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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, insbesondere ein Antriebssystem mit einem Wärmeübertragungssystem zum Austausch von Wärme mit Elementen des Antriebssystems.
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Stand der Technik
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Arbeitsmaschinen mit Antriebssystemen, die elektrisch betrieben werden und Getriebeanordnungen aufweisen, sind bekannt. Bei bekannten Getriebeanordnungen dieser Art war eine aktive Kühlung aufgrund der Verlustquellen im Getriebe vorgesehen.
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Das Dokument
DE 11 2014 0002 09 T5 offenbart ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, bei dem ein Wärmeübertragungssystem vorgesehen ist, das zur Abfuhr von Wärme eines Hybridantriebssystems eingerichtet ist.
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Darstellung der Erfindung
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine vorgesehen. Die Arbeitsmaschine kann dabei eine selbstfahrende Arbeitsmaschine wie zum Beispiel eine selbstfahrende Arbeitsmaschine, eine Landmaschine, ein Radlader oder Ähnliches sein. Das Antriebsystem weist eine elektrische Energiespeichervorrichtung, zumindest einen elektrischen Wandler und zumindest eine elektrische Antriebsmaschine zur Bereitstellung einer Antriebskraft für die Arbeitsmaschine auf. Ferner weist das Antriebssystem ein von einem Wärmeübertragungsfluid durchströmbares Wärmeübertragungssystem zum Austausch von Wärme mit Elementen des Antriebssystems auf, das zumindest einen im Wärmeübertragungssystem integrierten Wärmetauscher aufweist. Bei dem Antriebssystem weist das Wärmeübertragungssystem für den zumindest einen elektrischen Wandler und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine sowie für die elektrische Energiespeichervorrichtung jeweils separate Fluidsysteme auf.
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Das Vorsehen separater Fluidsysteme umfasst das Bereitstellen von separaten Leitungen, Wärmetauscherelementen wie zum Beispiel Pumpen. Separate Fluidsysteme können unterschiedliche Wärmemengen abführen und dienen dazu, einen an den Anwendungsfall angemessenen Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen. Gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt weist die elektrische Energiespeichervorrichtung ein eigenes Fluidsystem auf, das separat von zumindest einem weiteren Fluidsystem ist, dass für den zumindest einen elektrischen Wandler und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine vorgesehen ist. Ferner ist es möglich, auch für den zumindest einen elektrischen Wandler und die zumindest eine elektrische Antriebsmaschine jeweils separate Fluidsysteme vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Antriebsystem eine Getriebeanordnung zur Übertragung einer Antriebskraft von der zumindest einen elektrischen Antriebsmaschine auf die Arbeitsmaschine auf. Dabei ist die Getriebeanordnung von dem Wärmeübertragungssystem entkoppelt. Insbesondere kann hierbei die Getriebeanordnung von dem Wärmeübertragungssystem bezüglich des Fluidsystems entkoppelt sein. Die Getriebeanordnung kann dabei ein Schaltgetriebe aufweisen. Ferner kann die Getriebeanordnung ein Achsgetriebe und insbesondere ein Achsdifferential aufweisen. Das Schaltgetriebe kann zwei oder mehr Schaltstufen aufweisen. Das Schaltgetriebe kann ein Lastschaltgetriebe sein, in welchem eine Anzahl von Kupplungen zum Vornehmen des Lastschaltvorgangs zeitlich abgestimmt ein- beziehungsweise ausgekuppelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Getriebeanordnung eine interne Ölumlaufkühlung aufweisen. Dabei kann die Getriebeanordnung eine Ölschmierung aufweisen, die mit der Ölumlaufkühlung gekoppelt ist. Die Ölumlaufkühlung kann unter Einsatz des zirkulierenden Schmieröls bzw. Getriebeöls umgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die interne Ölumlaufkühlung Mittel zur Abführung von Wärme aus einem Gehäuse der Getriebeanordnung auf. Die Mittel zur Abführung von Wärme aus dem Gehäuse der Getriebeanordnung können ein Wärmetauscherelement aufweisen, das innerhalb der Getriebeanordnung vorgesehen ist. Das Wärmetauscherelement, das innerhalb der Getriebeanordnung vorgesehen ist, kann in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse der Getriebeanordnung stehen. Es ist möglich, eine Leitung für zirkulierendes Getriebeöl an oder in einem Gehäuseabschnitt des Gehäuses der Getriebeanordnung vorzusehen. Dadurch kann in der Leitung zirkulierendes Getriebeöl in thermischen Kontakt mit der Umgebung gebracht werden und somit Wärme abgeben.