auf die Drehzahl der höheren Gangstufe reduzieren. Umgekehrt muss der Fahrmotor bei einem Gangstufenwechsel aus einer höheren in eine niedrigere Gangstufe seine Drehzahl auf die Drehzahl der niedrigeren Gangstufe erhöhen. Aufgrund der bereits erwähnten hohen möglichen Drehzahlen von Elektromotoren sowie aufgrund deren vergleichsweise großer Trägheitsmomente, können hier ggf. kurzfristig sehr hohe Drehmomente für die Drehzahlsynchronisation erforderlich werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun vorteilhaft eine Bestimmung des aufzubringenden Drehmoments zu Beginn des Gangstufenwechsels und bereits vor der Durchführung der Drehzahlsynchronisation. Im Gegensatz zu verbrennergetriebenen Antriebssträngen kann das für die Drehzahlsynchronisation aufzubringende Drehmoment bei elektrischen Antriebssträngen nämlich derart groß sein, dass es über die für gewöhnlich vorgesehenen Kupplungen alleine nicht mehr bereit gestellt werden kann. Um auch für diesen Fall auf überdimensionierte, besonders leistungsstarke und damit teure Kupplungen verzichten zu können, müssen bedarfsweise zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. Indem das Modell vorab das aufzubringende Drehmoment bestimmt, können die ggf. notwendigen zusätzlichen Maßnahmen im Voraus geplant und vorbereitet und schließlich durchgeführt werden. Die Bestimmung erfolgt dabei über ein rechnerisches Modell des Fahrmotors, welches den Fahrmotor und dessen Inertialmoment rechnerisch, d.h. anhand mathematischer Formeln und physikalischer Zusammenhänge, berücksichtigt. Beispielsweise kann die Drehzahlsynchronisation über eine Bestromung des Fahrmotors in Vorwärtsrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung erfolgen, welche ein zusätzliches Drehmoment in Vorwärtsrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung entsprechend erzeugt.
Das rechnerische Modell wird bevorzugt von einer dazu ausgebildeten Steuereinheit mit den dazu notwendigen Rechenmitteln, wie einem Mikroprozessor und einem elektronischen Speicher, ausgeführt.
Das Modell kann sowohl permanent, also in jeder Betriebssituation, die aufzubringenden Drehmomente für die Drehzahlsynchronisation in benachbarte Gangstufe bestimmen als auch jeweils nur bei Einleiten des Gangstufenwechsels das aufzubringende Drehmoment von der eingelegten Gangstufe in die einzulegende Gangstufe bestimmen.
Anstelle der Bestimmung des aufzubringenden Drehmoments kann das Modell auch eine aufzubringende Winkelbeschleunigung, eine aufzubringende Leistung oder eine aufzubringende Energie bestimmen. Diese Größen stellen lediglich wirkungsgleiche Äquivalente zur Bestimmung des aufzubringenden Drehmoments dar, welche sich über bekannte formelmäßige Zusammenhänge sowie spezifische Eigenschaften des Fahrmotors bzw. des Antriebstrangs errechnen lassen.
Denkbar und bevorzugt ist auch nicht nur das Bereitstellen eines elektrischen Fahrmotors, sondern auch mehrerer elektrischer Fahrmotoren, die z.B. über ein Summiergetriebe miteinander gekoppelt sein können oder über jeweils einzelne Triebanbindungen trieblich lösbar mit dem Fahrgetriebe verbunden sein können.
Bevorzugt weist das Fahrgetriebe eine Vielzahl von als Vorwärtsgänge und mindestens eine als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufe auf. Besonders bevorzugt entspricht die Zahl der Vorwärtsgänge der Zahl der Rückwärtsgänge. Aufgrund der Fähigkeit von Elektromotoren, ihre Drehrichtung zu ändern, ist das Bereitstellen eines oder mehrerer Rückwärtsgänge allerdings nicht immer erforderlich.
