Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsanordnung für einen Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine, einen Antriebsstrang mit solch einer elektrischen Antriebsanordnung, eine Arbeitsmaschine mit solch einem Antriebsstrang und ein Verfahren zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb.

Stand der Technik

Arbeitsmaschinen, beispielsweise Radlader, können einen Antriebsstrang mit einem Dieselmotor aufweisen, welcher über ein Mehrganggetriebe die Räder des Radladers antreibt. Das Mehrganggetriebe kann einen Arbeitsgang mit hoher Traktion sowie einen Straßengang mit hoher Geschwindigkeit bereitstellen. Der Fahrer kann zwischen diesen beiden Fahrtmodi durch Betätigung des Mehrganggetriebes auswählen. Zur Minimierung von Schadstoffausstoß und Geräuschentwicklung wurden Arbeitsmaschinen mit einem elektrischen Antriebsstrang entwickelt. Aus der DE 20 2014 000 738 U1 ist ein Radlader mit einem Elektromotor bekannt, der über ein nicht schaltbares Getriebe eine Achse des Radladers antreibt.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsanordnung für einen Antriebsstrang einer Arbeitsmaschine. Die Antriebsanordnung dient dem Antrieb einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine. Bei der Fahrtbewegung kann es sich um eine Vorwärts- und/oder eine Rückwärtsbewegung handeln. Die Arbeitsmaschine kann eine Baumaschine, eine Landmaschine oder eine sonstige Arbeitsmaschine sein. Die Arbeitsmaschine kann eine Zugmaschine sein. Ebenso kann die Arbeitsmaschine ein angetriebener Anhänger mit eigenem Antrieb sein. Die Antriebsanordnung weist ein Mehrganggetriebe mit mindestens zwei Gängen auf. Die Gänge stellen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bereit, um so einen Betrieb der Arbeitsmaschine in verschiedenen Fahrtmodi zu ermöglichen. Bei den Übersetzungsverhältnissen kann es sich um eine Drehzahlübersetzung und/oder eine Momentübersetzung handeln. Unter einer Drehzahlübersetzung wird der Quotient aus Eingangsdrehzahl und Ausgangsdrehzahl eines Getriebes verstanden. Unter einer Momentübersetzung wird der Quotient aus Ausgangsmoment und Eingangsmoment des Getriebes verstanden.

Ferner umfasst das Mehrganggetriebe einen Mehrganggetriebeantrieb und einen Mehrganggetriebeabtrieb. Am Antrieb eines Getriebes wird die zu übersetzende Kraft eingespeist, während am Abtrieb eines Getriebes die übersetzte Kraft ausgegeben wird. Der Mehrganggetriebeabtrieb des Mehrganggetriebes ist mit einer Achse des Antriebsstrangs mechanisch koppelbar. Eine mechanische Kopplung von zwei Komponenten ermöglicht es, eine Kraft beziehungsweise ein Moment von der einen Komponente auf die andere auf mechanischem Weg zu übertragen. Zwischen den zwei Komponenten können dabei weitere Komponenten vorgesehen sein, die solch eine Kraft- beziehungsweise Momentübertragung zwischen den zwei Komponenten ermöglichen.

Darüber hinaus umfasst die elektrische Antriebsanordnung einen Elektromotor, der zum Antreiben einer Fahrtbewegung einer Arbeitsmaschine geeignet ist. Der Elektromotor weist eine Welle auf, die mit dem Mehrganggetriebeantrieb des Mehrganggetriebes mechanisch gekoppelt ist. Bei dem Elektromotor kann es sich um einen Synchron- und/oder Asynchronmotor und/oder Reluktanzmotor handeln.