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Ölumlaufkühlung unter Verwendung einer in der Getriebeanordnung vorgesehenen Getriebeölpumpe betrieben werden. Dabei kann die Getriebeölpumpe einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich aufweisen, wobei der Niederdruckbereich der Getriebeölpumpe mit dem Mittel zur Abführung von Wärme in thermischem Kontakt steht. Die Getriebeölpumpe kann eine Zahnradpumpe oder eine andere Pumpe sein, die in der Lage ist, das Getriebeöl geeignet zu zirkulieren. Der Hochdruckbereich der Getriebeölpumpe kann für den Betrieb von Elementen der Getriebeanordnung eingerichtet sein, die einen relativ hohen Druck benötigen. Solche Elemente können beispielsweise Kupplungen und Bremsen sein, die für einen Gangwechsel in der Getriebeanordnung über Öldruck geschaltet werden. Der Niederdruckbereich stellt einen relativ niedrigen Öldruck bereit, der beispielsweise für die interne Schmierung von Lagerstellen in der Getriebeanordnung verwendet wird. Gemäß der Ausführungsform wird der Niederdruckbereich, insbesondere Getriebeöl mit relativ niedrigem Druck, zur Abführung von Wärme zirkuliert. Dadurch kann die Getriebeölpumpe effizienter betrieben werden und insbesondere kann der Energieverbrauch verringert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Mittel zur Abführung von Wärme einen internen Wärmetauscher innerhalb der Getriebeanordnung auf. Der interne Wärmetauscher wird durch Getriebeöl durchströmt, das insbesondere von dem Niederdruckbereich der Getriebeölpumpe bezogen wird. Der Wärmetauscher kann vollständig innerhalb der Getriebeanordnung angeordnet werden. Der Wärmetauscher kann in Kontakt mit Gehäusewandungen der Getriebeanordnung vorgesehen sein. Ferner kann der Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Gehäuses der Getriebeanordnung stehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Mittel zur Abführung von Wärme einen Wärmetauscher auf, der mit dem Wärmeübertragungssystem des Antriebssystems thermisch gekoppelt ist. Dabei kann der Wärmetauscher innerhalb des Gehäuses der Getriebeanordnung oder außerhalb des Gehäuses der Getriebeanordnung vorgesehen werden. Der Wärmetauscher zur Abführung von Wärme aus der Getriebeanordnung kann in das Wärmeübertragungssystem des Antriebssystems integriert sein. Eine solche Integration kann in der Ausgestaltung eines Wärmetauschers bestehen, der zum einen Getriebeöl durchleitet und zum anderen das Wärmeübertragungsfluid des Wärmeübertragungssystems durchleitet, so dass zwischen Getriebeöl und Wärmeübertragungsfluid Wärme übertragen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die thermische Kopplung zwischen dem Wärmetauscher und der Ölumlaufkühlung über eine Ventilvorrichtung einstellbar. Diese Einstellbarkeit kann durch Durchflussregelung im Wärmetauscher erfolgen. Die Einstellung ist auch durch das Vorsehen einer Bypass-Vorrichtung erzielbar, mit welcher die Durchflussmenge des Getriebeöls, das für die Ölumlaufkühlung zur Verfügung steht, zwischen Bypass-Vorrichtung und Wärmetauscher aufgeteilt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Heizvorrichtung zum direkten oder indirekten Erwärmen von Getriebeöl der Getriebeanordnung vorgesehen sein. Beim direkten Erwärmen von Getriebeöl der Getriebeanordnung durch die Heizvorrichtung kann die Heizvorrichtung innerhalb der Getriebeanordnung vorgesehen sein. Dabei kann die Heizvorrichtung in einem Ölsumpf vorgesehen werden und in thermischem Kontakt mit dem Getriebeöl stehen. Beim indirekten Erwärmen von Getriebeöl der Getriebeanordnung kann die Heizvorrichtung in einem Abschnitt des Wärmeübertragungssystems vorgesehen werden, so dass die Heizvorrichtung Wärme an das Wärmeübertragungsfluid abgeben kann. Durch das Wärmeübertragungsfluid kann beispielsweise über einen Wärmetauscher das Getriebeöl erwärmt werden. Die Heizvorrichtung kann auch in einem Abschnitt der Getriebeanordnung vorgesehen werden, in welchem die Heizvorrichtung in thermischem Kontakt mit dem Getriebeöl steht. Insbesondere kann die Heizvorrichtung in dem Wärmetauscher vorgesehen werden, der zur Abführung von Wärme aus der Getriebeanordnung vorgesehen ist.
