DE19749074A1 - Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug mit mechanisch-elektrisch leistungsverzweigtem Getriebe - Google Patents
Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug mit mechanisch-elektrisch leistungsverzweigtem GetriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug,
dessen Verbrennungsmotor über ein einen Generator, einen
Elektromotor und ein Endgetriebe aufweisendes elektro
mechanisches Getriebe mit dem Fahrantrieb verbunden ist.
Landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge deren Verbrennungsmotoren
jeweils über ein Getriebe mit einem Fahrantrieb verbunden sind,
sind aus der Praxis bekannt. Das Getriebe kann aus den Kompo
nenten Schalt- und Wende-/Lastschaltgetriebe und Fahrantrieb
bestehen. Aus der Praxis ist weiterhin ein landwirtschaftlicher
Traktor mit stufenlosem mechanisch-hydrostatischen Getriebe
bekannt. Bei diesem Traktor wird über ein Planetengetriebe eine
Hydraulikpumpe angetrieben, welche mit Hydraulikmotoren
verbunden ist. Diese Motoren treiben eine Summierungswelle an,
welche mit dem Planetengetriebe und dem Fahrantrieb gekoppelt
ist. Dadurch wird eine Leistungsverzweigung erreicht, wobei das
Fahrzeug stufenlos mit variablem hydrostatischen Anteil
gefahren werden kann.
Aus der EP 0 693 392 A1 ist ein landwirtschaftlicher Traktor
mit elektromechanischem Getriebe bekannt, dessen Verbrennungs
motor einen Drehstromgenerator antreibt, der über einen
Umrichter die elektrische Energie an einen Elektromotor abgibt.
Dieser Elektromotor ist mechanisch an den Fahrantrieb
gekoppelt. Der Elektromotor kann stufenlos vom Stillstand bis
zu seiner Höchstdrehzahl betrieben werden. Dadurch ist eine
rein elektrische Kraftübertragung möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein landwirtschaft
liches Nutzfahrzeug der aus der EP 0 693 392 A1 bekannten Art
derart weiterzuentwickeln, daß der Wirkungsgrad des Antriebs
verbessert und die Kosten sowie die Baugröße des Antriebs
verringert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen
landwirtschaftlichen Nutzfahrzeug durch ein einen ersten
Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweisendes
Summierungsgetriebe gelöst, wobei der Verbrennungsmotor mit dem
ersten Eingang, die Ankerwelle des Elektromotors mit dem
zweiten Eingang und das Endgetriebe mit dem Ausgang des
Summierungsgetriebes verbunden ist.
Durch die Erfindung wird eine Leistungsverzweigung in einen
mechanischen und einen elektrischen Anteil geschaffen, durch
welche der Wirkungsgrad des Antriebs gegenüber dem aus der
EP 0 693 392 A1 bekannten Traktorantrieb deutlich verbessert
wird. Auch ermöglicht diese Leistungsverzweigung gegenüber dem
bekannten landwirtschaftlichen Traktor eine wesentliche
Verkleinerung der elektrischen Komponenten (Generator,
Elektromotor und Umrichter).
Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß eine
stufenlose Kraftübertragung bei optimaler Ausnutzung der
Antriebsleistung ermöglicht wird. Der Wirkungsgrad dieser
Lösung ist im Vergleich zu hydrostatisch leistungsverzweigten
Lastschaltgetrieben deutlich verbessert. Im übrigen vereinfacht
sich die Wartung, da die Komponenten des erfindungsgemäßen
Getriebes praktisch wartungsfrei sind. Bei dem Summierungs
getriebe kann es sich vorzugsweise um ein Planetengetriebe
handeln.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht einen die
Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Drehrichtung steuernden
Regler vor, dessen Istwerte von einem Inkrementalgeber am
Elektromotor und/oder durch eine Ankerstromerfassung detektiert
werden, und dessen Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment und/oder
Drehrichtung) von einer Bedienungsperson frei vorgebbar sind.
