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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs für eine Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
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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 aufgebracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor wird von einer Batterie bzw. einem Akkumulator gespeist und übernimmt hier typischerweise eine sog. Boost-Funktion.
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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.
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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.
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Die
DE 10 2018 206 411 A1 beschreibt einen Antrieb für eine Arbeitsmaschine mit einer Vorderachse mit Vorderrädern, die mit einer elektrisch betreibbaren Vorderachsantriebseinheit antreibbar sind, und einer Hinterachse mit Hinterrädern, die mit einer elektrisch betreibbaren Hinterachsantriebseinheit antreibbar sind. Zur Kraftübertragung zwischen der Hinterachsantriebseinheit und der Vorderachsantriebseinheit ist ein mit einer schaltbaren Kupplung versehenes Kraftübertragungselement vorgesehen. Die Vorderachsantriebseinheit und die Hinterachsantriebseinheit umfassen jeweils einen Elektromotor und eine feste Übersetzungsstufe.
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Aus der
DE 10 2018 206 206 A1 ist eine elektrisch betriebene Arbeitsmaschine mit einer Vorderachse, einer Hinterachse sowie einem Verteilergetriebe zur Koppelung des Antriebs von Vorderachse und Hinterachse über eine Zwischenwelle bekannt. Eine elektrische Antriebseinheit der Arbeitsmaschine weist einen ersten und einen zweiten Elektromotor auf, die über ein Summiergetriebe gekoppelt sind. Das Summiergetriebe leitet die Antriebskraft des ersten und des zweiten Elektromotors in das Verteilergetriebe ein.
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Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind hinsichtlich ihres elektro-mechanischen Wirkungsgrads jedoch verbesserungsfähig.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Antrieb für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Antrieb für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Arbeitsmaschine, umfassend mindestens eine erste angetriebene Achse und eine zweite angetriebene Achse, wobei der ersten angetriebenen Achse ein erster Elektromotor und ein erstes Getriebe zugeordnet ist und wobei der zweiten angetriebenen Achse ein zweiter Elektromotor und ein zweites Getriebe zugeordnet ist. Der erfindungsgemäße Antrieb zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Getriebe mehrstufig ausgebildet ist.
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Die Erfindung beschreibt also einen elektromotorisch betreibbaren Antrieb für eine Arbeitsmaschine. Der Antrieb umfasst dabei mindestens zwei angetriebene Achsen, nämlich die erste angetriebene Achse und die zweite angetriebene Achse. Bevorzugt kann der Antrieb auch mehr als nur zwei angetriebene Achsen umfassen.
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Jeder der angetriebenen Achsen ist dabei jeweils ein Elektromotor und ein Getriebe zugeordnet. Entsprechend sind der ersten angetriebenen Achse der erste Elektromotor und das erste Getriebe zugeordnet und der zweiten angetriebenen Achse sind der zweite Elektromotor und das zweite Getriebe zugeordnet. Alternativ bevorzugt kann jeder der angetriebenen Achsen auch mehr als nur ein Elektromotor zugeordnet sein, wobei die mehreren einer Achse zugeordneten Elektromotoren beispielsweise über ein Summiergetriebe gekoppelt sein können.
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Das erste Getriebe befindet sich in Kraftflussrichtung zwischen dem ersten Elektromotor und der ersten angetriebenen Achse und das zweite Getriebe befindet sich in Kraftflussrichtung zwischen dem zweiten Elektromotor und zweiten angetriebenen Achse.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass das erste Getriebe mehrstufig ausgebildet ist, also ein schaltbares Getriebe mit zumindest zwei wählbaren Übersetzungsstufen ist.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Antrieb vergleichsweise effizienter betrieben werden kann als ein gattungsgemäßer Antrieb mit nur einer festen Übersetzung, da mehrere unterschiedliche Übersetzungsstufen an der ersten angetriebenen Achse zu Verfügung stehen, so dass die situationsabhängig jeweils geeignetste Übersetzungsstufe gewählt werden kann und der erste Elektromotor stets in einem effizienten Betriebspunkt betrieben werden kann. Da insbesondere kein gemeinsames Getriebe für alle angetriebenen Achsen vorgesehen ist, kann das erste Getriebe und insbesondere auch der erste Elektromotor raumsparend und kompakt unmittelbar an der ersten angetriebenen Achse angeordnet sein.
