Titel

Hydraulikhybridantriebsstrang

Die Erfindung betrifft einen Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer verbrennungsmotorischen und einer hydraulischen Antriebseinrichtung, die eine erste Hydraulikmaschine und eine zweite Hydraulikmaschine umfasst, und mit einer angetriebenen Achse. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hydraulikhybridantriebsstrangs.

Stand der Technik

Die Hydraulikmaschinen dienen in dem Hydraulikhybridantriebsstrang dazu, Hydraulikenergie in mechanische Bewegungsenergie umzuwandeln, und umgekehrt. Die Hydraulikmaschinen können als Hydraulikpumpen und/oder Hydraulikmotoren ausgeführt sein. In einem Pumpenbetrieb wird die Hydraulikmaschine mechanisch angetrieben, um Hydraulikmedium mit Druck zu beaufschlagen. In einem Motorbetrieb wird die Hydraulikmaschine hydraulisch angetrieben, um Hydraulikenergie in mechanische Bewegungsenergie umzuwandeln.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Hydraulikhybridantriebsstrangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , insbesondere im Hinblick auf seinen Wirkungsgrad und/oder den Schadstoffausstoß der verbrennungsmotorischen Antriebseinrichtung, zu optimieren.

Die Aufgabe ist bei einem Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer verbrennungsmotorischen und einer hydraulischen Antriebseinrichtung, die eine erste Hydraulikmaschine und eine zweite Hydraulikmaschine umfasst, und mit einer angetriebenen Achse, dadurch gelöst, dass der ersten Hydraulikmaschine eine vorzugsweise schaltbare Freilaufeinrichtung zugeordnet ist. Die Hydraulikmaschinen werden auch als Hydrostaten bezeichnet und können sowohl als Hydraulikpumpe als auch als Hydraulikmotor arbeiten. Die beiden Hydraulikmaschinen sind zum Beispiel als Axialkolbenmaschinen ausgeführt und über ein Hydrauliksystem hydraulisch miteinander verbindbar. In dem Hydrauliksystem sind neben Hydraulikventileinrichtungen vorteilhaft ein Niederdruckreservoir für Hydraulikmedium und ein Hydraulikdruckspeicher vorgesehen. Die vorzugsweise schaltbare Freilaufeinrichtung liefert den Vorteil, dass die erste Hydraulikmaschine in Betriebszuständen, in denen die erste Hydraulikmaschine keinen antriebsmäßigen oder speichermäßigen Beitrag leistet, nicht mitgeschleppt werden muss. Dadurch kann der Kohlendioxidausstoß der verbrennungsmotorischen Antriebseinrichtung deutlich reduziert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Freilaufeinrichtung der ersten Hydraulikmaschine in einem ersten hydraulischen Gang oder Betriebsmodus so geschaltet ist, dass die erste Hydraulikmaschine und die zweite Hydraulikmaschine gleichzeitig Antriebsmoment an die angetriebene Achse abgeben. Dadurch kann auf einfache Art und Weise mehr Antriebsmoment bereitgestellt werden als mit einem herkömmlichen Hydraulkhybridantriebsstrang.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hydraulikmaschinen auf das gleiche Schluckvolumen ausgelegt sind. Als Schluckvolumen wird die Menge an Hydraulikmedium bezeichnet, welche die Hydraulikmaschine bei einer Umdrehung verdrängt beziehungsweise in der Hydraulikmaschine verdrängt wird. In herkömmlichen Hydraulikhybridantriebssträngen haben die Hydraulikmaschinen unterschiedliche Schluckvolumina.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hydraulikmaschinen baugleich ausgeführt sind. Dadurch kann der Herstellungs- und/oder Montageaufwand erheblich reduziert werden. