AT512089A1

AT512089A1 - Fahrantrieb mit einem stufenlosen Getriebe

Info

Publication number: AT512089A1
Application number: AT501072012A
Authority: AT
Inventors: Harald Thumfart; Josef Erlinger; Robert Finzel
Original assignee: Wacker Neuson Linz Gmbh
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrantrieb (1) mit einem stufenlosen Getriebe (2), mit mindestens zwei, vorzugsweise hydrostatischen, Motoren (6), die von wenigstens einer Antriebsquelle mit Antriebsenergie versorgt sind, wobei den Getriebeeingängen des mechanischen Getriebes (2) mindestens zwei Motoren (6) zugeordnet sind. Um vorteilhafte fahrdynamische Verhältnisse, insbesondere für Arbeitsmaschinen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Drehzahlen der Motoren (6) frei und ohne Zugkraftunterbrechung stufenlos mit einem mechanischen Überlagerungsgetriebe (2) überlagerbar sind, wobei die Drehmomente der Motoren (6) über das Überlagerungsgetriebe (2) gekoppelt sind und wenigstens einer der Motoren (6) wenigstens ein den ihm zugeordneten Getriebeeingang haltendes Stützmoment aufbringt.

Description

1

(38551) HEL

Die Erfindung betrifft einen Fahrantrieb mit einem stufenlosen Getriebe, mit mindestens zwei, vorzugsweise hydrostatischen, Motoren, die von wenigstens einer An-triebsquelte mit Antriebsenergie versorgt sind und mit einem mechanischen Getriebe dessen Getriebeeingängen die mindestens zwei Motoren zugeordnet sind.

Mobile Selbstfahrende Arbeitsmaschinen, insbesondere Baumaschinen, Landmaschinen und Forstmaschinen erfordern einen Fahrantrieb, der hohe Zugkräfte erlaubt und der für das Zurücklegen größerer Wegstrecken hohe Geschwindigkeiten ermöglicht. Insbesondere Landmaschinen werden auch häufig für Transportfahrten mit Anhänger genutzt und benötigen dabei eine ausreichend hohe Zugkraft bei akzeptablen Geschwindigkeiten, um im Straßenverkehr mitschwimmen zu können. Darum und aus energetischen Gründen sind hohe Wirkungsgrade bei der Leistungsübertragung erforderlich. Um derartige Maschinen in allen Betriebssituationen optimal bedienen zu können ist eine stufenlose Geschwindigkeitsverstellung über den gesamten Fahrbereich wünschenswert.

Hydrostatische Fahrantriebe erfüllen die Forderungen nach stufenloser Verstellung. Allerdings sind aufgrund der Baugrößen der Komponenten, der maximalen Verstellung des Verdrängervolumens, des zulässigen Schluckvolumenstroms der Hydromotoren, der zulässigen maximalen Drehzahlen und der zulässigen maximalen Drücke sinnvoll erzielbare Grenzen vorhanden. So können Maschinen größerer Leistungsklassen mit Zugkräften über 61 und Fahrgeschwindigkeiten über 40 km/h nicht mehr mit einfachen geschlossenen Kreisläufen realisiert werden, die aus einer 2 in ihrem Verdrängervolumen verstellbaren Pumpe und einem in seinem Verdrängervolumen verstellbaren Hydromotor bestehen.

Um größere Leistungsbereiche durch eine stufenlose Verstellung abzubilden sind zahlreiche Ansätze bekannt. In der einfachsten Form wird über ein Summiergetriebe ein weiterer Konstant- oder Verstellmotor für den Abtrieb genutzt. Hydraulisch wird dieser Zusatzmotor parallel zum ersten Verstellmotor betrieben. Bei einem Summiergetriebe sind die antriebsdrehzahlen und die Abtriebsdrehzahl starr über das Summiergetriebe gekoppelt. Beide Motoren werden von einer Pumpe versorgt. Für hohe Zugkräfte werden beide Motoren genutzt. Für hohe Geschwindigkeiten kann ein Motor komplett auf Null zurückgeschwenkt werden. Nachteilig bei dieser Anordnung sind die durch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes vorgegebene feste Kopplung der Motordrehzahlen und die Verluste die durch das Mitdrehen des vollständig rückgeschwenkten, plantschenden, Motors entstehen. Um die Verluste des voll zurückgeschwenkten Motors zu reduzieren kann die Schaltung um eine Kupplung ergänzt werden, die es ermöglicht den nicht benötigten Hydromotor mechanisch vom Summiergetriebe abzukoppeln. Weiterhin kann durch eine hydraulische Entkopplung des nicht benötigten Hydromotors mittels entsprechender Ventile auch der hydraulische Verlust der rückgeschwenkten Einheit reduziert werden.

