-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9 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 zum Betrieb 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.
-
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.
-
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass der bzw. die für den Fahrantrieb vorgesehenen Elektromotoren ebenso wie der für den Arbeitsantrieb vorgesehene Elektromotor jeweils dazu ausgelegt sind, in jeder Situation die maximale Fahrleistung bzw. die maximale Arbeitsleistung aufbringen zu können, was jedoch die Verwendung von entsprechend leistungsstarken und damit schweren und teuren Elektromotoren erfordert. Oder aber es werden für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb vergleichsweise leistungsschwächere Elektromotoren verwendet, welche die maximale Fahrleistung bzw. die maximale Arbeitsleistung nur kurzfristig, beispielsweise für 30 s, in einem Spitzenleistungsbereich bereitstellen können. Anschließend muss die Leistung wieder reduziert werden, um eine Beschädigung des jeweiligen Elektromotors zu vermeiden. Hinzu kommt, dass Elektromotoren bei einem Betrieb im Spitzenleistungsbereich einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad aufweisen.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer 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 der Antriebsstrang einen Arbeitsantrieb und einen Fahrantrieb umfasst, wobei der Fahrantrieb nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs von einem elektrischen Fahrmotor angetrieben wird und wobei der Arbeitsantrieb nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs von einem elektrischen Arbeitsmotor angetrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn durch eine Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs eine zulässige Dauerleistung des Arbeitsmotors überschritten wird.
-
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, welches das Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine betrifft, wobei der Antriebsstrang aus zwei voneinander unabhängig betreibbaren Antrieben, nämlich dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb, besteht. Jedem dieser beiden Antriebe, dem Arbeitsantrieb wie auch dem Fahrantrieb, ist jeweils ein eigener Elektromotor, nämlich der Fahrmotor bzw. der Arbeitsmotor, zugeordnet. Das Zurückgreifen auf zwei voneinander unabhängige Elektromotoren zum Ersetzen eines einzelnen Verbrennungsmotors ist dabei im Stand der Technik bekannt, da Verbrennungsmotoren in der Regel leistungsstärker ausgebildet sein können als Elektromotoren. Um nun eine größere Flexibilität hinsichtlich der Leistungsdimensionierung des Fahrmotors und des Arbeitsmotors zu erhalten, schlägt die Erfindung vor, die starre Zuordnung des Fahrmotors ausschließlich zum Fahrantrieb aufzubrechen. Entsprechend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Arbeitsantrieb nicht nur vom Arbeitsmotor sondern unter bestimmten Umständen zusätzlich und unterstützend vom Fahrmotor anzutreiben.
-
Unter dem Begriff „zulässige Dauerleistung“ wird im Sinne der Erfindung jeder Betriebspunkt des Arbeitsmotors verstanden, unter dem der Arbeitsmotor permanent und konstant betrieben werden kann, ohne dass der Arbeitsmotor dadurch eine Beschädigung erfährt, z.B. durch Überhitzen. Die „zulässige Dauerleistung“ unterscheidet sich damit von einer Spitzenleistung des Arbeitsmotors: Unter dem Begriff „Spitzenleistung“ wird im Sinne der Erfindung jeder Betriebspunkt des Arbeitsmotors verstanden, unter dem der Arbeitsmotor nicht dauerhaft, sondern nur für eine vorgebebene Zeitspanne, typischerweise ca. 30 s, betrieben werden kann, ohne dass der Arbeitsmotor dadurch eine Beschädigung erfährt, z.B. durch Überhitzen.
-
Da generell versucht wird, den Arbeitsmotor wie auch den Fahrmotor möglichst ausschließlich im Bereich der zulässigen Dauerleistung zu betreiben und somit übermäßigen Verschleiß durch Betrieb im Bereich der Spitzenleistung zu vermeiden, ergibt sich in diesem Zusammenhang der Vorteil, dass der dem Arbeitsantrieb zugeordnete Arbeitsmotor vergleichsweise leistungsschwächer und damit leichter, kleiner und kostengünstiger ausgebildet sein kann als im Stand der Technik üblich, weil bei Leistungsanforderungen, welche den zulässigen Dauerbetrieb überschreiten würden, zusätzlich auf vom Fahrmotor bereitgestellte Leistung zum Betrieb des Arbeitsantriebs zurückgegriffen werden kann, so dass beispielsweise eine Leistungsforderung des Arbeitsantriebs, welche im Bereich der Spitzenleistung des Arbeitsmotors liegt, zu gleichen Teilen vom Arbeitsmotor und vom Fahrmotor erbracht werden kann, womit sowohl der Arbeitsmotor als auch der Fahrmotor im zulässigen Dauerleistungsbereich betrieben werden könne. Dadurch können der Fahrmotor und der Arbeitsmotor beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie jeweils ca. 80 % der üblicherweise veranschlagten Leistung aufweisen. Ein erfindungsgemäß betriebener Antriebsstrang hat somit Kosten- und Gewichtsvorteile gegenüber bekannten gattungsgemäßen Antriebssträngen .
