DE10316862A1

DE10316862A1 - Antriebssystem für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE10316862A1
Application number: DE10316862A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Dr. Tarasinski; Fritz Dr. Glaser; Bernd Kneer
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-10-21
Also published as: BRPI0401035A; ES2335761T3; EP1466772A3; DE502004010537D1; MXPA04003387A; US20040200648A1; AU2004201464B2; ATE452786T1; EP1466772A2; EP1466772B1; US7287612B2; AU2004201464A1

Abstract

Es wird ein Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge wie landwirtschaftliche oder industrielle Schlepper, beschrieben, mit wenigstens einem ersten Rad (12), das durch einen zugehörigen Achs- oder Einzelradantriebsmotor (18) angetrieben wird, und mit wenigstens einem zweiten Rad (16), in dessen Antriebsstrang ein zwischen wenigstens zwei Drehzahlübertragungsstufen umschaltbares Getriebe (34) angeordnet ist. DOLLAR A Um zu vermeiden, dass während des Schaltens des Umschaltgetriebes (34) die Fahrzeuggeschwindigkeit absinkt und störende Schaltrucke auftreten, wird vorgeschlagen, eine Einrichtung zur Erfassung eines Umschaltbefehls und eine Steuereinrichtung (70) vorzusehen, welche bei Vorliegen eines Umschaltbefehls automatisch wenigstens den das erste Rad (12) antreibenden Antriebsmotor (18) höher belastet, die Umschaltung des Umschaltgetriebes (34) des zweiten Rades (16) steuert und die Belastung des das erste Rad (12) antreibenden Antriebsmotors (18) wieder herabsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge wie landwirtschaftliche oder industrielle Schlepper, mit wenigstens einem ersten Rad, das durch einen zugehörigen Achs- oder Einzelradantriebsmotor angetrieben wird, und mit wenigstens einem zweiten Rad, in dessen Antriebstrang ein zwischen wenigstens zwei Drehzahlübertragungs- oder -übersetzungsstufen umschaltbares Getriebe angeordnet ist.

Für eine Anpassung der Antriebsleistung an unterschiedliche Fahranforderungen wurden Fahrzeugantriebe vorgeschlagen, bei denen jeder Fahrzeugachse oder jedem Rad des Fahrzeugs ein gesonderter Antrieb zugeordnet ist. So beschreibt die EP-A-0 812 720 ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem der eingangs genannten Art. Ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebener Generator liefert die elektrische Energie für Elektromotoren. Die Räder der Vorderachse des Fahrzeugs werden durch je einen zugehörigen Elektromotor angetrieben, während die Hinterräder elektro-mechanisch angetrieben werden, indem der Verbrennungsmotor eine der Hinterachse des Fahrzeugs zugeordnete Antriebswelle antreibt. Jedem Rad der Hinterachse ist ein Summengetriebe und ein Elektromotor zugeordnet. Im Summengetriebe werden die Antriebsleistungen der Antriebswelle und des zugehörigen Elektromotors zusammengeführt und an das zugehörige Hinterrad abgegeben. Zwischen dem Verbrennungsmotor und den beiden Summengetrieben ist ein zwischen wenigstens zwei Übertragungsverhältnissen umschaltbares Umschaltgetriebe vorgesehen. Beim Umschalten des Umschaltgetriebes tritt eine Zugkraftunterbrechung zu den Hinterrädern auf. Dies kann eine Verlangsamung des Fahrzeugs zur Folge haben und sich als Schaltruck unangenehm für die Bedienungsperson bemerkbar machen. Es hat sich gezeigt, dass auch bei Verwendung eines unter Last schaltbaren Umschaltgetriebes die genannten Nachteile nicht vermieden werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Antriebssystem der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die genannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll vermieden werden, dass während des Schaltens eines Umschaltgetriebes die Fahrzeuggeschwindigkeit absinkt und störende Schaltrucke auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Antriebssystem besitzt wenigstens ein erstes Rad, das durch einen zugehörigen Achs- oder Einzelradantriebsmotor angetrieben wird, und wenigstens ein zweites Rad, in dessen Antriebstrang ein zwischen wenigstens zwei Drehzahlübertragungsstufen umschaltbares Getriebe angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Erfassung eines Umschaltbefehls und eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung reagiert auf einen Umschaltbefehl, indem sie automatisch wenigstens den das erste Rad antreibenden Antriebsmotor höher belastet, so dass das erste Rad ein höheres Drehmoment abgibt. Im zeitlichen Zusammenhang hiermit wird die Umschaltung des Umschaltgetriebes des zweiten Rades gesteuert. In der Endphase der Umschaltung wird die Belastung des das erste Rad antreibenden Antriebsmotor wieder herabsetzt. Dieser kann dann beispielsweise wieder sein ursprüngliches Drehmoment erzeugen. Bei dieser Schaltmethode tritt während des Umschaltvorgangs keine nennenswerte Zugkraftunterbrechung oder -minderung auf, die wegen des Fahrwiderstandes zu einer Abbremsung und Verlangsamung des Fahrzeugs führen könnte. Vielmehr wird die Leistungsreduzierung am umzuschaltenden Rad durch eine entsprechende Zugkrafterhöhung am nicht geschalteten, weiterhin treibenden Rad kompensiert. Das Fahrzeug behält somit seine Geschwindigkeit bei. Unangenehme Schaltrucke werden vermieden oder zumindest stark abgeschwächt.

