DE102019203724A1

DE102019203724A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102019203724A1
Application number: DE102019203724.0A
Authority: DE
Inventors: Migen Bebeti; Rico Glöckner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN113631404A; US20220186467A1; US12024859B2; WO2020187878A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei ein erster Elektromotor (2) über eine erste Getriebeanordnung (4) einen Arbeitsantrieb (6) der Arbeitsmaschine antreibt, wobei ein zweiter Elektromotor (3) über eine zweite Getriebeanordnung (5) einen Fahrantrieb (7) der Arbeitsmaschine antreibt und wobei während eines Schaltvorgangs der zweiten Getriebeanordnung (5) aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe eine Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors (3) erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Schaltvorgangs über eine erste Kupplung (8) eine Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor (2) und der zweiten Getriebeanordnung (5) hergestellt wird (22), so dass der erste Elektromotor (2) während des Schaltvorgangs den Fahrantrieb (7) antreibt (24, 25, 27, 28). Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Antriebsstrang (1) und eine Arbeitsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder auch Bagger, bekannt. Derartige elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen sind entweder reinelektrisch 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 hybridelektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor 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 der 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 einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist. Die zwei Elektromotoren für den Fahrantrieb sind in die Vorderachse integriert, wobei jeder Elektromotor ein Rad antreibt.
Aus der DE 10 2010 063 503 A1 ist ferner ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise einer Arbeitsmaschine bekannt. Das Mehrstufengetriebe umfasst ein Gehäuse, in welchem vier Planetensätze und mehrere Wellen aufgenommen sind, sowie Schaltelemente, welche durch zumindest eine Bremse und Kupplungen gebildet sind und mittels deren gezielter Betätigung acht verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle darstellbar sind. Das Getriebe der DE 10 2010 063 503 A1 ermöglicht eine Lastschaltbarkeit.
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass eine Drehzahlsynchronisierung der beteiligten Gangstufen bei einem Schaltvorgang unter Last gegenüber einem identischen Vorgang bei einer verbrennergetriebenen Arbeitsmaschine erschwert ist. Die Ursache hierfür liegt einerseits im vergleichsweise größeren Trägheitsmoment eines Elektromotors gegenüber einem Verbrennungsmotor und andererseits im vergleichsweise größeren Drehzahlspektrums des Elektromotors, wodurch auch vergleichsweise höhere Differenzdrehzahlen vorliegen können. Dies macht üblicherweise eine entsprechend größere und leistungsstärkere Dimensionierung der Kupplungen in elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen notwendig. Eine solche vergleichsweise größere und leistungsstärkere Auslegung der Kupplung bedingt jedoch einen erhöhten Bauraumbedarf, ein erhöhtes Gewicht sowie erhöhte Herstellungskosten.
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 für eine Arbeitsmaschine, wobei ein erster Elektromotor über eine erste Getriebeanordnung einen Arbeitsantrieb der Arbeitsmaschine antreibt, wobei ein zweiter Elektromotor über eine zweite Getriebeanordnung einen Fahrantrieb der Arbeitsmaschine antreibt und wobei während eines Schaltvorgangs der zweiten Getriebeanordnung aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe eine Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Schaltvorgangs über eine erste Kupplung eine Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor und der zweiten Getriebeanordnung hergestellt wird, so dass der erste Elektromotor während des Schaltvorgangs den Fahrantrieb antreibt.
Bei einem Schaltvorgang aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe muss der erste Elektromotor, welcher dem Fahrantrieb zugeordnet ist, sehr schnell seine Drehzahl reduzieren, um die notwendige Drehzahlsynchronisierung zwischen den am Schaltvorgang beteiligten Kupplungselementen herzustellen. Diese Drehzahlsynchronisierung erfolgt gemäß dem Stand der Technik über entsprechende Reibungsarbeit zwischen den am Schaltvorgang beteiligten Kupplungselementen, wobei insbesondere bei Elektromotoren vergleichsweise hohe Drehzahldifferenzen auftreten, was nachteilig durch besonders leistungsfähige und damit schwere und teure Kupplungen ausgeglichen werden muss. Indem die Drehzahlsynchronisierung durch Reibungsarbeit erfolgt, kann jedoch jederzeit während des Schaltvorgangs weiterhin ein Drehmoment vom zweiten Elektromotor auf den Fahrantrieb übertragen werden.
Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an: Indem es vorteilhaft ermöglicht wird, den Fahrantrieb während des Schaltvorgangs der zweiten Getriebeanordnung vom ersten Elektromotor, welcher eigentlich dem Arbeitsantrieb zugeordnet ist, antreiben zu lassen, kann der zweite Elektromotor trieblich vom Fahrantrieb getrennt werden und eine neue, reduzierte Drehzahl kann eingestellt bzw. eingeregelt werden, ohne dass ein Zugkraftverlust im Fahrantrieb auftritt. Dementsprechend ist es bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich, die Drehzahlsynchronisierung durch Reibarbeit zu erreichen, so dass die am Schaltvorgang beteiligten Kupplungen der zweiten Getriebeanordnung vergleichsweise kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden können.
Unter einem Schaltvorgang aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe wird im Sinne der Erfindung ein Schaltvorgang aus einer Gangstufe, die eine vergleichsweise geringere Ausgangsdrehzahl und ein vergleichsweise höheres Ausgangsdrehmoment aufweist, in eine Gangstufe, die eine vergleichsweise höhere Ausgangsdrehzahl und ein vergleichsweise geringeres Ausgangsdrehmoment aufweist, verstanden.
Obwohl die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei einem Herunterschaltvorgang denkbar und bevorzugt ist, d.h. bei einem Schaltvorgang aus einer höheren in eine niedrigere Gangstufe, wird dies in der Regel nicht notwendig sein, da bei einer Drehzahlsynchronisierung im Sinne einer Erhöhung der Drehzahl des zweiten Elektromotors während des Schaltvorgangs jederzeit ein Drehmoment an den Fahrantrieb übertragen werden kann.
Die zur Drehzahlsynchronisierung notwendige Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors kann bevorzugt durch eine der gegenwärtigen Drehrichtung entgegengerichtete Bestromung des zweiten Elektromotors erfolgen. Dadurch wird ein aktives Bremsmoment aufgebaut, dass eine nahezu unmittelbare Reduzierung und Synchronisierung der Drehzahl des zweiten Elektromotors erlaubt.
Ebenso möglich und bevorzugt ist aber das Versetzen des zweiten Elektromotors in einen Generatorbetrieb, so dass die erforderliche Drehzahlreduzierung bzw. Drehzahlsynchronisierung ohne zusätzliche Bestromung ausschließlich aus der elektromagnetischen Bremskraft resultiert, welch der Rotor des zweiten Elektromotors durch den Generatorbetrieb erfährt.
Denkbar und bevorzugt ist auch nicht nur das Bereitstellen eines einzelnen ersten bzw. zweiten Elektromotors, sondern auch mehrerer erster bzw. zweiter Elektromotoren, die z.B. über ein Summiergetriebe miteinander gekoppelt sein können oder über jeweils einzelne Triebanbindungen trieblich lösbar mit der ersten bzw. zweiten Getriebeanordnung verbunden sein können.