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die verbrennungsmotorische Antriebs- einrichtung mechanisch über eine erste Kopplungseinrichtung mit der ersten Hydraulikmaschine und/oder der angetriebenen Achse koppelbar beziehungsweise gekoppelt ist. Die erste Kopplungseinrichtung ist zum Beispiel als Kupplung mit zwei Schaltstellungen ausgeführt. In einer ersten Schaltstellung der ersten Kopplungseinrichtung ist die erste Hydraulikmaschine antriebsmäßig mit der verbrennungsmotorischen Antriebseinrichtung und/oder der angetriebenen Achse verbunden. In einer zweiten Schaltstellung der ersten Kopplungseinrichtung ist die erste Hydraulikmaschine antriebsmäßig von der verbrennungsmotorischen Antriebseinrichtung und/oder der angetriebenen Achse entkoppelt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebs- strangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hydraulikmaschine mechanisch über eine zweite Kopplungseinrichtung mit der angetriebenen Achse koppelbar beziehungsweise gekoppelt ist. Die zweite Kopplungseinrichtung ist zum Beispiel als Kupplung oder Schalteinrichtung mit drei Schaltstellungen ausgeführt. In einer ersten Schaltstellung der zweiten Kopplungseinrichtung ist die zweite Hydraulikmaschine antriebsmäßig in einem Vorwärtsfahrbetrieb mit der angetriebenen Achse verbunden. In einer zweiten Schaltstellung der zweiten Kopplungseinrichtung ist die zweite Hydraulikmaschine antriebsmäßig in einem Rückwärtsfahrbetrieb mit der angetriebenen Achse verbunden. Eine dritte Schaltstellung der zweiten Kopplungseinrichtung entspricht einer Neutralstellung, in welcher die zweite Hydraulikmaschine antriebsmäßig von der angetriebenen Achse entkoppelt ist.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebs- strangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung mechanisch über eine Freilaufeinrichtung mit der angetrieben Achse koppelbar beziehungsweise gekoppelt ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise mindestens ein weiterer hydraulischer Gang beziehungsweise Betriebsmodus des Hydraulikhybridantriebsstrangs dargestellt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die der ersten Hydraulikmaschine zugeordnete schaltbare Freilaufeinrichtung zusätzlich zu einem Freilauf eine Frei- laufüberbrückungseinrichtung aufweist. Der Freilauf ist zum Beispiel als Klemmrollenfreilauf ausgeführt und ermöglicht in einer Sperrrichtung die Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Freilaufaußenring und einem Antrieb der ersten Hydraulikmaschine, um diese mechanisch anzutreiben. In einer der Sperrrichtung entgegengesetzten Freilaufrichtung ist der Antrieb der ersten Hydraulikmaschine antriebsmäßig entkoppelt. Durch die Freilaufüberbrückungseinrichtung wird der Freilauf überbrückt, das heißt, wenn die Freilaufüberbrückungseinrich- tung wirksam ist, dann wird in beiden Richtungen ein Drehmoment zwischen dem Antrieb und dem Freilaufaußenring übertragen, und umgekehrt.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Hydraulikhybridantnebsstrangs mit mehreren hydraulischen Gängen oder Betriebsmodi. Mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikhybridantriebsstrang können/kann besonders vorteilhaft zusätzlich zu dem ersten hydraulischen Gang oder Betriebsmodus ein zweiter und/oder dritter hydraulischer Gang oder Betriebsmodus dargestellt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann mit dem Hydraulikhybridantriebsstrang besonders vorteilhaft zusätzlich zu einem Vorwärtsgang noch ein Rückwärtsgang dargestellt werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Freilaufeinrichtung, einen Freilauf und/oder eine Freilaufüberbrückungseinrichtung für eine Hydraulikmaschine in einem vorab beschriebenen Hydraulikhybridantriebsstrang. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydraulikhybridantnebsstrangs mit einer schaltbaren Freilaufeinrichtung, die einer ersten Hydraulikmaschine zugeordnet ist;

Figur 2 die schaltbare Freilaufeinrichtung in einem Querschnitt und die schaltbare Freilaufeinrichtung aus Figur 2 in einem Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Hydraulikhybridantriebsstrang 1 mit einer angetriebenen Achse 3 vereinfacht dargestellt. Die angetriebene Achse 3 ist mit zwei angetriebenen Rädern 4, 5 versehen, die über ein Differenzial 6 angetrieben werden. Das Diffe- renzial 6 ist als Ausgleichsgetriebe ausgeführt, das Drehzahlunterschiede der angetriebenen Räder 4, 5 ausgleicht und ein Antriebsdrehmoment, das verkürzt auch als Antriebsmoment bezeichnet wird, gleichmäßig auf die angetriebenen Räder 4, 5 verteilt.