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass der energetische Wirkungsgrad des Antriebsstrangs verbessert werden kann, da der Betrieb des Arbeitsmotors im Bereich der Spitzenleistung in der Regel einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad mit sich bringt. Wenn also ein Betrieb des Arbeitsantriebs im Bereich der Spitzenleistung vermieden wird, indem der Fahrmotor den Arbeitsantrieb unterstützend, also zusätzlich, antreibt, kann der Energieverbrauch des Antriebsstrangs insgesamt reduziert werden, was insbesondere bei elektrifizierten Antriebssträngen von Vorteil ist, da somit die mögliche Betriebsdauer zwischen zwei Ladevorgängen verlängert werden kann. Zudem können CO2-Emissionen eingespart werden, welche bei der Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken oder dergleichen durch Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.
-
Ein nochmals weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schließlich darin zu sehen, dass die dem Arbeitsantrieb bereitstellbare Gesamtleistung durch das erfindungsgemäße Verfahren zumindest kurzfristig zunimmt, da ggf. beide Elektromotoren, also der Fahrmotor und der Arbeitsmotor in einem Spitzenleistungsbereich betrieben werden können, um den Arbeitsantrieb anzutreiben.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zunächst eine Drehzahlangleichung des Fahrmotors an den Arbeitsmotor bzw. eine Drehzahlangleichung des Fahrantriebs an den Arbeitsantrieb oder umgekehrt erfolgt, bevor der Fahrmotor den Arbeitsantrieb antreibt. Dies ermöglicht ein vergleichsweise feinfühliges und ruckfreies Zuschalten des Fahrmotors zum Antreiben des Arbeitsantriebs.
-
Wenn der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, dann wird der Arbeitsantrieb nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs vom Arbeitsmotor und vom Fahrmotor gleichermaßen angetrieben, d.h., dass auch der Fahrmotor bevorzugt nach Maßgabe der Leistungsanforderung betrieben wird. Die Leistungsanforderung kann dabei zu gleichen oder unterschiedlichen Anteilen vom Fahrmotor und vom Arbeitsmotor erfüllt werden.
-
Denkbar und bevorzugt ist auch nicht nur das Bereitstellen eines einzelnen Fahrmotors bzw. eines einzelnen Arbeitsmotors, sondern auch mehrerer Fahrmotoren bzw. Arbeitsmotoren, die z.B. über ein Summiergetriebe miteinander gekoppelt sein können oder über jeweils einzelne Triebanbindungen trieblich lösbar mit dem Fahrantrieb bzw. mit dem Arbeitsantrieb verbunden sein können.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb erst dann zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn eine Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs länger als eine vorgebbare Zeitspanne in einem Spitzenleistungsbereich des Arbeitsmotors liegt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass je nach vorgebbarer Zeitspanne, beispielsweise 5 s, ein längerfristiger Betrieb des Arbeitsmotors in einem ineffizienten und hoch belasteten Betriebsbereich vermieden wird, indem zusätzliche Leistung durch den Fahrmotor bereitgestellt wird. Zugleich kann aber auch ein vergleichsweise unruhiger Betrieb des Arbeitsantriebs vermieden werden, indem zunächst das Verstreichen der Zeitspanne abgewartet wird, bevor der Fahrmotor zusätzlich zum Betrieb des Arbeitsantriebs herangezogen wird. Ein ständiges Zuschalten bzw. Abschalten des Fahrmotors zum Betrieb des Arbeitsantriebs wird somit vermieden.