Bevorzugt weist zumindest die zweite Getriebeanordnung eine Vielzahl von als Vorwärtsgänge und mindestens eine als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufe auf. Besonders bevorzugt entspricht die Zahl der Vorwärtsgänge der Zahl der Rückwärtsgänge. Auch die erste Getriebeanordnung kann mehr als nur eine als Vorwärtsgang ausgebildete Gangstufe aufweisen. Darüber hinaus sind auch eine oder mehrere als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufen der ersten Getriebeanordnung denkbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schaltvorgang unter Last ausgeführt wird. Der Begriff „unter Last“ bezeichnet dabei im Sinne der Erfindung einen Zustand des Antriebsstrangs, bei dem ein Drehmoment vom zweiten Elektromotor, bzw. während des Schaltvorgangs auch vom ersten Elektromotor, an den Fahrantrieb übertragen wird, so dass die Arbeitsmaschine beispielsweise eine Beschleunigung erfährt oder eine Hangaufwärtsfahrt bei konstanter Geschwindigkeit durchführt. Gerade während des Schaltvorgangs würde ohne Zurückgreifen auf das erfindungsgemäße Verfahren eine Unterbrechung in der Übertragung des Drehmoments erfolgen, sofern nicht gemäß dem Stand der Technik auf eine nachteilig große, teure und schwere Kupplung zurückgegriffen wird. Insofern zeigen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch und vor allem bei einem Schaltvorgang unter Last, da dieser ohne Unterbrechung der Zugkraft und bei Vorhandensein einer vergleichsweise kleinen, kostengünstigen und leistungsschwachen Kupplung ermöglicht wird. In der Wirkung erzielt ein Antriebsstrang, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, somit die gleiche zugkraftunterbrechungsfreie Lastschaltbarkeit wie ein Antriebsstrang, der mit einer vergleichsweise großen, schweren und teuren Kupplung versehen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb während des Schaltvorgangs gleichzeitig antreibt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch der Arbeitsantrieb durch den Schaltvorgang nicht unterbrochen wird und kontinuierlich zur Verfügung steht. Es wird lediglich über die erste Kupplung eine Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor und der zweiten Getriebeanordnung hergestellt, so dass während des Schaltvorgangs ein vom Fahrantrieb benötigter Leistungsbedarf zusätzlich zum Leistungsbedarf des Arbeitsantriebs vom ersten Elektromotor bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor den Fahrantrieb nur insoweit antreibt, dass eine Leistungsdifferenz zwischen einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs und einer vom zweiten Elektromotor während des Schaltvorgangs bereitstellbaren Leistung überbrückt wird. Dies bedeutet also, dass die vom ersten Elektromotor während des Schaltvorgangs bereitgestellte mechanische Leitung vorteilhaft exakt so weit erhöht wird, dass der Fahrantrieb durch den Schaltvorgang einerseits keine Leistungseinschränkung erfährt, aber andererseits auch keine unangeforderte Leistungssteigerung erfährt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Verhalten des Fahrantriebs durch den Schaltvorgang nicht beeinflusst wird. Eine z.B. von einem Bediener der Arbeitsmaschine für den Fahrantrieb angeforderte Leistung wird also auch während des Schaltvorgangs uneingeschränkt bereitgestellt, wozu die vom ersten Elektromotor bereitgestellte Leistung in dem Maße erhöht wird, wie die vom zweiten Elektromotor bereitgestellte Leistung aufgrund des Schaltvorgangs reduziert wird. Eine dem Fahrantrieb bereitgestellte Gesamtleistung bleibt jedoch erhalten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor den Fahrantrieb nur insoweit antreibt, dass einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs während des Schaltvorgangs vollständig entsprochen werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in jedem Falle sichergestellt ist, dass der Arbeitsantrieb auch während des Schaltvorgangs die benötigte und von einem Bediener der Arbeitsmaschine angeforderte Leistung erhält, so dass ein plötzlicher und insbesondere für den Bediener unerwarteter Leistungseinbruch des Arbeitsantriebs vermieden werden kann. Ein für den Bediener unerwarteter Leistungseinbruch des Arbeitsantriebs könnte ansonsten zum Auftreten einer Gefahrensituation führen, beispielsweise wenn eine vom Arbeitsantrieb betriebene Hebevorrichtung der Arbeitsmaschine die zum Halten einer angehobenen Last notwendige Leistung nicht mehr erhält. Ein kurzzeitiger Leistungseinbruch im Fahrantrieb hingegen führt üblicherweise nicht zum Auftreten einer Gefahrensituation.