Sämtliche oder zumindest einige Gangstufen des Fahrgetriebes sind bevorzugt lastschaltbar ausgeführt. Dadurch eignet sich der beschriebene Antriebsstrang, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, besonders gut zur Verwendung in einer Arbeitsmaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Drehzahlsynchronisation nach Maßgabe des Modells durch eine Bestromung des Fahrmotors oder durch einen Generatorbetrieb des Fahrmotors unterstützt wird. D.h. also, dass nach Maßgabe des Modells durch die Bestromung bzw. durch den Generatorbetrieb ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht wird. Dadurch kann die für gewöhnlich über Reibarbeit in der Kupplung bewirkte Drehzahlsynchronisation vorteilhaft unterstützt werden. Die Bestromung kann dabei sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung erfolgen und dementsprechend als ein beschleunigendes oder ein bremsendes Drehmoment auf den Fahrmotor einwirken. Der Generatorbetrieb erzeugt in jedem Fall ein bremsendes Drehmoment.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, , dass das Modell eine über eine Dauer des Gangstufenwechsels abnehmende Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung des eingelegten Gangs und eine über die Dauer des Gangstufenwechsels zunehmende Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung des einzulegenden Gangs berücksichtigt. Während des Gangstufenwechsels wird nämlich der Druck in der Kupplung des eingelegten Gangs reduziert, so dass sich deren Fähigkeit zur Drehmomentübertragung reduziert. Dementsprechend schwächer wird ein vom Fahrantrieb über die Kupplung des eingelegten Gangs auf den Fahrmotor wirkendes Drehmoment. Umgekehrt wird während des Gangstufenwechsels der Druck in der Kupplung des einzulegenden Gangs erhöht, so dass sich deren Fähigkeit zur Drehmomentübertragung über die Dauer des Gangstufenwechsels erhöht. Durch Berücksichtigung dieser Faktoren kann die Drehzahlsynchronisation schneller und präziser sowie feinfühliger durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das aufzubringende Drehmoment ein über die Dauer des Gangstufenwechsels vom Modell vorgebbarer Drehmomentverlauf ist. Indem das aufzubringende Drehmoment als über die Dauer des Gangstufenwechsels aufzubringender Drehmomentverlauf beschrieben wird, kann der Gangstufenwechsel nochmals feinfühliger und insbesondere für einen Fahrer bzw. Bediener der Arbeitsmaschine komfortabler durchgeführt werden. Beispielsweise kann zu Beginn des Gangstufenwechsels ein vergleichsweise geringes Drehmoment aufgebracht werden, welches im weiteren Verlauf des Gangstufenwechsels zunimmt und zum Ende des Gangstufenwechsels schließlich wieder reduziert wird. Abrupte Sprünge im Drehmoment werden dadurch vermieden. Zu beachten ist nur, dass über den Gesamtdrehwinkel des Fahrmotors während des Gangschaltwechsels integrierte Drehmomentverlauf die zur Drehzahlsynchronisation insgesamt benötigte Energie bereit stellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Drehmomentverlauf nach Maßgabe einer vorgebbaren Drehzahlrampe ausgeführt wird. Beispielsweise kann das Modell eine Drehzahlrampe bestimmen, deren Anfangsdrehzahl die Drehzahl der eingelegten Gangstufe ist und deren Enddrehzahl die Drehzahl der einzulegenden Gangstufe ist. Die Drehzahlrampe muss dabei nicht durchgehend linear sein sondern kann stärker und schwächer abfallende bzw. ansteigende lineare Rampenabschnitte aufweisen. Dadurch kann die Drehzahlsynchronisation auf einfache Weise vergleichsweise feinfühlig erreicht werden.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Enddrehmoment des Drehmomentverlaufs derart vorgegeben wird, dass bei abgeschlossenem Gangstufenwechsel unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses der einzulegenden Gangstufe zu einem Übersetzungsverhältnis der eingelegten Gangstufe an einem Abtrieb des Fahrgetriebes dasselbe Abtriebsdrehmoment bereitgestellt wird wie vor dem Gangstufenwechsel. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Gangstufenwechsel insbesondere an seinem Beginn und an seinem Ende für den Fahrer bzw. den Bediener der Arbeitsmaschine möglichst komfortabel erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass dem Modell Getriebedrehzahlen der eingelegten Gangstufe und/oder Getriebedrehzahlen der einzulegenden Gangstufe und/oder Raddrehzahlen der Arbeitsmaschine und/oder Abtriebsdrehzahlen des Fahrgetriebes und/oder Abtriebsdrehmomente des Fahrgetriebes und/oder eine Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung einer eingelegten Gangstufe und/oder eine Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung der eingelegten Gangstufe zugeführt werden. Diese Informationen können dabei entweder sensorisch erfasst werden oder rechnerisch ermittelt werden, wobei sie insbesondere teilweise sensorisch erfasst werden und anhand der sensorisch erfassten Informationen andere Informationen rechnerisch ermittelt werden. Durch das Zuführen dieser Informationen an das Modell und insbesondere durch das Berücksichtigen dieser Informationen durch das Modell kann das Modell weitgehend optimal das aufzubringende Drehmoment, insbesondere den aufzubringenden Drehmomentverlauf bestimmen. Beispielsweise kann das Abtriebsdrehmoment am Fahrgetriebe dazu verwendet werden, den Drehmomentverlauf derart vorzugeben, dass nach dem Gangstufenwechsel wieder das gleiche Abtriebsdrehmoment am Fahrgetriebe ausgegeben wird wie vor dem Gangstufenwechsel.