Diese erfindungsgemäße Schalt- und Antriebsstrategie lässt sich bei unterschiedlichen Fahrzeugantriebskonzepten in vorteilhafter Weise anwenden.

Das erfindungsgemäße Antriebskonzept lässt sich beispielsweise bei einem Fahrzeug anwenden, bei dem die Hinterräder auf konventionelle Weise durch einen Verbrennungsmotor und ein zwischen verschiedenen Übertragungsverhältnissen umschaltbares mechanisches oder hydrostatisch-mechanisches Getriebe angetrieben werden. Die Vorderräder werden hingegen durch gesonderte Antriebsmotoren angetrieben, wobei ein Antriebsmotor die beiden Rädern der Vorderachse gemeinsam antreiben kann (Achsantriebsmotor) oder jedes Vorderrad einen gesonderten Antriebsmotor aufweist (Einzelradantriebsmotor). Vorzugsweise handelt es sich bei den Antriebsmotoren um elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren. Während einer Umschaltung des Getriebes wird der Antriebsmotor bzw. werden die Antriebsmotoren mit erhöhter Leistung angetrieben, so dass sie die an den Hinterrädern auftretende Zugkraftunterbrechung oder -minderung kompensieren und das Fahrzeug mit unverminderter Geschwindigkeit weiterfährt.

Bei einem weiteren vorteilhaften Antriebskonzept werden sowohl die Hinterräder als auch die Vorderräder durch Achsantriebsmotoren bzw. durch Einzelradantriebsmotoren angetrieben. Hinsichtlich der Anordnung von umschaltbaren Getrieben ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Umschaltgetriebe können zwischen Antriebsmotoren der Vorderachse und den zugehörigen Vorderräder oder zwischen Antriebsmotoren der Hinterachse und den zugehörigen Hinterrädern oder sowohl zwischen Antriebsmotoren der Vorderachse und den zugehörigen Vorderräder als auch zwischen Antriebsmotoren der Hinterachse und den zugehörigen Hinterrädern angeordnet sein. Bei der Umschaltung des Umschaltgetriebes bzw. der Umschaltgetriebe einer Achse wird der Antriebsmotor bzw. werden die Antriebsmotoren der anderen Achse höher belastet, d. h. bei höherer Leistungsaufnahme betrieben.

Wenn jedem der vier Räder eines Fahrzeugs ein gesonderter Antriebsmotor mit nachgeordnetem schaltbaren Getriebe zugeordnet ist, können bei Vorliegen eines Umschaltbefehls zunächst die Umschaltgetriebe einer ersten Achse zwischen zwei Übertragungsstufen umgeschaltet und während des Schaltvorgangs die Antriebsmotoren der zweiten Achse mit erhöhter Antriebsleistung betrieben werden. Anschließend werden die Umschaltgetriebe der zweiten Achse geschaltet und während des Schaltvorgangs die Antriebsmotoren der ersten Achse mit erhöhter Leistung betrieben.

Bei dem Umschaltvorgang kann in vorteilhafter Weise wie folgt verfahren werden: Zunächst wird das zum Antreiben des Fahrzeug erforderliche Drehmoment auf alle Fahrzeugräder aufgeteilt. Nähert sich beispielsweise beim Beschleunigen oder Verzögern des Fahrzeugs die Fahrzeuggeschwindigkeit einem Wert, der ein Umschalten in eine höhere oder niedrigere Gangstufe erfordert, so wird durch die Bedienungsperson oder durch eine automatische Umschaltsteuereinrichtung ein Umschaltbefehl an die Steuereinrichtung abgegeben. Zur Vorbereitung der Umschaltung der Fahrzeugräder einer ersten Fahrzeugachse wird durch die Steuereinrichtung eine Verlagerung des notwendigen Drehmoments auf die Fahrzeugräder der zweiten Fahrzeugachse veranlasst, indem die Antriebsmotoren der zweiten Fahrzeugachse zeitweilig höher belastet werden, während die von der Umschaltung betroffenen Antriebe drehmomentfrei gemacht werden, so dass sich das Umschaltgetriebe umschalten lässt. Nach erfolgter Umschaltung wird das erforderliche Drehmoment auf die bereits geschalteten Fahrzeugräder verlagert, so dass die bisher nicht geschalteten Räder drehmomentfrei gemacht werden und umgeschaltet werden können. Nach dem Umschalten der Umschaltgetriebe aller vier Räder wird das zum Antreiben des Fahrzeugs erforderliche Drehmoment wieder auf alle vier Räder verteilt.

Bei einem Fahrzeug mit gesonderten Antriebsmotoren und Umschaltgetrieben je Rad kann auch eine Steuerung von Vorteil sein, durch die bei Vorliegen eines Umschaltbefehls zunächst die schaltbaren Getriebe zweier erster diagonal gegenüberliegender Räder gleichzeitig geschaltet werden, während die Antriebsmotoren der beiden anderen zweiten Räder höher belastet werden, und durch die unmittelbar anschließend die noch nicht geschalteten, den beiden zweiten diagonal gegenüberliegenden Rädern zugeordneten Getriebe gleichzeitig geschaltet werden, während die Antriebsmotoren der beiden ersten Räder höher belastet werden. Im allgemeinen wird jedoch aus Gründen der Fahrstabilität eine achsweise Schaltung bevorzugt.