Dem vollständigen Entsprechen der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs durch den ersten Elektromotor kommt insbesondere Bedeutung in Situationen zu, in denen gleichermaßen vom Fahrantrieb wie auch vom Arbeitsantrieb vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen gestellt werden, welche vom ersten Elektromotor in Summe jedoch nicht mehr bereitgestellt werden können. Wenn also die angeforderte Gesamtleistung die vom ersten Elektromotor maximal bereitstellbare Leistung übersteigt, wird zunächst die Anforderung des Arbeitsantriebs vollständig erfüllt. Eine verbleibende, noch bereitstellbare Restleitung des ersten Elektromotors wird dann dem Fahrantrieb während des Schaltvorgangs zur Verfügung gestellt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen ersten Elektromotor und einen zweiten Elektromotor sowie eine erste Getriebeanordnung und eine zweite Getriebeanordnung wobei der erste Elektromotor und die erste Getriebeanordnung einem Arbeitsantrieb der Arbeitsmaschine zugeordnet sind und wobei der zweite Elektromotor und die zweite Getriebeanordnung einem Fahrantrieb der Arbeitsmaschine zugeordnet sind. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass über eine erste Kupplung zwischen dem ersten Elektromotor und der zweiten Getriebeanordnung eine Triebverbindung herstellbar ist. 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.
Um eine möglichst optimale Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang zu gewährleisten, sind der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor bevorzugt hinsichtlich ihrer bereitstellbaren Leistung sowie ihrer Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie aufeinander abgestimmt. Das bedeutet, dass die vom ersten Elektromotor maximal bereitstellbare Leistung sich vorteilhaft in einem Bereich von 50 % bis 150 % der vom zweiten Elektromotor maximal bereitstellbaren Leistung bewegt, insbesondere in einem Bereich von 80 % bis 120 %. Darüber hinaus bewegt sich die Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie des ersten Elektromotors vorteilhaft in einem Bereich von 50 % bis 150 % Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie des zweiten Elektromotors, insbesondere in einem Bereich von 80 % bis 120 %.
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang weiterhin zur Ansteuerung bzw. Regelung der Drehzahl bzw. des Drehmoments bzw. der bereitzustellenden Leistung des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors jeweils eine eigene Leistungselektronik oder eine einzelne gemeinsame Leistungselektronik. Ebenso bevorzugt umfasst der Antriebsstrang ein elektronisches Steuergerät, welches den ersten Elektromotor und den zweiten Elektromotor über die jeweils eine eigene Leistungselektronik oder über die gemeinsame Leistungselektronik steuert bzw. regelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies ermöglicht eine platz- und gewichtsparende Anordnung des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors innerhalb des Antriebsstrangs in einer Arbeitsmaschine. Zudem werden durch das gemeinsame Gehäuse im Vergleich zu zwei Einzelgehäusen Gewicht und Kosten eingespart. Der erste und der zweite Elektromotor können beispielsweise axial hintereinander in ein gemeinsames Gehäuse gebaut werden, wobei die Motorabtriebswellen z.B. in entgegengesetzte Axialrichtungen aus dem Gehäuse weisen können. Ebenso ist aber auch eine Anordnung axial nebeneinander in einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse möglich und bevorzugt, so dass beide Motorabtriebswellen beispielsweise in die gleiche Axialrichtung weisen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Getriebeanordnung über eine Vielzahl von Gangstufen lastschaltbar ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitstellbare Lastschaltbarkeit nicht nur auf en Schaltvorgang von einer ganz spezifischen niedrigeren Gangstufe in eine ganz spezifische höhere Gangstufe gewährleistet ist, sondern für eine Vielzahl von Gangstufen. Dadurch wird der erfindungsgemäße Antriebsstrang flexibler. Dies bedingt ein hierfür entsprechend angepasstes Drehzahl-Drehmoment-Verhalten sowie ein entsprechend ausgebildete Leistungsfähigkeit insbesondere des ersten Elektromotors.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die zweite Getriebeanordnung über sämtliche Gangstufen lastschaltbar ist. Dies führt zu einer nochmals erhöhten Flexibilität des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die erste Getriebeanordnung über drei zweite Kupplungen schaltbar ist, bzw. mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lastschaltbar ist. Dies hat sich in der praktischen Anwendung als guter Kompromiss zwischen Flexibilität durch eine Vielzahl von lastschaltbaren Gangstufen auf der einen Seite und dem benötigten Platzbedarf, dem Gewicht sowie den Herstellungskosten des Antriebsstrangs auf der anderen Seite bewährt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor bzw. der zweite Elektromotor weiterhin zum Rekuperieren von kinetischer Energie im Bremsbetrieb der Arbeitsmaschine ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße über die erste Kupplung zwischen dem ersten Elektromotor und der zweiten Getriebeanordnung herstellbare Triebverbindung kann kinetische Energie nämlich vorteilhaft sowohl vom zweiten wie auch vom ersten Elektromotor 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 erste Elektromotor bzw. der zweite Elektromotor 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 ersten Elektromotor bzw. den zweiten Elektromotor 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 ersten Elektromotors bzw. des zweiten Elektromotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse.
