Antrieb mit Energierückgewinnung

Die Erfindung betrifft einen Antrieb mit Energierückgewinnung.

Aus der AT 395 960 B ist ein Antrieb mit Rückgewinnung von kinetischer Energie bekannt. Bei dem Antrieb sind eine hydrostatische Kolbenmaschine als Pumpe und ein Hydromotor in einem geschlossenen Kreislauf verbunden. Mit den beiden die Kolbenmaschinen verbindenden Arbeitsleitungen ist jeweils ein Speicher verbunden. Die Pumpe ist zur Förderung in einer Richtung ausgelegt und wird durch eine Antriebsmaschine angetrieben. Die förderseitige Arbeitsleitung ist mit einem Hochdruckspeicher verbunden.

Während des Fahrbetriebs wird der Hydromotor, der ausgehend aus einer Neutralstellung in zwei Richtungen ausschwenkbar ist, in einer ersten Richtung ausgelenkt und somit durch den von der Hydropumpe in der förderseitigen Arbeitsleitung erzeugten Druck als Hydromotor betrieben. Ist eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit erreicht, so wird der Ausschlag zurückgenommen und vorzugsweise bis Null reduziert, so dass das Fahrzeug frei rollt. Um das Fahrzeug abzubremsen, wird der Hydromotor in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt, so dass er nun seinerseits in die förderseitige Arbeitsleitung Druckmittel fördert. Das in die förderseitige Arbeitsleitung geförderte Druckmittel wird unter Erhöhung des Drucks in dem Hochdruckspeicher gespeichert . Zur anschließenden Entnahme der dort gespeicherten Druckenergie wird der Hydromotor wieder in seine ursprüngliche Richtung ausgeschwenkt und das unter hohem Druck in dem Hochdruckspeicher gespeicherte Druckmittel über den das Fahrzeug antreibenden Hydromotor in Richtung des Niederdruckspeichers entspannt. Der Niederdruckspeicher sorgt dabei für einen Ausgleich des Volumenstroms .

Bei dem beschriebenen Antrieb ist es nachteilig, dass unabhängig von der jeweiligen Fahrsituation die

Speichereinrichtung zum Speichern und Rückgewinnen der kinetischen Energie mit dem hydrostatischen Antrieb verbunden ist. Ferner lässt sich eine solche Anordnung, bei der die Speicher mit den Arbeitsleitungen verbunden sind, nur im Zusammenhang mit einem hydrostatischen Getriebe einsetzen. Die Speicher sind permanent mit dem Arbeitskreislauf verbunden. Ein Entkoppeln und somit eine Unterscheidung zwischen einem Arbeitsbetrieb oder beispielsweise einer überführungsfahrt ist dagegen nicht möglich. Die permanente Anbindung des Hochdruckspeichers sorgt zudem für eine unerwünschte Kompressibilität im Bereich der Druckbeaufschlagung des Hydromotors.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb mit einer einfachen und preiswerten Möglichkeit zum Zuschalten eines Systems zur Energierückgewinnung zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Antrieb mit Energierückgewinnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß dem Anspruch 1 weist der Antrieb eine erste Triebwelle eines Antriebsstrangs und eine zweite Triebwelle auf. Die zweite Triebwelle ist mit einer hydrostatischen Kolbenmaschine verbunden. Der Antrieb umfasst weiter zumindest einen Speicher zum Speichern von Druckenergie. Die erste Triebwelle und die zweite Triebwelle sind über eine Getriebestufe miteinander verbindbar, die zumindest ein erstes und ein zweites Zahnrad umfasst. Dabei ist das zweite Zahnrad als Schieberad ausgeführt.

Der erfindungsgemäße Antrieb erlaubt es, durch das als Schieberad ausgeführte Zahnrad der Getriebestufe, die erste und die zweite Triebwelle lediglich bei Bedarf miteinander zu koppeln. Damit kann das Zuschalten von zur Energierückgewinnung benötigten Komponenten auf solche Betriebssituationen beschränkt bleiben, in denen eine Rückgewinnung von kinetischer Energie Vorteile bringt. Bei Verwendung in einem Baustellenfahrzeug beispielsweise ist

dies der Arbeitsbetrieb auf der Baustelle. Eine überführungsfahrt dagegen kann durch Verschieben des Schieberads durch einen Fahrantrieb erfolgen, welcher unabhängig von einer Energierückgewinnung arbeitet.