Andere Ansätze konzentrieren sich auf die mechanische Seite des Getriebes. Dabei soll der normale geschlossene Kreislauf, bestehend aus einer Verstellpumpe und einem Verstellmotor über ein schaltbares Getriebe in seinem Wandlungsbereich erweitert werden. Dies wird durch Kupplungen und mehrere Getriebestufen erreicht. Allerdings kommt es bei Lastschaltgetrieben zu einer Zugkraftunterbrechung. Lösungen die mit einer Art Doppelkupplungsgethebe oder Synchronring während des Schaltvorgangs unter Last die Drehzahlen der Getriebestufen vor dem Gangwechsel vorwählen reduzieren die Zugkraftunterbrechung. Es bleibt ein spürbarer Schaltruck und ein erhöhter baulicher Aufwand. 3

Maschinen größerer Leistungen werden durch leistungsverzweigte Getriebe abgebildet. Ein derartiger baulicher Aufwand für Getriebestufen ist aber für Maschinen in Leistungsklassen von 70-150 kW zu groß.

Die Erfindung hat zur Aufgabe eine stufenlose, zugkraftunterbrechungsfreie und ruckfreie Wandlung der Leistung in einem großen Bereich zu realisieren. Idealerweise so, dass mehrere Motoren ihre Drehzahlen unabhängig voneinander überlagern können. Es sollen möglichst große Zugkräfte von null heraus beim Anfahren und eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit mit einem Zugkraftunterbrechungsfreien Fahrantrieb bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Drehzahlen der Motoren frei und ohne Zugkraftunterbrechung stufenlos mit einem mechanischen Überlagerungsgetriebe überlagerbar sind, wobei die Drehmomente der Motoren über das Überlagerungsgetriebe gekoppelt sind und wenigstens einer der Motoren wenigstens ein den ihm zugeordneten Getriebeeingang haltendes Stützmoment aufbringt.

Mit der Erfindung können große Zugkräfte beim Anfahren von null heraus ebenso, wie eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit bereitgestellt werden, wobei der Bereich dazwischen zugkraftunterbrechungsfrei überbrückt werden kann. Dies eben deshalb, da die Drehzahlen der Motoren mit einem erfindungsgemäßen Überlagerungsgetriebe frei und ohne Zugkraftunterbrechung stufenlos überlagert werden können. Eine derartige Überlagerung von Drehzahlen kann mit einem eingangs beschriebenen Summiergetriebe nicht erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Überlagerungsgetriebe gelöst, welches in der Lage ist unterschiedliche Abtriebsdrehzahlen beispielsweise zweier hydrostatischer Motoren derart zu überlagern, dass der Wandlungsbereich mindestens dem eines zweistufigen Schaltgetriebes entspricht. Auch Lösungen mit drei oder mit mehreren an diverse Überlagerungsgetriebeeinänge angeschlossenen Motoren sind denkbar. Der Einsatz des Überlagerungsgetriebes ermöglicht ein ruckfreies Überlagern von zumindest zwei verschiedenen Eingangsdrehzahlen zur 4

Ausgangsdrehzahl. Die Motoransteuerung Kann gegebenenfalls auch über den Versorgungsdruck regelnde oder steuernde Ventile erfolgen.