Alternativ können die Istwerte des Reglers auch mit Hilfe eines
Beobachters ermittelt werden. Dabei kann jeweils zur Steuerung
und/oder Regelung des elektromechanischen Getriebes
vorzugsweise ein Mikrorechner vorgesehen sein. Aufgrund der
hohen Flexibilität der vorzugsweise elektronisch ausgebildeten
Regelung ist es möglich, sowohl die Anforderungen für schnelle
Fahrten, beispielsweise für Transportfahrten, als auch für sehr
langsame Fahrten (Kriechfahrten) bei bestimmten Bestell- oder
Erntearbeiten zu erfüllen. Auch eine Anwendung auf
selbstfahrende landwirtschaftliche Maschinen, beispielsweise
Erntemaschinen, ist möglich. Da die Charakteristik des
Elektromotors für den Fahrantrieb (Traktionsantrieb) durch den
Regler in weiten Bereichen veränderbar ist, ist für den
Verbrennungsmotor keine besondere Motorcharakteristik
erforderlich, so daß dieser hinsichtlich seiner Regelbarkeit
vereinfacht werden kann. Auch wird die Bedienbarkeit
verbessert, weil bislang der Bedienungsperson zukommende
Regelaufgaben nunmehr von der elektronischen Regelung
übernommen werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung
bezogen auf landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge, deren
Verbrennungsmotor zusätzlich mit einem Zapfwellenantrieb
verbindbar ist, sieht vor, daß das Summierungsgetriebe so
angeordnet ist, daß der Zapfwellenantrieb daran vorbeigeführt
ist, wobei der Elektromotor so angeordnet bzw. ausgebildet ist,
daß der Zapfwellenantrieb direkt mit der Antriebswelle des
Verbrennungsmotors verbunden ist.
Als Elektromotor kann vorzugsweise ein Drehstromasynchronmotor
mit Käfigläufer zum Einsatz kommen.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen
dem Elektromotor und dem Generator ein für einen
Vierquadranten-Betrieb geeigneter Umrichter angeordnet.
Hierdurch wird eine Energierückspeisung vom Elektromotor in den
Generator möglich.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das Summierungsgetriebe
für größere Leistungen ausgelegt ist als die Leistung des
Verbrennungsmotors. Eine solche Auslegung ermöglicht, daß
elektrische Energie vom Elektromotor über den Umrichter und
Generator in mechanische Energie umgewandelt werden kann und
zusätzlich zur Bildung von Drehmoment im Summierungsgetriebe
zur Verfügung steht.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den
nachfolgenden Unteransprüchen hervor.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere
Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung eines
erfindungsgemäßen landwirtschaftlichen
Nutzfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und
einem elektromechanischen Getriebe, und
Fig. 2a bis 2i schematische Darstellungen weiterer Ausführungs
formen einer Antriebsvorrichtung eines
erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugs.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten ersten Ausführungs
beispiel ist der Verbrennungsmotor 1 eines erfindungsgemäßen
Traktors sowohl mit einem Drehstromgenerator 2 als auch mit dem
Sonnenrad 3 eines Planetengetriebes 4 verbunden. Der
Verbrennungsmotor 1 treibt das Sonnenrad 3 des Planeten
getriebes 4 und die Ankerwelle 5 des Drehstromgenerators 2 mit
frei wählbarer, vorzugsweise konstanter Drehzahl an.
Die Ankerwelle 5 des Generators 2 ist mit einer Welle 6
gekoppelt, die ein Untersetzungsgetriebe 7 für die Zapfwelle 8
am Reck des Traktors antreibt. Die Welle 6 ist konzentrisch
innerhalb einer als Hohlwelle ausgeführten Ankerwelle 9 eines
dem Generator 2 nachgeordneten Elektromotors 10 angeordnet.
