DE10111137A1 - Elektromotor-CVT-Kombination für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeuge - Google Patents

Elektromotor-CVT-Kombination für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeuge

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DE10111137A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen KFZ-Antrieb mit einem brennstoffzellenversorgten Elektromotor und einem nachgeschalteten CVT, mit Ausführungs- und Anordnungsmerkmalen, derart, dass die gegenüber den leistungsstarken Nutzfahrzeugantriebsleistungen schwächeren CVT-Antriebskomponenten im Nutzfahrzeugsektor eingesetzt und der vorteilhafte "Fahrhyperbel-Drehmomentenverlauf" bei geringem konstruktiven Aufwand ausgenutzt werden kann. DOLLAR A Alternative Ausführungsmerkmale bestehen im Wesentlichen darin, dass DOLLAR A - zwei CVTs mit je einem Antriebsmotor einschließlich Differentialgetriebe und Starrachse zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, DOLLAR A - zwei CVTs mit je einem Antriebsmotor getrennt den Kraftfluss zu einzelnen Fahrwerksantrieben führend eine Baueinheit bilden, DOLLAR A - einzelnen Triebrädern des KFZ-Fahrwerkes eine Motor-CVT-Kombination mit Leistungsverzweigung zugeordnet ist mit einem Antriebsmotor je Getriebewelle und einer ihr zugeordneten Kupplungsformationen, die verschiedene, auf die jeweiligen Betriebsbedingungen abgestimmte vorteilhafte Kraftflussstrukturen ermöglicht, DOLLAR A wobei noch besondere Ausführungen zum verlustarmen Betreiben des Elektromotors, zur Perfektionierung der Antriebsstrategie und zur Schonung der CVT-Komponente in Anspruch genommen werden, die auch den Einsatz von serienmäßigen PKW-Elektroantriebskomponenten ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromotor-CVT-Kombination insbesondere für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeugantriebe mit den in dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 2 und 3 angegebenen Merk­ malen.
Ihr(e) Zweck und Aufgabe besteht im wesentlichen in der Schaffung einer Ausführungs- und Einsatz­ weise für solche Antriebe, die es ermöglicht, die für den leistungsstarken Nutzfahrzeugantrieb zu schwachen herkömmlichen CVT-Antriebskomponenten im Nutzfahrzeugsektor dennoch einsetzen zu können, um den vorteilhaften "Fahrhyperbel-Drehmomentenverlauf" im Antriebsstrang bei konstruktiv günstigen Ausführungsweisen auszunutzen.
In Brennstoffzellen (BZ) [1, 2] wird vorteilhafterweise gegenüber anderen Verfahren unter Vermeidung des Umweges über die Wärme- und mechanische Energie durch direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie eine erhöhte Energieausbeute erzielt und eine geringere Umweltbe­ lastung gegenüber herkömmlichen Energienutzungs- und Antriebskonzeptionen verursacht [2, 3, 4].
Darüber hinaus liegen in Folge der Nutzbarkeit
  • - noch reichlich vorhandene gasförmiger H2-haltiger Brennstoffe fossiler Herkunft, geeignet zur Aufbereitung zum Brennstoffzellenbrennstoff,
  • - regenerative Energien zur Wasser-Elektrolyse,
  • - heimischer Brennstoffressourcen (Biogas, Methanol) [5, 6],
  • - und riesiger Mengen (zwar noch nicht erschlossener) stark H2-haltiger Gashydrate am Meeresboden als Brennstoffzellen-Brennstoff [7, 9, 12], oder zumindest als Ausgangsgrundstoff zu solchen,
für weitreichende Zukunftsperioden äußerst günstige Einsatzperspektiven für die Brennstoffzelle im KFZ-Einsatz vor. Sie ist daher, obwohl ihre Entwicklung z. Z. noch nicht abgeschlossen ist, als zukünf­ tiger Energieversorger für den KFZ-Antrieb wissenschaftlich anerkannter Favorit [9, 10, 11, 12, 13]. Ihre Tauglichkeit und Vorzüge für den KFZ-Einsatz wurden bereits in verschiedenen Versuchsprojekten [3, 8, 13, 14] unter Beweis gestellt.
Da die effizienteste Treibstoffform für die Brennstoffzelle, reiner Wasserstoff, in der nähesten Zukunft unter wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen nicht zur Verfügung stehen wird, ist eine Brennstoffauf­ bereitung an Bord mittels eines Reformers als die obligatorische Lösung anzusehen. Als nachteilig beim KFZ-Einsatz sind die in Kauf zu nehmenden Gewichtsbelastungen durch den Reformer und zusätzlich erforderlicher Hilfsaggregate. Dieser Nagativ-Nebenefffekt wirkt sich bei Nutzfahrzeugen am wenigsten aus, sodaß für dieses Einsatzgebiet die Brennstoffzelle mit vorgenannter Versorgungsweise geradezu prädestiniert ist, womit zu gegebener Zeit die Realisierung solcher Antriebskonzeptionen naheliegt.
Trotz der bereits höheren Effizienz in der Energieumsetzung beim Einsatz der umweltfreundlicheren Brennstoffzelle bleibt den Entwicklern und der(n) gesamten Volkswirtschaft(en) die Verpflichtung zum sparsamen Umgang mit den verbleibenden Energieressourcen. Hierbei ist allenfalls die gesamte Energieflußkette bei den Verbrauchern einzubeziehen - im vorliegenden Einsatzfall auch der weitere Transfer mechanischer Energie im KFZ-Antriebspfad. Die Minimierung der Verluste des die Erfindung betreffenden KFZ-Antriebsstrangs ist daher mit ein Hauptziel vorliegenden Erfindungsgedankens.
Der elektromotorische Antrieb ist für die Nutzung der Brennstoffzelle für den KFZ-Antrieb obliga­ torisch. Aber auch ohne Brennstoffzellenversorgung liefert er an sich schon einen Beitrag zur Min­ derung der Imissionsmisere, insbesondere für Ballungsgebiete. In verschiedenen Forschungs- und auch KFZ-Vorserienprojekten hat er sich als realisierbar, nützlich und zukunftweisend erwiesen [10, 15, 16, 17].
Auffallend an derzeitigen Einsatzgepflogenheit ist, daß bei den meisten Entwicklungsprojekten, in denen sowohl (in einer abklingenden Tendenz) Gleichstrommotore mit Nebenschlußcharakteristik, als auch (in zunehmenderweise) Drehstrommotore mit induziertem Feld als Asynchronmaschinen oder Drehstrom­ synchronmaschinen Einsatz finden - alle weitgehend mit Nebenschlußcharakteristik zur Anwendung kommen. Die von der Urzeit der KFZ-Entwicklung her bekannte Erfordernis einer Drehmomenten­ wandlung im Antriebspfad nach dem bekannten Begriff "Fahrhyperbel" bleibt weitgehend unberück­ sichtigt. Zwar sind zweistufige Elektromotor-Getriebekombinationen aus Entwicklungsprojekten bekannt, auch gibt es Elektromotormodifikationen, die in ihrem Drehmoment in (Teil-)Drehzahlbe­ reichen Hyperbelcharakter aufweisen, jedoch werden diese "teilweisen Anpassungen" bei weitem nicht der Fahrhyperbel herkömmlicher mehrfach gestufter KFZ-Getriebe gerecht. Näheres zu dieser Thematik beinhalten auch die Literaturstellen [15, 16, 17] und auch Fig. 5. Die genannten Literaturstellen beschrei­ ben auch bereits praktisch ausgeführte Projekte, die mittels eines nachgeschalteten CVT Hyperbel- Drehmomentenverläufe aufweisen. Diese Projekte lagen jedoch leistungsmäßig weit unterhalb der den vorliegenden Erfindungsgegenstand zugedachten Leistungsklassen.