Durch das Ankoppeln der Energierückgewinnung mittels einer schaltbaren Getriebestufe kann der Fahrantrieb selbst in beliebiger Weise ausgebildet werden. Die Energierückgewinnung dagegen wird durch eine zusätzliche hydrostatische Kolbenmaschine durchgeführt, wobei aufgrund der möglichen Abschaltung Plantsch- und Schleppverluste vermieden werden. Die einfache Ausführung der Zuschaltbarkeit mittels eines Schieberads in der Getriebestufe hat ferner den Vorteil, dass eine aufwendige Kupplungsmechanik entfällt. Es ist lediglich eine Betätigung zur axialen Verschiebung des Schieberads erforderlich. Zwar ist damit ein Zuschalten oder Abschalten der Energierückgewinnung nur im Stand des Fahrzeugs bzw. bei Stillstand der Triebwellen möglich, ein solcher Stillstand ist jedoch einfach beim Wechsel zu dem Arbeitsbetrieb auf einer Baustelle herbeizuführen. Anschließend kann das Schieberad wieder ausgekuppelt werden, wenn am Ende eines Arbeitseinsatzes wieder eine überführungsfahrt durchzuführen ist. Im Gegensatz zu einer Lösung mit Kupplung ist die vorgeschlagene Lösung mit Schieberad robust und wenig verschleißanfällig.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Antriebs ausgeführt.

So ist es insbesondere vorteilhaft, dass das als Schieberad ausgeführte Zahnrad auf der zweiten Triebwelle verschiebbar angeordnet ist. Damit wird während einer überführungsfahrt das durch seine Ausbildung als Schieberad nicht fest mit der Triebwelle verbundene Zahnrad durch den Fahrantrieb nicht mitgedreht. Das erste Zahnrad kann dagegen fest mit der ersten Triebwelle verbunden sein, wodurch wiederum eine Verschleißminderung eintritt.

Zum Verbessern des Schaltkomforts ist es weiterhin vorteilhaft, an dem ersten Zahnrad und an dem zweiten Zahnrad jeweils eine Axialverzahnung vorzusehen. Mit Hilfe der AxialVerzahnung erfolgt eine Verbesserung des Eingriffs der als Stirnräder ausgeführten Zahnräder. Eine Folge davon ist eine Verminderung des Schaltrucks beim Zuschalten des Systems zur Energierückgewinnung.

Auch während des Baustellenbetriebs kann es erforderlich sein, eine weite Förderung von Druckmittel durch die hydrostatische Kolbenmaschine in einen Hochdruckspeicher zu verhindern. Da im Baustellenbetrieb vorgesehen ist, dass die beiden Zahnräder im Eingriff bleiben, ist es vorteilhaft, die hydrostatische Kolbenmaschine als verstellbare Kolbenmaschine auszuführen. Dies erlaubt es, in einer solchen Situation, in der eine weitere Aufnahme von Druckmittel in den Hochdruckspeicher nicht möglich ist, die hydrostatische Kolbenmaschine auf ein Null- Fördervolumen zu verstellen. Eine weitere Förderung von Druckmittel unterbleibt und die gespeicherte kinetische Energie ist jederzeit abrufbar. Dazu ist die hydrostatische Kolbenmaschine weiterhin über das erste und das zweite Zahnrad der Getriebestufe mit der ersten Triebwelle verbunden. Zur Entnahme von Druckmittel genügt es daher, das Fördervolumen der hydrostatischen Kolbenmaschine wieder auf ein der zu entnehmenden Energie entsprechendes Schluckvolumen zu verstellen.