-
Um eine möglichst optimale Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang zu gewährleisten, sind der Arbeitsmotor und der Fahrmotor bevorzugt hinsichtlich ihrer bereitstellbaren Leistung sowie vorteilhat auch hinsichtlich ihrer Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie aufeinander abgestimmt. Das bedeutet, dass die vom Arbeitsmotor maximal bereitstellbare Leistung sich z.B. in einem Bereich von 50 % bis 150 % der vom Fahrmotor maximal bereitstellbaren Leistung bewegt, insbesondere in einem Bereich von 80 % bis 120 %. Darüber hinaus bewegt sich auch die Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie des Arbeitsmotors vorteilhaft in einem Bereich von 50 % bis 150 % Drehmoment/Drehkennzahl-Kennlinie des Fahrmotors, insbesondere in einem Bereich von 80 % bis 120 %.
-
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang eine elektronische Steuereinheit bzw. Regeleinheit für den Fahrantrieb und eine elektronische Steuereinheit bzw. Regeleinheit für den Arbeitsantrieb. Alternativ bevorzugt kann der Antriebsstrang auch eine gemeinsame elektronische Steuereinheit bzw. Regeleinheit für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb gemeinsam umfassen. Die Steuereinheit bzw. Regeleinheit für den fahrantrieb erstellt dabei für jede Situation nach Maßgabe einer Eingabe eines Bedieners der Arbeitsmaschine bzw. nach Maßgabe eines übergeordneten Systems, beispielsweise eines Assistenzsystems oder eines Sicherheitssystems, die Leistungsanforderung des Fahrantriebs. Ebenso erstellt die Steuereinheit bzw. Regeleinheit des Arbeitsantriebs die Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs. Alternativ werden die Leistungsanforderungen des Fahrantriebs und des Arbeitsantriebs von der gemeinsamen Steuereinheit bzw. Regeleinheit erstellt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn keine Leistungsanforderung des Fahrantriebs vorliegt. D.h., der Arbeitsantrieb wird dann zusätzlich vom Arbeitsmotor angetrieben, wenn die Arbeitsmaschine still steht, der Fahrantrieb also nicht in Betrieb ist. Gerade im Stillstand der Arbeitsmaschine verrichtet der Arbeitsantrieb typischerweise vergleichsweise leistungsintensive Arbeiten, wie etwa den Betrieb einer Schaufel für z.B. Erdarbeiten oder den Betrieb eines Hubwerks unter hoher Last. Somit kann gerade bei diesen typischerweise leistungsintensiven Arbeiten der Arbeitsantrieb vom Fahrmotor unterstützend zusätzlich angetrieben werden.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn eine Grenztemperatur des Arbeitsmotors überschritten wird. Bei einer dauerhaften bzw. hohen Belastung entsteht eine entsprechend große Wärmeentwicklung am Arbeitsmotor, welche ggf. nicht unmittelbar abgeführt werden kann, so dass sich der Arbeitsmotor immer weiter erhitzen kann. Um zu verhindern, dass infolge der Erhitzung der Wirkungsgrad des Arbeitsmotors abnimmt oder der Arbeitsmotor sogar Schaden nimmt, wird bei Überschreiten der vorgebbaren Grenztemperatur vorteilhaft der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben, was zu einer entsprechenden Entlastung des Arbeitsmotors führt.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Grenztemperatur 200 °C beträgt, besonders bevorzugt 150 °C und ganz besonders bevorzugt 100 °C.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn eine Leistungsanforderung des Fahrantriebs vorliegt, wobei der Fahrmotor nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Fahrantriebs geregelt wird und nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Fahrantriebs auch den Arbeitsantrieb antreibt. Das bedeutet also, dass der Fahrmotor auch dann den Arbeitsantrieb zusätzlich antreiben kann, wenn eine Leistungsanforderung des Fahrantriebs an den Fahrmotor vorliegt, der fahrantrieb also angetrieben wird und die Arbeitsmaschine sich entsprechend fortbewegt. Die Regelung des Fahrmotors erfolgt dabei weiterhin nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Fahrantriebs, insbesondere in Form einer Drehzahlregelung zum Einregeln einer vorgebbaren Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine. Mit dieser Drehzahl wird der Arbeitsantrieb unterstützend angetrieben werden, wobei sich ein vom Fahrmotor bereitgestelltes Drehmoment auf den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb aufteilt. Da in diesem Fall zwischen der vom Fahrmotor für den Arbeitsantrieb bereitgestellten Leistung und der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs in der Regel eine Differenz bestehen kann, wird der Arbeitsmotor bevorzugt auf einen Betriebspunkt geregelt, in welchem er die Differenz zwischen der vom Fahrmotor für den Arbeitsantrieb bereitgestellten Leistung und der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs abdeckt. Somit kann der Arbeitsantrieb auch dann zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben werden, wenn sich die Arbeitsmaschine fortbewegt. Dies ist insbesondere bei instationären Arbeiten der Arbeitsmaschine vorteilhaft, wie beispielsweise beim Betrieb eines Kehrbesens.