Durch die auf die Zugkraft sich günstig auswirkende Drehmomentenwandlung im Übertragungsstrang läßt sich auch die Dimensionierung der Antriebsmaschine kleiner haften, womit sich auch die Verluste in vielen, den häufigsten Betriebsbereichen reduzieren lassen. Daher ist es vorteilhaft, Elektromotore mit stufenlosen Getrieben (CVT) zu koppeln.
Wie den meisten Kraftmaschinen eigen, wird auch der Wirkungsgrad der Elektromotore von Drehzahl und Leistung mit der er betrieben wird, beeinflußt. Zur Vermeidung bzw. zur Einschränkung von Ver­ lusten ist daher immer ein günstiger Kennfeldbereich für seinen Einsatz anzustreben, der meist im oberen Leistungsbereich liegt. Die Schaffung von Antriebskonzeptionen, die dies ermöglichen, ist ein wesentliches Ziel des Erfindungsgedankens.
Der derzeitige Entwicklungs- und Einsatz-Stand des elektromotorischen KFZ-Antriebes ist weitgehend - außer Bussen - auf den PKW-Sektor fixiert. Die (Vor-)Serienprodukte solcher Antriebskomponenten sind für den angestrebten Nutzfahrzeugeinsatz mit seinem wesentlich höheren Leistungsbedarf zu schwach. Einer naheliegenden, machbaren Vergrößerung steht bei dem großen Belastungsspektrum im Nutzfahrzeugsektor entgegen, daß dann bei geringer Auslastung die Verluste wiederum relativ hoch sind. Auch bedingen quasi Sonderausführungen, zumindest Serien kleinerer Stückzahlen, relativ hohe Herstellungskosten.
Ziel vorliegenden Erfindungsgegenstandes ist daher auch KFZ-Elektroantriebskonzeptionen zu schaffen, die den wirtschaftlichen Einsatz in größeren Serien hergestellter (was in Zukunft zu erwarten ist), dem PKW-Einsatz zugedachte Elektromotorkomponenten ermöglichen, was auch für die anschließend behandelten mechanischen CVT-Komponenten gilt.
CVT (Continously Variable Transmission) gehören als KFZ-Antriebskonzeptionen im Zusammen­ hang mit Brennkraftmaschinen zum Stande der Technik. Als Ergänzung zu den kurz angeführten Ausführungsmerkmalen im Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 3 wird auf Literartur [18, 19, 20] verwiesen. Solche Antriebskonzeptionen haben sich in Studien,- Forschungs- und bereits auch in PKW-Serienprojekten als vorteilhaft und zukunftweisend erwiesen. Mit Energiespareffekten, Fahr­ komfortsteigerung und vor allem in der durch sie gegebenen Möglichkeit zur optimalen, vorstehend behandelten Motorkraftnutzung bergen sie vorteilhafte Funktionseigenschaften für den KFZ-Antrieb. Praktische CVT-Anwendungen im (allerdings leistungsschwachen) Nutzfahrzeugsektor haben sich ebenfalls bereits bewährt [5, 16, 17].
Die Nutzung der Funktionsvorteile, die ein CVT im KFZ-Antriebsstrang ermöglicht, wird in Anbetracht eines zunehmenden Einsatzes des Elektroantriebes im Zusammenhang mit der zukunftsorientierten Stromversorgung durch die Brennstoffzelle, auch auf den Nutzfahrzeugsektor interessant und vakant.
Im Gegensatz zum PKW-Einsatz, wo der zeitlich häufigste Einsatz sich im "Schnellen" abspielt, liegt bei Nutzfahrzeugen, insbesondere bei den dazugehörenden Arbeitsfahrzeugen wie Baumaschinen u. dglch. zeitanteilig der Einsatzschwerpunkt im "Langsamen" bei meist noch hoher Drehmomentenbe­ lastung. CVT's nach dem derzeitigen Entwicklungsstand sind jedoch für leistungsstarke Nutzfahrzeuge zu schwach. In der noch etwas im Fluß befindlichen Fortentwicklung stecken zwar noch gewisse Leistungssteigerungspotentiale, jedoch zeichnen sich darin auch natürliche Grenzen ab. Zum einem ist in der Kontaktflächenbelastung der Friktionsgetriebe eine Grenze zu sehen, da die Hertz'sche-Pressung Grenzen setzt. Mit einer naheliegenden Verminderung dieses Mankos durch Vergrößern der Kontakt­ flächen müssen jedoch zwangsläufig erhöhte Reibungsverluste in Kauf genommen werden, die durch die wenn auch geringen Relativ(dreh)bewegungen der in Reibkontakt stehenden Reibpartner Übertragungs­ strang-Reibscheibe, nachteiligerweise auftreten. Zum anderen bedingt ein übermäßiges Verstärken (mit gewichtssteigernden Folgen) des Zug- oder Schubstranges, oder eine Geschwindigkeitserhöhung des Stranges, durch die damit zunehmende auf ihn einwirkende Fliehkraft eine Verminderung des Nutzzug­ anteiles und somit der übertragbaren Leistung.
Aufgabe und Ziel des Erfindungsgedankes ist daher desweiteren, Möglichkeiten und Einsatzbedingun­ gen für den Einsatz von (anstrebenswerterweise vorhandener, bewährter und bereits in Serienfertigung befindlicher) CVT-Komponenten für leistungsstarke Elektroantriebe für Nutzfahrzeuge zu schaffen. Zu dessen Erfüllung besteht eine bekannte Möglichkeit, mit Leistungsverzweigung im Antriebspfad ein CVT anzuordnen. Das mit nur einem Teil der durchgesetzten Leistung beaufschlagt, ermöglicht bei zwar eingeschränktem wirksamen Regelbereich eine angestrebte Drehmomentenwandlung.
Lit. [20] behandelt verschiedene Aspekt zu dieser Thematik und beschreibt ein Ausführungsbeispiel.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer CVT-Nullregel-KFZ-Antriebskonzeption liegt der Offenle­ gungsschrift DE 41 07 789 A1 zu Grunde. Deren wesentliche Absicht besteht darin, eine möglichst große Drehzahlspreizung zu erzielen, sowie eine Fahrtrichtungsumkehr in die Planetenschaltstrategie mit einzubeziehen, abgestimmt auf einen antriebsseitig vorgeschalteten hydrostatischen Drehmomenten­ wandler.
