DE10102015A1 - Starter-Generator-Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Herkömmliche Starter-Generator-Vorrichtungen erfordern zur Aufbringung der notwendigen Antriebsmomente zum Anlassen des Motors eine große Dimensionierung mit großen erforderlichen Einbauräumen und einem großen Gewicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Rotor der Starter-Generator-Vorrichtung über ein Planetengetriebe und zwei Freiläufe derart mit einer Kurbelwelle verbunden, daß in einem Startbetrieb die Drehzahl des Rotors zur Drehzahl der Kurbelwelle ins Langsame übersetzt wird, womit eine Vergrößerung des wirksamen Startmomentes einhergeht. Das Planetengetriebe und die Freiläufe sind an den Kreislauf des Motoröles angeschlossen. DOLLAR A Starter-Generator-Vorrichtungen, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Starter-Generator-Vorrichtung eines Kraftfahrzeuges gemäß ausgewählten Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Starter-Generator-Vorrichtungen sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 41 12 215 C1, DE 197 04 786 C1, US 4 862 009 sowie JP 3-81562 A2 bekannt.

Bei bekannten Starter-Generator-Vorrichtungen erfolgt eine Umschaltung zwischen einem ersten Betriebsbereich, in dem eine Umwandlung elektrischer Energie in eine Relativbewegung bzw. Relativbeschleunigung zwischen einem Stator und einem Rotor (Starten) und einem zweiten Betriebsbereich, in dem eine Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Stator und dem Rotor zur Rückgewinnung von Energie erfolgt, mittels Kupplungen oder Freiläufen. Wird der Rotor während des ersten Betriebsbereiches mit der Drehzahl einer Eingangswelle der Starter-Generator-Vorrichtung, insbesondere der Drehzahl der Kurbelwelle, betrieben, sind die für einen Verbrennungsmotorstart erforderlichen Startermomente sehr groß, wodurch hohe elektrische Ströme mit einer hierzu erforderlichen aufwendigen und teueren Leistungselektronik bedingt sind. Derartige Starter-Generator-Vorrichtungen bauen sehr groß, sind teuer und schwer.

Die aus der US 4 862 009 bekannte Starter-Generator-Vorrichtung gewährleistet keine sogenannte Boostfunktion, mittels derer im (An-)Fahrbetrieb zusätzlich zum Antriebsmoment des Antriebsaggregates wirkende Beschleunigungsmomente zwischen Stator und Rotor erzeugt werden können.

