DE102010036817A1 - Antriebssystem für ein Fahrzeug - Google Patents

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Günter PILAT
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Herbert Wiener
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug (2) mit einem leistungsverzweigenden Getriebe (3) zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle (4, 5), mit einem mechanischen Antriebsstrang (7) zur mechanischen Kraftübertragung und zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle (4, 5), einem hydrostatischen Getriebe (8) mit zumindest einer hydraulischen Energiespeichereinheit (14) und mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine (12, 13) zur hydraulischen Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle (4) und der Ausgangswelle (5), wobei der mechanische Antriebsstrang (7) und das hydrostatische Getriebe (8) über das leistungsverzweigende Getriebe (3) miteinander verbunden sind. Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades ist vorgesehen, dass eine Arbeitshydraulikeinheit (11) mit dem mechanischen Antriebsstrang (7), vorzugsweise auf der Seite der Eingangswelle (4) antriebsverbunden ist, wobei die Arbeitshydraulikeinheit (11) zumindest einen hydraulischen Energiespeicher (27) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem leistungsverzweigenden Getriebe zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle, mit einem mechanischen Antriebsstrang zur mechanischen Kraftübertragung und zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle, einem hydrostatischen Getriebe mit zumindest einer hydraulischen Energiespeichereinheit und mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine zur hydraulischen Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle, wobei der mechanische Antriebsstrang und das hydrostatische Getriebe über das leistungsverzweigende Getriebe miteinander verbunden sind.
  • Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem leistungsverzweigenden Getriebe zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle, einem mechanischen Antriebsstrang zur mechanischen Kraftübertragung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle und einem hydrostatischen Getriebe mit zumindest einem hydraulischen Energiespeicher und mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine zur hydraulischen Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle, wobei der mechanische Antriebsstrang und das hydrostatische Getriebe über das leistungsverzweigende Getriebe miteinander verbunden sind, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Ausgangswelle mechanisch über den mechanischen Antriebsstrang, und in einem zweiten Betriebsmodus die Ausgangswelle hydraulisch über das hydrostatische Getriebe angetrieben wird und wobei in einem dritten Betriebsmodus zumindest ein Teil der mechanischen Antriebsenergie im hydraulischen Energiespeicher des hydrostatischen Getriebes gespeichert wird.
  • Aus der WO 2008/033378 A1 ist ein Antriebssystem mit einem leistungsverzweigenden Getriebe zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle, einem mechanischen Antriebsstrang und einem hydrostatischen Getriebe bekannt, wobei das hydrostatische Getriebe einen Niederdruckspeicher und einen Hochdruckspeicher zur hydraulischen Energiespeicherung aufweist. Mit dieser Anordnung lässt sich ein rein mechanischer, ein rein hydraulischer oder ein gemischter Fahrbetrieb ermöglichen. Weiters ist es möglich, Verzögerungsenergie im hydraulischen Energiespeicher zwischenzuspeichern und später zum Antreiben des Fahrzeuges einzusetzen.
  • Weiters ist aus der WO 2008/049635 A1 ein hydrostatischer Antrieb in einem offenen Kreislauf bekannt, welcher eine Hydropumpe und einen Hydromotor umfasst. Die Hydropumpe und der Hydromotor sind über eine Förderleitung miteinander verbunden. Ferner umfasst der hydrostatische Antrieb ein Speicherelement zur Speicherung von Druckenergie. Eine stromabwärts des Hydromotors angeordnete erste Ventileinrichtung verbindet wechselweise den stromabwärtigen Anschluss des Hydromotors mit einem Tankvolumen oder dem Speicherelements. Auf diese Weise lässt sich im Verzögerungsbetrieb frei werdende Energie rückgewinnen.
  • Die WO 2008/037461 A1 offenbart eine Energiespeichereinheit für ein hydrostatisch – mechanisches Antriebssystem. Die Energiespeichereinheit umfasst mindestens eine hydrostatische Maschine, die über eine mechanische Schnittstelle mit dem Antriebssystem verbindbar ist. Ferner umfasst die Energiespeichereinheit ein Speicherelement, das über eine Speicherleitung mit der hydrostatischen Maschine verbunden ist. Die Speicherleitung ist mit einer hydraulischen Schnittstelle verbindbar, wobei die hydraulische Schnittstelle zur Verbindung der Energiespeichereinheit mit dem Antriebssystem vorgesehen ist.