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Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann als Festkörperbatterie (ASSD) ausgebildet sein. Das Wärmeübertragungsfluid kann glykolbasiert sein oder ein Wärmeübertragungsöl aufweisen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen Darstellung;
- 2 zeigt ein Antriebssystem in einer abgewandelten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung;
- 3 zeigt ein Antriebssystem in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung, bei dem eine Heizvorrichtung für die Getriebeanordnung vorgesehen ist;
- 4 zeigt eine Abwandlung der in 3 gezeigten Getriebeanordnung in einer schematischen Darstellung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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Auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform. In 1 sind einige der Elemente des Antriebssystems 1 gezeigt. Insbesondere weist das Antriebssystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine elektrische Energiespeichervorrichtung 2 auf. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist als aufladbare Batterie ausgeführt, die elektrische Energie für den Betrieb der Arbeitsmaschine zur Verfügung stellt, in der das Antriebssystem 1 vorgesehen ist. Das Antriebssystem 1 weist ferner elektrische Wandler 3a, 3b auf, die elektrisch mit der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 verbunden sind, so dass diese Energie von der elektrischen Energiespeichervorrichtung 2 aufnehmen können. Ferner sind elektrische Antriebsmaschinen 4a, 4b vorgesehen, die durch die von den elektrischen Wandlern 3a, 3b abgegebene elektrische Energie angetrieben werden können. Die elektrischen Antriebsmaschinen 4a, 4b sind mechanisch mit einer Getriebeanordnung 5 verbunden. Die Getriebeanordnung 5 ist in 1 schematisch dargestellt und ist als Lastschaltgetriebe mit mindestens zwei Übersetzungsstufen ausgebildet. Die als Lastschaltgetriebe ausgeführte Getriebeanordnung 5 der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Anzahl von Kupplungen und Bremsen, die zeitabgestimmt über einen Öldruck geschaltet werden. Ferner enthält die Getriebeanordnung 5 eine Reihe rotierender und gelagerter Elemente, die über Getriebeöl geschmiert werden. Hierfür ist in der Getriebeanordnung 5 eine Getriebeölpumpe 6 vorgesehen.
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Die Getriebeölpumpe 6 weist einen Niederdruckbereich 7 und einen Hochdruckbereich 8 auf. Die verschiedenen Druckbereiche werden durch Drucksteuerventileinrichtungen oder andere Mittel ermöglicht. Das in der Getriebeanordnung 5 durch den Betrieb der Getriebeölpumpe 6 zirkulierende Getriebeöl wird in einem Ölsumpf 9 aufgefangen und erneut von der Getriebeölpumpe 6 zirkuliert.
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Als Grundkonzept des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist die elektrische Energiespeichervorrichtung 2 ein separates Kühlsystem auf. Außerdem weist das System, das die elektrischen Wandler 3a, 3b und die elektrischen Antriebsmaschinen 4a, 4b aufweist, ein separates Kühlsystem auf. Insbesondere weisen diese separaten Kühlsysteme voneinander getrennte Kühlkreisläufe mit separaten Fluidleitungen auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Getriebeanordnung 5 nicht mit einem der vorstehend genannten Kühlkreisläufe des Wärmeübertragungssystems gekoppelt.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist abweichend zu der in 1 dargestellten Ausführungsform bei der Getriebeanordnung ein Wärmetauscher 11 vorgesehen, durch den Getriebeöl aus dem Niederdruckbereich 7 zirkulieren kann. Hierzu sind entsprechende Leitungen vorgesehen und ist insbesondere in einer Zufuhrrohrleitung zum Zuführen des Niederdrucköls zu dem Wärmetauscher 11 ein Ventil 10 vorgesehen. Ferner ist in einer abgewandelten Ausführungsform eine Bypass-Vorrichtung vorgesehen, die den Wärmetauscher 11 entsprechend umgeht, mit der die Durchflussmenge des Getriebeöls durch den Wärmetauscher 11 eingestellt werden kann.