Weitere umfangreiche Planetenkombinationen, auch mit mehrfach angeordneten CVT's umfasst G 90 10 321.1. Die darin beanspruchten Mehrfach-CVT und Planetenkombinationen dienen zur Rückgewinnung, Speicherung und Nutzung von Bremsenergie, vorzugsweise zur Schaffung eines Hybridantriebes.
Zu den bereits mehrfach und mehrfältig bekundeten Aufgaben und Zielen des Erfindungsgedankens kommt ergänzend die Absicht hinzu, in letztgenannter Lösungsmöglichkeit die Funktion im Sinne einer Steigerung der Effizienz des Antriebs und der Schonung der CVT-Komponenten zu perfektionieren.
Die Lösung der genannten Aufgaben wird mit den aus den Patentansprüchen und aus den Beschrei­ bungen der Ausführungsbeispiele hervorgehenden Ausführungsmerkmalen erreicht.
In den nachfolgenden Beschreibungen werden an Hand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 betrifft eine Antriebseinheit aus zwei Elektromotoren die alternativ einzeln, gemeinsam direkt, oder einzeln über ein CVT über ein Differential(verteiler)getriebe zwei getrennte an einer Starrachse gelagerte Treibräder des Fahrwerks antreiben, wobei CVT, Differential und Starrachse eine Baueinheit bilden..
Fig. 2 zeigt eine in einen gemeinsamen Gehäuse untergebrachte Doppelanordnung einer Elektromotor- CVT-Kombination, mit je einem nachgeschalteten drehzahlreduzierenden Planetengetriebe das über Gelenkwellen mit je einen Rad des Fahrwerks in Drehverbindung steht.
Fig. 3 zeigt einen Einzelantrieb für ein Treibrad eines Fahrwerkes, bestehend aus mindestens einem Elektromotor mit einem nachfolgend verzweigten Leistungsfluß über ein CVT und einem direkt einem Umlauf-Überlagerungsgetriebe zugeführten Leistungspfad, mit Einrichtungen zur Bewirkung unter­ schiedlicher, den verschiedenen Betriebsbedingungen anpassbaren Kraftflußstrategien.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung zu dem in Fig. 3 dargestellten Überlagerungsgetriebe.
Fig. 5 veranschaulicht als Diagrammdarstellung die relativen Drehmonentenverläufe in Abhängigkeit der abtriebsdrehzahlproportionalen Fahrgeschwindigkeit einer Antriebskonzeption aus einem Elektro­ motor mit konstanter Drehmomentenkennlinie, als
  • a) reine, hintereinandergeschaltete Elektromotor-CVT-Kombination mit RCVT = 6
  • b) reine, hintereinandergeschaltete Elektromotor-CVT-Kombination mit RCVT = 3
  • c) Elektromotor-CVT-Kombination mit Leistungsverzweigung und einem Differential-Sammelgetriebe mit einem Planetenverhältnis uP1 = 1,0 und einem CVT-Regelbereich von RCVT = 6,
sowie die relativen Antriebsmomentenverläufe der beiden Leistungspfade für Ausführungsfall c).
zu Fig. 1
Der an dem Gehäuseteil 1a angeflanschte Elektromotor 2 trägt auf seiner verlängerten Welle 3 verdreh­ lose den Kegelreibscheibensatz 4, welcher mittels einer Kupplung 5 über Mitnehmerscheibe 5a und 5b mit der Motorwelle 3 verdrehfest verbunden werden kann. Alternativ ist über Mitnehmerscheibe 5c ein daran verdrehfest verbundenes Zahnrad 6 mit Motorwelle 3 koppelbar. Ein zweiter am bzw. im gleichen Gehäuse 1a untergebrachter analoger Antriebssatz, der über den Übertragungsstrang 7 mit erstem in reibschlüsssiger Drehverbindung steht, bestehend aus Elektromotor 8, Motorwelle 10, Kegelreibschei­ bensatz 9, Kupplung 11 steht über Zahnrad 12 ebenso wie ersterer mit einem zentralen Zahnrad 13 der Abtriebsbasis in Eingriff. Dieses ist verdrehfest mit einem Kegelrad 14 verbunden, das wiederum mit einem stegfesten Kegelrad 15 kämmt, welches mit den Zwischenrädern 16 und den Abtriebsrädern 17 ein im Gehäuseteil 1b sitzendes Differentialgetriebe bildet. Innerhalb einer Starrachse 1c, d, die mit den Getriebegehäusen 1a, b eine Baueinheit bildet, sind Triebwellen 18a, b zu Fahrzeugrädern geführt.
Die an die Kegelreibscheibenpaare 4, 9 angrenzend auf den Getriebewellen 3, 10 sitzende Kupplungen 5 und 11 können natürlich auch anderweitig positioniert sein und in einer anderen als der dargestellten Weise mit den zu kuppelnden Basen in Verbindung stehen. Zur Erfüllung der ihnen zugedachten Funktion weisen sie folgende Komponenten auf:
eine kegelreibscheibenfeste Komponente 5a, 11a,
eine getriebewellenfeste Komponente 5b, 11b,
eine zum Abtrieb führende Komponente 5c, 11c
eine die Komponenten 5a, 11a und 5c, 11c überbrückende Komponente 5d, 11d.
Je nach Art der Einsatzfälle kann es erforderlich oder nützlich sein, in die Antriebspfade weitere drehzahlreduzierende Zahnrads tufen anzuordnen.
Für den Betriebsfall des starren Durchtriebes (ohne Leistungsfluß über das CVT) sind starre Übersetzungsstufen so abgestimmt, daß ein wirtschaftlicher Motorbetriebsbereich einer häufig vorkommenden Fahrbetriebsweise zugeordnet ist.
Als Betriebsweise bieten sich mehrere vorteilhafte, auf die jeweiligen Einsatzbedingungen und -Erfor­ dernisse abgestimmte Funktionsweisen an:
  • a) Bei hohem Drehmomentenbedarf und leistungsmäßig mäßiger Auslastung eines Antriebsmotors, z. B. Pos. 2, stellen die Kupplungkomponenten 5a und 5b den Kraftpfad über CVT 4/7/9, Kupplungskom­ ponenten 11a, 11b, Zahnräder 12, 13, 14 zum Differentialgetriebe her. Die Drehmomentenwandlung vollzieht sich nach bekannter Art im gleichen Verhältnis des Drehzahlwandelbereiches des CVT, wobei es vorteilhaft ist, je nach Kennliniencharakteristik des Motors 2 diesen in einem verlustarmen Drehzahl­ bereich zu betreiben.
    Der zweite stillstehend oder leerlaufend mitgeschleppte Antriebsmotor 8 steht für temporär auftretende Belastungsspitzen zur Leistungseinspeisung bereit, wodurch das CVT entlastet bzw. geschont wird.