Durch das Vorsehen eines Mehrganggetriebes mit verschiedenen Gängen kann das durch den Elektromotor bereitgestellte Antriebsmoment auf verschiedene Arbeitsmodi optimiert werden. Hierdurch ist eine Reduzierung der Größe des Elektromotors und der Leistungselektronik möglich. Somit können beispielsweise bestehende Arbeitsmaschinen mit einem Dieselaggregat einfach auf einen elektrischen Antrieb umgerüstet werden. Derartige Arbeitsmaschinen weisen nämlich häufig Mehrganggetriebe gemäß der obigen Ausgestaltung auf. Wird der Elektromotor an das bestehende Mehrganggetriebe angekoppelt, ermöglicht dies eine kompakte Ausgestaltung des Elektromotors. Aufgrund solch einer kompakten Ausgestaltung kann der Elektromotor wiederum leicht in bestehende Maschinen integriert werden. Das Mehrganggetriebe kann einen Arbeitsgang für die Ausführung von Arbeitstätigkeiten der Arbeitsmaschine und einen Straßengang für Transportfahrten der Arbeitsmaschine auf der Straße aufweisen. Unter Arbeitstätigkeiten werden Arbeitsvorgänge verstanden, für welche die Arbeitsmaschine ausgelegt ist. Arbeitsvorgänge eines Radladers sind beispielsweise das Laden und Bewegen von Schüttgut auf einer Baustelle. Hierfür ist ein hohes Drehmoment an den Rädern erforderlich, weshalb der Arbeitsgang ein hohes Übersetzungsverhältnis aufweist. Soll die Arbeitsmaschine hingegen eine Transportfahrt auf einer Straße durchführen, ist eine hohe Fahrtgeschwindigkeit zentral. Hierfür kann das Mehrganggetriebe ein geringeres Übersetzungsverhältnis bereitstellen, sodass eine hohe Drehzahl am Abtrieb realisierbar ist. Das Übersetzungsverhältnis des Mehrganggetriebes kann im Straßengang beispielsweise 1 betragen.

Das Mehrganggetriebe kann ein Planetengetriebe aufweisen, was in einer kompakten Bauweise und damit einfachen Einbindung in Arbeitsmaschinen resultiert. Neben dem Planetengetriebe kann das Mehrganggetriebe weitere Getriebestufen, beispielsweise eine Stirnradstufe aufweisen. Ferner kann das Planetengetriebe durch eine Stirnradstufe oder eine beliebige andere Getriebeform ersetzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Mehrganggetriebe lastschaltbar. Dies bedeutet, dass die Übersetzung unter Last, also während der Fahrt, ohne Unterbrechung des Drehmoments geändert werden kann. Hierfür kann das Mehrganggetriebe Schaltelemente aufweisen, die als Reibungskupplungen, beispielsweise Lamellenkupplungen, ausgebildet sind.

Ferner kann das Mehrganggetriebe eine Kupplung aufweisen, um den Kraftfluss zwischen dem Elektromotor und dem Mehrganggetriebe zu unterbrechen. Bei der Kupplung kann es sich um eine oder mehrere der obigen Reibungskupplungen handeln. Alternativ ist hier auch eine separate Kupplung denkbar. Wird die elektrische Antriebsanordnung beispielsweise in einem Anhänger vorgesehen, kann mittels der Kupplung der Elektromotor von den Achsen des Anhängers getrennt werden. Hierdurch kann eine Beschädigung desselben bei hohen Zuggeschwindigkeiten vermieden werden. Das Mehrganggetriebe kann ein für die Verwendung mit einem Dieselmotor einer Arbeitsmaschine ausgebildetes und eingerichtetes Getriebe sein. In anderen Worten kann es sich bei dem Mehrganggetriebe um ein Getriebe handeln, welches herkömmlich in Verbindung mit einem Dieselaggregat einer Arbeitsmaschine betrieben wird. So kann ein kosteneffizientes System bereitgestellt werden, weil bereits vorhandene Komponenten in Verbindung mit dem Elektromotor betreibbar sind. Ebenso wird so eine gute Nachrüstbarkeit von bestehenden Arbeitsmaschinen mit einem Elektromotor ermöglicht.

Die Antriebsanordnung kann darüber hinaus ein Untersetzungsgetriebe aufweisen. Unter einer Untersetzung wird die Übersetzung einer Drehzahl am Getriebeantrieb ins Langsame am Getriebeabtrieb verstanden. Die Untersetzung des Untersetzungsgetriebes kann mit einer Drehmomenterhöhung am Getriebeabtrieb gegenüber dem Getriebeantrieb einhergehen. Das Untersetzungsgetriebe kann einen Untersetzungsgetriebeantrieb aufweisen, der mechanisch mit der Welle des Elektromotors gekoppelt ist.