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Dadurch kann der eine Arbeitsmaschine, z.B. einen Radlader, antreibende, erfindungsgemäße Antrieb beispielsweise bei einer Überlandfahrt der Arbeitsmaschine in einer Gangstufe betrieben werden, die eine vergleichsweise hohe Raddrehzahl bei einem vergleichsweise geringen Drehmoment bereitstellt. Die zweite angetriebene Achse kann dabei vorteilhaft frei mitlaufen, d.h. nicht angetrieben werden und einen geöffneten Antriebsstrang aufweisen.
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Ebenso kann der erfindungsgemäße Antrieb beispielsweise bei einem Einfahren der Schaufel des Radladers in einen Haufen in einer Gangstufe betrieben werden, die ein vergleichsweise großes Drehmoment bei einer vergleichsweise geringen Raddrehzahl bereitstellt. Dabei wird die zweite angetriebene Achse vorteilhaft ebenfalls angetrieben, um ein in Summe möglichst großes Drehmoment bereitzustellen.
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Eine Triebverbindung zwischen der ersten angetriebenen Achse und der zweiten angetriebenen Achse ist vorteilhaft nicht vorgesehen.
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Vorteilhaft ist der Antrieb dazu ausgebildet, während eines Schaltvorgangs an der ersten Achse eine Antriebsleistungsreduzierung der ersten Achse durch eine Antriebsleistungserhöhung der zweiten Achse zu kompensieren, indem der zweite Elektromotor während des Schaltvorgangs so angesteuert wird, dass seine Antriebsleistung im gleichen Maße erhöht wird, wie die Antriebsleistung des ersten Elektromotors durch den Schaltvorgang reduziert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Getriebe zweistufig ausgebildet ist. Eine zweistufige Ausbildung des ersten Getriebes hat sich aufgrund des vergleichsweise breiten Drehzahlspektrums eines Elektromotors als ausreichend zum effizienten Betrieb des Antriebs erwiesen. Vorteilhaft ist ein zweistufiges Getriebe zudem vergleichsweise kostengünstig.
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Vorteilhaft unterscheiden sich die Übersetzungen einer erste Übersetzungsstufe und einer zweiten Übersetzungsstufe des ersten Getriebes von einer Übersetzungsstufe des zweiten Getriebes.
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Besonders vorteilhaft ist die Übersetzung der ersten Übersetzungsstufe des ersten Getriebes größer als die Übersetzung der festen Übersetzungsstufe des zweiten Getriebes und die Übersetzung der zweiten Übersetzungsstufe des ersten Getriebes ist kleiner als die Übersetzung der festen Übersetzungsstufe des zweiten Getriebes.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Getriebe eine Synchronisierung zum Synchronisieren von Drehzahlen bei einem Schaltvorgang aufweist. Somit kann ein ruckfreier und effizienter Schaltvorgang begünstigt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Getriebe eine Klauenkupplung zum Öffnen und Schließen einer Triebverbindung vom ersten Elektromotor zum ersten Getriebe aufweist. Eine Klauenkupplung ist kostengünstig und eignet sich zum Übertragen auch sehr hoher Drehmomente.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das zweite Getriebe einstufig ausgebildet ist. Dies stellt eine besonders kostengünstige Ausbildung des Antriebs dar, die im praktischen Betrieb jedoch uneingeschränkt zu den bereits genannten Vorteilen führt.