Bei Ackerschleppern kann das Umschaltgetriebe beispielsweise einen ersten Getriebebereich aufweisen, der Fahrgeschwindigkeiten bis z. B. 27 km/h erlaubt und hauptsächlich beim Arbeitsbetrieb verwendet wird. Ein zweiter Getriebebereich lässt Fahrgeschwindigkeiten bis z. B. 65 km/h zu und wird bei Straßenfahrten verwendet. Bei derart großen Übersetzungssprüngen (1 : 2,4) treten normalerweise störende Umschaltrucke auf, wenn beim Beschleunigen oder Verzögern des Fahrzeugs durch die Bedienungsperson oder durch eine Schaltautomatik eine Gang- bzw. Bereichsumschaltung erfolgt. Die Schaltrucke sind besonders bei Verwendung von automatisch geschalteten Getrieben unangenehm, da sie hier unerwartet auftreten. Diese Schaltrucke lassen sich durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems vermeiden.

Als Umschaltgetriebe können Lastschaltgetriebe verwendet werden. Es ist auch von Vorteil, ein Schaltgetriebe zu verwenden, in dessen Antriebsstrang eine Kupplung zur Unterbrechung des Kraftflusses angeordnet ist.

Eine besonders herauszustellende vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, als Achs- oder Einzelradantriebsmotoren elektrische Maschinen oder Hydraulikmotoren vorzusehen. Elektrische oder hydraulische Einzelradantriebsmotoren werden im Folgenden auch als Radmotoren bezeichnet. Insbesondere elektrische Maschinen haben den Vorteil, dass man sie für eine kurze Zeit stark überlasten kann, ohne dass sie beschädigt werden. Die zulässige aufgenommene Leistung bzw. das maximale abgegebene Drehmoment können für kurze Zeit beispielsweise um den Faktor 2 gesteigert werden. Es ist somit möglich, erfindungsgemäße Umschaltungen auch dann vorzunehmen, wenn dem Fahrzeug eine maximale Antriebsleistung abverlangt wird. Auch bei einem solchen Betrieb ist eine kurzeitige Steigerung der Antriebsleistung der jeweils betroffenen elektrischen Maschine zulässig. Beispielsweise können bei einem Fahrzeug mit vier Einzelradantrieben während einer Umschaltung an einer Achse die Radmotoren der anderen Achse zusätzlich zu ihrer bisherigen Zugleistung einen Teil der Zugleistung oder sogar die ganze Zugleistung der momentan geschalteten Achse (die während des Schaltvorgangs antriebsfrei sein kann) übernehmen.

Als Energiequelle für die elektrischen Maschinen dient vorzugsweise ein auf dem Fahrzeug montierbarer elektrischer Energiespeicher und/oder ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebener Generator.

Vorzugsweise sind die elektrische Maschine und deren Ansteuerung derart ausgelegt, dass sich die elektrische Maschine sowohl als Elektromotor, der das zugehörige Rad antreibt, als auch als Generator, der das zugehörige Rad abbremst, betreiben lässt.

Bei Verwendung eines die elektrische Energie für die elektrischen Maschinen bereitstellenden Generators sind diesem vorzugsweise ein Umrichter und ein Zwischenkreis nachgeordnet, die auch einen motorischen Betrieb des Generators zulassen. Dies ermöglicht es, das Abbremsen des Fahrzeugs elektrisch zu unterstützen, indem die Achs- oder Einzelradantriebsmotoren generatorisch betrieben werden. Die von ihnen erzeugte elektrische Energie wird dem Generator zugeführt, der nun wie ein Elektromotor arbeitet und die Drehzahl der Verbrennungsmaschine erhöht und dieser somit Energie zuführt, die als Bremsenergie das Fahrzeug verzögern ("elektrische Bremse").

Als ergänzende oder alternative "elektrische Bremse" können auch Bremswiderstände dienen, welche die von den elektrischen Maschinen erzeugte elektrische Energie vernichten.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das schaltbare Getriebe ein Planetengetriebe, insbesondere ein Lastschaltgetriebe oder ein Schaltgetriebe enthält. Es ist auch vorteilhaft, dem Achs- bzw. dem Einzelradantriebsmotor wenigstens ein die Drehzahl untersetzendes Endantriebsgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, nachzuordnen. Damit lassen sich die Antriebsmotoren in günstigen Drehzahlbereichen betreiben.

Für eine kompakte Bauweise ist es von Vorteil, die Einzelradantriebsmotoren innerhalb der Radfelge der zugehörigen Räder anzuordnen. Desgleichen können auch ein dem Antriebsmotor vorgeschaltetes Umschaltgetriebe und/oder eine Radbremse und/oder eine dem Antriebsmotor nachgeordnete Planetenuntersetzungsstufe innerhalb der Radfelge oder im Nahbereich der Radfelgen angeordnet werden.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben und erläutert.