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 ausgebildet ist.
Alternativ bevorzugt kann die Arbeitsmaschine auch als Dumper, Bagger, Teleskoplader oder Traktor ausgebildet sein.
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 für eine Arbeitsmaschine,
2 beispielhaft eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas,
3 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine in Form eines Flussdiagramms und
4 beispielhaft und schematisch einen Drehmomentverlauf des Fahrantriebs, einen Drehzahlverlauf des Fahrantriebs sowie einen Leistungsverlauf des zweiten Elektromotors und einen Leistungsverlauf des ersten Elektromotors während des Schaltvorgangs.

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 ersten Elektromotor 2 und einen zweiten Elektromotor 3 sowie eine erste Getriebeanordnung 4 und eine zweite Getriebeanordnung 5. Die zweite Getriebeanordnung 5 ist dabei über Vielzahl von Gangstufen lastschaltbar ausgebildet. Der erste Elektromotor 2 und die erste Getriebeanordnung 4 sind einem Arbeitsantrieb 6 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet, wobei der Arbeitsantrieb 6 beispielsgemäß als PTO-Schnittstelle 6 (Power Take Off - Schnittstelle) ausgebildet ist. Der zweite Elektromotor 3 und die zweite Getriebeanordnung 5 sind hingegen einem Fahrantrieb 7 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet. Über eine erste Kupplung 8 ist zudem zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 eine Triebverbindung herstellbar, wobei die Triebverbindung beispielsgemäß konkret vom ersten Elektromotor 2 zu einer Zwischenwelle 5' der zweiten Getriebeanordnung 5 herstellbar ist. Durch die Triebverbindung vom ersten Elektromotor 2 zur zweiten Getriebeanordnung 5 wird es vorteilhaft ermöglicht, den Fahrantrieb 7 während eines Schaltvorgangs der zweiten Getriebeanordnung 5 vom ersten Elektromotor 2, welcher eigentlich dem Arbeitsantrieb 6 zugeordnet ist, antreiben zu lassen. Somit kann der zweite Elektromotor 3 trieblich vom Fahrantrieb 7 getrennt werden und eine Drehzahlsynchronisierung im Sinne einer Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors 3 kann eingestellt bzw. eingeregelt werden, ohne dass ein Zugkraftverlust im Fahrantrieb 7 auftritt. Dementsprechend ist es bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich, die Drehzahlsynchronisierung durch Reibarbeit zu erreichen, so dass entsprechende Kupplungen der zweiten Getriebeanordnung 4 vergleichsweise kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden können als im Stand der Technik üblich. Die zur Drehzahlsynchronisierung notwendige Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors 3 wird beispielsgemäß vielmehr durch eine der gegenwärtigen Drehrichtung entgegengerichtete Bestromung des zweiten Elektromotors 3 bewirkt.
2 zeigt beispielhaft eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine in 2 nicht dargestellte Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas. Beispielsgemäß umfasst der Antriebsstrangs 1 der 2 einen ersten Elektromotor 2 und einen zweiten Elektromotor 3, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet sind. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 1 der 2 eine erste Getriebeanordnung 4 und eine zweite Getriebeanordnung 5, wobei der erste Elektromotor 2 und die erste Getriebeanordnung 4 einem Arbeitsantrieb 6 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet sind. Der zweite Elektromotor 3 und die zweite Getriebeanordnung 5 sind hingegen einem Fahrantrieb 7 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet. Über eine erste Kupplung 8 ist zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 eine Triebverbindung herstellbar, wobei die Triebverbindung beispielsgemäß vom ersten Elektromotor 2 zu einer Zwischenwelle 5' der zweiten Getriebeanordnung 5 herstellbar ist. Somit kann der erste Elektromotor 2 bei geschlossener erster Kupplung 8 den Fahrantrieb 7 antreiben. Die zweite Getriebeanordnung umfasst beispielsgemäß weiterhin drei zweite Kupplungen 9, 9' und 9", um mittels drei unterschiedlicher Stirnradstufen 10, 10', 10" drei schaltbare Gangstufen der zweiten Getriebeanordnung 5 bereitzustellen.
