DE10121917A1 - Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die einen Verbrennungsmotor aufweist sowie ein Getriebe, wobei über eine Drehbewegung der Ausgangswelle des Getriebes die antreibbaren Räder des Kraftfahrzeugs antreibbar sind, wobei eine Elektromaschine mit zumindest einem Rotor und zumindest einem Stator im Antriebsstrang so montiert ist, daß deren zentrale Achse und die Längsachse der Ausgangswelle des Getriebes eine gemeinsamen Achse bilden, wobei die Elektromaschine zwischen dem getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle und Getriebe angeordnet ist, der Stator der Elektromaschine starr mit dem Kurbelwellengehäuse verbunden ist, der Rotor oder ein Rotorhalter einerseits über ein Lager am Kurbelwellengehäuse gelagert und andererseits starr mit einer Getriebeeingangswelle verbunden ist, wobei die Getriebeeingangswelle zur Drehmomentübertragung auf einen Drehmomentwandler des Getriebes vorgesehen ist, und wobei die Kurbelwelle zur Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle auf die Getriebeeingangswelle über ein flexibles Element mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Aus der DE 27 32 974 A1 ist eine Antriebseinheit bekannt, bei der ein Nutzfahrzeug mit einem Elektromotor ausgestattet ist, mit dem das Fahrzeug im normalen Fahrbetrieb angetrieben wird. Weiterhin ist dieses Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet, mit dem das Fahrzeug alternativ oder zusätzlich zu dem Elektromotor antreibbar ist. Bei dem Aufbau der Antriebseinheit bildet der Elektromotor einen Teil der Kardanwelle der Antriebseinheit und damit auch einen Teil der Ausgangswelle des Getriebes. Zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe einerseits sowie dem Teil des Antriebsstrangs, der den Elektromotor bis hin zu den antreibbaren Rädern des Fahrzeugs umfasst, ist eine Kupplungseinrichtung angeordnet, mit welcher der Verbrennungsmotor und das Getriebe vom Rest des Antriebsstrangs trennbar sind.
Problematisch ist bei einer solchen Anordnung, wenn Taumelbewegungen der Welle auf den Elektromotor übertragen werden. Für solche Einbauten sind daher Elektromotoren mit großem Luftspalt vorzusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem eine Übertragung von Taumelbewegungen einer Welle auf eine damit antriebsmäßig verbundene Elektromaschine vermindert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Kurbelwellenflansch zur Drehmomentübertragung vom Kurbelwellenflansch auf eine Getriebeeingangswelle über ein flexibles Element mit der Getriebeeingangswelle verbunden und der Rotor der Elektromaschine durch ein Lager an dem Kurbelwellengehäuse gelagert.
Damit gelingt es vorteilhaft, daß eine Taumelbewegung des Kurbelwellenflanschs die Getriebeeingangswelle und den Rotor der Elektromaschine praktisch nicht mehr beeinflußt. Das flexible Element läßt dabei Taumelbewegungen zu und kann Bewegungen senkrecht zu der zentralen Achse der Elektromaschine ausführen. Diese Bewegungen bleiben jedoch auf das flexible Element beschränkt und übertragen sich praktisch nicht mehr auf die Getriebeeingangswelle oder den Rotor der Elektromaschine, die über das Lager in Richtung senkrecht zur zentralen Achse festgehalten sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Im folgenden ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Antriebsstrang gemäß der Erfindung mit einem Wellbalg zur Drehmomentübertragung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine konventionelle Mitnehmerscheibe,
Fig. 3 Details einer bevorzugten Mitnehmerscheibe, und
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Antriebsstrang gemäß der Erfindung mit einer Mitnehmerscheibe.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Antriebs anhand eines schematischen Ausschnitts aus einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
Das Kraftfahrzeug wird von einem Antriebsmotor, vorzugsweise einem Verbrennungsmotor, angetrieben. Über die Drehbewegung einer Welle eines Getriebes 4 sind antreibbare Räder des Fahrzeugs antreibbar.
Zwischen dem Ende 1 einer Kurbelwelle mit Kurbelwellenflansch 2 und Kurbelwellengehäuse 3 und einem Getriebe 4, vorzugsweise einem Automatgetriebe, ist eine Elektromaschine 6 angeordnet. Das Getriebe 4 ist nur grob durch einen eingangsseitigen Drehmomentwandler 14 und einen Ausschnitt des Gehäuses 4 angedeutet. Die zentrale Achse 7 der Elektromaschine 6, um die der Rotor 9 der Elektromaschine 6 rotieren kann, fällt mit der Achse des Antriebsstrangs bzw. der Getriebeeingangswelle zusammen. Im folgenden wird diese Richtung als Achsrichtung 7 beschrieben.