  • Nutzfahrzeuge und Arbeitsmaschinen weisen üblicherweise eine Arbeitshydraulik zum Betreiben von Arbeitsmaschinen, Geräten, Handhabungseinrichtungen oder dergleichen auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebssystem zu schaffen, bei dem auch die Arbeitshydraulikeinheit in die Energierückgewinnung von frei werdender Energie miteinbezogen wird.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Arbeitshydraulikeinheit mit dem mechanischen Antriebsstrang, vorzugsweise auf der Seite der Eingangswelle antriebsverbunden ist, wobei die Arbeitshydraulikeinheit zumindest einen hydraulischen Energiespeicher aufweist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass eine hydrostatische Maschine des hydrostatischen Getriebes mit einer hydrostatischen Maschine der Arbeitshydraulik drehverbunden ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das hydrostatische Getriebe hydraulisch von der Arbeitshydraulikeinheit getrennt ist. Dies ermöglicht einen modularen einfachen Aufbau, wobei eine leichte Anpassung an individuelle Bedürfnisse einer Anwendung durchgeführt werden kann. Die separaten hydraulischen Kreise ermöglichen weiters eine einfache Regelung, wobei auch unterschiedliche Druckniveaus für den Arbeitskreis und den Fahrkreis, insbesondere mit unterschiedlichen Druckmedien, verwendet werden können. Insbesondere ist es möglich, unterschiedliche Reinheitsanforderungen an die beiden hydraulischen Kreise zu definieren (üblicherweise sind die Anforderungen im Arbeitshydraulikkreis weniger streng als im Antriebshydraulikkreis).
  • Das leistungsverzweigende Getriebe kann entweder mit einer eingangsseitigen hydraulischen Maschine oder einer ausgangsseitigen hydraulischen Maschine des hydrostatischen Getriebes verbunden sein.
  • Eine besonders effektive Energierückgewinnung ist möglich, wenn frei werdende potentielle Energie einer mit der Eingangswelle verbundenen Arbeitshydraulikeinheit in zumindest einem hydraulischen Energiespeicher des hydrostatischen Getriebes und/oder der Arbeitshydraulikeinheit gespeichert wird, wobei vorzugsweise Verzögerungsenergie des Fahrzeuges in zumindest einer hydraulischen Energiespeichereinheit des hydrostatischen Getriebes und/oder der Arbeitshydraulikeinheit gespeichert wird.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Energie aus zumindest einem hydraulischen Energiespeicher des hydrostatischen Getriebes und/oder der Arbeitshydraulikeinheit zum Starten einer Brennkraftmaschine des Antriebssystems und/oder zum Antreiben des Fahrzeuges verwendet wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem in einer ersten Ausführungsvariante; und
  • 2 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem in einer zweiten Ausführungsvariante.
  • 1 zeigt ein Antriebssystem 1 eines Fahrzeuges 2 mit einem durch ein Planetengetriebe gebildeten leistungsverzweigenden Getriebe 3 zwischen einer Eingangswelle 4 und einer Ausgangswelle 5. Die Eingangswelle 4 wird durch eine Brennkraftmaschine 6 angetrieben. Das Antriebssystem 1 weist einen mechanischen Antriebsstrang 7 und ein hydrostatisches Getriebe 8 auf. Des weiteren kann zwischen dem hydrostatischen Getriebe 8 und der Ausgangswelle 5 eine Schaltstufe 9 sowie ein Wendegetriebe 10 angeordnet sein (2).
  • Mit der Eingangswelle 4 ist weiters eine Arbeitshydraulikeinheit 11 wirkverbunden.
  • Das hydrostatische Getriebe 8 weist eine eingangsseitige hydrostatische Maschine 12 und eine ausgangsseitige hydrostatische Maschine 13 auf. Zur Energierückgewinnung, insbesondere bei Verzögerungsvorgängen, sind ein als Hochdruckspeicher ausgebildeter hydraulischer Energiespeicher 14 und ein Niederdruckspeicher 15 vorgesehen, wobei während der Energiespeicherung das hydraulische Medium des hydrostatischen Getriebes 8 vom Niederdruckspeicher 15 in den Energiespeicher 14 und bei der Nutzung der gespeicherten Energie das hydraulische Medium vom Energiespeicher 14 zum Niederdruckspeicher 15 befördert wird. Durch Regelung der hydrostatischen Maschinen 12, 13 und der Schaltventile 16, 17, 18, 19, 20, 21 kann das hydrostatische Getriebe 8 stufenlos an die geförderte Leistung angepasst werden, wobei mechanische Überschussleistung in Energiespeicher 14 gespeichert werden kann. Genauso ist es möglich, an der Antriebswelle 5 Spitzenleistungen abzurufen, indem sowohl die mechanische Energie der Brennkraftmaschine 6, als auch die Energie im Energiespeicher 14 aufsummiert genutzt wird.
  • Die Arbeitshydraulikeinheit 11 weist neben einer hydrostatischen Maschine 22 und einer Arbeitsmaschine 23, sowie Schaltventile 24, einen Energiespeicher 27 samt Schaltventil 26 auf, mit welchem frei werdende potentielle Energie der Arbeitsmaschine 23 zwischengespeichert werden kann.