3 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebsstrangs 1 für eine Arbeitsmaschine in Form eines Flussdiagramms. Ein erster Elektromotor 2 des Antriebsstrangs 1 treibt über eine erste Getriebeanordnung 4 einen Arbeitsantrieb 6 der Arbeitsmaschine an und ein zweiter Elektromotor 3 des Antriebsstrangs 1 treibt über eine zweite Getriebeanordnung 5 einen Fahrantrieb 7 der Arbeitsmaschine an. In Verfahrensschritt 20 wird durch einen Bediener der Arbeitsmaschine ein Schaltvorgang aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe der zweiten Getriebeanordnung 5 eingeleitet. Das Einleiten des Schaltvorgangs erfolgt durch Betätigung eines entsprechenden Schaltelements der Arbeitsmaschine, beispielsgemäß durch einen Gangstufenwählhebel. In Verfahrensschritt 21 wird von einem Steuergerät geprüft, ob der erste Elektromotor 2, welcher dem Arbeitsantrieb 6 der Arbeitsmaschine 1 zugeordnet ist, neben dem Antrieb des Arbeitsantriebs 6 noch genügend Leistungsreserven aufweist, um den Schaltvorgang zu unterstützen. Beispielsgemäß ist dies der Fall, da der Arbeitsantrieb 6 gegenwärtig nicht angetrieben wird. Im folgenden Verfahrensschritt 22 wird daher eine Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 hergestellt, was durch Schließen einer ersten Kupplung 8 erfolgt. In Verfahrensschritt 23 ist die erste Kupplung 8 vollständig geschlossen und sowohl der erste Elektromotor 2 als auch der zweite Elektromotor 3 übertragen Leistung an den Fahrantrieb 7, treiben also den Fahrantrieb 7 an. In Verfahrensschritt 24 reduziert der zweite Elektromotor 3 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung, wobei gleichzeitig der erste Elektromotor 2 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung erhöht. Die Erhöhung der übertragenen Leistung durch den ersten Elektromotor 2 entspricht dabei genau der Reduzierung der übertragenen Leistung durch den zweiten Elektromotor 3, so dass eine Leistungsdifferenz zwischen einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs 7 und einer vom zweiten Elektromotor 3 während des Schaltvorgangs bereitstellbaren Leistung überbrückt wird. Im darauf folgenden Verfahrensschritt 25 reduziert der zweite Elektromotor 3 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung auf Null, während der erste Elektromotor 2 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung weiter erhöht.. Der Fahrantrieb 7 wird nun ausschließlich durch den ersten Elektromotor 2 angetrieben. In Schritt 26 öffnet eine am Schaltvorgang beteiligte zweite Kupplung 9 der zweiten Getriebeanordnung 5, so dass eine Triebverbindung des zweiten Elektromotors 3 zum Fahrantrieb 7 unterbrochen ist. Der zweite Elektromotor 3 beginnt nun eine Drehzahlsynchronisierung in Form einer Drehzahlreduzierung. Die Drehzahlreduzierung erfolgt beispielsgemäß dadurch, dass der zweite Elektromotor 3 in einen Generatorbetrieb mit maximaler Stromerzeugung wechselt. Sobald die notwendige Drehzahlreduzierung abgeschlossen ist und eine Drehzahlsynchronisierung erreicht ist, schließt die ebenfalls am Schaltvorgang beteiligte Kupplung 9' der zweiten Getriebeanordnung 5. Damit ist wieder eine Triebverbindung zwischen dem zweiten Elektromotor 3 und dem Fahrantrieb 7 hergestellt. In Verfahrensschritt 27 reduziert der erste Elektromotor 2 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung, während der zweite Elektromotor 3 seine an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung im gleichen Maße erhöht. Die Reduzierung der übertragenen Leistung durch den ersten Elektromotor 2 entspricht in diesem Fall genau der Erhöhung der übertragenen Leistung durch den zweiten Elektromotor 3. Somit erhält der Fahrantrieb 7 eine konstante Leistungszufuhr. In Verfahrensschritt 28 schließlich überträgt der erste Elektromotor 2 keine Leistung mehr an den Fahrantrieb 7. Der Fahrantrieb 7 wird wieder ausschließlich vom zweiten Elektromotor 3 angetrieben. Die erste Kupplung 8 öffnet und unterbricht somit die Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 bzw. dem Fahrantrieb 7. Der Schaltvorgang ist damit abgeschlossen. Da während des gesamten Schaltvorgangs Leistung vom ersten Elektromotor 2 bzw. vom zweiten Elektromotor 3 an die zweite Getriebeanordnung 5 bzw. an den Fahrantrieb 7 übertragen wurde, wurde der Schaltvorgang unter Last ausgeführt. Der Antriebsstrang 1 ist also lastschaltfähig.