Der mit dem Generator 2 erzeugte Drehstrom wird zunächst einem
elektrischen Umrichter 11 zugeführt, der mit einer auch den
Verbrennungsmotor 1 regelnden, einen Mikrorechner aufweisenden
elektronischen Steuerungs- und Regelungseinheit 12 gekoppelt
ist. Der umgerichtete Strom wird dann dem als Drehstrom
asynchronmotor mit Käfigläufer ausgeführten Elektromotor 10
zugeführt, der mit dem Hohlrad 13 des Planetengetriebes 4
verbunden ist und das Hohlrad 13 mit variabler Drehzahl
antreibt. Der Planetenträger 14 des Planetengetriebes 4, auf
dem die Planetenräder 15 gelagert sind, ist drehstarr mit einem
Endgetriebe 16 verbunden. Hierbei handelt es sich um ein
konventionelles Endgetriebe mit einem Kegelrad- und einem
Differentialgetriebe, welches mit dem Fahrantrieb 17 des
Traktors gekoppelt ist.
Mittels des elektrischen Umrichters 11 und der Steuerungs- und
Regelungeinheit 12 wird der Elektromotor 10 drehzahl- und
drehmomentgeregelt betrieben. Die Drehzahl des Elektromotors 10
wird dabei mittels eines nicht dargestellten Inkrementalgebers,
und das Drehmoment durch eine Ankerstromerfassung erfaßt und
als Istwerte der Steuerungs- und Regelungseinheit 12 zugeführt.
Die Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment und/oder Drehrichtung) sind
von einer Bedienungsperson über ein Bedienpult 18 frei
vorgebbar.
Die variable Drehzahl des Elektromotors 10 führt durch die
Übersetzung im Planetengetriebe 4 zu einer variablen Drehzahl
des Planetenträgers 14 und damit des Endgetriebes 16 und
schließlich der Antriebsräder des Traktors. Durch geeignete
Wahl der Übersetzungsverhältnisse und die frei wählbare
Drehzahl des Elektromotors 10 kann der Traktor stufenlos
drehzahlvariabel angetrieben werden.
Um den Traktor bei laufendem Verbrennungsmotor 1 anzuhalten,
muß die Ankerwelle 9 des Elektromotors 10 rückwärts gedreht
werden, so daß der Planetenträger 14 stillsteht. Die
Reversierbarkeit der Drehrichtung des Elektromotors 10 ist
durch die Umkehrbarkeit des Stromdrehsinnes gegeben. Der
Verbrennungsmotor 1 treibt dabei das Hohlrad 13 des
Planetengetriebes 4 in Vorwärtsrichtung an. Um den Traktor
anzufahren, muß der Elektromotor 10 elektrisch abgebremst
werden. Hierzu wird die Drehzahl des Elektromotors 10
verringert, so daß sich die Drehzahl des Planetenträgers 14
entsprechend erhöht und das Fahrzeug beschleunigt wird.
Bei Stillstand des Elektromotors 10 steht das Hohlrad 13 des
Planetengetriebes 4 ebenfalls still, und in diesem Fall erfolgt
die Energieübertragung vom Verbrennungsmotor 1 zum Fahrantrieb
17 rein mechanisch. Der Traktor fährt dabei langsam vorwärts.
Die Übersetzung sollte vorzugsweise so gewählt werden, daß die
Geschwindigkeit im Hauptarbeitsbereich von 4 bis 8 km/h liegt.
Damit ist der Antrieb optimal für Zugarbeiten auf dem Feld
abgestimmt. Der Planetenträger 14 des Planetengetriebes 4 kann
zudem über ein mechanisches Fahrstufengetriebe mit dem
Endgetriebe 16 verbunden sein.
Um die Fahrgeschwindigkeit des Traktors weiter zu erhöhen, muß
der Elektromotor 10 vorwärts drehen. Dadurch treibt er das
Hohlrad 13 in Vorwärtsrichtung an, so daß die Drehzahl des
Planetenträgers 14 größer wird als die des Sonnenrades 3. Die
Höchstgeschwindigkeit des Traktors wird schließlich bei der
maximalen Drehzahl des Elektromotors 10 erreicht. Für eine
Rückwärtsfahrt ist kein Umschalten durch ein mechanisches
Zahnradgetriebe erforderlich. Hierzu wird lediglich durch
entsprechende Steuerung und Regelung die Rückwärtsdrehzahl des
Elektromotors 10 gegenüber der Drehzahl beim Stillstand des
Fahrzeugs erhöht. Während das Sonnenrad 3 vorwärts dreht, wird
das Hohlrad 13 stärker rückwärts angetrieben, so daß sich der
Planetenträger 14 ebenfalls rückwärts dreht. Die maximale
Rückfahrgeschwindigkeit wird wiederum bei der maximalen
Drehzahl des Elektromotors 10 erreicht.