In einer einfachen Grundausführung wird über eine Primärantriebsquelle, beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Elektromotor, eine hydrostatische Pumpe angetrieben. Die Flussgröße, in einem Fall der Volumenstrom, wird auf zwei parallel ver-schaltete hydrostatische Motoren geleitet. Vorzugsweise beide Hydromotoren und die Pumpe sind in ihrem Verdrängervolumen verstellbar ausgeführt. Über die Verstellung wird der Wandlungsbereich der Leistung in Moment und Drehzahl definiert. Die Abtriebsdrehzahlen der Hydromotoren werden anschließend im Überlagerungsgetriebe zusammengeführt. Dieses Überlagerungsgetriebe ermöglicht es, die Drehzahlen frei zu überlagern. Allerdings müssen die Motoren wegen des Überlagerungsgetriebes eine von der Getriebeübersetzung abhängige Momentenkopplung aulweisen. Insbesondere muss immer ein Motor ein Stützmoment für den anderen aufbringen, da sonst keine Leistung übertragen werden kann. Die Motoren müssen sich also gegenseitig über das Überlagerungsgetriebe und das Überlagerungsgetriebeabtriebsmoment stützen. Um dennoch möglichst frei in der Wahl der Größenverhältnisse der verwendeten Hydromotoren zueinander und damit im Wandlungsbereich zu sein, kann der Einsatz einer in weiterer Folge beschriebenen Haltvorrichtung von Vorteil sein.

Wie erwähnt empfiehlt es sich unter Umständen, wenn dem das Stützmoment aufbringenden Motor eine Haltevorrichtung zugeordnet ist, insbesondere eine Bremse, eine Kupplung oder eine die hydraulische Energieversorgung des Motors sperrende Schaltung einzusetzen. Mit derartigen Haltvorrichtungen können Stützmomente aufgebracht werden ohne die Motoren übermäßig zu belasten. In diesem Fall werden die Motoren über gewisse Bereiche oder nur kurzeitig gleichzeitig betrieben, eben dann wenn die Momentenbilanz ausgeglichen ist und kein zusätzliches Haltemoment erforderlich ist. Reduziert sich bei nicht ausgeglichener Momentenbilanz, beim Anfahren od. dgl. die Antriebsdrehzahl zu oder gegen Null, kann die Haltevorrichtung aktiviert und die Antriebswelle des jeweiligen Motors festgehalten werden. Dieses Festhalten erfolgt eben insbesondere über eine Bremse, eine Kupp- 5 lung odereine die hydraulische Energieversorgung des Motors sperrende Schaltung. Eine die hydraulische Energieversorgung des Motors sperrende Schaltung unterbindet oder drosselt den Energiefluss im Motorantrieb, was eine gewünschte Brems- oder Sperrwirkung erzielt.

Dazu kann der vorzugsweise als hydrostatischer Verstellmotor ausgeführte, gegebenenfalls das Stützmoment aufbringende Motor mit wenigstens einem Ventil von seiner hydraulischen Versorgung entkoppelbar sein, wodurch sich baulich und konstruktiv einfache Verhältnisse ergeben. Zudem unterliegt eine derartige Lösung praktisch keinem Verschleiß.

Zur Umsetzung einfacher Lösungen bei Fahrantrieben für Fahrzeuge insbesondere kleinerer Leistungsklassen kann es von Vorteil sein einen der Motoren als hydrostatischer Verstellmotor und den anderen als Konstantmotor auszuführen.

Vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich das Überlagerungsgetriebe als Differentialgetriebe ausgeführt ist. Besonders kompakte bauliche Verhältnisse können erzielt werden, wenn das Überlagerungsgetriebe als Planetengetriebe ausgeführt ist, wobei die Antriebe des Planetengetriebes wahlweise über das Sonnenrad, über die Planetenräder (den Steg) oder über das Ringrad (das Hohlrad) erfolgen, je nachdem, welche Eckdaten für den zu realisierenden Fahrantrieb zu erfüllen sind. Somit können einfach verschiedene Eingangsdrehzahlen überlagert werden.