Der Hydraulikhybridantriebsstrang 1 umfasst eine verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 und eine hydraulische Antriebseinrichtung 20. Die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 ist als Brennkraftmaschine ausgeführt und wird auch als Verbrennungsmotor bezeichnet. Die hydraulische Antriebseinrichtung 20 umfasst eine erste Hydraulikmaschine 21 und eine zweite Hydraulikmaschine 22. Die beiden Hydraulikmaschinen 21 , 22 werden auch als

Hydrostaten bezeichnet.

Die beiden Hydrostaten oder Hydraulikmaschinen 21 , 22 können sowohl als hydraulische Pumpe als auch als hydraulischer Motor betrieben werden. Dabei können die beiden Hydraulikmaschinen 21 , 22 zum Beispiel als hydraulische Axialkolbenmaschine ausgeführt sein.

Die beiden Hydraulikmaschinen 21 , 22 sind (nicht dargestellt) über ein Hydrauliksystem hydraulisch miteinander verbindbar beziehungsweise verbunden. Das nicht dargestellte Hydrauliksystem umfasst mehrere Hydraulikventile, einen hydraulischen Energiespeicher, der vorteilhaft als Hochdruckspeicher ausgeführt ist, und ein Hydraulikreservoir, das mit Niederdruck beaufschlagt ist.

Die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 ist über ein Getriebe 30 antriebsmäßig mit der angetriebenen Achse 3 und/oder der ersten Hydraulikmaschine 21 verbindbar. Das Getriebe 30 ist vorteilhaft als Planetengetriebe ausge- führt und kann mit einer nicht näher bezeichneten Kupplung oder Bremse ausgestattet sein.

Die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 ist darüber hinaus mit einer Freilaufeinrichtung 15 ausgestattet. Die Freilaufeinrichtung 15 kann zwischen das

Getriebe 30 und die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 beschaltet sein. Die Freilaufeinrichtung 15 kann auch in das Getriebe 30 integriert sein. In einer Sperrrichtung wird Drehmoment über die Freilaufeinrichtung 15 auf das Getriebe 30 übertragen. In einer der Sperrrichtung entgegengesetzten Freilaufrich- tung ist die verbrennungsmotorische Antriebseinrichtung 10 antriebsmäßig von dem Getriebe 30 entkoppelt.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist der ersten Hydraulikmaschine 21 , die auch als Hydraulikpumpe bezeichnet wird, eine schaltbare Frei- laufeinrichtung 40 zugeordnet. Die schaltbare Freilaufeinrichtung 40 ermöglicht besonders vorteilhaft, dass die beiden Hydraulikmaschinen 21 und 22 gleichzeitig Drehmoment an die angetriebene Achse 3 abgeben können.

Das liefert den Vorteil, dass die beiden Hydraulikmaschinen 21 , 22 auf das glei- che Schluckvolumen ausgelegt werden können. Dadurch kann auf einfache Art und Weise mehr Antriebsmoment bereitgestellt werden als bei herkömmlichen Systemen.

Darüber hinaus kann die auch als Hydraulikpumpe bezeichnete erste Hydraulik- maschine 21 vorteilhaft in allen Betriebszuständen, in denen die erste Hydraulikmaschine 21 oder Hydraulikpumpe keinen Beitrag leistet, mechanisch entkoppelt werden. Das bedeutet, dass die erste Hydraulikmaschine 21 in diesen Betriebszuständen nicht mitgeschleppt werden muss. Daraus ergibt sich, je nach Anwendung, ein deutlich reduzierter Kohlendioxidausstoß.

