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WO2019120803A1 - Elektrische antriebsanordnung für arbeitsmaschine - Google Patents

Elektrische antriebsanordnung für arbeitsmaschine Download PDF

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Publication number
WO2019120803A1
WO2019120803A1 PCT/EP2018/081688 EP2018081688W WO2019120803A1 WO 2019120803 A1 WO2019120803 A1 WO 2019120803A1 EP 2018081688 W EP2018081688 W EP 2018081688W WO 2019120803 A1 WO2019120803 A1 WO 2019120803A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
speed transmission
gear
drive
work machine
electric motor
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/081688
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Migen BEBETI
Wolfgang Klinger
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Priority to CN201880082656.9A priority Critical patent/CN111527328B/zh
Priority to US16/772,831 priority patent/US11473269B2/en
Publication of WO2019120803A1 publication Critical patent/WO2019120803A1/de

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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/202—Mechanical transmission, e.g. clutches, gears
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
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    • F16H3/48—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears
    • F16H3/52—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears
    • F16H3/54—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears one of the central gears being internally toothed and the other externally toothed
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    • B60L1/003—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to auxiliary motors, e.g. for pumps, compressors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16H2200/2005—Transmissions using gears with orbital motion characterised by the number of sets of orbital gears with one sets of orbital gears
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    • F16H2200/203—Transmissions using gears with orbital motion characterised by the engaging friction means not of the freewheel type, e.g. friction clutches or brakes
    • F16H2200/2035—Transmissions using gears with orbital motion characterised by the engaging friction means not of the freewheel type, e.g. friction clutches or brakes with two engaging means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H2200/00—Transmissions for multiple ratios
    • F16H2200/20—Transmissions using gears with orbital motion
    • F16H2200/2097—Transmissions using gears with orbital motion comprising an orbital gear set member permanently connected to the housing, e.g. a sun wheel permanently connected to the housing