Zudem ist es vorteilhaft, die hydrostatische Kolbenmaschine zwischen einem ersten Speicher und einem zweiten Speicher Druckmittel fördern zu lassen. Die Anordnung der Kolbenmaschine zwischen einem ersten Speicher und einem zweiten Speicher hat den Vorteil, dass auch auf der Niederdruckseite der hydrostatischen Kolbenmaschine ein gewisser Vordruck durch den zweiten Speicher erzeugt wird. Der Vordruck in dem geschlossenen System verhindert auf der Saugseite der hydrostatischen Kolbenmaschine das Entstehen von Kavitation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verbindet die erste Triebwelle einen Antriebsmotor mit einem Getriebe des Fahrzeugantriebs. Dabei kann die Triebwelle durch die Abtriebswelle des Antriebsmotors selbst gebildet sein oder als Bestandteil einer Verbindungswelle zwischen Antriebsmotor und Getriebe ausgeführt sein. Das erste Zahnrad ist dabei vorzugsweise fest mit der ersten Triebwelle verbunden. Durch die Ankopplung des Systems zur Energierückgewinnung an eine mit dem Antriebsmotor verbundene Triebwelle stehen relativ hohe Drehzahlen der Triebwelle zum Antrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine zur Verfügung. Eine Anpassung der hohen Abtriebsdrehzahlen des Antriebsmotors an den idealen Drehzahlbereich für die hydrostatische Kolbenmaschine wird dabei durch die Getriebestufe erreicht .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Triebwelle eine Getriebeausgangswelle eines Getriebes des Antriebs. Die Anordnung auf der Getriebeausgangsseite hat dagegen den Vorteil, dass die mit hohen Drehzahlen rotierenden Massen gering gehalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs mit Energierückgewinnung.

In der Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Antrieb 1 mit Energierückgewinnung dargestellt. Der Antrieb 1 umfasst als primäre Kraftquelle einen Antriebsmotor 2. Der Antriebsmotor 2 ist mit einer ersten Triebwelle 3 verbunden. Die erste Triebwelle 3 kann dabei die Abtriebswelle des Antriebsmotors 2 oder eine damit verbundene Zwischenwelle sein. Der erfindungsgemäße Antrieb 1 verfügt über ein System zur Energierückgewinnung mit einer zweiten Triebwelle 4. Die zweite Triebwelle 4 ist mit einer hydrostatischen Kolbenmaschine 5 verbunden.

Die hydrostatische Kolbenmaschine 5 ist für eine Förderung von Druckmittel in zwei Richtungen ausgelegt und vorzugsweise in ihrem Fördervolumen einstellbar. Zum Antreiben der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sind die erste Triebwelle 3 und die zweite Triebwelle 4 miteinander koppelbar. Die Kopplung erfolgt über eine Getriebestufe 6. Die Getriebestufe 6 umfasst ein erstes Zahnrad 7 und ein zweites Zahnrad 8. Das zweite Zahnrad 8 ist als Schieberad ausgeführt .

Das Schieberad 8 ist auf einer Verzahnung 9 der zweiten Triebwelle 4 axial verschieblich angeordnet. Hierzu ist die Verzahnung 9 an der zweiten Triebwelle 4 ausgeführt und wirkt mit einer Innenverzahnung 10 des zweiten Zahnrads 8 zusammen. Damit ist das zweite Zahnrad 8 längsverschieblich auf der zweiten Triebwelle 4 angeordnet und drehfest mit diesem gekoppelt.

Das erste Zahnrad 7 und das zweite Zahnrad 8 sind als Stirnräder ausgeführt. Die Abstände der ersten Triebwelle 3 und der zweiten Triebwelle 4 ermöglichen ein Eingreifen der Verzahnungen des ersten Zahnrads 7 und des zweiten Zahnrads 8. Damit ist ein Drehmoment von der ersten Triebwelle 3 über die zweite Triebwelle 4 der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 zuführbar. Zum Auskuppeln des Systems zur Energierückgewinnung, bestehend aus der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sowie einem ersten Speicher 11 und einem zweiten Speicher 12, ist das zweite Zahnrad 8 auf der zweiten Triebwelle 4 verschiebbar. In der Fig. 1 wird das zweite Zahnrad 8 zum Auskuppeln nach links in der Verzahnung 9 verschoben, bis die stirnseitige Verzahnung des zweiten Zahnrads 8 nicht mehr im Eingriff mit der stirnseitigen Verzahnung des ersten Zahnrades 7 ist.