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Arbeitsantrieb des Antriebsstrangs über ein Arbeitsgetriebe von einem elektrischen Arbeitsmotor angetrieben wird, wobei eine Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb hergestellt wird, so dass der Fahrantrieb vom Arbeitsmotor unterstützend angetrieben wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass dem Fahrantrieb zusätzliche Antriebsleistung vom Arbeitsmotor zugeführt werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine kompaktere, leichtgewichtigere und kostengünstigere, dabei aber auch leistungsschwächere Auslegung des Fahrmotors. Die leistungsschwächere Auslegung des Fahrmotors führt dabei jedoch nicht unbedingt zu einem Nachteil, da der Fahrantrieb bedarfsweise vom Arbeitsmotor unterstützend angetrieben werden kann. Somit steht, soweit erforderlich, die kombinierte Leistung des Fahrmotors und des Arbeitsmotors für den Fahrantrieb zur Verfügung. Die kompaktere und leichtgewichtigere Auslegung hingegen führt zu dem weiteren Vorteil, dass das Inertialmoment des Fahrmotors deutlich reduziert werden kann. Das Inertialmoment eines im Wesentlichen zylinderförmigen Elektromotors ist nämlich geprägt durch das Quadrat seines Zylinderradiusses, weshalb bereits eine geringfügige Bauraumreduzierung zu einer vergleichsweise großen Reduzierung des Inertialmoments führt. Dies vereinfacht wiederum die Drehzahlsynchronisation bei Gangstufenwechseln. Sofern auch eine Drehzahlsynchronisation des Arbeitsmotors notwendig ist, wird bevorzugt auch der Arbeitsmotor und dessen Eigenschaften, insbesondere auch dessen Inertialmoment, vom Modell berücksichtigt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Fahrantrieb vom Arbeitsmotor immer dann unterstützend angetrieben wird, wenn sich dadurch gegenüber dem ausschließlichen Antrieb des Fahrantriebs durch den Fahrmotor eine Verbesserung eines Gesamtwirkungsgrads des Antriebsstrangs erzielen lässt. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Energiebedarfs der Arbeitsmaschine insgesamt und damit eine Verlängerung von deren Betriebsdauer, bevor ein Ladevorgang notwendig wird. Das wiederum bedeutet eine Reduzierung von CO₂-Emissionen, da die Elektrizität für einen Ladevorgang zu einem gewissen Anteil typischerweise immer noch durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Belastung des Fahrmotors reduziert werden kann, da dieser weniger oft in einem Hochlastbetrieb betrieben wird. Im Gegenzug wird zwar der Arbeitsmotor höher belastet, jedoch bringt ein Betrieb in einem mittleren Lastbereich sowohl des Fahrmotors als auch des Arbeitsmotors insgesamt einen deutlich geringeren Verschleiß mit sich als ein Hochlastbetrieb ausschließlich des Fahrmotors.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Fahrantrieb jedoch dann nicht vom Arbeitsmotor angetrieben wird, wenn der Arbeitsmotor mehr als eine vom Arbeitsantrieb angeforderte Schwellenarbeitsleistung bereitstellen muss. Dadurch wird gewährleistet, dass dem Arbeitsantrieb stets zuverlässig die zu seinem Betrieb erforderliche mechanische Leistung bereitgestellt werden kann. Ein plötzlicher und insbesondere für den Bediener der Arbeitsmaschine unerwarteter Leistungseinbruch des Arbeitsantriebs kann somit vermieden werden. Ein derartiger unerwarteter Leistungseinbruch könnte ansonsten zum Auftreten einer Gefahrensituation führen, beispielsweise wenn eine vom Arbeitsantrieb betriebene Hebevorrichtung der Arbeitsmaschine die zum Halten einer angehobenen Last notwendige Arbeitsleistung nicht mehr erhält.
Die Schwellenleistung kann z.B. fest vorgegeben sein und beispielsweise 15 % der Maximalleistung des Arbeitsmotors betragen. Besonders bevorzugt ist die Schwellenleistung aber abhängig von Betriebsparametern des Arbeitsantriebs, z.B. von der Drehzahl und dem Drehmoment einer hydraulischen Pumpe des Arbeitsantriebs.
Dem vollständigen Entsprechen der Anforderung der Arbeitsleistung des Arbeitsantriebs durch den Arbeitsmotor kommt insbesondere dann Bedeutung zu, wenn gleichermaßen vom Fahrantrieb wie auch vom Arbeitsantrieb vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen gestellt werden, welche vom Arbeitsmotor in Summe jedoch nicht mehr bereitgestellt werden können. Spätestens wenn also die angeforderte Gesamtleistung die vom Arbeitsmotor maximal bereitstellbare Leistung übersteigt, wird zunächst die Anforderung des Arbeitsantriebs vollständig erfüllt. Eine verbleibende, noch bereitstellbare Restleitung des Arbeitsmotors kann dann dem Fahrantrieb zur Verfügung gestellt werden.
Insbesondere ist es jedoch vorgesehen, dass der Arbeitsmotor zu jeder Zeit den Arbeitsantrieb zumindest insoweit antreibt, dass eine Druckölversorgung der Kupplungen des Fahrgetriebes und des Arbeitsgetriebes sowie eine Schmierölversorgung des Fahrgetriebes und des Arbeitsgetriebes gewährleistet sind. Bevorzugt ist der Arbeitsmotor dazu über eine starre, nicht lösbare mechanische Triebverbindung mit den entsprechenden Pumpen gekoppelt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb eine vom Arbeitsmotor antreibbare hydraulische Pumpe mit einer stellbaren Kolbenhubhöhe umfasst, wobei zunächst die Kolbenhubhöhe vergrößert wird und dann erst eine Drehzahl des Arbeitsmotors erhöht wird, um die vom Arbeitsantrieb angeforderte Arbeitsleistung bereitzustellen. Dies eignet sich besonders vorteilhaft, wenn die hydraulische Pumpe als sog. verstellbare Axialkolbenpumpe ausgebildet ist. Über die Kolbenhubhöhe kann das Hubvolumen der hydraulischen Pumpe gesteuert bzw. geregelt werden. Eine Vergrößerung der Kolbenhubhöhe führt dabei zur Erzeugung einer vergleichsweise großen hydraulischen Leistung während eine geringe Kolbenhubhöhe entsprechend zu einer vergleichsweise geringen hydraulischen Leistung führt. Für gewöhnlich weist die Pumpe ihren maximalen Wirkungsgrad bei Einstellung ihrer maximalen Kolbenhubhöhe auf. Neben einem größtmöglichen Wirkungsgrad ergibt sich daraus der weitere Vorteil, dass eine Drehzahl der hydraulischen Pumpe entsprechend der verstellbaren Kolbenhubhöhe von der Drehzahl des Arbeitsmotors entkoppelt werden kann.