Bei einer Starter-Generator-Vorrichtung gemäß der JP 3-81562 A2 stehen während eines zweiten Betriebsbereiches (Generatorbetrieb) Zahnräder eines Planetengetriebes in wälzendem Kontakt. Hierdurch sind Geräuschprobleme und/oder ein verschlechterter Wirkungsgrad bedingt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Starter-Generator-Vorrichtung vorzuschlagen, welche über eine kompakte Bauweise mit verbesserter Funktionalität verfügt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Stator ist fest mit einem Getriebegehäuse verbunden. Der Rotor, welcher vorzugsweise als integraler Bestandteil einer Schwungscheibe ausgebildet ist oder fest mit dieser verbunden ist, ist über einen ersten Freilauf mit der Eingangswelle verbunden. Ist dieser Freilauf, beispielsweise während eines Startbetriebes, in freigeschalteter Stellung, kann der Rotor in Folge eines zwischen Rotor und Eingangswelle, insbesondere Kurbelwelle, zwischengeschalteten Planetengetriebes, mit einer größeren Geschwindigkeit betrieben werden als die Eingangswelle, so daß eine Übersetzung des zwischen Rotor und Stator erzeugten Startermomentes erfolgt. Hierdurch kann die Anlasserfunktion verbessert werden und/oder die elektrischen Komponenten des Stators bzw. Rotors geringer dimensioniert werden. Es ergeben sich geringere elektrische Starterströme, niedrigere Systemkosten, ein geringeres Gewicht und/oder ein geringerer erforderlicher Bauraum. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist über einen zweiten Freilauf mit dem Getriebegehäuse verbunden. Im Startbetrieb ruht in Folge eines Sperren des zweiten Freilaufes das Sonnenrad. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist drehfest dem Rotor zugeordnet. Als Folge der vorgenannten kinematischen Bedingungen des Planeten verringert sich die Drehzahl des Planetenträgers, welcher drehfest mit der Eingangswelle verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgangsorgan drehfest mit der Eingangswelle verbunden. Hierdurch erfolgt eine unmittelbare Kraftübertragung zwischen Eingangswelle und Ausgangsorgan, wodurch ein Spiel, Elastizitäten oder ähnliches vermieden sind. Die Freiläufe sowie Lager, Dichtungen, Bauteile des Planetengetriebes und der Rotor sind lediglich mit den zwischen Stator und Rotor erzeugten Momenten beaufschlagt, wodurch eine geringe Dimensionierung möglich ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsorgan drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Hierdurch kann ein veränderter Kraftfluß für einen Zug- und Schubbetrieb erfolgen. Während eines Zugbetriebes wird das Motormoment zwischen Eingangswelle und Ausgangsorgan über die erste Freilaufkupplung übertragen. In diesem Fall entspricht die Motordrehzahl der Drehzahl des Rotors und des Ausgangsorganes. Hingegen erfolgt im Schubbetrieb eine Übertragung des Motormomentes über das Planetengetriebe und die zweite Freilaufkupplung. In diesem Fall ist die Motordrehzahl und die Drehzahl der Eingangswelle kleiner als die Drehzahl des Rotors und des Ausgangsorganes. Hierdurch ist eine verbesserte Energierückgewinnung möglich. Als weiterer Vorteil können während des Schubbetriebes Drehzahlschwankungen der Eingangswelle minimiert werden, da für eine Halbwelle der Drehzahlschwingung der Freilauf sperrt, während für die Halbwelle mit umgekehrtem Vorzeichen der zweite Freilauf freigegeben ist, so daß diese Halbwelle nicht oder vermindert auf das Abtriebsorgan übertragen wird.

Eine bevorzugte Starter-Generator-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe und die Freiläufe in einem abgedichteten Arbeitsraum angeordnet sind. Der Arbeitsraum ist Teil eines Kreislaufes des Motoröles, so daß ohne zusätzliche Ölkreisläufe, Ölmengen und Vorrichtungen zur Aufbringung eines Öldruckes die Schmierung und/oder Kühlung von relativbewegten Bauteilen der Starter-Generator-Vorrichtung gewährleistet ist.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird das Motoröl mit einem Längskanal der Kugelwelle dem Arbeitsraum zugeführt. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauform des Starter-Generator-Systems.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Starter-Generator-Vorrichtung im Halbschnitt und

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Starter-Generator-Vorrichtung im Halbschnitt.

Gemäß Fig. 1 steht eine motorseitige Eingangswelle 10, hier eine Kurbelwelle, in (lösbarer oder richtungsabhängiger) Antriebsverbindung mit einem getriebeseitigen Ausgangsorgan 11. Das Ausgangsorgan 11 ist insbesondere als zumindest drehsteife Scheibe ausgebildet, welche in Antriebsverbindung mit einem Anfahrelement und/oder einem Getriebe, insbesondere einer Kupplung oder einem Wandler, steht.

Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ausgangsorgan 11 drehfest mit der Eingangswelle 10 verbunden. Mit der Eingangswelle 10 stehen zumindest in Teilbetriebsbereichen ein Planetenträger 12, Planeten 13, ein Sonnenrad 14, ein Hohlrad 15 und eine Rotorscheibe 16 einer Starter-Generator-Vorrichtung 17 in Wirkverbindung/­ Antriebsverbindung. Planetenträger 12, Planeten 13 und Sonnenrad 14 bilden ein in an sich bekannter Weise ausgebildetes Planetengetriebe 18.

