DE102021209229A1 - Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine - Google Patents

Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine Download PDF

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Thomas Oberbuchner
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Abstract

Eine Vorderachse 12 und eine Hinterachse 8 eines Traktors können unabhängig voneinander einmal durch ein Hauptgetriebe 4 und ein anderes Mal über ein Nebengetriebe mit einer ersten Maschine 14 und einer zweiten Maschine 15 angetrieben werden, wodurch ein Zugkraft-Boost möglich ist, ohne dass das Hauptgetriebe 4 zusätzlich belastet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Die EP 2 566 716 B1 offenbart eine Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine, bei welchem das Fahrzeug einmal über einen Verbrennungsmotor und ein Schaltgetriebe antreibbar ist und ein anderes Mal über einen Verbrennungsmotor, welcher einen Generator antreibt, welcher einen Elektromotor antreibt, über welchen das Fahrzeug angetrieben wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine weiter zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird mit einer auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist die Antriebsvorrichtung ein Hauptgetriebe auf, welches von einem Hauptmotor antreibbar ist und welches mit seiner Getriebeabtriebswelle mit einer Hinterachse verbindbar ist, wodurch die Hinterachse über das Hauptgetriebe antreibbar ist. Zusätzlich weist die Antriebsvorrichtung ein Nebengetriebe auf, welches vom Hauptmotor antreibbar ist und welches eine Vorderachse antreibt. Weiterhin weist die Antriebsvorrichtung eine Kupplung auf, welche die Vorderachse mit der Hinterachse verbindet. Das Nebengetriebe weist eine erste Maschine und eine zweite Maschine auf, wobei die Eingangswelle der ersten Maschine vom Hauptmotor antreibbar ist und die zweite Maschine von der ersten Maschine antreibbar ist und die Ausgangswelle der zweiten Maschine mit der Vorderachse in Wirkverbindung steht, um diese anzutreiben. Bei der ersten Maschine und der zweiten Maschine kann es sich um hydraulische Maschinen handeln, beispielsweise eine in ihrem Hubvolumen verstellbare Axialkolbenpumpe und ein Axialkolbenmotor, wobei nur die Pumpe in ihrem Hubvolumen verstellbar ausgeführt sein kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass sowohl die Pumpe als auch der Motor in ihrem Hubvolumen verstellbar ausgeführt sind.
  • Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die erste Maschine als Generator und die zweite Maschine als elektrischer Motor ausgeführt sind. Die elektrischen Maschinen können als Gleichstrom- oder Wechselstrommaschinen ausgeführt sein. Zur Verstellung der Drehzahl des elektrischen Motors ist zusätzlich eine Steuervorrichtung vorhanden.
  • Durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einem Traktor, welcher auch Schlepper genannt wird, besteht die Möglichkeit, einen in seiner Drehzahl stufenlos regelbaren Kriechgang vorzusehen, bei welchem die Arbeitsmaschine eine sehr geringe Geschwindigkeit aufweist, beispielsweise 0,02 km/h bis 2 km/h. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Zugkraft des Fahrantriebs der Arbeitsmaschine zu erhöhen, ohne das Hauptgetriebe bzw. dessen Bauteile mit zusätzlicher Leistung zu überlasten. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leistung vom Hauptmotor, beispielsweise einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor, aufgeteilt wird, bevor die abgebende Leistung in das Hauptgetriebe eingeleitet wird. Diese Aufteilung besteht zum einen mit der Einleitung einen Teil der Leistung in die Getriebeeingangswelle des Hauptgetriebes und zum anderen mit der Einleitung der Leistung in die Eingangswelle der ersten Maschine des Nebengetriebes. Die Ausgangswelle der zweiten Maschine des Nebengetriebes treibt dann direkt die Vorderachse an, und die Abtriebswelle des Hauptmotors treibt die Hinterachse an. Dadurch ist es möglich, die volle Leistung des Hauptmotors auf ein Hauptgetriebe und ein Nebengetriebe aufzuteilen und die Vorderachse und die Hinterachse anzutreiben, ohne dass die Bauteile des Hauptgetriebes überlastet werden.