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Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das zweite Getriebe zweistufig ausgebildet ist und eine Synchronisierung zum Synchronisieren von Drehzahlen bei einem Schaltvorgang aufweist. Dadurch kann auch der zweite Elektromotor vergleichsweise effizienter betrieben werden, da auch das zweite Getriebe mehr als nur eine Übersetzungsstufe bereitstellt. Zudem können so auch an der zweiten angetriebenen Achse höhere Drehmomente für besonders drehmomentanfordernde Fahrsituationen bereitgestellt werden. Somit kann auch an der zweiten angetriebenen Achse situationsabhängig die jeweils geeignetste Übersetzungsstufe gewählt werden.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Übersetzung der ersten Übersetzungsstufe des zweiten Getriebes sich von den Übersetzungen der ersten und zweiten Übersetzungsstufe des ersten Getriebes unterscheidet und ebenso sich eine Übersetzung der zweiten Übersetzungsstufe des zweiten Getriebes sich von den Übersetzungen der ersten und zweiten Übersetzungsstufe des ersten Getriebes unterscheidet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste angetriebene Achse als Vorderachse ausgebildet ist und die zweite angetriebene Achse als Hinterachse ausgebildet ist. Dies hat sich - insbesondere bei einem einstufigen Getriebe an der Hinterachse bzw. an der zweiten angetriebenen Achse - als besonders vorteilhaft erwiesen, da an der Vorderachse beispielsweise beim Einfahren der Schaufel in einen Haufen in der Regel höhere Drehmomente erforderlich sind als an der Hinterachse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antrieb weiterhin einen elektrischen Energiespeicher umfasst und der erste Elektromotor sowie der zweite Elektromotor zur elektrischen Rekuperation im Generatorbetrieb betreibbar sind. Die durch den Generatorbetrieb des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors rekuperierte elektrische Energie kann dann dem Energiespeicher zugeführt werden. Diese elektrische Energie kann dem elektrischen Energiespeicher später im Bedarfsfälle wieder entnommen werden, um den ersten Elektromotor und den zweiten Elektromotor des Antriebs bzw. jeden anderen elektrischen Verbraucher der Arbeitsmaschine 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 und des zweiten Elektromotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse, da während der Rekuperation ein Bremsmoment wirkt.
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Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Antrieb dazu ausgebildet, das im folgenden beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebs für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antrieb mindestens eine erste angetriebene Achse und eine zweite angetriebene Achse umfasst, wobei der ersten angetriebenen Achse ein erster Elektromotor und ein erstes Getriebe zugeordnet sind und wobei der zweiten angetriebenen Achse ein zweiter Elektromotor und ein zweites Getriebe zugeordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Getriebe mehrstufig ausgebildet ist und dass während eines Schaltvorgangs an der ersten angetriebenen Achse eine Antriebsleistungsreduzierung der ersten Achse durch eine Antriebsleistungserhöhung der zweiten angetriebenen Achse zu kompensiert wird.
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Die Kompensation der durch den Schaltvorgang an der ersten angetriebenen Achse, d.h. im ersten Getriebe, kurzfristig nicht zur Verfügung stehende Antriebsleistung erfolgt vorteilhaft derart, dass der zweite Elektromotor so angesteuert wird, dass er exakt diejenige Antriebsleistung an der zweiten angetriebenen Achse zusätzlich zur Verfügung stellt, welche aufgrund des Schaltvorgangs an der ersten angetriebenen Achse fehlt.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein Schaltvorgang an der ersten angetriebenen Achse des erfindungsgemäßen Antriebs zugkraftunterbrechungsfrei erfolgen kann.
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Sofern auch der zweiten angetriebenen Achse ein mehrstufiges Getriebe zugeordnet ist, kann das Verfahren entsprechend auch für einen Schaltvorgang an der zweiten angetriebenen Achse bzw. im zweiten Getriebe ausgeführt werden. Wenn also ein Schaltvorgang an der zweiten angetriebenen Achse erfolgt und infolge des Schaltvorgangs eine Antriebsleistungsreduzierung der zweiten Achse erfolgt, dann wird vorteilhaft der erste Elektromotor derart angesteuert, dass er durch eine Antriebsleistungserhöhung an der ersten angetriebenen Achse die Antriebsleistungsreduzierung an der zweiten Achse kompensiert. Dementsprechend erfolgen Schaltvorgänge des ersten Getriebes und des zweiten Getriebes vorteilhaft nicht gleichzeitig und insbesondere bei unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Drehmomentanfordnerungen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Geschwindigkeitsschwelle der erste Elektromotor trieblich von der ersten angetriebenen Achse getrennt wird oder dass bei Überschreiten der vorgebbaren Geschwindigkeitsschwelle der zweite Elektromotor trieblich von der zweiten angetriebenen Achse getrennt wird.
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Die vorgebbare Geschwindigkeitsschwelle liegt vorteilhaft oberhalb einer Geschwindigkeit, mit der die Arbeitsmaschine sich üblicherweise auf einer Baustelle oder in einer Kiesgrube bewegt bzw. oberhalb einer Geschwindigkeit, die eine typische Geschwindigkeit im Arbeitsbetrieb der Arbeitsmaschine ist. Die vorgebbare Geschwindigkeitsschwelle kann für unterschiedliche Gattungen von Arbeitsmaschinen unterschiedlich sein.