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs über eine stellbare Kolbenhubhöhe einer hydraulischen Pumpe eingestellt oder eingeregelt wird, wenn der Arbeitsantrieb zusätzlich vom ersten Elektromotor angetrieben wird. Das bedeutet also, dass die Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs in diesem Fall nicht - oder zumindest nicht ausschließlich - über eine Regelung bzw. Steuerung des Betriebspunkts des Arbeitsmotors zw. Des Fahrmotors eingeregelt bzw. eingestellt wird, sondern über eine stellbare Kolbenhubhöhe einer hydraulischen Pumpe. Dazu umfasst der Arbeitsantrieb bevorzugt mindestens einen als Arbeitshydraulik ausgebildeten Hydraulikkreis. Durch das Regeln bzw. Einstellen der Leistungsanforderung über die stellbare Kolbenhubhöhe ergibt sich der Vorteil, dass die vom Arbeitsantrieb aufgebrachte Leistung weitgehend entkoppelt werden kann von der bereitgestellten Leistung des Fahrmotors und der bereitgestellten Leistung des Arbeitsmotors, wodurch vorteilhaft eine Regelbarkeit bzw. Steuerbarkeit des Fahrmotors nach Maßgabe des Fahrantriebs vollständig erhalten bleibt.
-
Das Einstellen bzw. Einregeln der Leistung des Arbeitsantriebs über eine stellbare Kolbenhubhöhe einer hydraulischen Pumpe eignet sich besonders vorteilhaft, wenn die hydraulische Pumpe als sog. Verschwenkpumpe ausgebildet ist. Über die Kolbenhubhöhe kann nämlich das Volumen der hydraulischen Pumpe gesteuert bzw. geregelt werden. Eine große Kolbenhubhöhe führt dabei zur Erzeugung einer großen erzeugten hydraulischen Leistung während eine geringe Kolbenhubhöhe entsprechend zu einer geringen erzeugten hydraulischen Leistung führt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn dadurch ein effizienterer Gesamtbetriebspunkt des Arbeitsmotors und des Fahrmotors gemeinsam gegenüber einem Betriebspunkt des Arbeitsmotors alleine erreicht wird. Der vergleichsweise effizientere Gesamtbetriebspunkt führt zu einem reduzierten Energiebedarf bei gleicher Ausgangsleistung des Arbeitsantriebs. Dies führt zu einer verlängerten möglichen Betriebsdauer zwischen zwei Ladevorgängen, reduzierten Kosten für den Energieverbrauch sowie zur Einsparung von CO2-Emissionen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb einen ersten und einen zweiten Hydraulikkreis umfasst, wobei der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn sowohl vom ersten als auch vom zweiten Hydraulikkreis jeweils eine Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs ausgegeben wird. Das Bereitstellen von zwei Hydraulikkreisen, nämlich des ersten Hydraulikkreises und des zweiten Hydraulikkreises, erhöht die Vielseitigkeit und die Verwendungsmöglichkeiten der Arbeitsmaschine, da somit mehrere Arbeitsgeräte gleichzeitig betrieben werden können. Der erste und der zweite Hydraulikreis können dabei vollständig voneinander getrennt sein, d.h. jeweils ein eigenes Druckmittelreservoir und jeweils eine eigene hydraulische Pumpe zur Erzeugung jeweils eines eigenen Volumenstroms umfassen, oder aber zumindest auf ein gemeinsames Druckmittelreservoir zurückgreifen. In letzterem Fall wäre dem ersten und dem zweiten Hydraulikkreis jeweils eine eigene Pumpe zugeordnet. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, dass der erste und der zweite Hydraulikkreis sowohl ein gemeinsames Druckmittelreservoir als auch eine gemeinsame hydraulische Pumpe umfassen. Indem der Arbeitsantrieb dann vom Fahrmotor zusätzlich angetrieben wird, wenn sowohl der erste als auch der zweite Hydraulikkreis eine Leistungsanforderung stellen, ergibt sich der Vorteil, dass gerade dann, wenn vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen des Arbeitsantriebs vorliegen bzw. sich die Leistungsanforderungen des Arbeitsantriebs schnell erhöhen können, da auf die zusätzlichen Leistungsreserven des Fahrmotors zurückgegriffen werden kann.