Der Stator 8 der Elektromaschine 6 ist starr mit dem Kurbelwellengehäuse 3 verbunden. "Starr verbunden" soll heißen, daß im Betrieb keine Bewegung senkrecht zur Achse 7 möglich sein soll. Es können jedoch Elemente vorgesehen sein, die zumindest eine Winkelversatz zwischen den zu verbindenden Teilen erlauben, so daß etwaige Fertigungstoleranzen bei der Montage leichter ausgeglichen werden können.
Innerhalb des Stators 8 ist der Rotor 9 der Elektromaschine 6 angeordnet. Der Rotor 9 kann auf einem Rotorhalter 10 angeordnet sein. Der Rotor 9, bzw. der Rotorhalter 10, ist auf seiner dem Kurbelwellengehäuse 3 zugewandten Seite 11 über ein Lager 13, vorzugsweise ein Wälzlager, besonders bevorzugt ein Kugellager, am Kurbelwellengehäuse 3 gelagert. Der Rotor 9 ist damit axialfest und drehfest mit dem Kurbelwellengehäuse verbunden. Die dem Getriebe 4 zugewandte Seite 12 des Rotorhalters 10 ist starr mit der Getriebeeingangswelle 5 verbunden. "Starr verbunden" ist auch hier wie oben erläutert zu verstehen.
Die Drehmomentübertragung auf die Getriebeeingangswelle erfolgt durch einen Drehmomentwandler 14 des Getriebes 4, der in der Figur durch seine Kontur angedeutet ist.
Die Getriebeeingangswelle, bzw. der Drehmomentwandler 14, ist über ein flexibles Element 15 mit der Kurbelwelle bzw. dem Kurbelwellenflansch 2 verbunden. Das flexible Element 15 überträgt das Drehmoment von der Kurbelwelle bzw. vom Kurbelwellenflansch 2 auf den Wandler 14 und damit auf die Getriebeeingangswelle. Gleichzeitig ermöglicht des flexible Element 15 im wesentlichen im Raum innerhalb des Rotors 9 bzw. des Rotorhalters 10 einen radialen Versatz, also eine Bewegung senkrecht zur Achse 7, die von Taumelbewegungen des Kurbelwellenflanschs 2 herrühren. Diese Taumelbewegungen übertragen sich jedoch praktisch nicht auf den Rotor 9. Der Rotor 9 und auch die Getriebeeingangswelle 5 sind durch das Lager 13 am Kurbelwellengehäuse 3 abgestützt. Der Rotor 9 und die Getriebeeingangswelle, bzw. der Wandler 14, bleiben daher im wesentlichen, was einen radialen Versatz gegenüber der Achse 7 anbetrifft, in Ruhe.
Dies hat mehrere Vorteile. Zwischen Rotor 9 und Stator 8 ist nunmehr ein sehr kleiner Luftspalt L möglich. Dieser ist in der Figur zwischen Stator 8 und einem Rotorzahn des Rotors 9 angedeutet. Müßte die Taumelbewegung des Kurbelwellenflanschs 2 für den Abstand zwischen Rotor 9 und Stator 8 berücksichtigt werden, wenn etwa der Drehmomentwandler 14 direkt mit dem Kurbelwellenflansch 2 und der Rotor 9 direkt mit dem Drehmomentwandler 14 gekoppelt wären, könnten nur Elektromaschinen mit entsprechend großem Luftspalt L verwendet werden. Je nach Höhe des Wickelkopfs der Elektromaschine 6 müßten solche Maschinen mit Luftspalten L von mehreren Millimetern eingesetzt werden. Je größer der Wickelkopf der eingesetzten Maschine, d. h. je länger diese Maschine in Achsrichtung 7 ist, desto größer wäre der vertikale Versatz des Drehmomentwandlers 14. Damit müßten hohe elektrische Verluste der Maschine in Kauf genommen werden oder es könnten nur permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt werden, bei denen die Größe des Luftspalts bei den elektrischen Verlusten keine so große Rolle spielt. Außerdem wäre dann die Bauhöhe, d. h. die axiale Länge des Wickelkopfs bzw. der Elektromaschine sehr beschränkt, da kein beliebig großer vertikaler Versatz des Drehmomentwandlers bzw. des Rotors 9 tolerierbar ist.
Gemäß der Erfindung können nunmehr Elektromaschinen 6 mit sehr kleinen Luftspalten L eingesetzt werden, d. h. die Luftspalte L können unterhalb von 1 mm liegen. Eine bevorzugte Elektromaschine 6 in der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist eine geschaltete Reluktanzmaschine. Bei Luftspalten oberhalb von 1 mm zeigen diese Reluktanzmaschinen so hohe elektrische Verluste, daß ein Einsatz nicht in Frage kommt.