Der zwischen dem Elektromotor 10 und dem Generator 2
angeordnete Umrichter 11 ist für einen Vierquadranten-Betrieb
ausgelegt, so daß eine Rückspeisung der Energie des
Elektromotors 10 in den Generator 2 möglich ist. Damit
elektrische Energie vom Elektromotors 10 über den Umrichter 11
und Generator 2 in mechanische Energie umgewandelt werden kann
und zusätzlich zur Bildung von Drehmoment im Planetengetriebe 4
zur Verfügung steht, ist das Planetengetriebe 4 für größere
Leistungen ausgelegt als die Leistung des Verbrennungsmotors 1.
In den Fig. 2a bis 2i sind weitere Ausführungsbeispiele
einer Antriebsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugs
schematisch dargestellt.
Die in Fig. 2a dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
dadurch, daß die Motorwelle des Verbrennungsmotors 1, die
Ankerwelle des Generators 2, die als Hohlwelle ausgeführte
Ankerwelle des Elektromotors 10 und das Sonnenrad des
Planetengetriebes 4 koaxial angeordnet sind. Ebenso wie bei der
ersten Ausführungsform ist allerdings der Verbrennungsmotor 1
mit dem Sonnenrad und der Elektromotor mit dem Hohlrad des
Planetengetriebes verbunden, während der Planetenträger als
Abtrieb dient.
Im Gegensatz zu Fig. 2a zeigt Fig. 2b ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Verbrennungsmotor 1 mit dem Planetenträger des
Planetengetriebes verbunden ist, während dessen Sonnenrad als
Abtrieb dient.
Bei der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform ist dagegen der
Verbrennungsmotor 1 mit dem Hohlrad und der Elektromotor 10 mit
dem Planetenträger des Planetengetriebes 4 verbunden. Der
Abtrieb erfolgt wiederum über das Sonnenrad des Planeten
getriebes 4.
Fig. 2d zeigt eine Ausführungsform, die hinsichtlich der
Zuordnung des Verbrennungsmotors 1 und des Elektromotors 10 in
bezug auf das Planetengetriebe 4 der Ausführungsform gemäß Fig.
2c entspricht. Im Gegensatz dazu ist in Fig. 2d jedoch das
Planetengetriebe 4 zwischen dem Generator 2 und dem Elektro
motor 10 angeordnet, wobei die mit dem Sonnenrad verbundene
Abtriebswelle des Planetengetriebes 4 durch die als Hohlwelle
ausgeführte Ankerwelle des Elektromotors 10 hindurchgeführt
ist.
Die Fig. 2e und 2f zeigen wiederum Ausführungsformen, bei
denen der Verbrennungsmotor 1, der Generator 2, der Elektro
motor 10 und das Planetengetriebe 4 in der genannten Reihen
folge hintereinander angeordnet sind. Im Gegensatz zu den
Ausführungsformen gemäß den Fig. 2a bis 2c ist in den
Fig. 2e und 2f jedoch der Verbrennungsmotor 1 mit dem
Hohlrad des Planetengetriebes 4 und der Elektromotor 10 mit dem
Sonnenrad des Planetengetriebes 4 verbunden, während der
Abtrieb über den Planetenträger erfolgt. Die in den Fig. 2e
und 2f gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich
voneinander durch die Anordnung von Motorwelle, Ankerwellen und
Abtriebswelle. Während in Fig. 2e eine koaxiale Wellenanordnung
dargestellt ist, zeigt Fig. 2f eine biaxiale Wellenanordnung,
bei der die mit dem Planetenträger verbundene Abtriebswelle
gegenüber der Motorwelle des Verbrennungsmotors 1 und der
Ankerwelle des Generators 2 bzw. des Elektromotors 10 parallel
versetzt ist.