  • b) Für Betriebsfälle mit konstant hohem Leistungsbedarf ist der Betrieb beider Elektromotore vorge­ sehen. Hierbei kann wie vorstehend beschrieben der zweite Motor 8 zusätzlich zugeschaltet werden, oder sie treiben starr durch. Hierbei führt der Leistungspfad beider Motore 2, 8 direkt mittels der Kupp­ lungskomponenten 5b, 5c, 11b, 1c und Zahnräder 6, 12, 13 zum Differential. Diese Betriebsweise kann besonders in Anwendungsfällen, wo das Fahrzeug gleichzeitig als Arbeitsmaschine genutzt wird, z. B. bei Radladern bzw. Schaufelbaggern, wo hohe Belastungsspitzen auftreten können und Wirtschaft­ lichkeit hinter Betriebssicherheit zurücktreten muß, lebensdauererhaltend für das CVT sein.
Insbesondere aber auch für Fernfahrten bei hoher Fahrgeschwindigkeit bei hohem Antriebsleistungs­ bedarf ist diese Betriebsweise nützlich.
Beim derzeitigen hohen Entwicklungsstand microprozessorgesteuerter Steuer- und Regeleinrichtungen ist ein intelligentes Getriebemanagement selbstverständlich, sodaß Auswahl- und Optimierungsprozesse für Schaltkombinationen und -Abläufe nach einem vorbestimmten Algorithmus ablaufen können. Auch ist vorteilhaft, die Kraftflußrichtung über das CVT nach bestimmten gespeicherten Belastungsphasen, unter Berücksichtigung übersetzungs- und lastabhängiger Lebensdauerkriterien wechseln zu lassen. Ebenso können sie die Lastanteile der Motore verlusteminimierend errechnen und einregeln.
Die wesentlichen Vorteile dieser Elektromotor-CVT-Kombination bestehen somit
  • - in der Verfügbarkeit hoher Abtriebsdrehmomente,
  • - in einer wirtschaftlich günstigen Auslastung der Antriebsmotore,
  • - in einer das CVT schonenden Betriebsweise bei besonders harten Betriebsbedingungen,
  • - in der besseren, gleichmäßigeren Ausnutzung der Verschleißreserven des als Friktionsgetriebe ausge­ führten CVT durch einen möglichen Kraftflußrichtungswechsels im CVT,
  • - bei starrem Durchtrieb (unter vorgenannten Voraussetzungen) entfallen die Verlustleistungen des CVT und das CVT wird geschont,
  • - in einer konstruktiv günstigen Bauweise.
zu Fig. 2
Auf der verlängerten, als Getriebewelle 22 ausgebildeten Welle des Elektromotors 21 sitzt im Gehäuse 20 verdrehfest der Kegelreibscheibensatz 23, der über einen Übertragungsstrang 24 mit einem weiteren, auf der Abtriebswelle 26 verdrehfest angeordneten Reibscheibensatz 25 in reibschlüssiger Drehver­ bindung steht. Abtriebseitig auf der Abtriebsgetriebewelle 26 befindet sich ein Drehzahlreduzierge­ triebe in Form eines Planetengetriebes. Das abtriebswellenfeste innere Sonnenrad 27 steht mit am Steg 30 gelagerten Planetenrädern 27 im Zahneingriff, die desweiteren mit einem gehäusefesten Hohlrad 29 im Zahneingriff stehen. Die aus dem Gehäuses 20 herausragende mit dem Steg 30 verdrehfeste Ausgangswelle 31 trägt ein Gelenk 32, an das die anschließend zu einem Treibrad des Fahrzeuges führende Welle 33 angeflanscht ist.
Eine im gleichen Gehäuse 20 angeordnete weitere Elektromotor-CVT-Kombination ist gleichgeartet, bestehend aus Elektromotor 35, kombinierte Motor-Getriebewelle 36, Antriebsreibscheibensatz 37, Übertragungselement 38, Abtriebsreibscheibensatz 39 Abtriebswelle 40, inneres Sonnenrad 41, Plane­ tenrad 42, Planetensteg 43, Hohlrad 44, Planetenstegwelle 45, Gelenk 46 und Treibradantriebswelle 47. Eine Schaltkupplung 48 zwischen den Antriebswellen 22 und 36 ermöglicht den Antrieb beider Kraft­ pfade mit nur einem Elektromotor.
Eine weitere, nicht dargestellte Ausgestaltung besteht in der Anordnung einer ab- und zuschaltbaren Übertragungseinrichtung zwischen An- und Abtriebswelle 22, 26 und 36, 40 für Betriebsfälle, in denen Fahrgeschwindigkeit und ein wirtschaftlicher Betriebsbereich des Antriebsmotors gleichzeitig vorliegen. Beide Übertragungsstränge werden von einer elektronischen Steuer und Regeleinrichtung gesteuert und zwangsläufig auf eine annähernd gleiche Übersetzung eingeregelt. Desweiteren regelt sie entweder über die Stromversorgung der Motore oder über Übersetzungsdivergenzien der einzelnen CVT die Belastung der einzelnen Motore bzw. deren Lastaufteilung. Dabei kann zur Minimierung der Verluste die Rege­ lung so vonstatten gehen, daß
  • - im Falle niedrigen Antriebsleistungsbedarfes nur ein Motor den Antrieb übernimmt, wobei Motor­ drehzahl und CVT-Übersetzung so eingeregelt werden, daß der Motor in einem optimalen, verlustarmen Kennlinienbereich betrieben wird,
  • - im Falle eines hohen Antriebsleistungsbedarfes beide Motore 21, 35 zur Leistungseinspeisung heran­ gezogen werden, ebenfalls unter Anwendung vorstehender Drehzahl- und Übersetzungsregelstrategie.
Letztgenannte Strategie gilt auch für die anderen Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 3.
Die wesentlichen Vorteile dieser Elektromotor-CVT-Kombination bestehen
  • - in der Verfügbarkeit hoher Abtriebsdrehmomente,
  • - in einer wirtschaftlich günstigen (hohen) Auslastung der Antriebsmotore,
  • - in einer konstruktiv günstigen Bauweise.
zu Fig. 3
Auf den im Gehäuse 50 gelagerten Getriebewellen 51, 52, welche als verlängerte Motorwellen der Elektromotore 53, 54 ausgebildetet sind, sitzen verdrehlose die Kegelreibscheibenpaare 55, 56, die über den Übertragungsstrang 57 in reibschlüssiger Verbindung stehen. Auf den gleichen Wellen befinden sich Kupplungsformationen 58, 59, die so geartet und mit den zu schaltenden Basen so verbunden sind, daß alternativ
  • - die Kegelreibscheibensätze 55, 56 verdrehlose auf ihren Wellen 51, 52 sitzen,
  • - die Kegelreibscheibensätze 55, 56 fest mit ihren Wellen 51,52 z. B. mittels Kupplungskomponenten 58b, 58c, 59b, 59c
  • - die Kegelreibscheibensätze verdrehfest mit einer im Leistungspfad weiterführenden Basis 60, 61 z. B. mittels Kupplungskomponenten 58b, 58a, 58d, 59b, 59a, 59d,
  • - die Getriebe, bzw Motorwellen 51, 52 verdrehfest mit einer im Antriebspfad weiterführenden Basis 60, 61 z. B. mittels Kupplungskomponenten 58c, 58d, 59c, 59d
gekoppelt werden können.