  • Durch Verwendung der Kupplung, mittels welcher die Vorderachse mit der Hinterachse verbindbar ist, besteht die Möglichkeit, die Vorderachse und die Hinterachse ausschließlich über das Hauptgetriebe anzutreiben oder die Vorderachse und die Hinterachse ausschließlich über das Nebengetriebe anzutreiben oder die Vorderachse und die Hinterachse über das Hauptgetriebe und das Nebengetriebe anzutreiben. Durch Verwendung dieser Kupplung besteht zusätzlich die Möglichkeit, bei geöffneter Kupplung die Vorderachse mit einer anderen Drehzahl anzutreiben als die Hinterachse. Weist die Vorderachse eine höhere Drehzahl als die Hinterachse auf, kann dies beispielsweise sich vorteilhaft auf das Lenkverhalten des Fahrzeugs auswirken.
  • In einer weiteren Ausgestaltungsform besteht die Möglichkeit, eine zusätzliche Kupplung zum Abschalten der zweiten Maschine mit der Vorderachse vorzusehen, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die zweite Maschine über einem Freilauf mit der Vorderachse verbunden. Der Freilauf verbindet die Vorderachse mit der zweiten Maschine nur dann kraftschlüssig, wenn die Drehzahl der zweiten Maschine höher ist als die Drehzahl der Vorderachse. Durch die Verwendung einer Kupplung oder eines Freilaufs zwischen der zweiten Maschine und der Vorderachse wird zusätzlich sichergestellt, dass die zweite Maschine vor Überdrehzahlen und somit Schäden geschützt ist. Die Kupplung wird deshalb immer dann im Öffnungssinne betätigt, wenn eine maximale zuvor definierte Drehzahl der zweiten Maschine überschritten wird.
  • Weitere Merkmale sind der Figurenbeschreibung zu entnehmen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung;
    • 2 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung mit einer Kupplung zwischen der zweiten Maschine und der Vorderachse;
    • 3 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung mit geschlossenen Kupplungen;
    • 4 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung mit geschlossener Kupplung zwischen der zweiten Maschine und der Vorderachse und geschlossener Kupplung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse;
    • 5 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung mit geschlossener Kupplung zwischen der zweiten Maschine und der Vorderachse und geöffneter Kupplung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse und
    • 6 eine Darstellung der Antriebsvorrichtung mit geschlossener Kupplung zwischen der zweiten Maschine und der Vorderachse und geschlossener Kupplung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse.
  • Figur 1 :
  • Ein Hauptmotor 1, welcher als Verbrennungsmotor oder als elektrischer Motor ausgebildet sein kann, treibt über seine Abtriebswelle 2 zum einen die Getriebeeingangswelle 3 des Hauptgetriebes 4 und zum anderen die Eingangswelle 13 des Nebengetriebes an. Das Hauptgetriebe 4 kann als stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe oder als Stufenschaltgetriebe oder als Stufenlastschaltgetriebe ausgebildet sein. In jedem Fall weist das Hauptgetriebe eine Schaltstellung auf, mittels welcher der Leistungsfluss der Getriebeeingangswelle 3 zur Hinterachse 8 verbindbar und trennbar ist. Das Hauptgetriebe 4 weist zusätzlich eine Nebenabtriebswelle 5 auf. Im Hauptgetriebe 4 bei geschlossenem Leistungsfluss treibt die Getriebeeingangswelle 3 das Zahnrad 6 an. Das Zahnrad 6 treibt das Zahnrad 7 an, welches die Hinterachse 8 antreibt. Zusätzlich treibt das Zahnrad 7 das Zahnrad 9 an, welches mit der Kupplung 10 in Wirkverbindung steht. Ist die Kupplung 10 im Schließsinne betätigt, so besteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Zahnrad 9 und der Welle 11. Ist die Kupplung 10 im Öffnungssinne betätigt, so ist die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Zahnrad 9 und der Welle 11 unterbrochen. Die Welle 11 ist mit dem Zahnrad 18 drehfest verbunden und ist ebenfalls mit der Vorderachse 12 drehfest verbunden. Die Eingangswelle 13 treibt die erste Maschine 14 an, welche als verstellbare hydraulische Pumpe oder als elektrischer Generator ausgeführt sein kann. Die erste Maschine 14 ist mit der zweiten Maschine 15, welche als hydraulischer Motor oder als elektrischer Motor ausgebildet sein kann, wirkverbunden. Die zweite Maschine 15 treibt die Ausgangswelle 16 an, welche über das Zahnrad 17 mit dem Zahnrad 18 wirkverbunden ist.