4 zeigt beispielhaft und schematisch einen Drehmomentverlauf 30 des Fahrantriebs 6, einen Drehzahlverlauf 31 des Fahrantriebs 6 sowie einen Leistungsverlauf 32 des zweiten Elektromotors 3 und einen Leistungsverlauf 33 des ersten Elektromotors 2 während des Schaltvorgangs. Zum Zeitpunkt t₁ beginnt der Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung 5 aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Fahrantrieb 7 ausschließlich über eine zweite Kupplung 9 vom zweiten Elektromotor 3 angetrieben. Die erste Kupplung 8 zur Herstellung einer Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 ist geöffnet. Das Drehmoment am Fahrantrieb 7 nimmt ab, gleichzeitig nimmt die Drehzahl zu. Zum Zeitpunkt t₂ wird die erste Kupplung 8 geschlossen. Gleichzeitig beginnt der erste Elektromotor 2 Leistung an den Fahrantrieb 7 zu übertragen. Sobald der erste Elektromotor 2 ausreichend Leistung an den Fahrantrieb 7 überträgt, wird der zweite Elektromotor 3 in den Generatorbetrieb geschaltet, um eine Drehzahlreduzierung zu bewirken. Das Drehmoment am Fahrantrieb 7 nimmt weiter ab und die Drehzahl am Fahrantrieb 7 nimmt weiter zu. Zum Zeitpunkt t₃ wird die zweite Kupplung 9' geschlossen, während die erste Kupplung 8 ebenfalls geschlossen bleibt. Das Schließen der zweiten Kupplung 9' stellt den Wechsel der Gangstufe der zweiten Getriebeanordnung 5 dar. Auch zum Zeitpunkt t₃ nimmt das Drehmoment am Fahrantrieb 7 nimmt weiter ab und die Drehzahl am Fahrantrieb 7 nimmt weiter zu. Zum Zeitpunkt t₄ beginnt der zweite Elektromotor 3 damit, wieder Leistung an die zweite Getriebeanordnung 5 und damit an den Fahrantrieb 7 zu übertragen. Gleichzeitig reduziert der erste Elektromotor 2 die von ihm an die zweite Getriebeanordnung 5 und damit an den Fahrantrieb 7 übertragene Leistung. Die erste Kupplung 8 und die zweite Kupplung 9' sind beide geschlossen. Das Drehmoment am Fahrantrieb 7 nimmt weiter ab und die Drehzahl am Fahrantrieb 7 nimmt weiter zu. Zum Zeitpunkt t₅ wird die erste Kupplung 8 geöffnet und somit die Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor 2 und der zweiten Getriebeanordnung 5 bzw. dem Fahrantrieb 7 unterbrochen. Die zweite Kupplung 9' bleibt geschlossen. Der Fahrantrieb 7 wird somit wieder vollständig vom zweiten Elektromotor 6 angetrieben, weshalb der zweite Elektromotor 3 seine Leistung wieder erhöht. Die Leistung des ersten Elektromotors 2 wird wieder reduziert. Das Drehmoment am Fahrantrieb 7 nimmt nochmals weiter ab und die Drehzahl am Fahrantrieb 7 nimmt nochmals weiter zu. Der Schaltvorgang ist damit abgeschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: erster Elektromotor
3: zweiter Elektromotor
4: erste Getriebeanordnung
5: zweite Getriebeanordnung
6: Arbeitsantrieb
7: Fahrantrieb
8: erste Kupplung
9, 9', 9": zweite Kupplung
10, 10', 10": Stirnradstufe
11: gemeinsames Gehäuse
20: Einleiten des Schaltvorgangs
21: Prüfen der Leistungsreserven
22: Herstellen der Triebverbindung
23: Vollständiges Schließen der ersten Kupplung
24: Reduzieren der Leistung des zweiten Elektromotors, Erhöhen der Leistung des ersten Elektromotors
25: weiteres Reduzieren der Leistung des zweiten Elektromotors, weiteres Erhöhen der Leistung des ersten Elektromotors