Die Starter-Generator-Vorrichtung 17 verfügt über einen Stator 19 sowie einen Rotor 20. Stator 19 und Rotor 20 sind Teil eines elektrischen Antriebes, welcher, im Zusammenwirken mit geeigneten elektrischen Versorgungen, einer Leistungselektronik und einer Steuereinrichtung, eine Erzeugung von (Antriebs-) Momenten sowie in einem Generator-Betrieb zur Rückgewinnung einer Energie des Rotors 20 dient. Der Stator 19 ist fest mit einem Gehäuse 21 verbunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 21 mit einem Motorgehäuse 22, einem Statorgehäuse 23 und einem Getriebegehäuse 24 gebildet. Das Statorgehäuse 23 verfügt über eine zylinderförmige Innenfläche, gegenüber welcher sich der Stator 19 abstützt, sowie geeignete Dicht- und Verbindungsstellen zur Anbindung des Motorgehäuses 22 in einem axialen Endbereich sowie des Getriebegehäuses 24 im axial gegenüberliegenden Endbereich.

Das Ausgangsorgan 11, der Planetenträger 12, das Hohlrad 15, die Rotorscheibe 16, der Rotor 20 und der Stator 19 sind koaxial zu einer Längsachse 25-25 der Eingangswelle 10 angeordnet.

Das getriebeseitige Ende der Eingangswelle 10 steht über Dicht- bzw. Führungselemente 26 in Wirkverbindung mit einer über Stege 27 oder Wandungen mit dem Motorgehäuse 22 verbundenen Buchse 28. Die Eingangswelle 10 kragt über die Buchse 28 in Richtung des Getriebes mit einer ungefähr zylinderförmigen Querschnittserweiterung 29 aus.

Der Planetenträger 12 verfügt über eine Scheibe 30, einen Hohlzylinder 31 und eine Scheibe 32, wobei die Scheibe 30, Hohlzylinder 31 und Scheibe 32 einstückig miteinander verbunden sind und der Innendurchmesser der Scheibe 30 sowie der Außendurchmesser der Scheibe 32 dem Durchmesser des Hohlzylinders 31 entspricht. Der Planetenträger 12 wird in axialer Richtung in Richtung des Motors auf die Querschnittserweiterung 29 aufgeschoben, wobei die Innenfläche des Hohlzylinders 31 an der Mantelfläche der Querschnittserweiterung 29 sowie die Scheibe 32 an der Stirnfläche der Querschnittserweiterung 29 anliegen. Die Scheibe 30 ist fest mit Stegen 33 des Planetenträgers 12 verbunden, welche koaxial zur Längsachse 25-25 orientiert sind und von der Scheibe 30 in Richtung des Motors auskragen.

Die Rotorscheibe 16 verfügt über Hohlzylinder 34, 35 unterschiedlicher Durchmesser, welche über eine Scheibe 36 miteinander verbunden sind. Der außenliegenden Mantelfläche des radial außenliegenden Hohlzylinders 35 ist der Rotor 20 zugeordnet. Im Bereich der zylinderförmigen Innenfläche des innenliegenden Hohlzylinders 34 stützt sich die Rotorscheibe 16 mit einem ersten Wälzlager 37, insbesondere Kugellager, einem ersten Freilauf 38, einem zweiten Wälzlager 39, insbesondere Kugellager, und einem Dichtelement 40 gegenüber der Mantelfläche des Hohlzylinders 31 ab, wobei die Bauelemente 37 bis 40 in vorgenannter Reihenfolge in Richtung des Getriebes hintereinander angeordnet sind.

Auf der dem Motor zugewandten Seite ist die Rotorscheibe 16 dicht und fest mit einem Arbeitsraumdeckel 41 verbunden, welcher im radial innenliegenden Endbereich mit einem Dichtelement 42 mit der äußeren Mantelfläche der Buchse 28 in dichtender Wirkverbindung steht. Zwischen Arbeitsraumdeckel 41 und Rotorscheibe 16 ist eine (umlaufende, ungefähr kreisringförmige) Ausnehmung 43 gebildet. In der Ausnehmung 43 ist das Planetengetriebe 18 angeordnet.