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Der Wärmetauscher 11 steht in thermischem Kontakt mit dem Wärmeübertragungsfluid, das durch das Wärmeübertragungssystem strömt, welches mit den elektrischen Wandlern 3a, 3b und den elektrischen Antriebsmaschinen 4a, 4b gekoppelt ist. In bekannter Weise ist in diesem Wärmeübertragungssystem eine Kühlmittelpumpe 14 vorgesehen und zirkuliert die Kühlmittelpumpe das Wärmeübertragungsfluid durch die zu kühlenden Elemente sowie durch eine Kühleinrichtung 12, die als Wärmetauscher ausgeführt ist und zur Abführung der Wärme an die Umgebung dient. Ferner zirkuliert das Wärmeübertragungsfluid durch den Wärmetauscher 11, durch den auch das Getriebeöl aus dem Niederdruckbereich 7 der Getriebeölpumpe 7 zirkuliert. Der Wärmetauscher 11 kann dabei als Gleichstrom- oder Gegenstromwärmetauscher ausgeführt werden. In jedem Fall wird über den Wärmetauscher 11 ein thermischer Kontakt zwischen dem Getriebeöl und dem Wärmeübertragungsfluid hergestellt. Somit kann die Getriebeanordnung 5 indirekt über den Wärmetauscher 11 durch das Wärmeübertragungsfluid des Wärmeübertragungssystems gekühlt werden. Es ist anzumerken, dass auch eine Temperaturerhöhung des Getriebeöls über die Funktion des Wärmetauschers 11 möglich ist, da die von den elektrischen Wandlern 3a, 3b und den elektrischen Antriebsmaschinen 4a, 4b in das Wärmeübertragungsfluid eingeführte thermische Energie auch auf das Getriebeöl übertragbar ist. Diese Funktion kann insbesondere hilfreich beispielweise beim Anfahren der Arbeitsmaschine aus dem Stillstand bei niedrigen Temperaturen sein.
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In der in 3 gezeigten abgewandelten Ausführungsform ist die Getriebeanordnung 5 gezeigt. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform ist eine Heizvorrichtung 13a vorgesehen, durch die Wärmeübertragungsfluid zirkuliert, welches durch den Wärmetauscher 11 für die Getriebeanordnung 5 vorgesehen ist. Die Heizvorrichtung 13a ist in der vorliegenden Ausführungsform als elektrische Heizeinrichtung ausgeführt, beispielsweise ein elektrischer Heizkörper oder Heizstab. Durch die Anordnung der elektrischen Heizvorrichtung 13a kann das Getriebeöl der Getriebeanordnung 5 vorgewärmt werden, so dass der Betrieb insbesondere nach einem Stillstand oder bei sehr niedrigen Außentemperaturen sichergestellt werden kann.
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4 zeigt eine weitere Abwandlung der Getriebeanordnung 5, bei der eine elektrische Heizvorrichtung 13b innerhalb der Getriebeanordnung 5, insbesondere in dem Ölsumpf 9, vorgesehen ist. Durch die Anordnung der Heizvorrichtung in dem Ölsumpf 9 wird das Öl direkt aufgewärmt, was vorteilhaft für die Aufnahme des Betriebs nach dem Stillstand oder bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Elektrische Energiespeichervorrichtung
- 3a, 3b
- Elektrischer Wandler
- 4a, 4b
- Elektrische Antriebsmaschine
- 5
- Getriebeanordnung
- 6
- Getriebeölpumpe
- 7
- Niederdruckbereich
- 8
- Hochdruckbereich
- 9
- Ölsumpf
- 10
- Ventilvorrichtung
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Kühleinrichtung
- 13a, 13b
- Heizvorrichtung
- 14
- Kühlmittelpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112014000209 T5 [0003]