Ebenso kann das Untersetzungsgetriebe einen Untersetzungsgetriebeabtrieb aufweisen, der mechanisch mit dem Mehrganggetriebeantrieb des Mehrganggetriebes gekoppelt ist. Bei den Kopplungen kann es sich um drehfeste Verbindungen handeln. Mit dem Untersetzungsgetriebe wird ermöglicht, einen Elektromotor mit hoher Drehzahl in Verbindung mit einem bestehenden Antriebsstrang zu verwenden. Aufgrund der hohen Drehzahl des Elektromotors weist dieser eine kompakte Bauweise auf. Das Vorsehen des Untersetzungsgetriebes erlaubt damit eine einfache Integration des Elektromotors in bestehende Arbeitsmaschinen.

Das Untersetzungsgetriebe kann als Planetengetriebe ausgebildet sein. Dies trägt zu einer kompakten Bauweise der Antriebsanordnung bei. Alternativ kann das Untersetzungsgetriebe auch als Stirnradgetriebe oder Portalgetriebe ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das Untersetzungsgetriebe in das Verteilergetriebe integriert. Darunter ist zu verstehen, dass beide Elemente eine einzige Einheit beziehungsweise ein einziges Bauteil bilden. Ergebnis ist eine kompakte elektrische Antriebsanordnung, die sich platzeffizient und einfach in Arbeitsmaschinen integrieren lässt.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine. Der Antriebsstrang umfasst eine Vorderachse, eine Hinterachse und eine elektrische Antriebsanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen. An der Vorderachse und/oder der Hinterachse können Vorder- beziehungsweise Hinterräder montiert sein. Der Mehrganggetriebeabtrieb des Mehrganggetriebes kann mit der Hinterachse und/oder der Vorderachse mechanisch gekoppelt sein. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale und deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Ferner ist es denkbar, dass der Antriebsstrang eine erste elektrische Antriebsanordnung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zum Antreiben der Hinterachse aufweist. Darüber hinaus kann der Antriebsstrang eine zweite, weitere elektrische Antriebsanordnung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zum Antreiben der Vorderachse aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass der Antriebsstrang neben dem Elektromotor eine weitere Antriebsmaschine, beispielsweise einen Verbrennungsmotor und/oder eine Brennstoffzelle aufweist.

Darüber hinaus kann der Antriebsstrang eine Gelenkwelle aufweisen. Über die Gelenkwelle kann die Vorderachse mit dem Mehrganggetriebeabtrieb des Mehrganggetriebes mechanisch gekoppelt sein. Beispielsweise kann so ein Drehmoment an die Vorderachse eines Radladers mit einer Knicklenkung übertragen werden, bei dem der Mehrganggetriebeabtrieb im Bereich der Hinterachse vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antriebsstrang gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Arbeitsmaschine kann eine Baumaschine, beispielsweise ein Radlader sein. Ebenso kann die Arbeitsmaschine ein Anhänger sein. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale und deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Nachrüstung einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb. Unter einer Nachrüstung eines elektrischen Antriebs wird ein Austausch eines bestehenden Antriebs durch einen elektrischen Antrieb verstanden. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Arbeitsmaschine mit einem Mehrganggetriebe. Das Mehrganggetriebe ist gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Ferner umfasst die Arbeits- maschine eine Antriebsmaschine zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine. Die Antriebsmaschine kann ein Dieselmotor sein. Die Antriebsmaschine ist mit dem Mehrganggetriebe mechanisch gekoppelt, sodass eine Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine über die Antriebsmaschine und das Mehrganggetriebe antreibbar ist.