Es zeigt:
1 die schematische Ansicht eines Fahrzeugantriebssystems und
2 eine Schaltungsanordnung für die elektrischen Komponenten eines Antriebssystems gemäß 1.
In den Figuren wurde gleichartige Bauteile und Komponenten mit den selben Bezugsziffern belegt.
Das in 1 dargestellte Fahrzeugantriebssystem ist für einen landwirtschaftlichen Traktor vorgesehen und enthält eine Vorderachse 10 mit Vorderrädern 12 und eine Hinterachse 14 mit Hinterrädern 16.
Jedes Rad 12 der Vorderachse 10 wird durch einen zugehörigen Elektromotor 18 angetrieben. Die Ausgangswelle 20 jedes Elektromotors 18 steht mit der Eingangswelle eines Planetenuntersetzungsgetriebes 22 in Verbindung, welches seine Ausgangsleistung über eine Antriebswelle 24, welche ein Kardangelenk enthält, sowie eine Planetenenduntersetzungsstufe 26 an das Vorderrad 12 abgibt. In die Antriebswelle 24 ist eine mechanisch betätigbare Radbremse 28 integriert. Die Kardangelenke ermöglichen das Lenken der Vorderräder 12. Ein Lenkwinkelsensor 30 erfasst den Lenkwinkel der Vorderräder 12.
Jedes Rad 16 der Hinterachse 14 wird durch einen zugehörigen Elektromotor 32 angetrieben. Zwischen dem Elektromotor 32 und einem zwischen zwei Übertragungsverhältnissen umschaltbaren Umschaltgetriebe 34 ist eine Kupplung 36 angeordnet. Die Ausgangsdrehzahl des Umschaltgetriebes 34 wird in einer Planetenenduntersetzungsstufe 38 weiter herabgesetzt und dem zugehörigen Hinterrad 16 zugeführt. Auch hier ist in die zwischen dem Umschaltgetriebe 34 und der Planetenenduntersetzungsstufe verlaufende Antriebswelle 40 eine mechanisch betätigbare Radbremse 42 integriert.
Ein Verbrennungsmotor 44 treibt über eine Antriebswelle 46 einen Generator 48 an, der die elektrische Leistung für die Elektromotoren 18, 32 bereitstellt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch einen Radarsensor 50 erfasst.
Wie aus 2 ersichtlich, steht der Generator 48 über ein Leistungskabel 52 mit einem Frequenzumrichter 54, der einen Generator-Zwischenkreis bildet, in Verbindung. Dem Frequenzumrichter 54 ist über ein weiteres Leistungskabel 56 ein Gleichstrom-Zwischenkreis 58 mit nicht näher dargestelltem Energiespeicher nachgeschaltet. Der Gleichstrom-Zwischenkreis 58 speist über weitere Leistungskabel 60 Frequenzumrichter 62, die den einzelnen Elektromotoren 18, 32 zugeordnet sind und diese mit elektrischer Energie versorgen. Der Gleichstrom-Zwischenkreis 58 steht des Weiteren über ein weiteres Leistungskabel 64 mit einem Bremswiderstandsteller 66 in Verbindung, an den ein oder mehrere gekühlte Bremswiderstände 68 angeschlossen sind.
Es ist eine als Micro-Controller ausgebildete elektrische Steuereinheit 70 vorgesehen, die mit einem BUS-System 72 in Verbindung steht. An das BUS-System 72 sind des Weiteren der Lenkwinkelsensor 30, der Radarsensor 50, und eine Umschalterfassungseinrichtung 73 angeschlossen, so dass deren Signale an die Steuereinheit 70 übermittelt und dort verarbeitet werden können. Bei der Umschalterfassungseinrichtung 73 kann es sich um einen durch die Bedienungsperson betätigbare nicht dargestellten Schalter oder um eine Steuereinrichtung handeln, welche aufgrund von Fahrbedingungen automatisch ein Umschaltsignal erzeugt.
Es können eine Vielzahl weiterer, nicht näher dargestellte elektrische Sensoren und Eingabeeinrichtungen an das BUS-System 72 angeschlossen sein. Beispielsweise können die elektrischen Signale von Drehzahlsensoren 74, welche die Drehzahl der Elektromotoren 18, 32 erfassen, sowie von nicht dargestellten Drehzahlsensoren, welche die Raddrehzahlen erfassen, von Temperatursensoren, welche die Temperatur der Elektromotoren 18, 32 erfassen, von Stellungssensoren, welche die Gaspedalstellung und die Bremspedalstellung erfassen, und von einer Getriebeschaltsensoren, welche Umschaltsignale für die Planetenumschaltgetriebe 34 erfassen, in das BUS-Sytem 72 eingespeist werden, so dass auch diese Signale durch die Steuereinheit 70 erfasst und verarbeitet werden können.
Des Weiteren kann auch eine nicht dargestellte Eingabevorrichtung vorgesehen sein, durch die sich die Steuereinheit programmieren lässt und welche die Eingabe von fahrzeugspezifischen Daten ermöglicht, wie Achsstand, Spurweite, Durchmesser der Vorder- und Hinterräder, Übersetzungsverhältnisse der Getriebe, maximal zulässige Drehzahlen für Getriebe und Elektromotoren und dergleichen.