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Beispielsweise kann die vorgebbaren Geschwindigkeitsschwelle für einen Radlader 30 km/h betragen und ein Überschreiten dieser Geschwindigkeitsschwelle ein Indiz dafür sein, dass der Radlader nicht auf einer Baustelle betrieben wird sondern eine Überlandfahrt bzw. Verlegungsfahrt ausführt. Da bei derartigen Fahrten nur ein vergleichsweise geringes Drehmoment und dementsprechend eine nur vergleichsweise geringe Antriebsleistung erforderlich ist, ist es ausreichend, die Arbeitsmaschine nur über eine der beiden angetriebenen Achsen anzutreiben. Indem der Elektromotor der nicht zum Antrieb der Arbeitsmaschine genutzten Antriebsachse nun trieblich von dieser Antriebsachse getrennt wird, beispielsweise durch Öffnen einer Kupplung im der angetriebenen Achse zugeordneten Getriebe, können die Schleppverluste reduziert werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antrieb beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader, Kommunalfahrzeug, Müllfahrzeug, Minenfahrzeug, Kompaktlader, Flugzeugschlepper oder Traktor ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigt:
- 1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs für eine Arbeitsmaschine.
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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.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs 1 für eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt). Der Antrieb 1 umfasst beispielsgemäß eine erste angetriebene Achse 2 und eine zweite angetriebene Achse 3, wobei die erste angetriebene Achse 2 als Vorderachse 2 ausgebildet ist und die zweite angetriebene Achse 3 als Hinterachse 3 ausgebildet ist.
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Wie zu sehen ist, sind der ersten angetriebenen Achse 2 ein erster Elektromotor 4 und ein erstes Getriebe 5 zugeordnet. Ebenso sind der zweiten angetriebenen Achse 3 ein zweiter Elektromotor 6 und ein zweites Getriebe 7 zugeordnet. Das erste Getriebe 5 ist dabei mehrstufig ausgebildet, beispielsgemäß nämlich zweistufig. Das zweite Getriebe 7 hingegen ist beispielsgemäß einstufig ausgebildet und weist somit eine feste Übersetzung auf.
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Um einen ruckfreien und effizienten Schaltvorgang im ersten Getriebe 5 zu ermöglichen, weist das erste Getriebe 5 eine (in 1 nicht dargestellte) Synchronisierung auf. Das Schalten des ersten Getriebes 5 erfolgt dabei beispielsgemäß über eine Klauenkupplung.
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Der Antrieb 1 ist dazu ausgebildet, während eines Schaltvorgangs an der ersten angetriebenen Achse 2 eine durch den Schaltvorgang bedingte Antriebsleistungsreduzierung der ersten angetriebenen Achse 2 durch eine entsprechende Antriebsleistungserhöhung der zweiten angetriebenen Achse 3 zu kompensieren.
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Die Kompensation der durch den Schaltvorgang an der ersten angetriebenen Achse 2, d.h. im ersten Getriebe 5, kurzfristig nicht zur Verfügung stehende Antriebsleistung erfolgt dabei derart, dass der zweite Elektromotor 6 so angesteuert wird, dass er exakt diejenige Antriebsleistung an der zweiten angetriebenen Achse 3 zusätzlich zur Verfügung stellt, welche aufgrund des Schaltvorgangs an der ersten angetriebenen Achse 2 fehlt.
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Gemäß einer weiteren, ebenfalls in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs, ist auch das zweite Getriebe 7 zweistufig ausgebildet. Zudem weist es eine Synchronisierung zum Synchronisieren von Drehzahlen bei einem Schaltvorgang auf.
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Bezugszeichen
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- 1
- Antrieb
- 2
- erste angetriebene Achse, Vorderachse
- 3
- zweite angetriebene Achse, Hinterachse
- 4
- erster Elektromotor
- 5
- erstes Getriebe
- 6
- zweiter Elektromotor
- 7
- zweites Getriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014000738 U1 [0003]
- EP 0962597 A2 [0004]
- DE 102018206411 A1 [0005]
- DE 102018206206 A1 [0006]