In einer alternativen, baulich etwas aufwendigeren Ausgestaltungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn für die hydrostatischen Motoren separate hydraulische Kreise mit gegebenenfalls separater Antriebsquelle vorgesehen sind. Beispielsweise können ein Verbrennungsmotor für den Fahrantrieb und ein weiterer für den Betrieb von Arbeits- und Anbaugeräten vorgesehen sein. Dann können beispielsweise gegebenenfalls beide Motoren für einen leistungsstarken Fährbetrieb verwendet werden. Damit ist auch eine Überlagerung der Drehzahlen unabhängig vom Druckniveau der einzelnen Kreise möglich. Somit kann auch eine üblicherweise nicht primär mit dem Fahrantrieb in Wirkverbindung stehende Antriebsquelle, 6 z.B. die Antriebsquelle der Arbeitshydraulik für mindestens einen der Kreise als Antrieb genutzt werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann des erforderlich sein, den wenigstens zwei Motoren je eine Haltevorrichtung zuzuordnen, wobei beide Motoren wechselweise oder gleichsam ein erforderliches Stützmoment aufbringen. Mit einer derartigen Haltevorrichtung kann die Abtriebswelle des nicht benötigten Hydromotors mechanisch festgehalten werden. So sind die verschiedensten Varianten realisierbar, anfahren mit einem Motor, umschalten auf den anderen Motor beim Hochfahren, bereichsweises oder ständiges Nutzen beider Motoren u. dgl.

Ist zwischen wenigstens einem Motor und dem Überlagerungsgetriebe, vorzugsweise zwischen beiden Motoren und dem Überlagerungsgetriebe, wenigstens eine Schaltstufe vorgesehen, so können mit einem erfindungsgemäßen Fahrantrieb besonders weite Bereiche hinsichtlich der Fahrdynamik, Zugkraft und Endgeschwindigkeit abgedeckt werden, wobei ein zugkraftunterbrechungsfreies Schalten durch beliebig viele Gänge möglich ist. Beispielsweise wird beim Beschleunigen immer jene Schaltstufe betätigt, deren Ab- und Antriebsdrehzahlen gerade gegen null tendieren und die von der Halteeinrichtung festgelegt werden müssten.

Die Ansteuerung der hydrostatischen Verstellmotoren kann je nach Einsatzzweck und Anforderung in allgemein bekannter Weise hydraulisch, hydromechanisch, mechanisch oder Elektroproportional erfolgen, wobei jede sinnvolle Kombination möglich ist. So ist unter anderem die Verwendung von Elektromotoren) anstelle von Hydromotoren möglich. Auch der Ersatz lediglich eines Hydromotors durch einen Elektromotor ist denkbar, um beispielsweise kurzfristig Leistung bereitstellen zu können.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Es zeigen: 7

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines einfachen erfindungsgemäßen Fahrantriebes und

Fig. 2 bis 6 Blockschaltbilder alternativer Weiterbildungen des Fahrantriebes aus Fig. 1.

Ein erfindungsgemäßer Fahrantrieb 1 umfasst beispielsweise ein stufenloses Getriebe 2, in den dargestellten Ausführungsbeispielen ein Planetengetriebe. Das Planetengetriebe wird einerseits über das Sonnenrad 3 und anderseits über die Planetenräder (den Ptanetensteg) angetrieben. Der Abtrieb erfolgt über das Ringrad 5 (Hohlrad). An den Getriebeeingang sind zwei hydrostatische Verstellmotoren 6 angeschlossen, die von wenigstens einer Antriebsquelle 7 mit Antriebsenergie versorgt sind. Die Antriebsquelle umfasst beispielsweise wenigstens eine Verbrennungskraftmaschine 8 und eine hydrostatische Verstellpumpe 9. Um eine stufenlose, zugkraftunterbrechungsfreie und ruckfreie Wandlung der Leistung wie bei einem großen Bereich realisieren zu können, sind die Drehzahlen ni und n2 der Motoren 6 frei und ohne Zugkraftunterbrechung stufenfos mit dem Überlagerungsgetriebe 2 überlagerbar, wobei die Drehmomente der Motoren 6 über das Übertagerungsgetriebe 2 gekoppelt sind und wenigstens einer der Motoren 6 wenigstens ein den ihm zugeordneten Getriebeeingang haltendes Stützmoment aufbringt (Fig. 1).

Gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach Fig. 2 kann wenigstens zwischen einem Motor und dem ihn zugeordneten Eingang eine das Stützmoment für den Motor aufbringende Haltevorrichtung 10 zugeordnet sein. Diese Halteeinrichtung 10 ist insbesondere eine Bremse, eine Kupplung, ein Freilauf oder eine hydraulische Energieversorgung des Motors sperrende Schaltung, wie sie durch die Ventile 11 in der Energieversorgung des Motors 6 realisierbar sind. Diese Schaltung und die Bremse, Kupplung od. dgl. können alternativ oder kumulativ vorgesehen sein. Der obere als hydrostatischer Verstellmotor ausgebildete Motor 6 kann damit zur Aufbringung eines Stützmomentes mit den Ventilen 11 von der hydraulischen Versorgung entkoppelbar werden, womit beispielsweise die Planetenräder festgehalten werden. Alternativ könnte anstelle zweier hydrostatischer Verstellmotoren wenigstens einer als Konstantmotor ausgebildet sein. δ

Wie in Fig. 3 dargestellt, können für die hydrostatischen Motoren 6 separate hydraulische Kreise mit je einer eigenen Antriebsquelie 7 vorgesehen sein.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist beiden Motoren 6 je eine Haltevorrichtung 10 zugeordnet, wobei beide Motoren 6 wechselweise oder gleichsam ein erforderliches Stützmoment aufbringen, durch welche die Abtriebsdrehzahl des jeweiligen Motors auf Null gesetzt werden kann.

In Figur 5 ist angedeutet, dass zwischen Motor 6 und Überlagerungsgetriebe 2, insbesondere zwischen Motor 6 und Halteeinrichtung 10, wenigstens eine Schaltstufe 12, beispielsweise ein Schaltgetriebe, vorgesehen ist. In der in Fig. 6 angedeuteten Lösung können Antriebe 7 und Motoren 6 elektrisch ausgebildet sein.

Claims

wmmm Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Spittelwiese 7, A 4020 Linz (38551) HEL Patentansprüche: 1. Fahrantrieb (1) mit einem stufenlosen Getriebe (2), mit mindestens zwei, vorzugsweise hydrostatischen, Motoren (6), die von wenigstens einer Antriebsquelle mit Antriebsenergie versorgt sind, wobei den Getriebeeingängen des mechanischen Getriebes (2) mindestens zwei Motoren (6) zugeordnet sind, dadurch gekennzeich- j net, dass die Drehzahlen der Motoren (6) frei und ohne Zugkraftunterbrechung I stufenlos mit einem mechanischen Oberlagerungsgetriebe (2) überlagerbar sind, wobei die Drehmomente der Motoren (6) über das Überlagerungsgetriebe (2) gekoppelt sind und wenigstens einer der Motoren (6) wenigstens ein den ihm zugeordneten Getriebeeingang haltendes Stützmoment aufbringt.
2. Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem das Stützmoment aufbringenden Motor (6) eine Haltevorrichtung (10) zugeordnet ist, insbesondere eine Bremse, eine Kupplung oder eine die hydraulische Energieversorgung des Motors (6) sperrende Schaltung.
3. Fahrantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Motoren (6) ein hydrostatischer Verstellmotor und ein weiterer Konstantmotor ist.
4. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (2) als Differentialgetriebe ausgeführt ist.
5. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (2) als Planetengetriebe ausgeführt ist

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6. Fahrantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb des Planetengetriebes wahlweise über das Sonnenrad (3), die Planetenräder (4) oder das Ringrad (5) erfolgt.
7. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die hydrostatischen Motoren (6) separate hydraulische Kreise mit eigener Antriebsquelie (7) vorgesehen sind.
8. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass den wenigstens zwei Motoren (6) je eine Halte Vorrichtung (10) zugeordnet ist, wobei beide Motoren (6) wechselweise oder gleichsam ein erforderliches Stützmo-ment aufbringen.
9. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem Motor und dem Überlagerungsgetriebe, vorzugsweise zwischen beiden Motoren und dem Überlagerungsgetriebe, wenigstens eine Schaltstufe vorgesehen ist.
10. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der hydrostatischen Verstellmotoren hydraulisch, hydromechanisch, mechanisch oder elektroproportional erfolgt.
11. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Motoren (6) ein Elektromotor ist. Linz, am 28. März 2012 Wacker Neuson Linz GmbH durch: /Dl Karl Winfried Hellmich/ (elektronisch signiert)