Auf der dem Steg 27 abgewandten Seite des Dichtelementes 42 stützt sich das Sonnenrad 14 über einen zweiten Freilauf 44 gegenüber der Mantelfläche der Buchse 28 ab. Die Planeten 13 kämmen radial innenliegend mit der Außenverzahnung des Sonnenrades 14 sowie radial außenliegend mit der Innenverzahnung des Hohlrades 15, welches (innenliegend) fest mit dem Arbeitsraumdeckel 41 verbunden ist oder von diesem gebildet ist.

In einem ersten Betriebsbereich, insbesondere Starterbetrieb, sperrt der zweite Freilauf 44, während der erste Freilauf 38 freigeschaltet ist. Gemäß der kinematischen Bedingungen an den Planeten 13, nämlich ruhendem Sonnenrad 14 in Folge des sperrenden zweiten Freilaufs 44 und mit der Drehzahl der Rotorscheibe 16 rotierendem Hohlrad 15 rotiert der Planetenträger 12 mit gegenüber der Rotorscheibe 16 verringerter Drehzahl. Hieraus folgt eine Übersetzung des zwischen Stator 19 und Rotor 20 in Folge des elektrischen Antriebes erzeugten Momentes in Richtung der Eingangswelle 10, wodurch ein verbesserter Starterbetrieb bzw. eine kleinere Dimensionierung von Teilen der oder der gesamten Starter- Generator-Vorrichtung 17 ermöglicht ist.

In einem zweiten Betriebsbereich, insbesondere in einem Generatorbetrieb, ist der zweite Freilauf 44 freigeschaltet, während der erste Freilauf 38 sperrt. In Folge dessen entspricht die Drehzahl der Eingangswelle der Drehzahl des Ausgangsorgans 11 sowie der Rotorscheibe 16, wodurch in dem zweiten Betriebsbereich der Rotor mit verhältnismäßig hoher Drehzahl betreibbar ist, wodurch eine verbesserte Energierückgewinnung bedingt ist.

Das Ausgangsorgan 11 sowie die Scheibe 32 sind im Bereich der dem Getriebe zugewandten Stirnfläche der Querschnittserweiterung 29 fest mit der Eingangswelle 10 verbunden, insbesondere über Bolzen 45.

Im Starterbetrieb ist somit das Planetengetriebe wirksam und im Kraftfluß, während im Generatorbetrieb keine Momentenübertragung über das Planetengetriebe 18 erfolgt. Das Planetengetriebe 18 mit Teilen des Planetenträgers 12 sind in einem abgedichteten Arbeitsraum 46 angeordnet, welcher mit der Ausnehmung 43 gebildet ist und nach außen über den Arbeitsraumdeckel 41, die Rotorscheibe 16 sowie die Dichtelemente 40, 42 abgedichtet ist. Weitere dichtende Begrenzungen des Arbeitsraumes 46 sind von der Mantelfläche des Hohlzylinders 31, der Mantelfläche der Buchse 28 und Dichtelement 26 gebildet. Die Freiläufe 38, 44 und die Wälzlager 37, 39 sind in dem Arbeitsraum 46 angeordnet. Der Arbeitsraum 46 ist vorzugsweise mit Motoröl des Motorölkreislaufes beaufschlagt.

Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist gemäß Fig. 2 bei einer Starter-Generator-Vorrichtung 17 das Ausgangsorgan 11 nicht unmittelbar mit der Eingangswelle 10 drehfest verbunden, sondern drehfest mit der Rotorscheibe 16 verbunden. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung im Bereich der getriebeseitigen Stirnfläche des Hohlzylinders 34 durch Bolzen 51. Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt das Ausgangsorgan 11 nicht über eine radial innenliegende Ausnehmung, sondern ist durchgehend ausgebildet, so daß mit der Verbindung des Ausgangsorgans 11 mit dem Hohlzylinder 34 der Rotorscheibe 16 der Arbeitsraum 46 in Richtung des Getriebes abgedichtet ist. Das Dichtelement 40 kann bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vorzugsweise entfallen.