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb vom Arbeitsmotor permanent angetrieben wird. Unter dem Begriff „permanent angetrieben“ wird dabei eine permanente Kopplung des Arbeitsantriebs an den ersten Elektromotor verstanden, die nicht durch eine zwischengeschaltete Kupplung getrennt werden kann. Es versteht sich, dass jedoch im Stillstand Arbeitsmotors kein Antrieb des Arbeitsantriebs erfolgt. Somit kann der Arbeitsantrieb vorteilhaft dazu verwendet werden, z.B. auch eine hydraulische Leistung für eine hydraulische Lenkunterstützung der Arbeitsmaschine bereitzustellen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb nur dann zusätzlich vom Fahrmotor angetrieben wird, wenn dem Fahrantrieb die Leistungsanforderung des Fahrantriebs bereitgestellt werden kann. D.h. also, dass der Fahrmotor den Arbeitsantrieb dann nicht antreibt, wenn dadurch eine Leistungsanforderung des Fahrantriebs nicht mehr in vollem Umfang entsprochen werden könnte. Dem vollständigen Entsprechen der Leistungsanforderung des Fahrantriebs durch den Fahrmotor kommt insbesondere Bedeutung in Situationen zu, in denen gleichermaßen vom Fahrantrieb wie auch vom Arbeitsantrieb vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen gestellt werden, welche dann zumindest vom Fahrmotor jedoch nicht mehr bereitgestellt werden können. Wenn also die insgesamt vorliegenden Leistungsanforderungen die vom Fahrmotor maximal bereitstellbare Leistung übersteigt, wird zunächst die Leistungsanforderung des Fahrantriebs vollständig erfüllt. Eine verbleibende, noch bereitstellbare Restleitung des Fahrmotors wird dann dem Arbeitsantrieb zur Verfügung gestellt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass es für einen Bediener der Arbeitsmaschine nicht unerwartet zu einem Leistungseinbruch des Fahrantriebs und damit einhergehend zum Auftreten einer Gefahrensituation kommt.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang einen Arbeitsantrieb und einen Fahrantrieb umfasst, wobei der Fahrantrieb nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs von einem elektrischen Fahrmotor antreibbar ist und wobei der Arbeitsantrieb nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs von einem elektrischen Arbeitsmotor antreibbar ist. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass über eine Verbindungskupplung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb eine Triebverbindung herstellbar ist, so dass der Arbeitsantrieb zusätzlich vom Fahrmotor antreibbar ist.
-
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht somit die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, was zu den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen führt.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, die Triebverbindung immer dann herzustellen, wenn durch eine Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs eine zulässige Dauerleistung des Arbeitsmotors überschritten wird.
-
Die Triebverbindung kann dabei prinzipiell über eine beliebige Stelle des Arbeitsantriebs zu einer beliebigen Stelle des Fahrantriebs erfolgen. Beispielsweise kann die Triebverbindung von einer Motorwelle des Fahrmotors über die Verbindungskupplung direkt zu einer hydraulischen Pumpe des Arbeitsantriebs erfolgen. Ebenso kann die Triebverbindung aber auch von einer bestimmten Gangstufe des Fahrantriebs über die Verbindungskupplung zu einer Übersetzungsstufe des Arbeitsantriebs erfolgen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb als Arbeitshydraulik mit einer hydraulischen Pumpe ausgebildet ist, wobei die Pumpe eine stellbare Kolbenhubhöhe aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei der hydraulischen Pumpe um eine als Verschwenkpumpe ausgebildete hydraulische Pumpe. Eine Pumpe mit stellbarer Kolbenhubhöhe, insbesondere eine Verschwenkpumpe, kann zwar kostenintensiver als eine herkömmliche hydraulische Pumpe sein, jedoch bietet sich der insbesondere bei einem elektromotorischen Betrieb relevante Vorteil, dass die bereitgestellte hydraulische Leistung nicht ausschließlich über die Drehzahl des Arbeitsmotors bzw. Fahrmotors eingestellt bzw. eingeregelt werden muss, sondern zusätzlich über die Kolbenhubhöhe eingestellt bzw. eingeregelt werden kann, wodurch sich mehr Freiheitsgrade zum Erreichen eines größtmöglichen Wirkungsgrads ergeben. Somit kann der größtmögliche Wirkungsgrad im Betrieb der Arbeitsmaschine auch entsprechend öfters erreicht werden, wodurch sich wiederum der Energiebedarf eines derartigen Antriebsstrangs reduzieren lässt und die Betriebsdauer verlängert wird.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Fahrantrieb ein Fahrgetriebe umfasst, wobei das Fahrgetriebe über eine Vielzahl von Gangstufen lastschaltbar ausgebildet ist. Dabei treibt der Fahrmotor über das Fahrgetriebe den Fahrantrieb an. Dies führt zu einer erhöhten Flexibilität des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Arbeitsantrieb ein Arbeitsgetriebe umfasst. Dabei treibt der Arbeitsmotor über das Arbeitsgetriebe den Arbeitsantrieb an.