Das den Leistungspfad fortführende Überlagerungs-Sammelgetriebe ist nach Art eines KFZ-Differen­ tials, jedoch mit umgekehrter Funktionsaufgabe, aufgebaut. Es besteht aus zwei, je eines mit den auf den Getriebewellen sitzenden Stirnrädern 60, 61 kämmenden Stirnrädern 62 und 63, an denen Kegel­ verzahnungen 64, 65 angeordnet sind, die wiederum mit auf einem Steg 68 gelagerten Zwischenrädern 66, 67 in Eingriff stehen. Steg 68 bildet die Abtriebsbasis eines wie ein Planetengetriebe mit dem Plane­ tenverhältnis 1 zu behandelndes Sammelgetriebe. Die sich daraus ergebende, für vorliegende Antriebs­ konzeption vorteilhaften Drehzahl- und Drehmomentenverläufe gehen aus Fig. 5 hervor.
Zur weiteren, abtriesseitigen Drehzahlreduktion ist innerhalb dieses Sammel-Umlaufgetriebes ein wei­ teres Plantengetriebe angeordnet. Mit dem Steg 68 des Sammelgetriebes verdrehfest verbunden ist ein inneres Sonnenrad 69, das mit auf einem als Ausgangsbasis fungierenden Steg 70 gelagerten Planeten­ rädern 71 in Eingriff steht. Diese kämmen andererseits mit einem gehäusefesten innenverzahnten Hohlrad 72.
Eine zugeordnete microprozessorgesteuerte Regeleinrichtung managt zum Zwecke einer gleichmäßi­ geren Ausschöpfung der Verschleißkapazitäten der CVT-Reibpartien durch Inanspruchnahme der beschriebenen erfindungsgemäßen Kuplungsschaltmöglichkeiten die Kraftflußrichtung im CVT.
Des weiteren steuert sie über das mormale Betriebsmanagement hinausgehend die Leistungselektronik für die Motorbeaufschlagung in einer derartigen Weise daß - hauptsächlich bei Nutzfahrzeugen mit erweitertem Arbeitsmaschinencharakter, oder bei dem in CVT-Entwicklerkreisen bekannten und gefürchteten Begriffes "Eisplattenfahrt", wo hohe Belatungsspitzen im Antriebspfad auftreten - nach Erkennung diesbezüglich kritischer Betriebszustände der zweite, an der CVT-Leistungsübertragung nicht beteiligte Motor in einer Betriebsbereitschaft gehalten wird, indem er vom Frequenzumrichter und anderen Komponenten der Leistungselektronik quasi im Leerlauf in Betrieb gehalten wird, so, daß bei Belastungsspitzen auf Grund der belastungsabhängigen Nachgiebigkeit der anderen an der Leistungs­ übertragung beteiligten Komponenten (der erste Motor und das CVT) dieser zweite Motor spontan zur Leistungseinspeisung und CVT-Entlastung bereit steht bzw. herangezogen wird.
Vorteile dieser Konzeption sind, daß
  • a) mit einem wirksamen Planetenverhältnis von 1 für das CVT eine günstige Belastungsbeaufschlagung erzielt werden kann;
  • b) durch die integrierte Anordnung des nachgeschalteten Reduziergetriebes im Sammelgetriebe der durch die Zwischenräder 66, 67 bedingte Bauraum vorteilhaft ausgenutzt wird;
  • c) bei hohen Antriebsleistungsforderungen der CVT-Pfad durch die Möglichkeit der Leistungsein­ speisung durch den zweiten Motor das CVT entlastet und somit geschont werden kann;
  • d) bei hohen Antriebsleistungsforderungen, bevorzugt bei wenig Drehzahlregelbedürfnis, z. B. bei Fernfahrten mit hoher Geschwindigkeit, in diesem Betriebsfall einer Entbehrbarkeit des CVT durch die Möglichkeit des direkten Durchtriebes das CVT vom Antrieb entbunden werden kann, seine Leistungs­ verluste entfallen, und es selbst geschont wird.
  • e) bei der unter a) angeführten meist häufigsten Betriebsweise - insbesondere bei gleichen, sich wieder­ holenden Geschwindigkeits- bzw. CVT-Übersetungsbetriebsweisen durch Inanspruchnahme der beschriebenen erfindungsgemäßen Kuplungsschaltmöglichkeiten der Kraftfluß und somit auch die wirksamen Übersetzungsstellungen im CVT umgekehrt und somit das Verschleißvolumen des CVT optimal ausgenutzt werden kann.
zu Fig. 4
Bei dieser alternativen Sammel- und Reduziergetriebeausführung sind reine Drehzahreduzierstufen vor dem eigentlichen Sammelgetriebe, das als klassisches Planetengetriebe ausgebildet ist, angeordnet. Die aus vorstehender Fig. 3 übernommenen Zahnräder 60 und 61 der beiden Leistungspfade wirken je auf ein Zwischengetriebe mit seinen zueinander verdrehfesten Stirnrädern 75, 76 und 77, 78 ein. Das auf Welle 51 sitzende Zahnrad 60 steht über Zwischengetriebe 75, 76 mit einem Zahnrad 79 in Drehver­ bindung, das über eine Hohlwelle 81 mit einem als inneres Sonnenrad fungierenden Zahnrad 82 eines Planetengetriebes in Drehverbindung steht. Das auf Welle 52 sitzende Zahnrad 61 steht über Zwischen­ getriebe 77, 78 mit Zahnrad 83 in Drehverbindung, welches einen innenverzahnten Zahnkranz 84 aufweist, der als äußeres Sonnenrad eines Planetengetriebes fungiert. Zwischen beiden Sonnenrädern 82, 85 befinden sich mit diesen im Eingriff auf Steg 86 gelagert Planetenräder 85. Die stegfeste, im Gehäuse 50 gelagerte Ausgangswelle 87 steht mit einem Treibrad des Fahrzeuges in Drehverbindung.
zu Fig. 5
In der Diagrammdarstellung sind in Abhängigkeit der relativen Fahrzeugfahrgeschwindigkeit der Ab­ szisse 90 auf der Ordinate 91 die Relationen der An- und Abtriebsmomente verschiedener Basen der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 3 zugeordnet. Verluste bleiben der besseren Übersicht wegen unberücksichtigt.