26: Öffnen und Schließen der zweiten Kupplungen, Drehzahlsynchronisierung
27: Reduzieren der Leistung des ersten Elektromotors, Erhöhen der Leistung des zweiten Elektromotors
28: weiteres Reduzieren der Leistung des zweiten Elektromotors, weiteres Erhöhen der Leistung des ersten Elektromotors
30: Drehmomentverlauf des Fahrantriebs
31: Drehzahlverlauf des Fahrantriebs
32: Leistungsverlauf des zweiten Elektromotors
33: Leistungsverlauf des ersten Elektromotors
t₁, t₂, t₃, t₄: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202014000738 U1 [0004]
EP 0962597 A2 [0005]
DE 102010063503 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei ein erster Elektromotor (2) über eine erste Getriebeanordnung (4) einen Arbeitsantrieb (6) der Arbeitsmaschine antreibt, wobei ein zweiter Elektromotor (3) über eine zweite Getriebeanordnung (5) einen Fahrantrieb (7) der Arbeitsmaschine antreibt und wobei während eines Schaltvorgangs der zweiten Getriebeanordnung (5) aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe eine Drehzahlreduzierung des zweiten Elektromotors (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schaltvorgangs über eine erste Kupplung (8) eine Triebverbindung zwischen dem ersten Elektromotor (2) und der zweiten Getriebeanordnung (5) hergestellt wird (22), so dass der erste Elektromotor (2) während des Schaltvorgangs den Fahrantrieb (7) antreibt (24, 25, 27, 28).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang unter Last ausgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (3) den Fahrantrieb (7) und den Arbeitsantrieb (6) während des Schaltvorgangs gleichzeitig antreibt (24, 25, 27, 28).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (2) den Fahrantrieb (7) nur insoweit antreibt, dass eine Leistungsdifferenz zwischen einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs (7) und einer vom zweiten Elektromotor (3) während des Schaltvorgangs bereitstellbaren Leistung überbrückt wird (24, 25, 27, 28).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (2) den Fahrantrieb (7) nur insoweit antreibt, dass einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs (6) während des Schaltvorgangs vollständig entsprochen werden kann.
Antriebsstrang (1) für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen ersten Elektromotor (2) und einen zweiten Elektromotor (3) sowie eine erste Getriebeanordnung (4) und eine zweite Getriebeanordnung (5), wobei der erste Elektromotor (2) und die erste Getriebeanordnung (4)einem Arbeitsantrieb (6) der Arbeitsmaschine zugeordnet sind und wobei der zweite Elektromotor (3) und die zweite Getriebeanordnung (5) einem Fahrantrieb (7) der Arbeitsmaschine zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass über eine erste Kupplung (8) zwischen dem ersten Elektromotor (2) und der zweiten Getriebeanordnung (5) eine Triebverbindung herstellbar ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (2) und der zweite Elektromotor (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (11) angeordnet sind.
Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Getriebeanordnung (5) über eine Vielzahl von Gangstufen lastschaltbar ist.
Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine als Radlader ausgebildet ist.