-
Bevorzugt weist zumindest 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. Auch das Arbeitsgetriebe kann mehr als nur eine als Vorwärtsgang ausgebildete Gangstufe aufweisen. Darüber hinaus sind auch eine oder mehrere als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufen des Arbeitsgetriebes denkbar. Da Elektromotoren prinzipbedingt im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren jedoch ihre Drehrichtung ändern können, kann auch auf als Rückwärtsgang bzw. als Rückwärtsgänge ausgebildete Gangstufen verzichtet werden.
-
Das Fahrgetriebe bzw. das Arbeitsgetriebe können wahlweise in Planetenbauweise oder in Vorgelegebauweise ausgeführt sein und sowohl Stirnradstufen als auch beliebige andere Übersetzungsformen aufweisen.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Triebverbindung vom Fahrmotor zum Arbeitsantrieb über eine Zwischenwelle für eine Drehrichtungsangleichung verläuft. Indem auf eine Zwischenwelle zur Drehrichtungsangleichung zurückgegriffen wird, muss die Drehrichtung des Fahrmotors selbst nicht geändert werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass auch die Fahrtrichtung der Arbeitsmaschine nicht geändert wird, sofern sich die Arbeitsmaschine fortbewegt.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Zwischenwelle eine Zwischenwelle des Fahrgetriebes ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzliche Zwischenwelle vorgesehen sein muss, da auf eine ohnehin bereits vorhanden Zwischenwelle zurückgegriffen wird. Somit ist der erfindungsgemäße Antriebsstrang hinsichtlich seiner Getriebeelemente im Wesentlichen nicht aufwendiger oder kostenintensiver gestaltet als ein vergleichbarer gattungsgemäßer Antriebsstrang.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine gesonderte Übersetzungsstufe vorgesehen ist, über welche eine Drehzahlangleichung und/oder Drehrichtungsangleichung des Fahrmotors an den Arbeitsmotor bzw. des Fahrantriebs an den Arbeitsantrieb herstellbar ist. Die Übersetzungsstufe ermöglicht also nicht nur eine Drehrichtungsangleichung sondern darüber hinaus auch eine Drehzahlangleichung. Die Drehzahlangleichung ist insofern von Bedeutung, als dass der Fahrmotor und der Arbeitsmotor gemeinsam den Arbeitsantrieb antreiben und entsprechend spätestens an einer hydraulischen Pumpe des Arbeitsantriebs eine identische Drehzahl aufweisen müssen. Andernfalls würde der Fahrmotor vom Arbeitsmotor angetrieben oder umgekehrt. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Fahrmotor vergleichsweise geringere Drehzahlen aufweist, dafür jedoch vergleichsweise höhere Drehmomente aufweist als der Arbeitsmotor. Damit der Fahrmotor und der Arbeitsmotor z.B. vorteilhaft mit identischen oder zumindest nahezu identischen Drehzahlen bei einem gemeinsamen Betriebspunkt, beispielsweise jeweils 50 % der jeweiligen Maximalleistung, betrieben werden können, kann daher eine Drehzahlangleichung sinnvoll werden.