  • Figur 2:
  • Die 2 weist gegenüber der 1 zusätzlich die Kupplung 19 auf. Mit der Kupplung 19 lässt sich das Zahnrad 18 mit der Vorderachse 12 verbinden oder trennen. Zusätzlich lässt sich mit der Kupplung 19 das Zahnrad 18 mit der Welle 11 verbinden oder trennen.
  • Figur 3:
  • Mit der Darstellung der 3 wird der Leistungspfad zur Vorderachse 12 und zur Hinterachse 8 vom Hauptmotor 1 dargestellt. Die Kupplung 19 ist im Öffnungssinne betätigt, sodass das Zahnrad 18 nicht mit der Vorderachse 12 kraftschlüssig verbunden ist. Die Kupplung 10 ist im Schließsinne betätigt, sodass das Zahnrad 9 mit der Welle 11 kraftschlüssig verbunden ist. Das Hauptgetriebe 4 ist mit seinen Schaltelementen so geschaltet, dass Leistung vom Hauptmotor 1 über die Getriebeeingangswelle 3 auf das Zahnrad 7 geleitet wird und von dort die Hinterachse 8 antreibt. Zusätzlich wird über das Zahnrad 7 das Zahnrad 9 vom Hauptgetriebe 4 angetrieben. Die Welle 11 wird über die geschlossene Kupplung 10 und die somit die Vorderachse 12 ebenfalls angetrieben. Da die Kupplung 19 im Öffnungssinne betätigt ist, ist kein Kraftfluss von der zweiten Maschine 15 auf die Vorderachse 12 vorhanden. Die erste Maschine 14 und die zweite Maschine 15 sind so angesteuert, dass keine Energie von der ersten Maschine 14 auf die zweite Maschine 15 übertragen wird. Die zweite Maschine 15 steht somit still. Die Arbeitsmaschine wird in diesem Fahrzustand wie ein üblicher Allradschlepper benutzt.
  • Figur 4:
  • Bei der Darstellung der 4 ist sowohl die Kupplung 19 als auch die Kupplung 10 im Schließsinne betätigt. Das Hauptgetriebe 4 ist jedoch mit seinen Schaltelementen so geschaltet, dass keine Energie von der Getriebeeingangswelle 3 zum Zahnrad 6 übertragen werden kann. Die Arbeitsmaschine wird somit ausschließlich über das Nebengetriebe angetrieben. Der Hauptmotor 1 treibt somit die erste Maschine 14 an, welche die zweite Maschine 15 antreibt. Diese treibt über das Zahnrad 17 und 18 sowie die Kupplung 19 die Vorderachse 12 und über die geschlossene Kupplung 10 die Hinterachse 8 an. Es kann somit ausschließlich über das Nebengetriebe ein Kriechgang gefahren werden, welcher eine sehr geringe Geschwindigkeit des Fahrzeugs zulässt. Da die erste Maschine 14 und die zweite Maschine 15 so zusammenwirken, dass die zweite Maschine 15 in ihrer Drehzahl stufenlos veränderbar ist, kann das Fahrzeug aus dem Stillstand stufenlos in seiner Geschwindigkeit verändert werden. Durch Schließen der Kupplung 10 wird das Fahrzeug dennoch als Allradfahrzeug mit allen Rädern angetrieben.
  • Figur 5:
  • Die Darstellung der 5 zeigt eine Antriebssituation, in welcher die Vorderachse 12 in einer anderen Drehzahl antreibbar ist als die Hinterachse 8. Hierfür ist die Kupplung 19 im Schließsinne betätigt und die Kupplung 10 im Öffnungssinne betätigt. Das Hauptgetriebe 4 ist mit seinen Schaltelementen so geschaltet, dass ein Kraftfluss von der Getriebeeingangswelle 3 zum Zahnrad 6 übertragen wird. Zusätzlich wird ein weiterer Kraftfluss vom Hauptmotor 1 über das Nebengetriebe mit seiner ersten Maschine 14 und seiner zweiten Maschine 15 auf das Zahnrad 17 und das Zahnrad 18 und somit die Vorderachse 12 übertragen. Durch stufenloses Verändern der Drehzahl der zweiten Maschine 15 kann die Drehzahl der Vorderachse 12 stufenlos verändert werden. Das Hauptgetriebe 4 treibt somit ausschließlich die Hinterachse 8 an und das Nebengetriebe treibt die Vorderachse 12 an. Der Schlepper kann somit höhere Fahrleistungen auf den Untergrund übertragen, ohne dass das Hauptgetriebe 4 eine zusätzlich höhere Belastung erfährt.