In den Figuren 2 und 3 ist die schaltbare Freilaufeinrichtung 40 detailliert dargestellt. Die schaltbare Freilaufeinrichtung 40 ist über eine Welle-Nabe-Verbindung 42 drehfest mit der ersten Hydraulikmaschine 21 verbunden. Die Welle-Nabe- Verbindung 42 schafft eine drehfeste Verbindung zwischen der ersten Hydrau- likmaschine 21 und einem Antriebselement 45 der schaltbaren Freilaufeinrichtung 40. Das Antriebselement 45 ist mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung 46 in Richtung einer Drehachse 47 zum Umschalten der Freilaufeinrichtung 40 hin und her bewegbar, ohne dass die durch die Welle-Nabe-Verbindung 42 dargestellte drehfeste Verbindung zwischen der ersten Hydraulikmaschine 21 und dem Antriebs- element 45 unterbrochen wird. Die Hin- und Herbewegung beim Umschalten der

Freilaufeinrichtung 40 ist in Figur 3 durch einen Doppelpfeil 48 angedeutet.

Die schaltbare Freilaufeinrichtung 40 umfasst einen Stern 50, der drehfest mit dem Antriebselement 45 verbunden ist. Der Stern 50 ist radial außen mit Klemm- rampen versehen und radial innerhalb eines Außenrings 54 drehbar angeordnet.

Zwischen dem Stern 50 und dem Außenring 54 sind Klemmkörper 52 angeordnet, die zum Beispiel als Klemmrollen ausgeführt sind. Der Außenring 54 weist radial außen eine Außenverzahnung 56 auf, die dazu dient, den Außenring 54 mit einem Sonnenrad des vorteilhaft als Planetengetriebe ausgeführten Getrie- bes 30 zu koppeln.

Durch einen Pfeil 58 ist in Figur 2 der Uhrzeigersinn angedeutet. Wenn sich der Außenring 54 bei nicht geschalteter Freilaufeinrichtung 40 im Uhrzeigersinn 58 dreht, dann wird die erste Hydraulikmaschine 21 nicht mitgeschleppt. Wenn sich der Stern 50 über das Antriebselement 45 im Uhrzeigersinn 58 dreht, dann kann durch den sperrenden Freilauf Drehmoment übertragen werden.

In der Sperrrichtung werden die Klemmkörper, insbesondere Klemmrollen, über Federeinrichtungen 59 und die zwischen dem Außenring 54 und dem Stern 50 herrschenden Reibverhältnisse in Klemmrichtung gedrückt. Dabei wandern die

Klemmkörper 52 im Gegenuhrzeigersinn in sich verjüngende Aussparungen zwischen den Klemmrampen und dem Außenring 54.

In der umgekehrten Drehrichtung, die auch als Freilaufrichtung bezeichnet wird, also wenn sich der Stern 50 im Gegenuhrzeigersinn dreht, beziehungsweise wenn sich der Außenring 54 schneller dreht als der Stern 50 beziehungsweise das Antriebselement 45, dann wird kein Moment übertragen.

Das Umschalten der Freilaufeinrichtung 40 ist Figur 3 durch den Doppelpfeil 48 angedeutet. Wenn das Antriebselement 45 durch die Betätigungseinrichtung 46 in Figur 3 nach links, das heißt auf die erste Hydraulikmaschine 21 zu, bewegt wird, dann wird der Stern 50 über eine Freilaufüberbrückungseinrichtung 60 in beiden Drehrichtungen drehfest mit dem Außenring 54 verbunden. Zu diesem Zweck ist die Freilaufüberbrückungseinrichtung 60 mit Kupplungsflächen 61 bis 64 ausgestattet, die fest miteinander verbunden sind.

Die Kupplungsflächen 61 und 62 kommen beim Schließen der Freilaufüberbrü- ckungseinrichtung 60 an dem Stern 50 zur Anlage, während die Kupplungsflächen 63, 64 gleichzeitig an dem Außenring 54 zur Anlage kommen. Dadurch wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass die erste Hydraulikmaschine 21 bei ei- ner Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn als Hydraulikmotor funktioniert, so dass Drehmoment von der ersten Hydraulikmaschine 21 auf die angetriebene Achse 3 abgegeben werden kann, und zwar gleichzeitig mit der zweiten Hydraulikmaschine 22. Durch die Freilaufüberbrückungseinrichtung 60 wird der Freilauf der schaltbaren Freilaufeinrichtung 40 außer Kraft gesetzt.