-
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Übersetzungsstufe als schaltbare, mehrstufige Übersetzungsstufe ausgebildet ist, um unter Berücksichtigung der Leistungsanforderung des Fahrantriebs jeweils eine möglichst ideal passende Drehzahlanpassung zu erreichen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Fahrmotor und der Arbeitsmotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies ermöglicht eine platz- und gewichtsparende Anordnung des Fahrmotors und des Arbeitsmotors innerhalb des Antriebsstrangs in einer Arbeitsmaschine. Zudem werden durch das gemeinsame Gehäuse im Vergleich zu zwei Einzelgehäusen Gewicht und Kosten eingespart. Der Fahrmotor und der Arbeitsmotor 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.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Fahrmotor und der Arbeitsmotor weiterhin zum Rekuperieren von kinetischer Energie im Bremsbetrieb der Arbeitsmaschine ausgebildet sind. Durch die über die Verbindungskupplung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb herstellbare Triebverbindung kann kinetische Energie nämlich vorteilhaft sowohl vom Fahrmotor wie auch vom Arbeitsmotor 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 Fahrmotor und der Arbeitsmotor 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 Fahrmotor und den Arbeitsmotor 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 Fahrmotors und des Arbeitsmotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse.
-
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang weiterhin zur Ansteuerung bzw. Regelung der Drehzahl bzw. des Drehmoments bzw. der bereitzustellenden Leistung des Arbeitsmotors und des Fahrmotors jeweils eine eigene Leistungselektronik oder eine einzelne gemeinsame Leistungselektronik. Ebenso bevorzugt umfasst der Antriebsstrang jeweils eine elektronische Steuereinheit oder Regeleinheit für den Arbeitsmotor und den Fahrmotor, welche den Arbeitsmotor und den Fahrmotor über die jeweils eine eigene Leistungselektronik oder über die gemeinsame Leistungselektronik nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Fahrantriebs bzw. des Arbeitsantriebs steuern bzw. regeln.
-
Die jeweils eigene Leistungselektronik oder die gemeinsame Leistungselektronik steuert bzw. regelt den Fahrmotor bzw. den Arbeitsmotor über jeweils einen eigenen Inverter.
-
Alternativ bevorzugt ist es vorgesehen, dass für den Fahrmotor bzw. den Arbeitsmotor ein gemeinsamer Doppelinverter verwendet wird. Ein Doppelinverter benötigt nur eine einzige Anbindung an den elektrischen Energiespeicher, kann dabei aber zwei Elektromotoren mit elektrischer Energie versorgen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 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.
-
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader, Kommunalfahrzeug, Müllfahrzeug, Minenfahrzeug oder Traktor ausgebildet ist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas und
- 2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine in Form eines Flussdiagramms.
-
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 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine in 1 nicht dargestellte Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas. Beispielsgemäß umfasst der Antriebsstrang 1 der 1 einen elektrischen Arbeitsmotor 2 und einen elektrischen Fahrmotor 3, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet sind. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 1 der 1 ein Arbeitsgetriebe 4 und ein Fahrgetriebe 5, wobei der Arbeitsmotor 2 und das Arbeitsgetriebe 4 einem Arbeitsantrieb 6 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet sind. Der Arbeitsantrieb 6 ist als Arbeitshydraulik 6 mit einer hydraulischen Pumpe 12 ausgebildet ist, wobei die Pumpe 12 eine stellbare Kolbenhubhöhe aufweist. Der Fahrmotor 3 und das Fahrgetriebe 5 sind hingegen einem Fahrantrieb 7 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet. Das Fahrgetriebe 5 umfasst beispielsgemäß drei lastschaltbare Kupplungen 9, 9' und 9" sowie drei Wellen 5', 5" und 5"', um mittels drei unterschiedlicher Stirnradstufen 10, 10', 10" drei lastschaltbare Gangstufen des Fahrgetriebes 5 bereitzustellen. Der Fahrantrieb 7 wird über das Fahrgetriebe 5 nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs 7 vom Fahrmotor 3 angetrieben und der Arbeitsantrieb 6 wird über das Arbeitsgetriebe 4 nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs 6 vom Arbeitsmotor 2 angetrieben. Über eine Verbindungskupplung 8 ist zwischen dem Arbeitsantrieb 6 und dem Fahrantrieb 7 eine Triebverbindung herstellbar ist, so dass der Arbeitsantrieb 6 zusätzlich vom Fahrmotor 3 antreibbar ist. Die Triebverbindung verläuft dabei beispielsgemäß vom Fahrmotor 3 über die Welle 5" zum Arbeitsgetriebe 4. Somit kann der Arbeitsantrieb 6 auf die zusätzliche Leistung des Fahrmotors 3 zurückgreifen, wodurch der Arbeitsantrieb 6 vergleichsweise größere Leistungen für einen vergleichsweise längeren Zeitraum bereitstellen kann.