Definitions

  • the present invention relates to an electric drive assembly for a drive train of a work machine, a drive train with such an electric drive assembly, a work machine with such a drive train and a method for retrofitting a work machine with an electric drive.
  • Work machines such as wheel loaders, may have a drive train with a diesel engine, which drives the wheels of the wheel loader via a multi-speed transmission.
  • the multi-speed transmission can provide a high traction operation as well as a high speed roadway.
  • the driver can choose between these two driving modes by operating the multi-gear transmission.
  • work machines In order to minimize pollutant emissions and noise, work machines have been developed with an electric drive train. From DE 20 2014 000 738 U1 a wheel loader with an electric motor is known, which drives an axis of the wheel loader via a non-shiftable transmission.
  • the present invention relates to an electric drive arrangement for a drive train of a work machine.
  • the drive arrangement serves to drive a driving movement of the working machine.
  • the movement may be a forward and / or a backward movement.
  • the work machine may be a construction machine, an agricultural machine or other work machine.
  • the work machine can be a tractor.
  • the work machine may be a powered trailer with its own drive.
  • the drive assembly has a multi-speed transmission with at least two gears.
  • the gears provide different gear ratios to allow operation of the work machine in various modes of travel.
  • the gear ratios may be a speed ratio and / or torque translation act. Under a speed ratio of the quotient of input speed and output speed of a transmission is understood.
  • a torque translation is understood to mean the quotient of the output torque and the input torque of the transmission.
  • the multi-speed transmission includes a multi-speed transmission drive and a multi-speed transmission output.
  • the power to be translated is fed, while at the output of a transmission, the translated power is output.
  • the multi-speed transmission output of the multi-speed transmission can be mechanically coupled to an axis of the drive train.
  • a mechanical coupling of two components makes it possible to transmit a force or a moment from one component to the other by mechanical means.
  • additional components can be provided between the two components, which enable such a force or torque transmission between the two components.
  • the electric drive assembly includes an electric motor that is suitable for driving a traveling motion of a work machine.
  • the electric motor has a shaft which is mechanically coupled to the multi-speed transmission drive of the multi-speed transmission.
  • the electric motor may be a synchronous and / or asynchronous motor and / or reluctance motor.
  • the drive torque provided by the electric motor can be optimized for different working modes. This makes it possible to reduce the size of the electric motor and the power electronics.
  • existing machines with a diesel generator can be easily converted to an electric drive.
  • such work machines often have multi-speed transmissions according to the above embodiment. If the electric motor is coupled to the existing multi-speed transmission, this allows a compact configuration of the electric motor. Due to such a compact design, the electric motor can in turn be easily integrated into existing machines.
  • the multi-speed transmission may include an operation for performing work operations of the work machine and a roadway for transporting the work machine on the road. Work activities are understood to mean work processes for which the work machine is designed.
  • Work processes of a wheel loader are, for example, the loading and moving of bulk material on a construction site.
  • a high torque at the wheels is required, which is why the operation has a high gear ratio.
  • the multi-speed transmission can provide a lower gear ratio, so that a high speed at the output can be realized.
  • the gear ratio of the multi-speed transmission can be 1 in the street gear, for example.
  • the multi-speed transmission may have a planetary gear, which results in a compact design and thus easy integration into work machines.
  • the multi-speed transmission further transmission stages, for example, have a spur gear.
  • the planetary gear can be replaced by a spur gear or any other type of gear.
  • the multi-speed transmission is power shiftable. This means that the ratio under load, so while driving, without changing the torque can be changed.
  • the multi-speed transmission having switching elements, which are designed as friction clutches, such as multi-plate clutches.
  • the multi-speed transmission may include a clutch to interrupt the flow of power between the electric motor and the multi-speed transmission.
  • the clutch may be one or more of the above friction clutches. Alternatively, a separate clutch is also conceivable here. If the electric drive arrangement is provided, for example, in a trailer, the electric motor can be separated from the axles of the trailer by means of the coupling. As a result, damage of the same at high pulling speeds can be avoided.
  • the multi-speed transmission may be a transmission designed and arranged for use with a diesel engine of a work machine. In other words, the multi-speed transmission may be a transmission which is conventionally operated in conjunction with a diesel engine of a work machine. Thus, a cost-effective system can be provided because existing components are operable in conjunction with the electric motor. Likewise, a good retrofitting of existing machines with an electric motor is made possible.
  • the drive assembly may further comprise a reduction gear.
  • a reduction gear Under a reduction, the translation of a speed on the transmission drive in the slow on the transmission output is understood.
  • the reduction of the reduction gear may be accompanied by an increase in torque at the transmission output relative to the gear drive.
  • the reduction gear may include a reduction gear drive mechanically coupled to the shaft of the electric motor.
  • the reduction gear may include a reduction gear output, which is mechanically coupled to the multi-speed transmission drive of the multi-speed transmission.
  • the couplings can be non-rotatable connections.
  • the reduction gear can be designed as a planetary gear. This contributes to a compact design of the drive assembly.
  • the reduction gear can also be designed as a spur gear or gantry gear.
  • the reduction gear is integrated in the transfer case. By this is meant that both elements form a single unit or a single component. The result is a compact electric drive system that can be integrated in a space-efficient manner and easily in working machines.
  • the present invention relates to an electric drive train for a work machine.
  • the powertrain includes a front axle, a rear axle and an electric drive arrangement according to one of the preceding embodiments.
  • Front and rear wheels can be mounted on the front axle and / or the rear axle.
  • the multi-gear output of the multi-speed transmission may be mechanically coupled to the rear axle and / or the front axle.
  • the drive train may have a first electric drive arrangement according to one of the previously described embodiments for driving the rear axle.
  • the drive train may have a second, further electric drive arrangement according to one of the previously described embodiments for driving the front axle.
  • the drive train next to the electric motor has a further drive machine, such as an internal combustion engine and / or a fuel cell.
  • the drive train may have a propeller shaft.
  • the front axle may be mechanically coupled to the multi-gearbox output of the multi-speed transmission.