Die beiden Hydraulikmaschinen 21 , 22 können vorteilhaft baugleich ausgeführt werden. Durch die damit verbundene Verwendung von Gleichteilen können deutlich Kosten eingespart werden. Durch die schaltbare Freilaufeinrichtung 40 können, im Gegensatz zur Verwendung einer Kupplung, unerwünschte Schaltspiele deutlich reduziert werden. Ein Umschalten der Freilaufeinrichtung 40 muss vorteilhaft nur in einem ersten hydraulischen Gang oder Betriebsmodus ausgeführt werden, wenn beide Hydraulikmaschinen 21 , 22 Drehmoment an die angetriebene Achse 3 abgeben sollen. Ansonsten regelt sich das System durch den in die Freilaufeinrichtung 40 integrierten Freilauf von selbst.

Mit dem in Figur 1 dargestellten Hydraulikhybridantriebsstrang 1 können auf besonders vorteilhafte Art und Weise drei hydraulische Gänge sowie ein Rückwärtsgang dargestellt werden. Daraus ergeben sich folgende fünf Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus, der zur Darstellung des dritten hydraulischen

Gangs dient, ist die erste Kopplungseinrichtung 31 eingeschaltet, die Freilaufeinrichtung 40 ist ausgeschaltet, und die zweite Kopplungseinrichtung 32 ist in einen Vorwärtsgang 71 geschaltet. Der erste Betriebsmodus entspricht einem reinen Verbrennungsmotorbetrieb. Die erste Hydraulikmaschine 21 lädt im ersten Be- triebsmodus den Druckspeicher des Hydrauliksystems auf. Ein zweiter Betriebsmodus dient zur Darstellung des ersten hydraulischen Gangs. Die erste Kopplungseinrichtung 31 ist eingeschaltet, die Freilaufeinrichtung 40 ist ebenfalls eingeschaltet, und die zweite Kopplungseinrichtung 32 ist in den Vorwärtsgang 71 geschaltet. Dadurch wird ein gleichzeitiger Betrieb der bei- den Hydraulikmaschinen 21 , 22 zum Antreiben der angetriebenen Achse 3 ermöglicht. Im ersten hydraulischen Gang ist der Freilauf 15 der verbrennungsmotorischen Antriebseinrichtung 10 wirksam.

In einem dritten Betriebsmodus, der dem zweiten hydraulischen Gang entspricht, ist die erste Kopplungseinrichtung 31 ausgeschaltet, die Freilaufeinrichtung 40 ist ebenfalls ausgeschaltet, und die zweite Kopplungseinrichtung 32 ist in den Vorwärtsgang 71 geschaltet. Dadurch wird ein sogenanntes Powersplit ermöglicht, wobei der Freilauf der schaltbaren Freilaufeinrichtung 40 wirksam ist. In einem vierten Betriebsmodus, der zur Darstellung eines Rückwärtsgangs dient, ist die erste Kopplungseinrichtung 31 ausgeschaltet, die Freilaufeinrichtung 40 ist ebenfalls ausgeschaltet, und die zweite Kopplungseinrichtung 32 ist in einem Rückwärtsgang 72 geschaltet. Der Freilauf der schaltbaren Freilaufeinrichtung 40 ist wirksam. Der Freilauf 15 der verbrennungsmotorischen Antriebsein- richtung 10 ist ebenfalls wirksam. Dadurch wird ein Betrieb der zweiten hydraulischen Maschine 22 zur Darstellung des Rückwärtsgangs ermöglicht.

In einem fünften Betriebsmodus sind sowohl die erste Kopplungseinrichtung 31 als auch die Freilaufeinrichtung 40 ausgeschaltet, wobei sich die zweite Kopp- lungseinrichtung 32 in ihrer Mittelstellung befindet. Der Freilauf der schaltbaren

Freilaufeinrichtung 40 ist wirksam. Dadurch wird ein reiner Verbrennungsmotorbetrieb ermöglicht, ohne dass der Druckspeicher des Hydrauliksystems durch die erste hydraulische Maschine 21 aufgeladen wird.