Das System zur Energierückgewinnung mit dem ersten

Speicher 11 und dem zweiten Speicher 12 bildet zusammen mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 sowie der ersten Speicherleitung 13 und der zweiten Speicherleitung 14 eine

hydraulische Wiege aus. Durch die hydrostatische Kolbenmaschine 5 ist Druckmittel aus dem als Niederdruckspeicher ausgeführten zweiten Speicher 12 über die zweite Speicherleitung 14 ansaugbar und unter Erhöhung des in dem ersten Speicher 11 herrschenden Drucks in diesen förderbar. Der erste Speicher 11 ist als Hochdruckspeicher ausgelegt und über die erste Speicherleitung 13 mit der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 verbunden .

Um die hydrostatische Kolbenmaschine 5 in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten lassen zu können, ist das übersetzungsverhältnis der Getriebestufe 6 an die optimale Drehzahl 5 und die Drehzahl der ersten Triebwelle 3 angepasst.

Der erfindungsgemäße Antrieb 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Fahrantrieb ausgeführt. Der Fahrantrieb umfasst ein hydrostatisches Getriebe 15. Das hydrostatische Getriebe 15 wird durch die erste Triebwelle 3 als Getriebeeingangswelle angetrieben. Auf der Ausgangsseite ist eine Getriebeausgangswelle 16 zur Weiterleitung des verfügbaren Drehmoments an eine angetriebene Fahrzeugachse vorgesehen. Das hydrostatische Getriebe 15 weist ferner eine Hydropumpe 17 sowie einen Hydromotor 18 auf. Sowohl die Hydropumpe 17 als auch der Hydromotor 18 sind vorzugsweise als verstellbare Kolbenmaschinen ausgeführt. Die Hydropumpe 17 und der Hydromotor 18 sind in einem geschlossenen Kreislauf über eine erste Arbeitsleitung 19 sowie einen zweite Arbeitsleitung 20 miteinander verbunden. Die erste Triebwelle 3, das hydrostatische Getriebe 15 und die Getriebeansaugwelle 16 bilden zumindest einen Abschnitt eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. Anstelle des hydrostatischen Getriebes 15 können auch andere Getriebevarianten eingesetzt werden.

Um einen Schaltruck, der bei Verschiebung des zweiten

Zahnrads 8 in Richtung der Rotationsebene des ersten Zahnrads 7 während des Eingriffs der stirnseitigen

Verzahnungen der beiden Zahnräder 7 und 8 entsteht, zu verringern, ist an dem ersten Zahnrad 7 und dem zweiten Zahnrad 8 jeweils eine Axialverzahnung 21, 22 angeordnet. Durch die AxialVerzahnungen 21, 22 wird ein Mitnahmeeffekt des zweiten Zahnrads 8 erzeugt, der ähnlich wie bei einer Synchronisation für eine Drehzahlangleichung des zweiten Zahnrads 8 an die Drehzahl des ersten Zahnrads 7 sorgt. Infolge dessen wird der Winkelunterschied zwischen dem ersten Zahnrad 7 und dem zweiten Zahnrad 8 während des Eingriffs der stirnseitigen Verzahnungen der beiden Zahnräder ausgeglichen. Die AxialVerzahnungen 21, 22 sind auf den in ausgekuppeltem Zustand aufeinander zu orientierten Flächen des ersten und des zweiten Zahnrads 7, 8 angeordnet.