Betriebspunkt 92 entspricht der höchsten Fahrgeschwindigkeit bei maximaler Motordrehzahl sowohl bei Konzeptionen ohne als auch mit CVT;
Gerade 93 stellt ein konstant verlaufendes Motordrehmoment dar, bei starrem Durchtrieb = Abtriebsdrehmoment;
Kurve 94 entspricht dem Abtriebsdrehmomentenverlauf mit einem CVT mit R = 6 Antriebsmoment entspricht der Geraden 93;
Kurve 95 entspricht dem Abtriebsdrehmomentenverlauf mit einem CVT mit R = 3 die Antriebsmomentenbelastung entspricht der Geraden 93;
Kurve 96 entspricht dem Abtriebsdrehmomentenverlauf bei Leistungsverzweigung nach Fig. 3 mit einem CVT mit R = 6 und einem Planetenverhältnis im Sammel-Überlager.-Getr. von 1,0; Als Antriebsmomentenbeauflschlagung bei dieser Ausführungsweise zeigt
Kurve 97 für den variablen Pfades, das CVT',
Kurve 98 für den starren Pfad.
Die wesentlich niedrigere Antriebsmomentenbeaufschlagung des CVT bei Leistungsteilung gegenüber einer Anordnung im Hauptstrang bei einem noch ausreichenden Gesamt-Drehmomentenwandlungsver­ hältnis (im vorliegenden Fall von 2,5) verdeutlichen den Vorteil einer Leistungsteilung.
Litereaturhinweise
[1] Prof. Dr. Wolf Vielstich: "Brennstoffzellen" Labor 2000 1989
[2] L. Jörissen und J. Garche: "Effizient und sauber" FAZ 27.10.1998
[3] J. Friedrich, R. Kraus, D. Spaniel: "Stand und Entwicklungsmöglichkeiten des BZ-Elektrofahrzeuges" VDI-Berichte 1378
[4] "Linienbus mit Nullemission" VDI nachrichten 30.05.97
[5] Dorothe Ostle: "Methanol ist auch für den Straßenverkehr zukunftsträchtig" FAZ 3.1.99
[6] "Klärgas als Energieträger für Brennstoffzellen" VERFAHRENSTECHNIK 34 (2000) Nr 10
[7] "Energiebombe unterm Meer" VDI nachrichten 9.10.98
[8] Ferdinand Panik: "Brennstoffzellenentwicklung" Spiegel(-Gespräch) 36/2000
[9] "Im Jahr 2004 treibt Wasserstoff den Berufsverkehr an" VDI nachrichten 23.4.99
[10] "Antriebskonzepte im Vergleich" VDI nachrichten 22.05.97
[11] Henning von Wedel: "Industrie will groß in die Wasserstofftechnologie einsteigen" VDI nachrichten 19.3.1999
[12] Pressebericht Hyfforum 2000: "Der Wasserstoff soll das Ölmonopol brechen" FAZ 14.9.00
[13] Horst Rademacher: "Sacramento ist z. Z. der Nabel der alternativen Antriebswelt" FAZ 28.11.00
[14] "Spitzenplatz für Necar 5 im Rennen der Brennstoffzellenautos" VDI nachrichten 17.11.00
[15] Dr. Ing. O. Dittrich: "Elektrofahrzeug mit stufenlosem Getriebe" Antriebstechnik 4/76
[16] "RH-Drehzahlregelgetriebe in Elektrofahrzeugen" Firmendruck der PIV-Antrieb W. Reimers KG, Bad Homburg
[17] Dr.-Ing. O. Dittrich: "Das stufenlose Kettengetriebe als Hauptantrieb im Kraftfahrzeug" VDI-Berichte 803
[18] Prof Dr.-Ing. R. Höhn: "Warum stufenlose Getr. im KFZ" VDI-Berichte 803
[19] Prof. Dr. Ing W. Bernhardt; Dipl. Ing P. Heidemeyer: Auswahl und Strukturen stufenloser PKW- Getriebe" VDI-Berichte 803
[20] H. Vahabzadeh, J. P. Macel, Dr. O. Dittrich: "Stufenloses 0-Regelgetriebe mit Leistungsverzweigung Vortrag auf dem 23. FISITA Kongress in Turin 7.-11.5.1990

Claims (21)

1. Elektromotor-CVT-Kombination für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeugantriebe bestehend aus einem Antriebssystem aus
einer Brennstoffzelle,
einem von ihr gespeisten Elektromotor,
einem im Übertragungspfad zum Fahrwerk angeordneten CVT in Form eines Kegelreibscheibenum­ schlingungsgetriebes mit einem an- und einem abtriebsseitigen verstellbaren Kegelreibscheibenpaar die über einen bandförmigen Übertragungsträger in reibschlüssiger Verbindung stehen,
wobei der Abtrieb des CVT mit mindestens einem Rad des KFZ-Fahrwerkes in Drehverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
das CVT-Getriebegehäuse (1a), das Gehäuse (1b) eines nachgeschalteten Differentialgetriebes und ein als Starrachse (1c) ausgebildeter weiterführender Treibpfad eine Baueinheit bilden,
die CVT-Getriebewelle (3, 10) mit je einem Antriebsmotor (2, 8) verdrehfest verbunden ist,
die Kegelreibscheibensätze (4, 9) auf ihren Wellen (3, 10) verdrehlos gelagert sind und mit je einer Kupplung (5, 11) in Verbindung stehen, die bevorzugt auf der gleichen Welle sitzt und so geartet ist und Verbindungswege derart aufweist, daß die Kegelreibscheibenpaare (4, 9) alternativ verdrehlose zu ihren Wellen (3, 10) geschaltet,
mit ihren Wellen (3, 10) verdrehfest gekoppelt,
mit einer weiterführenden Basis (6, 12) des Abtriebspfades verdrehfest verbunden,
oder die motorfeste Getriebewelle (3, 10) direkt mit einer Abtriebsbasis (6, 12) verbunden werden kann.
2. Elektromotor-CVT-Kombination für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeugantriebe bestehend aus einem Antriebssystem aus
einer Brennstoffzelle,
einem von ihr gespeisten Elektromotor,
einem im Übertragungspfad zum Fahrwerk angeordneten CVT in Form eines Kegelreibscheibenum­ schlingungsgetriebes mit einem an- und einem abtriebsseitigen verstellbaren Kegelreibscheibenpaar, die über einen bandförmigen Übertragungsträger in reibschlüssiger Verbindung stehen,
wobei der Abtrieb des CVT mit mindestens einem Rad des Fahrwerkes in Drehverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwei CVT (23, 24, 25; 37, 38, 39) in einem Gehäuse (20) angeordnet sind,
wobei jedes CVT einem separaten Radantrieb (33, 37) zugeordnet ist,
die antriebsseitigen Getriebewellen (22, 36) koaxial zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Drehachse aufweisen und jeder ein Antriebsmotor (21, 35) zugeordnet ist,
auf der dem Antriebsmotor (21, 35) abgewandten Antriebswellenseite eine Schaltkupplung (48) zum Koppeln der Antriebs-Getriebewellen (22, 36) befindet,
desweiteren als weiterführendes Übertragungselement an jeder Getriebeabtriebswelle (26, 40) ein Drehzahl-Reduziergetriebe (27, 28, 29, 30; 41, 42, 43, 44) angeordnet ist, auf dessen Ausgangswelle (31, 45) ein Gelenk (32, 46) für die zu den Treibrädern führenden Wellen (33, 47) sitzt.