  • Die beiden hydraulischen Systeme des hydrostatischen Getriebes 8 und der Arbeitshydraulikeinheit 11 sind mechanisch über das leistungsverzweigende Getriebe 3 oder direkt über eine Welle 28 (3) gekoppelt, wodurch mechanisch ein Energieaustausch zwischen den beiden Systemen möglich ist. Die Hydraulikkreise sind aber völlig getrennt. Die hydraulische Trennung hat den Vorteil, dass ein einfacher modularer Aufbau möglich ist, welcher leicht an individuelle Bedürfnisse einer Anwendung angepasst werden kann. Dabei kann die Regelung relativ einfach gestaltet sein. Die hydraulische Trennung der beiden Systeme erlaubt es, die beiden Hydraulikkreise mit unterschiedlichen Druckniveaus auszulegen, es können unterschiedliche Druckmedien verwendet werden. Weiters können unterschiedliche Qualitätsstandards angewandt werden. Üblicherweise sind beispielsweise die Reinheitsanforderungen an Arbeitshydraulikkreise weniger streng als an die hydraulischen Kreise von hydrostatischen Getrieben.
  • Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das leistungsverzweigende Getriebe 3 im Bereich der antriebsseitigen hydrostatischen Maschine 12 angeordnet. Die hydrostatischen Maschinen 12, 22 des hydrostatischen Getriebes 8 und der Arbeitshydraulikeinheit 11 sind über das leistungsverzweigende Getriebe 3 miteinander gekoppelt.
  • Davon unterscheidet sich die in 3 dargestellte Ausführungsvariante dadurch, dass das leistungsverzweigende Getriebe 3 im Bereich der abtrittsseitigen hydrostatischen Maschine 13 angeordnet ist. Die hydrostatischen Maschinen 12, 22 des hydrostatischen Getriebes 8 und der Arbeitshydraulikeinheit 11 sind über eine Welle 28 miteinander gekoppelt und über eine Stirnradstufe 29 mit der durch die Brennkraftmaschine 6 angetriebenen Eingangswelle 4 verbunden.
  • Durch die dargestellten Anordnungen sind alle Kombinationen des Leistungsflusses zwischen den beiden Hochdruckspeichern 14, 27, der Brennkraftmaschine 6, dem Fahrantrieb und der Arbeitshydraulikeinheit 8 möglich. Diese Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten erlaubt ein sehr hohes Rekuperationspotential.
  • Die Energie zum Bewegen der Arbeitshydraulik, für den Fahrantrieb oder zum Starten der Brennkraftmaschine 6 kann entweder aus dem Energiespeicher 27 der Arbeitshydraulikeinheit 11 oder dem Energiespeicher 14 des hydrostatischen Getriebes 8 genommen werden. Weiters kann zum Bewegen der Arbeitshydraulikeinheit 11 und zum Starten der Brennkraftmaschine 6 auch die Verzögerungsenergie des Fahrantriebes genutzt werden. Die potentielle Energie der Arbeitshydraulikeinheit 11 kann für den Fahrantrieb oder zum Starten der Brennkraftmaschine 6 verwendet und/oder in den Energiespeichern 11, 14 zwischengespeichert werden. Darüber hinaus sind auch beliebige Kombinationen der genannten Energieformen möglich.
  • Die potentielle Energie der Arbeitshydraulikeinheit 11 kann somit entweder zum Füllen des Energiespeichers 27 der Arbeitshydraulikeinheit 11, zum Füllen des Energiespeichers 14 des hydrostatischen Getriebes 8, zum Antreiben des Fahrantriebes oder zum Starten der Brennkraftmaschine 6 verwendet werden. Die Verzögerungsenergie des Fahrzeuges 2 kann zum Füllen des Energiespeichers 27 der Arbeitshydraulikeinheit 11, zum Füllen des Energiespeichers 14 des hydrostatischen Getriebes 8, zum Bewegen der Arbeitshydraulikeinheit 11 oder zum Starten der Brennkraftmaschine 6 eingesetzt werden. Weiters sind auch Kombinationen der genannten Nutzungsmöglichkeiten möglich.
  • Die Energiespeicher 14, 27 können auch als Energiequelle für Hilfsaggregate, wie Lüfter, Lichtmaschine, Wasserpumpe, Luftkompressor, Klimakondensator und andere Nebenabtriebe verwendet werden.