Besonders bevorzugt wird eine Kolbenhubhöhe derart an die angeforderte Arbeitsleistung angepasst, dass der Arbeitsmotor und die hydraulische Pumpe gemeinsam einen größtmöglichen Wirkungsgrad aufweisen. D.h. also, dass zum Erreichen eines bestimmten Betriebspunkts des Arbeitsantriebs eine Kombination aus Drehzahl und Kolbenhubhöhe der Pumpe derart ausgewählt wird, dass der Arbeitsantrieb die angeforderte Arbeitsleistung mit dem größtmöglichen gemeinsamen Wirkungsgrad bereitstellt. Die Wirkungsgrade des Arbeitsmotors und der Pumpe können z.B. aus einer in einem Speicher elektronisch abgelegten Kennlinie oder Tabelle ausgelesen werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Fahrantrieb mit einem elektrischen Fahrmotor und einem Fahrgetriebe sowie einen Arbeitsantrieb mit einem elektrischen Arbeitsmotor und einem Arbeitsgetriebe, wobei der Fahrantrieb über das Fahrgetriebe vom Fahrmotor antreibbar ist und wobei der Arbeitsantrieb über das Arbeitsgetriebe vom Arbeitsmotor antreibbar ist und wobei bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors auf die einzulegende Gangstufe erfolgt. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsstrang weiterhin eine elektronische Steuereinheit umfasst, welche dazu ausgebildet ist, ein rechnerisches Modell des Fahrmotors zu berechnen, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors ein für die Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst somit vorteilhaft alle notwendigen Vorrichtungen und Mittel, um das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können. Dies wiederum führt zu den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen.
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang weiterhin zur Ansteuerung bzw. Regelung der Drehzahl bzw. des Drehmoments bzw. der bereitzustellenden Leistung des Fahrmotors und des Arbeitsmotors jeweils eine eigene Leistungselektronik oder eine einzelne gemeinsame Leistungselektronik. Ebenso bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine elektronische Motorsteuereinheit, welche den Fahrmotor und den Arbeitsmotor über die jeweils eine eigene Leistungselektronik oder über die gemeinsame Leistungselektronik steuert bzw. regelt. Die Motorsteuereinheit kann mit der das Modell berechnenden Steuereinheit identisch sein bzw. baulich und funktional in diese integriert sein.
Das Fahrgetriebe bzw. das Arbeitsgetriebe können wahlweise in Planetenbauweise oder in Vorgelegebauweise ausgeführt sein und sowohl Stirnradstufen als auch beliebige andere Übersetzungsformen aufweisen.
Bevorzugt ist das Fahrgetriebe über alle Gangstufen lastschaltbar ausgebildet.
Bevorzugt ist das Arbeitsgetriebe über alle Gangstufen schaltbar ausgebildet, insbesondere auch lastschaltbar ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang eine Verbindungskupplung umfasst, über welche zwischen dem Fahrantrieb und dem Arbeitsantrieb eine Triebverbindung herstellbar ist. Dadurch wird es vorteilhaft ermöglicht, dass der Arbeitsmotor zumindest in ausgewählten Situationen den Fahrantrieb unterstützt. Umgekehrt ist in ausgewählten Situationen über die Triebverbindung aber auch eine Unterstützung des Arbeitsantriebs durch den Fahrmotor denkbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Triebverbindung vom Arbeitsantrieb zu einem Eingang des Fahrgetriebes führt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Arbeitsmotor den Fahrantrieb in allen Gangstufen des Fahrantriebs unterstützend antreiben kann.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Arbeitsmotor bzw. der Fahrmotor zum Rekuperieren von kinetischer Energie im Bremsbetrieb der Arbeitsmaschine ausgebildet sind. Durch die über die Verbindungskupplung zwischen Arbeitsantrieb und Fahrantrieb herstellbare Triebverbindung kann kinetische Energie nämlich vorteilhaft sowohl vom Arbeitsmotor wie auch vom Fahrmotor rekuperiert werden. Dazu umfasst der Antriebsstrang weiterhin vorteilhafterweise einen elektrischen Energiespeicher, dem die durch den Rekuperationsbetrieb zugeführte elektrische Energie zugeführt werden kann. Im Rekuperationsbetrieb arbeiten der Arbeitsmotor bzw. der Fahrmotor als Generatoren und wandeln mechanische, nämlich kinetische, Energie in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie kann dem elektrischen Energiespeicher später im Bedarfsfalle wieder entnommen werden, um den Arbeitsmotor bzw. der Fahrmotor zu versorgen. Zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher über ein Ladekabel oder eine sonstige geeignete Ladevorrichtung, beispielsweise eine Induktionsladevorrichtung, mit externer elektrischer Energie ladbar ist. Die Verwendung des Arbeitsmotors bzw. des Fahrmotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse, da während der Rekuperation ein Bremsmoment wirkt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader oder Traktor ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