-
2 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebsstrangs 1 einer Arbeitsmaschine in Form eines Flussdiagramms. Der Antriebsstrang 1 umfasst einen Arbeitsantrieb 6 und einen Fahrantrieb 7, wobei der Fahrantrieb 7 nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Fahrantriebs 7 von einem elektrischen Fahrmotor 3 angetrieben wird und wobei der Arbeitsantrieb 6 nach Maßgabe einer Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs 6 von einem elektrischen Arbeitsmotor 2 angetrieben wird. In Verfahrensschritt 20 gibt der Arbeitsantrieb 6 über eine dem Arbeitsantrieb 6 zugeordnete elektronische Regeleinheit eine Leistungsanforderung an den Arbeitsmotor 2 aus, wobei die Leistungsanforderung im Spitzenleistungsbereich des Arbeitsmotors 2 liegt. In Schritt 21 wird beispielsgemäß festgestellt, dass die Leistungsanforderung im Spitzenleistungsbereich immer noch vorliegt und eine vorgegebene Zeitspanne von 25 s überschritten wird. Nun wird in Schritt 22 geprüft, ob auch eine Leistungsanforderung des Fahrantriebs 7 an den Fahrmotor 3 vorliegt. Sofern ist dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 23 eine Triebverbindung vom Fahrmotor 3 zum Arbeitsantrieb 6 hergestellt und der Arbeitsmotor 6 wird durch den Fahrmotor 3 entlastet, indem der Arbeitsantrieb 6 zusätzlich vom Fahrmotor 3 angetrieben wird. Somit kann der Arbeitsmotor 3 in einem vergleichsweise niedrigeren Betriebspunkt und innerhalb des zulässigen Dauerlastbereichs betrieben werden. Sofern in Schritt 22 jedoch festgestellt wird, dass eine Leistungsanforderung des Fahrantriebs 7 an den Fahrmotor 3 vorliegt, erfolgt in Schritt 24 zunächst eine Drehzahlsynchronisation des Arbeitsmotors 2 an den Fahrmotor 3. Dann wird in Schritt 25 ebenfalls eine Triebverbindung vom Fahrmotor 3 zum Arbeitsantrieb 6 hergestellt, wobei jedoch die Drehzahl des Fahrmotors 3 unverändert bleibt, um den Fahrantrieb 7 nicht nachteilig zu beeinflussen. Somit kann ein Drehmoment vom Fahrmotor 3 zum Arbeitsantrieb 6 übertragen werden. Da aufgrund der durch den Fahrantrieb 7 vorgegebenen Drehzahl des Fahrmotors 3 und der darauf synchronisierten Drehzahl des Arbeitsmotors 2 eine Regelung der Leistung des Arbeitsantriebs 6 über die Drehzahlen des Fahrmotors 3 und des Arbeitsmotors 2 nach Maßgabe der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs nicht möglich ist, wird die Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs 6 in Schritt 26 über eine stellbare Kolbenhubhöhe der hydraulischen Pumpe 12 des Arbeitsantriebs 6 eingeregelt. Somit kann auch in diesem Fall der Arbeitsmotor 3 in einem vergleichsweise niedrigeren Betriebspunkt und innerhalb des zulässigen Dauerlastbereichs betrieben werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebsstrang
- 2
- erster Elektromotor
- 3
- zweiter Elektromotor
- 4
- erste Getriebeanordnung
- 5
- zweite Getriebeanordnung
- 6
- Arbeitsantrieb
- 7
- Fahrantrieb
- 8
- Verbindungskupplung
- 9, 9', 9"
- Kupplung
- 10, 10', 10"
- Stirnradstufe
- 11
- gemeinsames Gehäuse
- 12
- hydraulischen Pumpe
- 20
- Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs an den Arbeitsmotor
- 21
- Überschreiten der zulässigen Dauerleistung des Arbeitsmotors
- 22
- Prüfen, ob Leistungsanforderung des Fahrantriebs an den Fahrmotor vorliegt
- 23
- Antreiben des Arbeitsantriebs zusätzlich durch den Fahrmotor
- 24
- Drehzahlsynchronisation des Arbeitsmotors an den Fahrmotor
- 25
- Antreiben des Arbeitsantriebs zusätzlich durch den Fahrmotor
- 26
- Regelung der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs über eine stellbare Kolbenhubhöhe der hydraulischen Pumpe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202014000738 U1 [0003]
- EP 0962597 A2 [0004]