Das BUS-System steht über BUS-Systemkabel 76 mit einem Micro-Controller 78 für den Generator-Zwischenkreis 54, mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis 58, mit den Micro-Controllern 80 für die Frequenzumrichter 62 der Elektromotoren 18, 32 und mit dem Bremswiderstandsteller 66 in Verbindung, so dass sich diese durch die Steuereinheit 70 ansteuern lassen. Über die BUS-Systemkabel 76 werden von den Micro-Controllern 78, 80 und dem Gleichstrom-Zwischenkreis 58 elektrische Daten über Strom, Spannung und Frequenz an die Steuereineinheit zurückgemeldet, welche die Berechnung von Drehmomenten, Leistungen und dergleichen ermöglichen. Die Steuereinheit 70 gibt über das BUS-System 72 auch elektrische Steuersignale an die Kupplungen 36 ab, was jedoch nicht näher dargestellt wurde.
Durch das dargestellte Antriebssystem lässt sich ein Fahrzeug im Normalbetrieb entweder durch alle vier von dem Generator mit elektrischer Energie versorgten Elektromotoren 18, 32 oder lediglich durch die beiden Elektromotoren 32 der Hinterachse 14 antreiben. Wird das Fahrzeug derart beschleunigt oder verzögert, dass ein Gangwechsel an den Umschaltgetrieben 34 erforderlich ist, um die Elektromotoren nicht mit zu hoher oder zu geringer Drehzahl zu betreiben, so wird die Leistung der Elektromotoren 32 der Hinterachse 14 heruntergefahren und es werden die Kupplungen 36 durch elektrische Signale geöffnet. Jetzt kann eine Umschaltung der Planetenumschaltgetriebe 34 erfolgen. Anschließend werden die Kupplungen durch entsprechende elektrische Steuersignale wieder geschlossen und die elektrische Leistung der Elektromotoren 32 der Hinterachse 14 wieder hochgefahren.
Um eine Zugkraftunterbrechung während dieses Umschaltvorgangs zu vermeiden, werden zeitgleich die beiden Elektromotoren 18 der Vorderachse 10 angesteuert, um Drehmomente an den Vorderrädern 12 zu erzeugen, welche den an den Hinterrädern 16 auftretenden Zugkraftabfall ausgleichen. Die Steuereinheit 70 kann dabei die Ansteuerung der Elektromotoren 18, 32 derart synchronisieren, dass bei einer Rücknahme der Leistung der Elektromotoren 32 der Hinterachse 16, die Leistung der Elektromotoren 18 der Vorderachse 12 entsprechend heraufgesetzt wird. Nach dem Umschalten des Planetenumschaltgetriebes 34 und dem Schließen der Kupplung 36 wird die Leistung der Elektromotoren 32 der Hinterachse 14 wieder angehoben und im gleichen Maße die Leistung der Elektromotoren 12 der Vorderachse 10 abgesenkt.
Bei einem gut ballastierten Traktor werden bei der Nennzugleistung etwa 30 % der verfügbaren Zugleistung über die Vorderräder (15 % je Vorderrad) übertragen und etwa 70 % über die Hinterräder (35 % je Hinterrad). Wird die Leistung des Traktors zum Ziehen nicht voll ausgenutzt, weil z. B. nicht mit der maximal möglichen Zugleistung gefahren wird, wird die Zugkraftaufteilung auf die Vorderrädern und die Hinterrädern annähernd mit 30 % zu 70 % aufrecht erhalten. Dementsprechend teilen sich auch die niedrigeren gesamten Antriebsleistungen der Elektromotoren für vorn und hinten auf. Eine Nachregelung der Drehmomente an den einzelnen Rädern erfolgt in der Weise, dass möglichst gleiche Schlupfwerte für alle 4 Räder eingestellt werden. Auf diese Weise werden unterschiedliche Radlasten und unterschiedliche Reibbeiwerte zwischen Reifen und Boden optimal berücksichtigt. Jedes Rad behält hierbei die größtmögliche Seitenführungskraft. Dies verbessert die Fahrstabilität erheblich und damit die Fahrsicherheit. Das Fahrzeug bricht nicht aus der gewünschten Bahn aus.
Um den Schlupf genau zu kennen, kann ein Radarsensor 50 zur Erfassung der tatsächliche Fahrgeschwindigkeit v verwendet werden. Aus der Radumfangsgeschwindigkeit u und der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit v lässt sich der Schlupf s berechnen: s = (u – v) / u
In der Praxis ist es jedoch nicht unbedingt notwendig, den tatsächlichen genauen Schlupfwert s für jedes Rad zu kennen. Wenn die Drehzahlen der Räder bei Geradeausfahrt und Kurvenfahrt der Abrollbedingung nach Ackermann entsprechen, ist gleicher Schlupf an allen Rädern vorhanden. Nach der Ackermannbedingung rollen die Räder eines Fahrzeugs auf Kreisbahnen um einen gemeinsamen Mittelpunkt. Aus der Fahrzeuggeometrie sind der Radstand, die Spurweiten der Achsen und der Lenkrollradius bekannt. Nach Ackermann lassen sich bei Kurvenfahrt an Hand der berechenbaren Kurvenbahnen für die einzelnen Räder die Sollgeschwindigkeiten und Solldrehzahlen der einzelnen Räder durch die elektronische Steuereinheit 70 genau berechnen. Der hierfür notwendige momentane Lenkwinkel wird über den Lenkwinkelsensor 30 ermittelt. Bei Geradeausfahrt sollen die Räder gleiche Umfangsgeschwindigkeit besitzen. Das gewährleistet ebenfalls gleichen Schlupf an allen Rädern.