2 beispielhaft und schematisch einen Gangstufenwechsel im Fahrantrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
3 beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
4 beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und
5 beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine in 1 nicht dargestellte Arbeitsmaschine. Der beispielhaft gezeigte Antriebstrang 1 umfasst einen elektrischen Fahrmotor 2 und einen elektrischen Arbeitsmotor 3 sowie ein Fahrgetriebe 4 und ein Arbeitsgetriebe 5. Sowohl das Fahrgetriebe 4 als auch das Arbeitsgetriebe 5 weisen jeweils eine Untersetzungsstufe 4', 5' auf, um eine Ausgangsdrehzahl des Arbeitsmotors 3 bzw. des Fahrmotors 2 herabzusetzen. Das Fahrgetriebe 4 weist weiterhin einen beispielsgemäß über drei Gangstufen lastschaltbaren Lastschaltteil 4" auf. Das Arbeitsgetriebe 5 hingegen weist weiterhin lediglich eine einzelne lastschaltbare Kupplung 5" auf. Eine Ausgangsdrehzahl des Fahrgetriebes 4 wird an einer Abtriebswelle 6 bereitgestellt. Eine Ausgangsdrehzahl des Arbeitsgetriebes 5 wird an einer Nebenabtriebswelle 7 bereitgestellt. Der Fahrmotor 2, das Fahrgetriebe 4 sowie die Abtriebswelle 6 sind beispielsgemäß einem Fahrantrieb 8 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet, wohingegen der Arbeitsmotor 3, das Arbeitsgetriebe 5 und die Nebenabtriebswelle 7 beispielsgemäß einen Arbeitsantrieb 9 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet sind. Die Kraftflussrichtungen im Arbeitsantrieb 9 und im Fahrantrieb 8 sind jeweils durch gestrichpunktete Pfeile dargestellt. Über eine Verbindungskupplung 10 ist zudem zwischen dem Arbeitsantrieb 9 und dem Fahrantrieb 8 eine Triebverbindung herstellbar. Wie zu sehen ist, verläuft die Triebverbindung von der lastschaltbare Kupplung 5" über die Verbindungskupplung 10 zum Fahrgetriebe 4, nämlich zum Eingang des Lastschaltteils 4". Dadurch wird es möglich, sämtliche Gangstufen des Fahrantriebs 8 unterstützend durch den Arbeitsantrieb 9 anzutreiben. Bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes 8 muss eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors 2 durchgeführt werden, um die Drehzahl des Fahrmotors 2 von der Drehzahl der aktuell eingelegten Gangstufe an die Drehzahl der einzulegenden Gangstufe anzupassen. Da der Fahrmotor 2 als Elektromotor ausgebildet ist und Elektromotoren ein vergleichsweise großes Inertialmoment aufweisen, wird zur Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors 2 ein rechnerisches Modell des Fahrmotors 2 herangezogen, wobei das Modell insbesondere das Inertialmoment des Fahrmotors 2 berücksichtigt. Anhand des Modell kann nun bestimmt werden, wie groß ein zur Drehzahlsynchronisation notwendigerweise aufzubringendes Drehmoment sein muss und über welchen Zeitraum es aufgebracht werden muss sowie ob dieses Drehmoment alleine über Reibung im Lastschaltteil 4" erzeugbar ist oder ob ggf. das Aufbringen eines zusätzlichen Drehmoments über eine Bestromung oder einen Generatorbetrieb des Fahrmotors 2 notwendig ist. Daher umfasst der Antriebsstrang 1 weiterhin auch eine elektronische Steuereinheit 11, welche dazu ausgebildet ist, das Modell zu berechnen
2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Gangstufenwechsel im Fahrantrieb 8 des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Beispielsgemäß handelt es sich um einen Gangstufenwechsel von einer eingelegten, höheren Gangstufe in eine einzulegende, niedrigere Gangstufe im Schubbetrieb der Arbeitsmaschine. Dargestellt ist dabei in Form eines Koordinatensystems ein Druckverlauf 20 in einer Kupplung einer eingelegten Gangstufe sowie ein Druckverlauf 21 in einer Kupplung einer einzulegenden Gangstufe. Ebenfalls zu sehen ist ein Drehzahlverlauf 23 des Fahrmotors 2. Die x-Achse stellt in 2 den Druck in den Kupplungen sowie die Drehzahl des Fahrmotors 2 dar. Die y-Achse die Zeit dar. Wie zu sehen ist, ist zu Beginn des Gangstufenwechsels der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe zunächst auf dem Fülldruck. Der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe ist hingegen zunächst null. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe rampenförmig reduziert, so dass die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung zwischen der Kupplung der eingelegten Gangstufe und dem Fahrmotor 2 abnimmt. Gleichzeitig wird der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe sprungartig erhöht, wodurch auch die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung zwischen der Kupplung der einzulegenden Gangstufe und dem Fahrmotor 2 sprungartig zunimmt. Zum Zeitpunkt t₂ wird der rampenförmige Druckabbau in der Kupplung der eingelegten Gangstufe angehalten. Bis zum Zeitpunkt t₃ wird der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe nun konstant gehalten. In der Kupplung der einzulegenden Gangstufe hingegen wird der Druck zum Zeitpunkt t₂ wieder reduziert und bis zum Zeitpunkt t₃ auf einem konstanten Niveau gehalten. Dies dient der Füllkompensation in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe. Ab dem Zeitpunkt t₃ wird der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe dann rampenförmig erhöht und der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe weiter rampenförmig reduziert, so dass der Druck zum Zeitpunkt t₄ in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe größer ist als der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe. Dementsprechend ist zum Zeitpunkt t₄ auch die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der einzulegenden Gangstufe größer als die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der eingelegten Gangstufe. Der Drehzahlverlauf 23 des Fahrmotors 2 war bis zum Zeitpunkt t₄ konstant. Da nun aber die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der einzulegenden Gangstufe größer ist als die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der eingelegten Gangstufe, beginnt hier die Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors 2. Die Drehzahl des Fahrmotors 2 erhöht sich alleine schon durch die Reibung mit der Kupplung der einzulegenden Gangstufe. Da beispielsgemäß für die Drehzahlsynchronisation ein rechnerisches Modell des Fahrmotors 2 herangezogen wird, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors 2 ein zur Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt, wird beispielsgemäß erkannt, dass alleine über Reibung nicht ausreichend Drehmoment zur Drehzahlsynchronisation aufgebracht werden kann. Dementsprechend findet beispielsgemäß ab dem Zeitpunkt t₄ zusätzlich eine Bestromung des Fahrmotors 2 in Vorwärtsrichtung statt, um durch das zusätzliche Drehmoment die Drehzahlsynchronisation zu beschleunigen und überhaupt erst innerhalb der notwendigen Zeit abschließen zu können. Bis zum Zeitpunkt t₅ wird nun der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe rampenartig langsam weiter erhöht, wodurch auch die Reibung zwischen Kupplung der einzulegenden Gangstufe und dem Fahrmotor 2 weiter zunimmt, was in Folge entsprechend eine Zunahme des aufgebrachten Drehmoments für die Drehzahlsynchronisation bewirkt. Deshalb wird beispielsgemäß das durch Bestromung zusätzlich aufgebrachte Drehmoment im gleichen Maße reduziert, wie das durch Reibung mit der Kupplung der einzulegenden Gangstufe erzeugte Drehmoment zunimmt. Somit erfolgt eine gleichmäßige Angleichung der Drehzahl bzw. ein vergleichsweise sanftes Erhöhen der Drehzahl bis zum Erreichen der Enddrehzahl. Der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe hingegen wird ab dem Zeitpunkt t₄ konstant gehalten. Zum Zeitpunkt t₅ ist die Drehzahlsynchronisation beispielsgemäß abgeschlossen. Der Fahrmotor 2 hat seine Enddrehzahl erreicht. Der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe wird dann auf null reduziert und der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe wird auf den Fülldruck erhöht. Zum Zeitpunkt t₆ ist der Gangstufenwechsel abgeschlossen.
3 zeigt beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb 8 des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Gegensatz zum in 2 gezeigten Gangstufenwechsel zeigt 3 jedoch einen Gangstufenwechsel von einer eingelegten, niedrigeren Gangstufe in eine einzulegende, höhere Gangstufe im Zugbetrieb der Arbeitsmaschine. Der Druckverlauf in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe 21 sowie der Druckverlauf in der Kupplung der eingelegten Gangstufe 20 sind dabei unverändert gegenüber der Darstellung der 2. Lediglich der Drehzahlverlauf 23 des Fahrmotors 2 unterscheidet sich vom Drehzahlverlauf 23 der 2 dahingehend, dass in 3 eine Drehzahlsynchronisation in Form einer Drehzahlreduzierung durchgeführt wird. Beispielsgemäß wird auch in 3 wieder für die Drehzahlsynchronisation das rechnerisches Modell des Fahrmotors 2 herangezogen, welches unter Berücksichtigung des Inertialmoments des Fahrmotors 2 ein zur Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt. Auch in diesem Fall wird beispielsgemäß erkannt, dass alleine über Reibung in der Kupplung der eizulegenden Gangstufe nicht ausreichend Drehmoment zur Drehzahlsynchronisation aufgebracht werden kann. Der Beginn der Drehzahlsynchronisation setzt wieder zum Zeitpunkt t₄ ein. Um die Drehzahlsynchronisation zu unterstützen, erfolgt auch gemäß 3 eine Bestromung des Fahrmotors 2, diesmal jedoch in Rückwärtsrichtung, da zur Drehzahlsynchronisation eine Drehzahlreduzierung notwendig ist. Entsprechend sinkt die Drehzahl des Fahrmotors 2 bis zum Abschluss der Drehzahlsynchronisation zum Zeitpunkt t₅ ab.