  • Die hybride Anwendung des mechanischen Antriebsstrangs 7, des hydrostatischen Getriebes 8 und der Arbeitshydraulikeinheit 11 erlaubt folgende mögliche Betriebsarten:
    • a) Starten der Brennkraftmaschine 6 aus beiden Energiespeichern 27, 14;
    • b) Rein hydraulisches Bewegen der Arbeitshydraulikeinheit 11 bei stehender Brennkraftmaschine 6;
    • c) Rein hydraulisches Fahren des Fahrzeuges 2 bei stillstehender Brennkraftmaschine 6;
    • d) Direktes Bewegen der Arbeitshydraulikeinheit 11 mit der Verzögerungsenergie des Fahrzeuges 2;
    • f) Speichern der potentiellen Energie aus der Arbeitshydraulikeinheit 11;
    • g) Betreiben der Brennkraftmaschine 6 in seinem Bestverbrauchspunkt auch bei geringerem Leistungsbedarf zum Füllen der Energiespeicher 14, 27;
    • h) Boostleistung aus den beiden Energiespeichern 14, 27 zur Abdeckung von Leistungsspitzen, dadurch ist down-sizing der Brennkraftmaschine 6 möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2008/033378 A1 [0003]
    • WO 2008/049635 A1 [0004]
    • WO 2008/037461 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Antriebssystem (1) für ein Fahrzeug (2) mit einem leistungsverzweigenden Getriebe (3) zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle (4, 5), mit einem mechanischen Antriebsstrang (7) zur mechanischen Kraftübertragung und zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle (4, 5), einem hydrostatischen Getriebe (8) mit zumindest einer hydraulischen Energiespeichereinheit (14) und mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine (12, 13) zur hydraulischen Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle (4) und der Ausgangswelle (5), wobei der mechanische Antriebsstrang (7) und das hydrostatische Getriebe (8) über das leistungsverzweigende Getriebe (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitshydraulikeinheit (11) mit dem mechanischen Antriebsstrang (7), vorzugsweise auf der Seite der Eingangswelle (4) antriebsverbunden ist, wobei die Arbeitshydraulikeinheit (11) zumindest einen hydraulischen Energiespeicher (27) aufweist.
  2. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydrostatische Maschine (12) des hydrostatischen Getriebes (8) mit einer hydrostatischen Maschine (22) der Arbeitshydraulik (11) drehverbunden ist.
  3. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrostatische Getriebe (8) hydraulisch von der Arbeitshydraulikeinheit (11) getrennt ist.
  4. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungsverzweigende Getriebe (3) im Bereich der eingangsseitigen hydrostatischen Maschine (12) des hydrostatischen Getriebes (8) angeordnet ist.
  5. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungsverzweigende Getriebe (3) im Bereich einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine (13) des hydrostatischen Getriebes (8) angeordnet ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (1) mit einem leistungsverzweigenden Getriebe (3) zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle (4, 5), einem mechanischen Antriebsstrang (7) zur mechanischen Kraftübertragung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle (4, 5) und einem hydrostatischen Getriebe (8) mit zumindest einem hydraulischen Energiespeicher (14) und mit einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen hydrostatischen Maschine (12, 13) zur hydraulischen Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle (4) und der Ausgangswelle (5), wobei der mechanische Antriebsstrang (7) und das hydrostatische Getriebe (8) über das leistungsverzweigende Getriebe (3) miteinander verbunden sind, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Ausgangswelle (5) mechanisch über den mechanischen Antriebsstrang (7), und in einem zweiten Betriebsmodus die Ausgangswelle (5) hydraulisch über das hydrostatische Getriebe (8) angetrieben wird und wobei in einem dritten Betriebsmodus zumindest ein Teil der mechanischen Antriebsenergie im hydraulischen Energiespeicher (14) des hydrostatischen Getriebes (8) gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die freiwerdende potentielle Energie einer mit der Eingangswelle (4) verbundenen Arbeitshydraulikeinheit (11) im hydraulischen Energiespeicher (14) des hydrostatischen Getriebes (8) und/oder in einem hydraulischen Energiespeicher (27) der Arbeitshydraulikeinheit gespeichert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verzögerungsenergie des Fahrzeuges (2) im hydraulischen Energiespeicher (14) des hydrostatischen Getriebes (8) und/oder im hydraulischen Energiespeicher (27) der Arbeitshydraulikeinheit (11) gespeichert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Energie aus dem hydraulischen Energiespeicher (14, 27) des hydrostatischen Getriebes (8) und/oder der Arbeitshydraulikeinheit (11) zum Starten einer Brennkraftmaschine (6) des Antriebssystems (1) und/oder zum Antreiben des Fahrzeuges (2) und/oder zum Antrieb der Arbeitshydraulik verwendet wird.
DE102010036817A 2009-08-27 2010-08-03 Antriebssystem für ein Fahrzeug Withdrawn DE102010036817A1 (de)

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