Innerhalb der jeweiligen Gänge der Umschaltgetriebe 22, 34 wird die Fahrgeschwindigkeit über die Drehzahlen der Elektromotoren 18, 32 eingestellt. Die erforderlichen Drehmomente werden so eingestellt, dass keine Verspannungen zwischen den einzelnen Rädern 12, 16 entstehen. Dies ist erreicht, wenn alle Räder 12, 16 den gleichen Schlupf haben. Bei einem angetriebenem Rad 12, 16, bei dem ein höherer Schlupf als der Durchschnittswert aller 4 Räder festgestellt wird, wird das antreibende Moment durch die Steuereinheit 70 verringert. Ist der Schlupf eines angetriebenen Rades 12, 16 geringer als der Durchschnitt aller 4 Räder, wird das Antriebsmoment erhöht. Auf diese Weise erreichen alle 4 Räder den gleichen Schlupf. Dieses Verfahren ermöglicht auch einen problemlosen Fahrbetrieb, wenn der Boden derart beschaffen ist, dass sich unterschiedliche Haftreibungsbeiwerte bzw. Triebkraftbeiwerte zwischen Reifen und Boden ergeben. Dies ermöglicht es, dass alle Räder entsprechend ihrer Radlast und den Bodenreibwerten gleichmäßig ziehen und alle Räder die jeweils größtmögliche Seitenführungskraft erhalten. Ein Rad mit hohem Schlupf verliert einen Großteil der möglichen Seitenführungskraft. Zu hoher Schlupf einzelner Räder kann im Extremfall zum Ausbrechen des Fahrzeugs aus der Fahrbahn führen, daher ist eine Kontrolle auf gleichmäßigen und niedrigen Schlupf aller Räder wichtig. Diese Aufgabe der Überwachung des Schlupfwertes der einzelnen Räder übernimmt die Steuereinheit 70, die Teil der Antriebssteuerung des Fahrzeugs ist. Im Fall einer geringen Bremsung, die nur über die Elektromotoren 18, 32 der einzelnen Radantriebe erfolgt, werden die Bremsmomente ebenfalls analog auf gleichen negativen Schlupf eingestellt.
Traktoren fahren auf fester Fahrbahn und auf weichen landwirtschaftlichen Böden. Entsprechend ergeben sich unterschiedliche übertragbare Zugkräfte und damit Drehmomente an den einzelnen Rädern 12, 16. Die Drehmomente lassen sich indirekt bestimmen. Der Fahrer gibt eine gewünschte Geschwindigkeit vor. Hierbei hat der Fahrzeugmotor 44 den Fahrwiderstand und die zusätzlich gewünschte Antriebsleistung (z.B. an einer nicht gezeigten Zapfwelle) zu überwinden. Damit ergibt sich die erforderliche Antriebsleistung durch den Fahrzeugmotor 44. Die Antriebsleitungen der einzelnen Elektromotoren 18, 32 bzw. deren Drehmomente werden entsprechend der Vorgabe aufgeteilt. 30 % der Antriebsleistung für die Vorderachse 10 bedeutet, 15 % für einen Radmotor 18 der Vorderachse 10. Entsprechend werden 70 % der Antriebsleistung für die Hinterachse 14 aufgeteilt, das bedeutet 35 % für einen Radmotor 32 der Hinterachse 14. Die Elektromotoren 18, 32 werden hier auch als Radmotoren bezeichnet.
Für den Fall, dass die Fahrbahn eine gute Übertragung der Zugkraft zwischen den Reifen und dem Boden ermöglicht, sollte der Schlupf zwischen Reifen und Boden unter etwa 5 % bleiben. Jedoch entsteht bei jeder Zugleistung des Traktors ein gewisser Schlupf zwischen Reifen und Boden. Die Steuereinheit 70 überwacht die einzelnen Raddrehzahlen entweder über Drehzahlsensor 74 an den Radmotoren 18, 32 oder bestimmt diese anhand der elektrischen Daten der Elektromotoren 18, 32. Sie begrenzt Abweichungen der Schlupfwerte der einzelnen Räder 12, 16 auf ein zulässiges Maß. Jeder Schlupfwert soll nicht mehr als z. B. maximal 5 % von seinem Sollwert abweichen. Ein Sollschlupfwert von 5 % sollte daher in den Grenzen zwischen 4,75 % und 5,25 % liegen. Die Aufteilung der Antriebsleistung und die Ansteuerung der Radmotoren 18, 32 übernimmt die elektronische Steuereinheit 70. Diese gibt an die den Radmotoren 18, 32 zugeordneten Frequenzumrichtern 62 die nötigen Information hinsichtlich der Bereitstellung von Stromfluss, Spannung und Frequenz, um die geforderten Schlupfbedingen zu erfüllen.
Bei einem Lenkeinschlag der Lenkachse 10 können die erforderlichen Antriebsdrehzahlen der Räder 12, 16 über die Ackermannbedingung festgelegt werden. Durch eine Berechnung mit der Ackermannbedingung kann mittels der geometrischen Abrollumfängen auf den einzelnen Kreisbahnen vorausgesagt werden, welche Raddrehzahlen abhängig vom Lenkeinschlag erforderlich sind. Bei Kurvenfahrt fahren die Vorderräder 12 auf einem größeren Kreis als die Hinterräder 16 und müssen dementsprechend mit einer angepassten höheren Drehzahl als bei Geradeausfahrt angetrieben werden. Die Ackermannbedingung ergibt für jedes Rad 12, 16 die notwendige Antriebsdrehzahl.