4 zeigt beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb 8 des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. 4 zeigt dabei einen Gangstufenwechsel von einer eingelegten, niedrigeren Gangstufe in eine einzulegende, höhere Gangstufe im Schubbetrieb der Arbeitsmaschine. Dargestellt ist in 4 der Drehzahlverlauf 23 des Fahrmotors 2, der Druckverlauf 20 in der Kupplung der eingelegten Gangstufe sowie der Druckverlauf 21 in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe. Wie zu sehen ist, ist zu Beginn des Gangstufenwechsels der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe auch hier zunächst auf dem Fülldruck. Der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe ist hingegen zunächst wieder null. Zum Zeitpunkt t₇ wird der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe rampenförmig reduziert, so dass die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung zwischen der Kupplung der eingelegten Gangstufe und dem Fahrmotor 2 abnimmt. Gleichzeitig wird der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe sprungartig erhöht, wodurch entsprechend auch die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung zwischen der Kupplung der einzulegenden Gangstufe und dem Fahrmotor 2 zunimmt. Bis zum Zeitpunkt ts wird der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe konstant gehalten, dann wird er sprungartig teilweise wieder reduziert, um eine Füllkompensation zu bewirken. Der rampenförmige Druckabbau in der Kupplung der eingelegten Gangstufe wird fortgesetzt bis zum Zeitpunkt t₉. Der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe wird währenddessen bis zum Zeitpunkt t₁₀ auf einem konstanten Niveau gehalten. Vom Zeitpunkt t₉ bis zum Zeitpunkt t₁₀ wird der rampenartige Druckabbau in der Kupplung der eingelegten Gangstufe fortgesetzt, jedoch nur verlangsamt. Zum Zeitpunkt t₁₀ erfolgt einerseits eine weitere Verlangsamung des Druckabbaus in der Kupplung der eingelegten Gangstufe und andererseits eine leichte Erhöhung mit anschließendem Konstanthalten des Drucks in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe. Ab dem Zeitpunkt t₁₀ erfolgt auch die Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors 2 in Form einer Drehzahlreduzierung. Beispielsgemäß wird auch in 4 wieder für die Drehzahlsynchronisation das rechnerisches Modell des Fahrmotors 2 herangezogen, welches unter Berücksichtigung des Inertialmoments des Fahrmotors 2 ein zur Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt. Auch in diesem Fall wird beispielsgemäß erkannt, dass alleine über Reibung nicht ausreichend Drehmoment zur Drehzahlsynchronisation aufgebracht werden kann. Die Drehzahlsynchronisation wird daher sowohl durch ein mittels Reibung zwischen dem Fahrmotor 2 und der Kupplung der einzulegenden Gangstufe aufgebrachtes Drehmoment bewirkt, als auch durch ein mittels Bestromung des Fahrmotors 2 aufgebrachtes Drehmoment bewirkt. Die Bestromung des Fahrmotors 2 erfolgt dabei in Rückwärtsrichtung, um die notwendige Drehzahlreduzierung zu beschleunigen. Zum Zeitpunkt t₁₁, wird die Drehzahlsynchronisation abgeschlossen und es erfolgt ein rampenartiger Anstieg des Drucks in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe sowie gleichzeitig ein rampenartiger Abfall des Drucks in der Kupplung der eingelegten Gangstufe. Da der Druck in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe nun den Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe übersteigt, übersteigt nun auch die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der einzulegenden Gangstufe die Fähigkeit zur Drehmomentübertragung der Kupplung der eingelegten Gangstufe. Zum Zeitpunkt t₁₂ wird der Druck in der Kupplung der eingelegten Gangstufe schließlich auf null reduziert und zum Zeitpunkt t₁₃ wird der Druck Kupplung der eingelegten Gangstufe schlussendlich sprungartig auf den Fülldruck erhöht. Damit ist der Gangstufenwechsel abgeschlossen.
5 zeigt beispielhaft und schematisch einen weiteren Gangstufenwechsel im Fahrantrieb 8 des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Gegensatz zum in 4 gezeigten Gangstufenwechsel zeigt 5 jedoch einen Gangstufenwechsel von einer eingelegten, höheren Gangstufe in eine einzulegende, niedrigere Gangstufe im Zugbetrieb der Arbeitsmaschine. Der Druckverlauf in der Kupplung der einzulegenden Gangstufe 21 sowie der Druckverlauf in der Kupplung der eingelegten Gangstufe 20 sind dabei unverändert gegenüber der Darstellung der 4. Lediglich der Drehzahlverlauf 23 des Fahrmotors 2 unterscheidet sich vom Drehzahlverlauf 23 der 4 dahingehend, dass in 5 eine Drehzahlsynchronisation in Form einer Drehzahlerhöhung durchgeführt wird. Beispielsgemäß wird auch in 5 für die Drehzahlsynchronisation das rechnerisches Modell des Fahrmotors 2 herangezogen, welches unter Berücksichtigung des Inertialmoments des Fahrmotors 2 ein zur Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt. Beispielsgemäß wird nach Maßgabe des Modells daher über eine Bestromung des Fahrmotors 2 in Vorwärtsrichtung ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht. Der Beginn der Drehzahlsynchronisation setzt dabei wieder zum Zeitpunkt t₁₀ ein. Entsprechend erhöht sich die Drehzahl des Fahrmotors 2 bis zum Abschluss der Drehzahlsynchronisation zum Zeitpunkt t₁₁.