In Folge der veränderten Anbindung ist im zweiten Betriebsbereich der Starter-Generator-Vorrichtung 17 zwischen einem Schubbetrieb, in welchem der Motor zur Erzeugung eines Bremsmomentes dient, und einem Zugbetrieb, in welchem der Motor ein Antriebsmoment erzeugt, zu unterscheiden. Im Zugbetrieb sperrt der erste Freilauf 38, so daß die Drehzahl der Eingangswelle der Drehzahl der Rotorscheibe 16 und der Drehzahl des Ausgangsorgans 11 entspricht. Im Schubbetrieb ist der erste Freilauf 38 freigeschaltet, während der zweite Freilauf 44 sperrt. Demzufolge ist die Drehzahl der Eingangswelle 10 kleiner als die Drehzahl der Rotorscheibe 16, welche der Drehzahl des Ausgangsorganes 11 entspricht.

Während des Schubbetriebes ist die Drehzahl der Rotorscheibe 16 größer als die Drehzahl der Eingangswelle 10, wodurch auch die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor 20 und Stator 19 vergrößert ist, was eine verbesserte Energierückgewinnung zur Folge hat.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Arbeitsraum 46 über einen Ölrücklauf 52 und einen Ölzuführkanal 53 an den Kreislauf des Motoröles angeschlossen. Der Ölrücklauf erfolgt durch einen Verbindungskanal zwischen dem Arbeitsraum 46 und einem Kurbelgehäuse durch den Steg 27 oder die Buchse 28. Der Ölzuführkanal 53 ist mit einer Längsbohrung 54 und einer von dieser abzweigenden Bohrung 55 gebildet. Im dem Getriebe zugewandten Endbereich ist die Längsbohrung 54 mit einem Verschlußstopfen 56 dicht geschlossen. Vorzugsweise ist in der Längsbohrung eine Drossel 57 angeordnet. Die abzweigende Bohrung 55 mündet, insbesondere durch entsprechende Anschlußbohrungen der Scheibe 32, in den Arbeitsraum 46.

Der erste Freilauf 38 und der zweite Freilauf 44 sperren vorzugsweise in die gleiche Sperrrichtung. Die Freiläufe sind in an sich bekannter ausgebildet

Claims (7)

1. Starter-Generator-Vorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einer motorseitigen Eingangswelle (10) und einem getriebeseitigen Ausgangsorgan (11), bei dem in einem ersten Betriebsbereich eine Umwandlung elektrischer Energie in eine Relativbewegung bzw. Relativbeschleunigung zwischen einem Stator (19) und einem Rotor (20) mittels des Stators (19) und des Rotors (20) erfolgt und in einem zweiten Betriebsbereich eine Ausnutzung einer Relativbewegung zwischen dem Stator (19) und dem Rotor (20) zur Rückgewinnung von Energie erfolgt, wobei

• a) der Stator (19) fest mit einem Gehäuse (21) verbunden ist,
• b) der Rotor (20) über einen ersten Freilauf (38) mit der Eingangswelle (10) verbunden ist,
• c) dem Rotor (20) drehfest ein Hohlrad (15) eines Planetengetriebes (18) zugeordnet ist,
• d) ein Planetenträger (12) des Planetengetriebes (18) drehfest mit der Eingangswelle (10) verbunden ist und
• e) ein Sonnenrad (14) des Planetengetriebes (18) über einen zweiten Freilauf (44) mit dem Gehäuse (21) verbunden ist.

2. Starter-Generator-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsorgan (11) drehfest mit der Eingangswelle (10) verbunden ist.

3. Starter-Generator-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsorgan (11) drehfest mit dem Rotor (20) verbunden ist.

4. Starter-Generator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Freilauf (38, 44) über die gleiche Sperrrichtung verfügen.

5. Starter-Generator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe (18) und die Freiläufe (38, 44) in einem abgedichteten Arbeitsraum (46) angeordnet sind, welcher Teil eines Kreislaufes des Motoröles ist.

6. Starter-Generator-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Motoröl mit einem Längskanal (54) der Eingangswelle (10) dem Arbeitsraum (46) zugeführt wird.

7. Starter-Generator-Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Motoröl über einen Ölrücklauf (52) aus dem Arbeitsraum (46) in eine Kurbelgehäuse zurückgeführt wird.