Für den Fall, dass durch die Beschaffenheit der Fahrbahn die Zugkraft zwischen den Reifen und dem Boden nicht mehr gut übertragen wird, kann der Schlupfwert zwischen Reifen und Boden den Wert von beispielsweise 5 % übersteigen. Die Steuereinheit 70 übernimmt hierbei die Aufgabe, die Abweichungen der Schlupfwerte der einzelnen Räder 12, 16 auf ein zulässiges Maß zu begrenzen.
Das erforderliche Raddrehmoment ergibt sich als Produkt aus der Zugkraft je Rad und dessen Rollradius. Mittels der eingestellten Getriebeübersetzungen lässt sich das Moment jedes Elektromotors 18, 32 bestimmen. Moment und geforderte Raddrehzahl ergeben die Antriebsleistung für jeden Radmotor 18, 32.
Aus der gewünschten Fahrgeschwindigkeit ergibt sich die hierfür erforderliche Raddrehzahl. Aus dem Fahr- und Beschleunigungswiderstand errechnen sich die Drehmomente der Elektromotoren 18, 32. Aus Drehmoment und Drehzahl ergeben sich jeweils die erforderlichen Antriebsleistungen. Die gesamte erforderliche Antriebsleistung wird auf die 4 Räder entsprechend der vorgegebenen Leistungsaufteilung von 15 % für je ein Vorderrad und 35 % für je ein Hinterrad aufgeteilt. Es erfolgt die Nachregelung der Drehmomente für jeden Radantrieb entsprechend der Vorgabe eines gleichen Schlupfes für alle Räder 12, 16, d.h. Nachregelung der Radrehzahlen bzw.
Drehzahlen der Elektromotoren 18, 32 entsprechend der Ackermannbedingung. Diese Funktion übernimmt die Steuereinheit 70. Die Radlastverteilung kann sich in manchen Einsatzfällen stark verändern, z.B. bei voll beladener Frontladerschaufel und beim rückwärts Hinauffahren an einem steilen Hang. In diesem Fall wird den Elektromotoren 18 der Vorderräder 12 eine verhältnismäßig höhere Leistung abverlangt. Dabei kann in der Regel eine kurzzeitige Überlastung dieser Elektromotoren 18 durch höhere Abgabeleistung zugelassen werden, sofern dies vom Fahrer gewünscht wird. Infolge der Nachregelung auf gleichen Schlupf aller Räder 12, 16 entstehen keine Verspannungen im Antrieb und die höchstmögliche Seitenführungskraft bleibt erhalten. Eine hohe Seitenführungskraft ist wichtig bei rutschigen Bodenverhältnissen und an Hanglagen, um ein Ausbrechen des Fahrzeugs aus der Fahrspur zu vermeiden.
Ein Rad ist drehmomentenfrei, wenn keine Spannung und kein Strom durch den Umrichter 62 erzeugt und an den Radmotor 18, 32 gegeben wird und wenn das Rad 12, 16 nicht zum Antrieb des Elektromotors 18, 32 (generatorischer Betrieb) benutzt wird, wenn also elektrische Leistung weder dem Elektromotor 18, 32 zugeführt noch von diesem abgenommen wird. Ein relativ kleines Moment durch Reibleistung infolge Lagerreibung und Getriebeverlusten kann dabei jedoch noch vorhanden sein.
Um die Radantriebe gegen Überlast zu schützen, sind in den elektrischen Komponenten (Elektromotoren) Temperatursensoren vorgesehen. Diese geben Temperatursignale an die Steuereinheit 70 ab. Bei unzulässiger Erwärmung der Elektromotoren 18, 32 werden die angelegte Spannung und Stromstärken durch die Steuereinheit 70 auf ein zulässiges Maß reduziert. In der Regel entsprechen diese Strom- und Spannungswerte denen für eine maximal zulässige Dauerlast. Daher führt normalerweise eine unzulässige Temperaturerhöhung zu einer Verringerung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, jedoch selbst bei besonders hoher Überlastung in der Regel nicht zu einem Stehenbleiben des Fahrzeugs. Das gesamte Verhalten des Fahrzeugs ist so ausgelegt, dass die entsprechend dem Stand der Technik höchsten erforderlichen Zugkraftwerte auch mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem erreicht werden.
Auch wenn beim Bergabfahren mit höchster Geschwindigkeit die Bedienungsperson durch Betätigung des Gaspedals einen weiteren Beschleunigungswunsch einstellt, verringert die Steuereinheit 70 automatisch die Antriebsleistung bis hin zum selbsttätigen Bremsbetrieb über die vier Elektromotoren 18, 32, die dann als Generatoren arbeiten. Die überschüssige Leistung wird in den dann motorisch arbeitenden Generator 48 in den Antrieb des Verbrennungsmotors 44 abgeführt, bis dieser seine maximal zulässige Drehzahl erreicht. Weitere überschüssige Leistung kann in Bremswiderständen 68 vernichtet und/oder gegebenenfalls in der Fahrzeugbatterie gespeichert werden. Damit lässt sich eine unzulässige Überdrehzahl der einzelnen Radmotoren 18, 32 wirksam verhindern. Des Weiteren kann die Bedienungsperson durch geeignete akustische oder optische Warnsignale auf Überdrehzahlen hingewiesen werden.
Auch wenn die Erfindung lediglich anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.