Während eines normalen Fahrbetriebs wird die Fahrgeschwindigkeit des durch den Antrieb 1 angetriebenen Fahrzeugs ausschließlich durch den Antriebsstrang mit dem Antriebsmotor 2, der ersten Triebwelle 3 sowie dem hydrostatischen Getriebe 15 und der Getriebeausgangswelle 16 bestimmt. Das zweite, als Schieberad ausgeführte Zahnrad 8 befindet sich in seiner linken Position, in der die Verbindung zwischen der ersten Triebwelle 3 und der zweiten Triebwelle 4 unterbrochen ist. Während eines solchen Fahrbetriebs, der z. B. für überführungsfahrten vorgesehen sein kann, ist damit das System zur Energiespeicherung von dem Antriebsstrang getrennt. Um während eines Baustellenbetriebs die Energiespeicherung sowie Rückgewinnung nutzen zu können, wird im Stillstand des Fahrzeugs das zweite Zahnrad 8 in der Verzahnung 9 der zweiten Triebwelle 4 verschoben, bis sich das zweite Zahnrad 8 und das erste Zahnrad 7 in der in der Fig. 1 gezeigten Position befinden und somit die Verzahnungen der Stirnräder ineinander eingreifen. Die erste Triebwelle 3 ist somit mit der zweiten Triebwelle 4 gekoppelt und entsprechend der Drehzahl der ersten Triebwelle 3 wird die hydrostatische Kolbenmaschine 5 angetrieben. Während eines Bremsvorgangs wird die hydrostatische Kolbenmaschine 5 dabei als Pumpe betrieben und fördert in bereits beschriebener Weise Druckmittel aus dem zweiten Speicher

12 in den ersten Speicher 11. Durch Verstellung des Förder- bzw. Schluckvolumens der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 auf einen sogenannten Null-Hub ist es möglich, ohne das zweite Zahnrad 8 auf der Verzahnung 9 zu verschieben, ein weiteres Fördern von Druckmittel in den ersten Speicher 11 zu verhindern. Zudem kann die Bremsleistung durch Einstellen des Fördervolumens stufenlos verändert werden.

Ist der Bremsvorgang abgeschlossen, so ist die kinetische Energie des abgebremsten Fahrzeugs in dem ersten Speicher 11 als Druckenergie gespeichert. Diese Druckenergie kann anschließend wieder genutzt werden, indem die hydrostatische Kolbenmaschine 5 als Hydromotor betrieben wird. Das unter hohem Druck in dem ersten Speicher 11 gespeicherte Druckmittel wird dann über die erste Speicherleitung 13 und die hydrostatische Kolbenmaschine 5 entspannt. Dabei wird die hydrostatische Kolbenmaschine 5 angetrieben und überträgt ein Drehmoment auf die zweite Triebwelle 4. Dieses Abtriebsdrehmoment der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 wird über die Getriebestufe 6 auf die erste Triebwelle 3 übertragen und somit dem hydrostatischen Getriebe 15 zugeführt. Entsprechend der gewählten übersetzung des hydrostatischen Getriebes 15 wirkt somit aufgrund der in dem ersten Speicher 11 gespeicherten Druckenergie ein Antriebsmoment an der Getriebeausgangswelle 16.

In der Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der eine Kopplung über die erste

Triebwelle 3 erfolgt, welche in dem dargestellten

Ausführungsbeispiel eine Verbindungswelle zwischen dem

Antriebsmotor 2 und dem hydrostatischen Getriebe 15 darstellt. Die erste Triebwelle 3 kann dabei beispielsweise eine Getriebeeingangswelle des hydrostatischen Getriebes 15 sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das erste Zahnrad 7 mit der

Getriebeausgangswelle 16 als erste Triebwelle 3 zu verbinden. Dadurch werden die Drehzahlen, mit denen das erste Zahnrad 7 angetrieben wird, deutlich reduziert. Eine

Erhöhung der Drehzahl zum Antreiben der hydrostatischen Kolbenmaschine 5 lässt sich durch die Wahl des übersetzungsverhältnisses der Getriebestufe einstellen.

Die Axialverzahnungen 21, 22 des ersten bzw. zweiten Zahnrads 7, 8 sind gemäß einer einfachen Ausführung durch mit den Zahnrädern 7, 8 verschraubte Ringe realisiert. In einer aufwendigeren Ausführung kann auch eine Synchronisiereinrichtung vorgesehen sein. Die Verschiebung des zweiten Zahnrads 8 erfolgt in nicht dargestellter Weise mit Hilfe von einer Schaltgabel, welche über eine ebenfalls nicht dargestellte Betätigungseinrichtung eine axiale Verschiebebewegung des zweiten Zahnrads 8 bewirkt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte

Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind auch

Abweichungen von einzelnen Merkmalen des dargestellten

Ausführungsbeispiels möglich, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.