3. Elektromotor-CVT-Kombination für brennstoffzellenbetriebene Nutzfahrzeugantriebe bestehend aus einem Antriebssystem aus
einer Brennstoffzelle,
einem von ihr gespeisten Elektromotor,
einem im Übertragungspfad zum Fahrwerk angeordneten CVT in Form eines Kegelreibscheibenum­ schlingungsgetriebes mit einem an- und einem abtriebsseitigen verstellbaren Kegelreibscheibenpaar, die über einen bandförmigen Übertragungsträger in reibschlüssiger Verbindung stehen, wobei der Übertra­ gungspfad geteilt ausgeführt ist, in dem sowohl die CVT-Getriebeantriebswelle als auch die CVT- Getrie-beabtriebswelle mit den Antriebsbasen eines Sammel-Überlagerungsgetriebes verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
jeder CVT-Getriebewelle (51, 52) ein Antriebsmotor (53, 54 zugeodnet ist,
die Kegelreibscheibenpaare (55, 56) verdrehlose auf ihren Wellen (51, 52) gelagert sind,
den Kegelreibscheibenpaaren (55, 56) und ihren Wellen (51, 52) je eine Kupplung (58, 59) zugeordnet ist, die bevorzugt auf der gleichen Welle sitzt und so geartet ist, daß alternativ
  • - der Kegelreibscheibensatz (55, 56) zu seiner Welle (51, 52) verdrehlose
  • - der Kegelreibscheibensatz (55, 56) zu seiner Welle (51, 52) verdrehfest
  • - der Kegelreibscheibensatz (55, 56) mit einem mit dem Abtrieb verbundenen Zahnrad (60, 61) verdrehfest
  • - die Getriebewelle (51, 52) mit einem abtriebspfadverbundenen Zahnrad (60, 61) verdrehfest verbunden ist,
und die über die CVT-Getriebewellen (51, 52) führenden Leistungspfade durch ein, vorzugsweise zwi­ schen beiden Wellen angeordnetes, Sammel-Überlagerungsgetriebe zusammengeführt und an den Fahrwerksantrieb weitergeleitet werden.
4. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Elektro-Antriebsmotors (2, 8, 21, 35, 53, 54) verlängert und als CVT-Getriebewelle (3, 10, 22, 36, 51, 52) ausgebildet ist.
5. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (2, 8, 21, 35, 53, 54) im Getriebegehäuses (1a, 20, 50) integriert angeordnet ist, in dem das Getriebegehäuse Sitze für die Statoren der Motore aufweist.
6. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zu dem Statorsitz das Gehäuse (1, 20, 50) noch weitere Sitze für Lagerelemente zur Lagerung der Getriebewellen (3, 10, 22, 36, 51, 52) aufweist, in einer nach der Abtriebseite hin sich verjüngenden Formation und in einer Weise, daß vormontierte Einheiten aus Motor, Getriebewelle, Kegelreibschei­ benpaar, Kupplung und Zahnrad von der motorseitigen Stirnseite des Gehäuses aus montiert und demontiert werden können.
7. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abtriebseitig zwischen den Getriebewellen (3, 10) als sammelnde, bzw. die Treibpfade wieder zusam­ menführende Basis ein Zahnrad (13) angeordnet ist, welches mit einem Kegelrad (14) in einer verdreh­ festen Verbindung steht, das wiederum mit einem umlaufenden stegfesten Zahnkranz (15) eines nachge­ schalteten Differentialgetriebes (16, 17) im Zahneingriff steht.
8. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlreduziergetriebe ein Planetengetriebe (27, 28, 29, 30; 41, 42, 43, 44) ist.
9. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammel-Überlagerungsgetriebe der Funktionsweise eines Planetengetriebes gerechtwerdend mit einem Planetenverhältins von etwa 1,0 aufgebaut ist, in dem zwei von die getrennten Leistungspfade übertragenden Elemente (60, 61) angetriebene Zahnräder (62, 63) auf einer getriebewellenparallelen Rotationsachse (74) angeordnet sind, diese über einen daran angeordneten Kegelradzahnkranz (64, 65) mit mehreren als Planetenräder fungierenden Kegelrädern (66, 67) in Eingriff stehen die auf einen, die Abtriebsbasis des Planetengetriebes bildenden Steges (68) auf einer radial verlaufenden Drehachse gelagert sind.
10. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Sammel-Überlagerungsgetriebes (62-68) ein Drehzahlreduziergetriebe angeordnet ist.
11. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, 9, und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlreduziergetriebe ein Planetengetriebe ist, vorzugsweise derart ausgeführt, daß die Abtriebs­ basis (68) des das Drehzahlreduziergetriebe umhüllende Sammel-Überlagerungsgetriebe mit dem inneren Sonnenrad (69) des Drehzahlreduziergetriebes in Drehverbindung steht, dieses Sonnenrad mit auf einem als Abtriebsbasis des Drehzahlreduziergetriebes fungierenden Steg (70) gelagerten Planten­ rädern (66) kämmt, welche andererseits mit einem gehäusefesten Hohlrad (72) in Eingriff stehen.
12. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammel-Überlagerungsgetriebe zur Funktionsweise eines Planetengetriebes mit einem Planeten­ verhältins von 1,0 bis 2,0 aufgebaut ist, mit zwei auf einer getriebewellenparallelen Rotationsachse (74) gelagerte Zahnräder (79, 83), die mit den die Leistungspfade übertragenden Zahnrädern (60, 61) im Eingriff stehen, wobei das eine (79) über eine Hohlwelle (81) mit einem inneren Sonnenrad (85) ver­ bunden ist und das andere (83) durch eine an einer Abkröpfung angeordneten Innenverzahnung (84) selbst das äußere Sonnenrad des Planetengertriebes bildet, wobei beide mit auf einem die Abtriebsbasis des Planetengetriebes bildenden Steg (86) gelagerten Planetenrädern (86) in Eingriff stehen.
13. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den leistungsübertragenden Elementen (60, 61) beider Treibpfade und dem Sammel-Über­ lagerungsgetriebe (62 bis 72, 79 bis 86) eine oder mehrere Untersetzungsstufen (67, 76, 77, 78) ange­ ordnet sind.
14. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromotore (2, 8, 21, 35, 53, 54) etwa die gleiche Nennleistung wie das bzw. die in der Baueinheit angeordnete(n) CVT (4, 7, 9; 23, 24, 25; 36, 37, 39; 55, 56, 57) und sich um höchstens +-20% unterschei­ den
15. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektromotore (53, 54) so ausgelegt sind, daß ihre Stillstands-Haltemomente mindestens so groß sind wie ihre Antriebsdrehmomente im Lauf.
16. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem des zu den Sammel- und Überlagerungsgetrieben (64, 65, 66, 67, 68, 69; 79, 83, 84, 85, 86) führenden Übertragungspfaden eine Blockiereinrichtung angeordnet ist.
17. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrfach an mehreren Treibachsen eines KFZ angeordnet ist.
18. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie an bzw. in mehreren Fahrzeugen eines aus mehreren Fahrzeugen bestehenden Zuges angeordnet sind, beispielsweise auch in Anhängern von Lastzügen.
19. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
sie in einem Kettenfahrzeug eingesetzt ist, wobei jede Ausgangswelle (33, 47) mit der Kette einer Fahrzeugseite in Verbindung steht,
ihr eine Steuer- und Regeleinrichtung zur Bewirkung des Antriebsmanagements mit derartigen Funk­ tionsweisen zugeordnet ist, daß über das Fahrgeschwindigkeitsmanagement durch Regelung der Antriebsdrehzahlen der Motore (21, 35) oder durch Übersetzungsregelung der CVT (23, 24, 25; 37, 38, 39) die Lenkung des Kettenfahrzeuges bewirkt wird.
20. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestes zwei in einem Kettenfahrzeug eingesetzt sind, wobei ihre Ausgangswellen (73, 87) mit je einer Kette einer Fahrzeugseite in Verbindung stehen,
ihr eine Steuer- und Regeleinrichtung zur Bewirkung des Antriebsmanagements mit derartigen Funk­ tionsweisen zugeordnet ist, daß über das Fahrgeschwindigkeitsmanagement durch Regelung der Antriebsdrehzahlen der Motore (53, 54) oder durch Übersetzungsregelung des CVT (55, 56, 57) die Lenkung des Kettenfahrzeuges bewirkt wird.
21. Elektromotor-CVT-Kombination nach Anspruch 2, 3, 4 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß
an ihren An- und Abtriebsbasen Drehzahlsensoren,
an ihren Antriebsmotoren oder in der zugeordneten Leistungselektronik Einrichtungen zur Messung der Motorleistungen
angeordnet sind, die mit einer ihr zugeordneten microprozessorgesteuerten Regeleinrichtung vernetzt sind,
wobei die microprozessorgesteuerte Regeleinrichtung elektronische Komponenten mit einem Funktions­ verhalten derart aufweist, daß
der momentane Betriebs- und Belasungszustand erfasst wird, mit folglicher Errechnung und Schaltung eines ökonomisch günstigen Kraftflusses nach einem vorbestimmten Algorithmus, wobei
  • - vorzugsweise nur ein Antriebsmotor von zwei vorhandenen Motoren (2, 8, 21, 35, 53, 54) zur Lei­ stungseinspeisung herangezogen wird,
  • - bei Vorliegen oder Überschreiten einer vorbestimmten Leistungsbedarfsmarge, z. B. die Nennleistung oder ein Leistungsbereich günstigen Wirkungsgrades eines Motors überschreitet, eine Optimierungs­ berechnung zur Leistungsaufteilung zwischen den Motoren erfolgt, nach der dann die Leistungsanteile beider Motoren eingeregelt werden,
  • - beim Betrieb mit Leistungsverzweigung über das CVT eine laufende Erfassung, Summierung und Speicherung der in verschiedenen CVT-Übersetzungsbereichen gefahrenen Leistungen vorgenommen wird, Vergleichsprozesse ablaufen, die bewirken, daß bei unausgeglichener Reibpartiebeanspruchung des Friktionsgetriebes der Kraftfluß zwischen den Kegelreibscheibensätzen (4, 9; 55, 56), geändert bzw. umgekehrt wird, nach einem vorgegebenen Modus so, daß die Verschleißreserven des CVT gleichmäßig und optimal ausgenutzt werden,
  • - beim Betrieb mit Leistungsverzweigung über das CVT (4, 9, 7; 55, 56, 57) nach Überschreiten einer vorbestimmten Leistungsmage des CVT-Pfades der auf der CVT-Abtiebswelle sitzende Antriebsmotor auch zur Leistungseinspeisung herangezogen wird,
  • - beim Betrieb mit voller Leistungsübertragung über das CVT (4, 7, 9) oder mit Leistungsverzweigung über das CVT (55, 56, 57) nach Erkennung kritischer Betriebsbedingungen, wie z. B. wiederholt auf­ tretende Belastungsspitzen, der zweite, an der CVT-Abtriebswelle sitzende Motor im Leerlauf in Betrieb gehalten (mit synchroner Frequenz betrieben) wird, so, daß bei Belastungsspitzen mit folg­ lichen (kennlinienbedingten) Drehzahleinbrüchen diesem Motor spontan eine Leistungspitze abverlangt und der CVT-Pfad entlastet wird,
  • - bei hoher Antriebsleistung und Vorliegen weitgehehnd gleichmäßiger Betriebsbedingungen, z. B. bei Fernfahrten mit hoher Fahrgeschwindigkeit das CVT von der Leistungsübertragung entbunden wird, in­ dem ein Kraftfluß nur über starre Übertragungspfade (3-5b-5c, 10-11b-11c; 51-58c-58d, 52-59c-59d) geschaltet wird.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004026562B3 (de) * 2004-05-27 2006-03-16 Montech Ag Transportsystem mit Laufwagen, welche mittels Brennstoffzellen angetrieben sind
DE102008053051A1 (de) 2008-10-24 2010-04-29 Heinrich Denke Kraftfahrzeugantriebseinrichtung
ITTO20110483A1 (it) * 2011-06-03 2012-12-04 Oerlikon Graziano Spa Sistema di propulsione elettrico per veicoli
WO2013037629A1 (en) * 2011-09-14 2013-03-21 Coskunoz Metal Form Makina Endustri Ve Tic. A.S. Power transmission mechanism
DE102020119290A1 (de) 2020-07-22 2022-01-27 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004026562B3 (de) * 2004-05-27 2006-03-16 Montech Ag Transportsystem mit Laufwagen, welche mittels Brennstoffzellen angetrieben sind
DE102008053051A1 (de) 2008-10-24 2010-04-29 Heinrich Denke Kraftfahrzeugantriebseinrichtung
DE102008053051B4 (de) * 2008-10-24 2011-06-09 Heinrich Denke Kraftfahrzeugantriebsvorrichtung
ITTO20110483A1 (it) * 2011-06-03 2012-12-04 Oerlikon Graziano Spa Sistema di propulsione elettrico per veicoli
EP2529967A1 (de) 2011-06-03 2012-12-05 Oerlikon Graziano S.P.A. Elektrisches Antriebssystem für Fahrzeuge
US8739655B2 (en) 2011-06-03 2014-06-03 Oerlikon Graziano S.P.A. Electric propulsion system for vehicles
WO2013037629A1 (en) * 2011-09-14 2013-03-21 Coskunoz Metal Form Makina Endustri Ve Tic. A.S. Power transmission mechanism
DE102020119290A1 (de) 2020-07-22 2022-01-27 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug

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