Claims

Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge wie landwirtschaftliche oder industrielle Schlepper, mit wenigstens einem ersten Rad (12), das durch einen zugehörigen Achs- oder Einzelradantriebsmotor (18) angetrieben wird, und mit wenigstens einem zweiten Rad (16), in dessen Antriebstrang ein zwischen wenigstens zwei Drehzahlübertragungsstufen umschaltbares Getriebe (34) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (73) zur Erfassung eines Umschaltbefehls und durch eine Steuereinrichtung (70), welche bei Vorliegen eines Umschaltbefehls automatisch wenigstens den das erste Rad (12) antreibenden Antriebsmotor (18) höher belastet, die Umschaltung des Umschaltgetriebes (34) des zweiten Rades (16) steuert und die Belastung des das erste Rad (12) antreibenden Antriebsmotor (18) herabsetzt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das wenigstens eine erste Rad (12) als auch das wenigstens eine zweite Rad (16) durch jeweils zugehörige Achs- oder Einzelradantriebsmotoren (18, 32) angetrieben werden, wobei wenigstens zwischen einem der Antriebsmotoren (32) und dem zugehörigen Rad (16) ein umschaltbares Getriebe (34) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Fahrzeugachsen (10, 14) mit je wenigstens zwei Rädern (12, 16) vorgesehen sind, wobei die Räder wenigstens einer ersten Achse (10) durch einen gemeinsamen Achsantriebsmotor oder durch jedem Rad (12) zugeordnete Einzelradantriebsmotor (18) angetrieben werden, und die Räder (16) wenigstens einer zweiten Achse (14) unter Zwischenschaltung wenigstens eines umschaltbaren Getriebes (34) durch einen Fahrzeugantriebsstrang, durch einen Achsantriebsmotor oder durch Einzelradantriebsmotoren (32) angetrieben werden.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Rad unter Zwischenschaltung eines ersten umschaltbaren Getriebes durch einen ersten Einzelradantriebsmotor und wenigstens ein zweites Rad unter Zwischenschaltung eines zweiten umschaltbaren Getriebes durch einen zweiten Einzelradantriebsmotor angetrieben werden, und dass die Steuereinrichtung bei Vorliegen eines Umschaltbefehls zunächst eine Umschaltung des ersten Getriebes bei Anhebung der Belastung des zweiten Einzelradantriebsmotor vornimmt und anschließend eine Umschaltung des zweiten Getriebes bei Anhebung der Belastung des ersten Einzelradantriebsmotor vornimmt.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ein Umschaltgetriebe (34) enthaltenen Antriebsstrang eine Kupplung (36) angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Achs- oder Einzelradantriebsmotor wenigstens eine elektrische Maschine (18, 32) oder ein Hydraulikmotor vorgesehen ist.
Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequelle für die elektrische Maschine (18, 32) wenigstens ein auf dem Fahrzeug montierbarer elektrischer Energiespeicher oder ein durch einen Verbrennungsmotor (44) angetriebener Generator (48) dient.
Antriebssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (18, 32) und deren Ansteuerung derart ausgelegt sind, dass sich die elektrische Maschine (18, 32) sowohl als ein das zugehörige Rad (12, 16) antreibender Elektromotor als ein auch das Rad (12, 16) bremsender Generator betreiben lässt.
Antriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (48) wenigstens ein Umrichter (54) und ein Zwischenkreis (58) nachgeordnet sind, derart, dass sich der Generator (48) im elektrischen Bremsbetrieb elektrisch durch die abgegebene Leistung der generatorisch arbeitende elektrische Maschine (18, 32) antreiben lässt und als Elektromotor arbeitet.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare Getriebe (34) ein Planetengetriebe oder ein Schaltgetriebe enthält.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Achs- bzw. dem Einzelradantriebsmotor (18, 32) wenigstens ein die Drehzahl untersetzendes Endantriebsgetriebe (28, 38), insbesondere ein Planetengetriebe, nachgeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelradantriebsmotor (18, 32) und gegebenenfalls das schaltbare Getriebe (34) und/oder eine Radbremse und/oder das Endantriebsgetriebe (28, 38) im Wesentlichen innerhalb der Radfelge angeordnet sind.