  • Figur 6:
  • In der Darstellung der 6 sind die Schaltelemente im Hauptgetriebe 4 so geschaltet, dass Leistung von der Getriebeeingangswelle 3 auf das Zahnrad 6 übertragen wird und somit die Hinterachse 8 vom Hauptgetriebe 4 antreibbar ist. Zusätzlich wird Leistung über das Nebengetriebe mit seiner ersten Maschine 14 und seiner zweiten Maschine 15 auf das Zahnrad 17 übertragen. Durch Schließen der Kupplung 19 und durch Schließen der Kupplung 10 ist die Vorderachse 12 mit der Hinterachse 8 wirkverbunden, wodurch die Leistung des Hauptgetriebes 4 und die Leistung des Nebengetriebes auf beide Achsen somit sowohl die Vorderachse 12 als auch die Hinterachse 8 wirkt. Dadurch lassen sich die maximalen Zugkräfte übertragen. Das Hauptgetriebe 4 wird durch die höheren Zugkräfte jedoch nicht zusätzlich belastet. Diese Funktion wird auch als Zugkraft-Boostfunktion bezeichnet. Die Zugkraft-Boostfunktion lässt sich in ihrer Höhe einstellen, indem das Nebengetriebe mehr oder weniger Leistung vom Hauptmotor 1 abnimmt. Je nachdem, wie viel Leistung die zweite Maschine 15 auf das Zahnrad 17 überträgt, ändert sich die Leistung an der Hinterachse 8 und der Vorderachse 12. Es besteht sogar die Möglichkeit, die Leistung an der zweiten Maschine 15 auf null zu reduzieren, wodurch das Fahrzeug ausschließlich über das Hauptgetriebe 4 angetrieben wird.
  • Soll die Hinterachse 8 und die Vorderachse 12 immer dieselbe Drehzahl aufweisen, kann die Kupplung 10 entfallen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die erste Maschine auch aus einem Akkumulator, somit einer Batterie bestehen, welche über ein externes Energienetz wiederaufladbar ist. Diese Batterie kann die zweite Maschine, welche dann als elektrischer Motor ausgebildet ist, mit Energie versorgen und ansteuern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hauptmotor
    2
    Abtriebswelle
    3
    Getriebeeingangswelle
    4
    Hauptgetriebe
    5
    Nebenabtriebswelle
    6
    Zahnrad
    7
    Zahnrad
    8
    Hinterachse
    9
    Zahnrad
    10
    Kupplung
    11
    Welle
    12
    Vorderachse
    13
    Eingangswelle
    14
    erste Maschine
    15
    zweite Maschine
    16
    Ausgangswelle
    17
    Zahnrad
    18
    Zahnrad
    19
    Kupplung
  • 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
    • EP 2566716 B1 [0002]

Claims (14)

  1. Antriebsvorrichtung für einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine mit einem von einem Hauptmotor (1) antreibbaren Hauptgetriebe (4) und einem vom Hauptmotor (1) antreibbaren Nebengetriebe, wobei eine Getriebeeingangswelle (3) des Hauptgetriebes (4) mit einer Abtriebswelle (2) des Hauptmotors (1) verbindbar ist und eine Getriebeabtriebswelle des Hauptgetriebes (4) mit einer Hinterachse (8) zum Antrieb von Fahrzeugrädern in Wirkverbindung steht und das Nebengetriebe eine erste Maschine (14) und eine zweite Maschine (15) aufweist, wobei eine Eingangswelle (13) der ersten Maschine (14) vom Hauptmotor (1) antreibbar ist und die zweite Maschine (15) von der ersten Maschine (14) antreibbar ist und eine Ausgangswelle (16) der zweiten Maschine (15) eine Vorderachse (12) zum Antrieb von Fahrzeugrädern antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) mittels einer Kupplung (10) verbindbar und lösbar ist.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maschine (14) und die zweite Maschine (15) als hydraulische Maschinen ausgebildet sind.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maschine (14) und die zweite Maschine (15) als elektrische Maschinen ausgebildet sind.