Das Verfahren umfasst das Demontieren der Antriebsmaschine. In anderen Worten wird der bestehende Antrieb der Arbeitsmaschine ausgebaut. Bei dem auszubauenden Antrieb kann es sich um einen ursprünglichen Antrieb oder um einen bereits nachgerüsteten Antrieb handeln. Darüber hinaus umfasst das Verfahren das Montieren eines Elektromotors im Bauraum der ausgebauten Antriebsmaschine. Der Elektromotor ist zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine geeignet. Der Elektromotor wird mit dem in der Arbeitsmaschine bereits vorhandenen Mehrganggetriebe gekoppelt, sodass die Räder der Arbeitsmaschine über den Elektromotor und das Mehrganggetriebe antreibbar sind. Optional kann ein Untersetzungsgetriebe im Antriebsstrang zwischen dem Elektromotor und dem Mehrganggetriebe vorgesehen werden. Mit dem Untersetzungsgetriebe kann die Drehzahl des Elektromotors untersetzt werden. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale und deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung einer Ausführunqsform

Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Antriebsstrangs 1 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Der Antriebsstrang 1 weist einen Elektromotor 2 mit einer Welle 3, ein Untersetzungsgetriebe 5 und ein Mehrganggetriebe 8 auf. Das Untersetzungsgetriebe 5 umfasst einen Untersetzungsgetriebeantrieb 4, welcher drehfest mit der Welle 3 des Elektromotors 2 verbunden ist. Ferner umfasst das Untersetzungsgetriebe 5 einen Untersetzungsgetriebeabtrieb 6, welcher drehfest mit einem Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 verbunden ist. Der Mehrganggetriebeabtrieb 9 des Mehrganggetriebes 8 ist mit einer Hinterachse 10 des Antriebsstrangs 1 mechanisch gekoppelt. Die Vorderachse 11 des Antriebsrangs 1 ist über eine Gelenkwelle 12 mit dem Mehrganggetriebeabtrieb 9 des Mehrganggetriebes 8 mechanisch gekoppelt. Damit ist der Antriebsstrang 1 dieser Ausführungsform ausgebildet, eine vom Elektromotor 2 abgegebene Leistung über das Untersetzungsgetriebe 5 und das Mehrganggetriebe 8 an die Vorder- 11 und Hinterachse 10 des Antriebsstrangs 1 zu übertragen. Der Elektromotor 2 liefert in dieser Ausführungsform eine maximale Drehzahl von 10000 UPM.

In dieser Ausführungsform weist das Untersetzungsgetriebe 5 eine Stirnradstufe mit einem Ritzel 13 auf, welches drehfest mit dem Untersetzungsgetriebeantrieb 4 verbunden ist. Mit dem Ritzel 13 ist ein Rad 14 in kämmendem Eingriff, welches drehfest mit dem Untersetzungsgetriebeabtrieb 6 verbunden ist. Das Übersetzungsverhältnis der Stirnradstufe 5 beträgt in dieser Ausführungsform 3, wobei hier auch andere Übersetzungen denkbar sind.

Das Mehrganggetriebe 8 dieser Ausführungsform weist ein Planetengetriebe 15 und ein Stirnradgetriebe 16 auf. Der Planetengetriebeabtrieb 17 des Planetengetriebes 15 ist mit dem Planetenträger 18 drehfest gekoppelt. Das Hohlrad 19 des Planetengetriebes 15 ist in dieser Ausführungsform fixiert. Darüber hinaus weist das Mehrganggetriebe 8 eine Kupplung 20 auf, über welche der Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 auswählbar entweder mit dem Sonnenrad 21 des Planetengetriebes 15 o- der mit dem Planetenträger 18 drehfest verbindbar ist. Über die Kupplung 20 ist ferner der Kraftfluss zwischen dem Elektromotor 2 und dem Mehrganggetriebe 15 vollständig unterbrechbar.

Der Planetengetriebeabtrieb 17 ist mit dem Stirnradgetriebeantrieb 22 des Stirnradgetriebes 16 des Mehrganggetriebes 8 drehfest verbunden. Das Stirnradgetriebe 16 um- fasst ein mit dem Stirnradgetriebeantrieb 22 drehfest verbundenes Ritzel 23 und ein mit dem Ritzel 23 kämmendes Rad 24. Das Rad 24 ist mit dem Mehrganggetriebeabtrieb 9 des Mehrganggetriebes 8 drehfest verbunden. Bei der Stirnradstufe 16 handelt es sich in dieser Ausführungsform um eine Untersetzungsstufe.