Die Fig. 2g und 2h zeigen dagegen wiederum Ausführungsformen
mit koaxialer Wellenanordnung, wobei jedoch hier jeweils das
Hohlrad des Planetengetriebes 4 als Abtrieb dient. In Fig. 2g
ist dabei der Verbrennungsmotor 1 mit dem Planetenträger und
der Elektromotor 10 mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes 4
verbunden, während in Fig. 2h umgekehrt der Verbrennungsmotor
1 mit dem Sonnenrad und der Elektromotor 10 mit dem
Planetenträger verbunden ist.
Die in Fig. 2i gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von
der Ausführungsform gemäß Fig. 2h im wesentlichen durch die
Anordnung von Motorwelle, Ankerwellen und Abtriebswelle.
Während in Fig. 2h eine koaxiale Wellenanordnung dargestellt
ist, zeigt Fig. 2i eine biaxiale Ausführungsform, bei der die
mit dem Hohlrad des Planetengetriebes 4 verbundene Abtriebs
welle gegenüber der Motorwelle des Verbrennungsmotors 1 und der
Ankerwelle des Generators 2 bzw. des Elektromotors 10 parallel
versetzt ist.
Die Erfindung ist in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend
angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine
Anzahl weiterer Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
Claims (10)
1. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, dessen Verbrennungs
motor (1) über ein einen Generator (2), einen Elektromotor (10)
und ein Endgetriebe (16) aufweisendes elektromechanisches
Getriebe mit dem Fahrantrieb (17) verbunden ist,
gekennzeichnet durch ein einen ersten
Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweisendes
Summierungsgetriebe (4), wobei der Verbrennungsmotor (1) mit
dem ersten Eingang, die Ankerwelle (9) des Elektromotors (10)
mit dem zweiten Eingang und das Endgetriebe (16) mit dem
Ausgang des Summierungsgetriebes (4) verbunden ist.
2. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach Anspruch 1,
desweiteren gekennzeichnet durch einen die
Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Drehrichtung steuernden
Regler, dessen Istwerte von einem Inkrementalgeber am
Elektromotor (10) und/oder durch eine Ankerstromerfassung
detektiert werden und dessen Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment
und/oder Drehrichtung) von einer Bedienungsperson frei
vorgebbar sind.
3. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach Anspruch 1,
desweiteren gekennzeichnet durch einen die
Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Drehrichtung steuernden
Regler, dessen Istwerte mit Hilfe eines Beobachters ermittelt
werden und dessen Sollwerte (Drehzahl, Drehmoment und/oder
Drehrichtung) von einer Bedienungsperson frei vorgebbar sind.
4. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (1)
zusätzlich mit einem Zapfwellenantrieb (7) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Summierungsgetriebe (4) so angeordnet ist, daß der
Zapfwellenantrieb (7) daran vorbeigeführt ist, wobei der
Elektromotor (10) so angeordnet oder ausgebildet ist, daß der
Zapfwellenantrieb (7) direkt mit der Antriebswelle des
Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.
5. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang
des Summierungsgetriebes (4) über ein mechanisches
Fahrstufengetriebe mit dem Endgetriebe (16) verbunden ist.
6. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektromotor (10) einen Drehstromasynchronmotor mit Käfigläufer
ist.
7. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses mit
einem Mikrorechner zur elektronischen Steuerung und/oder
Regelung des elektromechanischen Getriebes versehen ist.
8. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Elektromotor (10) und dem Generator (2) ein für einen
Vierquadranten-Betrieb geeigneter Umrichter (11) angeordnet
ist, so daß eine Energierückspeisung vom Elektromotor (10) in
den Generator (2) erfolgen kann.
9. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Summierungsgetriebe (4) für größere Leistungen ausgelegt ist
als die Leistung des Verbrennungsmotors (1), so daß elektrische
Energie vom Elektromotor (10) über den Umrichter (11) und
Generator (2) in mechanische Energie umgewandelt werden kann
und zusätzlich zur Bildung von Drehmoment im Summierungs
getriebe (4) zur Verfügung steht.
10. Landwirtschaftliches Nutzfahrzeug nach einem der
vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Summierungsgetriebe (4) ein Planetengetriebe ist.
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