  • a torque can be transmitted to the front axle of a wheel loader with a bent steering, in which the multi-gear transmission output is provided in the region of the rear axle.
  • the present invention further relates to a work machine with an electric drive train according to one of the previously described embodiments.
  • the work machine may be a construction machine, for example a wheel loader.
  • the work machine can be a trailer.
  • the present invention relates to a method for retrofitting a work machine with an electric drive.
  • a retrofitting of an electric drive is understood to be an exchange of an existing drive by an electric drive.
  • the method includes providing a work machine with a multi-speed transmission.
  • the multi-speed transmission is designed according to one of the previously described embodiments.
  • the working Machine a drive machine for driving a driving movement of the working machine.
  • the prime mover can be a diesel engine.
  • the drive machine is mechanically coupled to the multi-speed transmission, so that a travel movement of the work machine on the prime mover and the multi-speed transmission is driven.
  • the method includes disassembling the prime mover.
  • the existing drive of the work machine is removed.
  • the drive to be removed may be an original drive or an already retrofitted drive.
  • the method comprises mounting an electric motor in the installation space of the removed drive machine.
  • the electric motor is suitable for driving a traveling movement of the working machine.
  • the electric motor is coupled to the already existing in the work machine multi-speed transmission, so that the wheels of the working machine via the electric motor and the multi-speed transmission can be driven.
  • a reduction gear may be provided in the drive train between the electric motor and the multi-speed transmission. With the reduction gear, the speed of the electric motor can be reduced.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of an electric drive train of a work machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows method steps of a method for retrofitting a work machine with an electric drive according to an embodiment of the present invention.
  • the drive train 1 has an electric motor 2 with a shaft 3, a reduction gear 5 and a multi-speed transmission 8.
  • the reduction gear 5 comprises a reduction gear drive 4, which is rotatably connected to the shaft 3 of the electric motor 2.
  • the reduction gear 5 comprises a reduction gearbox output 6, which is non-rotatably connected to a multi-gear drive 7 of the multi-gear transmission 8.
  • the multi-gear output 9 of the multi-gear transmission 8 is mechanically coupled to a rear axle 10 of the drive train 1.
  • the front axle 11 of the drive train 1 is mechanically coupled via a cardan shaft 12 to the multi-gearbox output 9 of the multi-gear transmission 8.
  • the powertrain 1 of this embodiment is configured to transmit a power output from the electric motor 2 via the reduction gear 5 and the multi-speed transmission 8 to the front 11 and rear axle 10 of the powertrain 1.
  • the electric motor 2 provides a maximum speed of 10,000 rpm in this embodiment.
  • the reduction gear 5 has a spur gear with a pinion 13 which is rotatably connected to the reduction gear drive 4. With the pinion 13 is a wheel 14 in meshing engagement, which is rotatably connected to the reduction gearbox output 6.
  • the transmission ratio of the spur gear 5 is in this embodiment 3, wherein other translations are conceivable here.
  • the multi-speed transmission 8 of this embodiment has a planetary gear 15 and a spur gear 16.
  • the planetary gear output 17 of the planetary gear 15 is rotatably coupled to the planet carrier 18.
  • the ring gear 19 of the planetary gear 15 is fixed in this embodiment.
  • the multi-speed transmission 8 has a clutch 20, via which the multi-speed transmission drive 7 of the multi-speed transmission 8 selectable either with the sun gear 21 of the planetary gear 15 o- with the planet carrier 18 rotatably connected.
  • the power flow between the electric motor 2 and the multi-speed transmission 15 can be completely interrupted via the clutch 20.
  • the planetary gear output 17 is rotatably connected to the spur gear drive 22 of the spur gear 16 of the multi-gear 8.
  • the spur gear 16 um- summarizes a pinion 23 rotatably connected to the spur gear 22 and a meshing with the pinion 23 wheel 24.
  • the wheel 24 is rotatably connected to the multi-gear output 9 of the multi-speed transmission 8.
  • the spur gear 16 in this embodiment is a reduction stage.
  • the electric motor 2 has a high speed, which is driven through the reduction stage 5 stocky in the multi-speed transmission 8. Via the clutch 20, an operation can be selected in which the multi-gear transmission 7 of the multi-gear transmission 8 is rotatably connected to the sun gear 21 of the planetary gear 18. During operation, a further reduction by the planetary gear 15, which is why a relatively high torque at the planetary gear output 17 can be provided.
  • the clutch 20 of the multi-gear transmission 7 of the multi-speed transmission 8 with the planet carrier 18 are rotatably coupled to engage a street gear for transportations.
  • the multi-gear transmission 7 of the multi-speed transmission 8 is coupled directly to the planetary gear output 17 without transmission / reduction. Accordingly, at the planetary gear output 17 of the planetary gear 15, a relatively high speed can be provided.
  • the speed or torque relationships on the planetary gear output 17 of the planetary gear 15 are transmitted via the spur gear 16 of the multi-gear 8 to the front 1 1 and rear axle 10 of the drive train 1.
  • a work machine which has a diesel engine and a multi-speed transmission 8 mechanically coupled to the diesel engine.
  • the diesel engine is a driving movement of the working machine drivable.
  • the multi-speed transmission 8 is formed in this embodiment according to the embodiment described above and mechanically connected to a front 1 1 and a rear axle 10 accordingly.
  • the diesel engine is removed from the working machine. In this connection, the coupling between the diesel engine and the multi-speed transmission drive 7 of the multi-speed transmission 8 is achieved.
  • an electric motor 2 is mounted in a subsequent step III, which is suitable for driving a driving movement of the working machine.
  • a reduction gear 5 according to the above-described configuration is provided in the uncovered space.
  • a step V the electric motor 2 is mechanically connected via the provided reduction gear 5 to the multi-gear transmission drive 7 of the multi-gear transmission 8.
  • a rotationally fixed connection between the shaft 3 of the electric motor 2 and the reduction gear drive 4 of the reduction stage 5 is produced.
  • a rotationally fixed connection between the reduction gearbox output 6 and the multi-speed transmission drive 7 of the multi-speed transmission 8 is produced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung für einen Antriebsstrang (1) einer Arbeitsmaschine, aufweisend ein Mehrganggetriebe (8) mit mindestens zwei Gängen, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Fahrtmodi bereitstellen, einem Mehrganggetriebeantrieb (7) und einem Mehrganggetriebeabtrieb (9), wobei der Mehrganggetriebeabtrieb (9) mit einer Achse (10; 11) des Antriebsstrangs (1) mechanisch koppelbar ist. Darüber hinaus umfasst die Antriebsanordnung einen Elektromotor (2) mit einer Welle (3), die mit dem Mehrganggetriebeantrieb (7) des Mehrganggetriebes (8) mechanisch gekoppelt ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Antriebsstrang (1) mit solch einer elektrischen Antriebsanordnung, eine Arbeitsmaschine mit solch einem Antriebsstrang (1) und ein Verfahren zum Nachrüsten einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb.