Der Elektromotor 2 weist eine hohe Drehzahl auf, welche über die Untersetzungsstufe 5 untersetzt in das Mehrganggetriebe 8 eingetrieben wird. Über die Kupplung 20 kann ein Arbeitsgang ausgewählt werden, bei dem der Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 mit dem Sonnenrad 21 des Planetengetriebes 18 drehfest verbunden ist. Im Arbeitsgang erfolgt eine weitere Untersetzung durch das Planetengetriebe 15, weshalb ein relativ hohes Moment am Planetengetriebeabtrieb 17 bereitgestellt werden kann.

Alternativ kann über die Kupplung 20 der Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 mit dem Planetenträger 18 drehfest gekoppelt werden, um einen Straßengang für Transportfahrten einzulegen. Im Straßengang ist der Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 ohne Übersetzung/Untersetzung direkt mit dem Planetengetriebeabtrieb 17 gekoppelt. Demnach kann am Planetengetriebeabtrieb 17 des Planetengetriebes 15 eine relativ hohe Geschwindigkeit bereitgestellt werden.

Die Drehzahl- beziehungsweise Momentverhältnisse am Planetengetriebeabtrieb 17 des Planetengetriebes 15 werden über das Stirnradgetriebe 16 des Mehrganggetriebes 8 an die Vorder- 1 1 und Hinterachse 10 des Antriebsstrangs 1 übertragen.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Nachrüsten eines elektrischen Antriebs unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

In einem ersten Schritt I wird eine Arbeitsmaschine bereitgestellt, die einen Dieselmotor und ein mit dem Dieselmotor mechanisch gekoppeltes Mehrganggetriebe 8 aufweist. Über den Dieselmotor ist eine Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine antreibbar. Das Mehrganggetriebe 8 ist in dieser Ausführungsform gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildet und entsprechend mit einer Vorder- 1 1 und einer Hinterachse 10 mechanisch verbunden. In einem zweiten Schritt II wird der Dieselmotor aus der Arbeitsmaschine ausgebaut. In diesem Zusammenhang wird die Kopplung zwischen dem Dieselmotor und dem Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 gelöst.

In dem freigewordenen Bauraum wird in einem Folgeschritt III ein Elektromotor 2 montiert, der zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine geeignet ist. In dieser Ausführungsform wird ferner in einem Schritt IV ein Untersetzungsgetriebe 5 gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung in dem freigelegten Bauraum vorgesehen.

In einem Schritt V wird der Elektromotor 2 über das vorgesehene Untersetzungsgetriebe 5 mit dem Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 mechanisch verbunden. In diesem Zusammenhang wird eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle 3 des Elektromotors 2 und dem Untersetzungsgetriebeantrieb 4 der Untersetzungsstufe 5 hergestellt. Ebenso wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem Untersetzungsgetriebeabtrieb 6 und dem Mehrganggetriebeantrieb 7 des Mehrganggetriebes 8 hergestellt. Somit kann eine Ausgangsleistung des nachgerüsteten Elektromotors 2 über das nachgerüstete Untersetzungsgetriebe 5 und das bestehende Mehrganggetriebe 8 an die Achsen 10, 1 1 der Arbeitsmaschine übertragen werden.

Bezuqszeichen

1 Antriebsstrang

2 Elektromotor

3 Welle

4 Untersetzungsgetriebeantrieb

5 Untersetzungsgetriebe

6 Untersetzungsgetriebeabtrieb

7 Mehrganggetriebeantrieb

8 Mehrganggetriebe

9 Mehrganggetriebeabtrieb

10 Hinterachse

11 Vorderachse

12 Gelenkwelle

13 Ritzel Untersetzungsgetriebe

14 Rad Untersetzungsgetriebe

15 Planetengetriebe

16 Stirnradgetriebe

17 Planetengetriebeabtrieb

18 Planetenträger

19 Hohlrad

20 Kupplung

21 Sonnenrad

22 Stirnradgetriebeantrieb

23 Ritzel Stirnradgetriebe

24 Rad Stirnradgetriebe

I Bereitstellen Arbeitsmaschine mit Mehrganggetriebe

II Demontage Antriebsmaschine

III Montage Elektromotor

IV Montage Untersetzungsgetriebe

V Koppeln Elektromotor mit Mehrganggetriebe