  4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Maschine (14) mittels einer Kupplung (19) mit der Vorderachse (12) verbindbar und trennbar ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderachse (12) mittels des Nebengetriebes und die Hinterachse (8) mittels des Hauptgetriebes (4) unabhängig voneinander mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbar sind.
  6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (16) der zweiten Maschine (15) bei gleichzeitigem Drehen der Eingangswelle (13) der ersten Maschine (14) in der Drehzahl von Stillstand bis auf eine Drehzahl größer dem Stillstand stufenlos verstellbar ist.
  7. Verfahren zum Betrieb der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Hauptgetriebe (4) so aktiviert wird, dass die Leistungsübertragung von der Getriebeeingangswelle (3) des Hauptgetriebes (4) zur Hinterachse (8) unterbrochen wird und die Kupplung (10), welche die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) verbindet oder trennt, so angesteuert wird, dass der Kraftfluss von der Vorderachse (12) zur Hinterachse (8) getrennt ist und anschließend die zweite Maschine (15) so angesteuert wird, dass die Vorderachse (12) sich dreht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (19) zwischen der zweiten Maschine (15) und der Vorderachse (12) im Schließsinne angesteuert wird, bevor die zweite Maschine (15) angesteuert wird, um die Ausgangswelle (16) der zweiten Maschine (15) zu drehen.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10), welche die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) verbindet oder trennt, so angesteuert wird, dass der Kraftfluss von der Vorderachse (12) zur Hinterachse (8) verbunden ist.
  10. Verfahren zum Betrieb der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Hauptgetriebe (4) so aktiviert wird, dass die Leistungsübertragung von der Getriebeeingangswelle (3) des Hauptgetriebes (4) zur Hinterachse (8) verbunden wird und die Kupplung (10), welche die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) verbindet oder trennt, so angesteuert wird, dass der Kraftfluss von der Vorderachse (12) zurück zur Hinterachse (8) verbunden wird und die Kupplung (19) zwischen der zweiten Maschine (15) und der Vorderachse (12) im Öffnungssinne angesteuert wird, sodass der Kraftfluss von der zweiten Maschine (15) zur Vorderachse (12) unterbrochen ist.
  11. Verfahren zum Betrieb der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Hauptgetriebe (4) so aktiviert wird, dass die Leistungsübertragung von der Getriebeeingangswelle (3) des Hauptgetriebes (4) zur Hinterachse (8) verbunden wird und die Kupplung (10), welche die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) verbindet oder trennt, so angesteuert wird, dass der Kraftfluss von der Vorderachse (12) zur Hinterachse (8) getrennt ist und anschließend die zweite Maschine (15) so angesteuert wird, dass die Vorderachse (12) sich dreht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (19) zwischen der zweiten Maschine (15) und der Vorderachse (12) im Schließsinne angesteuert wird, bevor die zweite Maschine (15) angesteuert wird, um die Ausgangswelle (16) zu der zweiten Maschine (15) zu drehen.
  13. Verfahren zum Betrieb der Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement im Hauptgetriebe (4) so aktiviert wird, dass die Leistungsübertragung von der Getriebeeingangswelle (3) des Hauptgetriebes (4) zur Hinterachse (8) verbunden wird und die Kupplung (10), welche die Vorderachse (12) mit der Hinterachse (8) verbindet oder trennt, so angesteuert wird, dass der Kraftfluss von der Vorderachse (12) zur Hinterachse (8) verbunden ist und anschließend die zweite Maschine (15) so angesteuert wird, dass die Vorderachse (12) sich dreht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (19) zwischen der zweiten Maschine (15) und der Vorderachse (12) im Schließsinne angesteuert wird, bevor die zweite Maschine (15) angesteuert wird, um die Ausgangswelle (16) der zweiten Maschine (15) zu drehen.
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