Bezugszeichen

1: Antriebsstrang
2: elektrischer Fahrmotor
3: elektrischer Arbeitsmotor
4: Fahrgetriebe
4': Untersetzungsstufe
4": Lastschaltteil
5: Arbeitsgetriebe
5': Untersetzungsstufe
5": lastschaltbare Kupplung
6: Abtriebswelle
7: Nebenabtriebswelle
8: Fahrantrieb
9: Arbeitsantrieb
10: Verbindungskupplung
11: Steuereinheit
20: Druckverlauf in einer Kupplung einer eingelegten Gangstufe
21: Druckverlauf in einer Kupplung einer einzulegenden Gangstufe
23: Drehzahlverlauf
t1, t2, t3, t4, t5, t6: Zeitpunkt
t7, t8, t9, t10, t11: Zeitpunkt

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) einer Arbeitsmaschine, wobei ein Fahrantrieb (8) des Antriebsstrangs (1) über ein Fahrgetriebe (4) von einem elektrischer Fahrmotor (2) angetrieben wird, wobei bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes (8) eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors (2) auf die einzulegende Gangstufe erfolgt und wobei für die Drehzahlsynchronisation ein rechnerisches Modell des Fahrmotors (2) herangezogen wird, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors (2) ein für die Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsantrieb (9) des Antriebsstrangs (1) über ein Arbeitsgetriebe (5) von einem elektrischen Arbeitsmotor (3) angetrieben wird, wobei eine Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb hergestellt wird, so dass der Fahrantrieb (8) vom Arbeitsmotor (3) unterstützend angetrieben wird und dass der Fahrantrieb (8) vom Arbeitsmotor (3) immer dann unterstützend angetrieben wird, wenn sich dadurch gegenüber dem ausschließlichen Antrieb des Fahrantriebs (8) durch den Fahrmotor (2) eine Verbesserung eines Gesamtwirkungsgrads des Antriebsstrangs (1) erzielen lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlsynchronisation nach Maßgabe des Modells durch eine Bestromung des Fahrmotors (2) oder durch einen Generatorbetrieb des Fahrmotors (2) unterstützt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell eine über eine Dauer des Gangstufenwechsels abnehmende Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung des eingelegten Gangs und eine über die Dauer des Gangstufenwechsels zunehmende Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung des einzulegenden Gangs berücksichtigt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzubringende Drehmoment ein über die Dauer des Gangstufenwechsels vom Modell vorgebbarer Drehmomentverlauf ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentverlauf nach Maßgabe einer vorgebbaren Drehzahlrampe ausgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Enddrehmoment des Drehmomentverlaufs derart vorgegeben wird, dass bei abgeschlossenem Gangstufenwechsel unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses der einzulegenden Gangstufe zu einem Übersetzungsverhältnis der eingelegten Gangstufe an einem Abtrieb des Fahrgetriebes dasselbe Abtriebsdrehmoment bereitgestellt wird wie vor dem Gangstufenwechsel.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modell Getriebedrehzahlen der eingelegten Gangstufe und/oder Getriebedrehzahlen der einzulegenden Gangstufe und/oder Raddrehzahlen der Arbeitsmaschine und/oder Abtriebsdrehzahlen des Fahrgetriebes (8) und/oder Abtriebsdrehmomente des Fahrgetriebes (8) und/oder eine Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung einer eingelegten Gangstufe und/oder eine Fähigkeit zur Drehmomentübertragung einer Kupplung der eingelegten Gangstufe zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrantrieb (8) jedoch dann nicht vom Arbeitsmotor (3) angetrieben wird, wenn der Arbeitsmotor (3) mehr als eine vom Arbeitsantrieb (9) angeforderte Schwellenarbeitsleistung bereitstellen muss.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsantrieb (9) eine vom Arbeitsmotor (3) antreibbare hydraulische Pumpe mit einer stellbaren Kolbenhubhöhe umfasst, wobei zunächst die Kolbenhubhöhe vergrößert wird und dann erst eine Drehzahl des Arbeitsmotors (3) erhöht wird, um die vom Arbeitsantrieb (9) angeforderte Arbeitsleitung bereitzustellen.
Antriebsstrang (1) für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Fahrantrieb (8) mit einem elektrischen Fahrmotor (2) und einem Fahrgetriebe (4) sowie einen Arbeitsantrieb (9) mit einem elektrischen Arbeitsmotor (3) und einem Arbeitsgetriebe (5), wobei der Fahrantrieb (8) über das Fahrgetriebe (4) vom Fahrmotor (2) antreibbar ist und wobei der Arbeitsantrieb (9) über das Arbeitsgetriebe (5) vom Arbeitsmotor (3) antreibbar ist,wobei bei einem Gangstufenwechsel des Fahrgetriebes (4) eine Drehzahlsynchronisation des Fahrmotors (2) auf die einzulegende Gangstufe erfolgt und wobei der Antriebsstrang (1) weiterhin eine elektronische Steuereinheit (11) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, ein rechnerisches Modell des Fahrmotors (2) zu berechnen, welches unter Berücksichtigung eines Inertialmoments des Fahrmotors (2) ein für die Drehzahlsynchronisation aufzubringendes Drehmoment beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) eine Verbindungskupplung (10) umfasst, über welche zwischen dem Fahrantrieb (8) und dem Arbeitsantrieb (9) eine Triebverbindung herstellbar ist.
Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebverbindung vom Arbeitsantrieb (9) zu einem Eingang des Fahrgetriebes (4) führt.
Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12.