Description

Elektrische Antriebsanordnung für Arbeitsmaschine
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

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebsanordnung für einen Antriebsstrang (1 ) einer Arbeitsmaschine, aufweisend ein Mehrganggetriebe (8) mit mindestens zwei Gängen, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Fahrtmodi der Arbeitsmaschine bereitstellen, einem Mehrganggetriebeantrieb (7) und einem Mehrganggetriebeabtrieb (9), wobei der Mehrganggetriebeabtrieb (9) mit einer Achse (10; 11 ) des Antriebsstrangs (1 ) mechanisch koppelbar ist; und einen Elektromotor (2) zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine mit einer Welle (3), die mit dem Mehrganggetriebeantrieb (7) des Mehrganggetriebes (8) mechanisch gekoppelt ist.
2. Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe (8) einen Arbeitsgang für die Ausführung von Arbeitstätigkeiten und einen Straßengang für Transportfahrten der Arbeitsmaschine aufweist, wobei der Arbeitsgang ein höheres Übersetzungsverhältnis als der Straßengang aufweist.
3. Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe (8) ein Planetengetriebe (15) aufweist.
4. Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe (8) lastschaltbar ist.
5. Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe (8) eine Kupplung (20) aufweist, um einen Kraftfluss zwischen dem Elektromotor (2) und dem Mehrganggetriebe (8) zu unterbrechen.
6. Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe (8) ein für die Verwendung mit einem Dieselmotor einer Arbeitsmaschine ausgebildetes und eingerichtetes Getriebe ist.
7. Elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Untersetzungsgetriebe (5) mit einem Untersetzungsgetriebeantrieb (4) und einem Untersetzungsgetriebeabtrieb (6), wobei der Untersetzungsgetriebeantrieb (4) mechanisch mit der Welle (3) des Elektromotors (2) und der Untersetzungsgetriebeabtrieb (6) mechanisch mit dem Mehrganggetriebeantrieb (7) des Mehrganggetriebes (8) gekoppelt ist.
8. Elektrische Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (5) als Planetengetriebe ausgebildet ist.
9. Elektrische Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (5) in das Mehrganggetriebe (8) integriert ist.
10. Elektrischer Antriebsstrang (1 ) für eine Arbeitsmaschine, aufweisend eine Vorderachse (11 ), eine Hinterachse (10) und eine elektrische Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mehrganggetriebeabtrieb (9) des Mehrganggetriebes (8) mit der Hinterachse (10) und/oder der Vorderachse (11 ) mechanisch gekoppelt ist.
11. Elektrischer Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderachse (11 ) über eine Gelenkwelle (12) mit dem Mehrganggetriebeabtrieb (9) des Mehrganggetriebes (8) mechanisch gekoppelt ist.
12. Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antriebsstrang (1) nach Anspruch 10 oder 11.
13. Arbeitsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine ein Radlader ist.
14. Verfahren zur Nachrüstung einer Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb, umfassend
Bereitstellen (I) einer Arbeitsmaschine aufweisend ein Mehrganggetriebe (8) mit mindestens zwei Gängen, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Fahrtmodi der Arbeitsmaschine bereitstellen, und eine Antriebsmaschine zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine, die mit dem Mehrganggetriebe (8) mechanisch gekoppelt ist;
Demontieren (II) der Antriebsmaschine der Arbeitsmaschine;
Montieren (III) eines Elektromotors (2) zum Antreiben einer Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine im Bauraum der demontierten Antriebsmaschine; und
Mechanisches Koppeln (V) des Elektromotors (2) mit dem Mehrganggetriebe (8) der Arbeitsmaschine, sodass eine Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine über den Elektromotor (2) und das Mehrganggetriebe (8) antreibbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit
Montieren (IV) eines Untersetzungsgetriebes (4) im Antriebsstrang (1 ) zwischen dem Elektromotor (2) und dem Mehrganggetriebe (8), sodass eine Fahrtbewegung der Arbeitsmaschine über den Elektromotor (2), das Untersetzungsgetriebe (4) und das Mehrganggetriebe (8) antreibbar ist.
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