Da sich eine Taumelbewegung gemäß der Erfindung auf den Bereich des flexiblen Elements 15 beschränkt, können auch Elektromaschinen 6 mit deutlich größerer Bauhöhe verwendet werden. So kann in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung eine Elektromaschine 6 eingesetzt werden, die als Starter/Generator ausgelegt ist. Diese hat eine relativ geringe Bauhöhe, bzw. Höhe des Wickelkopfs. Die Elektromaschine 6 kann aber auch deutlich länger mit größerer Bauhöhe ausgelegt werden, so daß diese mehr Leistung erbringen kann und sie sogar als Traktionsantrieb im Antriebsstrang genutzt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Taumelbewegung nunmehr nicht mehr die Lager in dem Getriebe 4 belastet, da die Bewegung durch das flexible Element 15 abgefangen wird. So wird in einem üblichen Automatgetriebe das Primärpumpenlager erheblich entlastet. Dieses kann daher kleiner und billiger ausgelegt werden.
Bevorzugt ist das flexible Element 15 als Wellbalg oder Faltenbalg ausgebildet, vorzugsweise als Metallbalg, wie in Fig. 1 dargestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das flexible Element 15 nach Art einer Mitnehmerscheibe ausgebildet. Dies ist in Fig. 3 dargestellt.
In Fig. 2 ist eine übliche, flache Mitnehmerscheibe, wie sie aus der DE 198 57 232 bekannt ist, dargestellt. Eine solche konventionelle Mitnehmerscheibe ähnelt einem Kleeblatt. Sie weist mindestens drei radial nach außen, gleichmäßig am Umfang verteilte Flächen 17a, 18a, 19a zur Einleitung von Drehmoment auf einen Drehmomentwandler eines Getriebes sowie drei ebenfalls gleichmäßig am Umfang verteilte Öffnungen 20a, 21a, 22a auf.
In Fig. 3 ist ein bevorzugtes flexibles Element 15, welches nach Art einer solchen Mitnehmerscheibe ausgebildet ist und ein bevorzugter Rotorhalter 10 dargestellt. Das flexible Element 15 weist drei radial nach außen, gleichmäßig am Umfang verteilte Flächen 17, 18, 19 sowie drei ebenfalls gleichmäßig am Umfang verteilte Öffnungen 20, 21, 22 auf. Zusätzlich ist im Zentrum 23 des Elements 15 eine Ausbauchung 24 in axialer Richtung 7 vorgesehen. Die Ausbauchung 24 ist zur Verbindung mit dem Kurbelwellenflansch 2 vorgesehen.
Der Rotorhalter 10 ist ebenfalls nach Art einer Mitnehmerscheibe ausgebildet und weist drei nach außen gerichtete Flächen 25, 26, 27 und Öffnungen 28, 29, 30 sowie eine axiale Ausbauchung 32 im Zentrum 31 auf. Der Rotorhalter 10 sitzt konzentrisch über dem flexiblen Element 15, so daß die Ausbauchung 32 des Rotorhalters 10 die Ausbauchung 24 des Elements 15 zumindest teilweise umschließt und die radial nach außen verteilten Flächen 25, 26, 27 des Rotorhalters 10 in die Öffnungen 20, 21, 22 des als Mitnehmerscheibe gestalteten flexiblen Elements 15 ragen. Die Flächen 17, 18, 19 des flexiblen Elements 15 sind durch die Öffnungen 28, 29, 30 des Rotorhalters 10 . zugänglich. Die Ausbauchung 32 ist zur Verbindung mit dem Lager 13 vorgesehen. Der Rotor 9 ist über diese Ausbauchung 32 gesteckt.
Die Anordnung im Antriebsstrang ist in Fig. 4 dargestellt. Die Komponenten entsprechen weitgehend denen in Fig. 1. Das flexible Element 15 ist nicht als Wellbalg ausgebildet, sondern als Mitnehmerscheibe, die eine spezielle Ausprägung hat.
Im Bereich 16 der Mitnehmerscheibe können die Taumelbewegungen senkrecht zur Achse 7 ausgeführt werden. Die Ausbauchung 32 des Rotorhalters 10 ist über das Lager 13 mit dem Kurbelwellengehäuse 3 verbunden. Im Bereich 16 kann das flexible Element 15 so präpariert sein, daß es dort elastischer ausgebildet ist als am getriebeseitigen Umfang oder an der kurbelwellenseitigen Anschlußstelle. So können Perforierungen oder Materialverdünnungen vorgesehen sein. Der Luftspalt L zwischen Rotor 9 und Stator 8 der Elektromaschine 6 ist hier zwischen den Rotorzähnen und des Statorzähnen angedeutet.
Zusätzlich kann zwischen Kurbelwellenflansch und Getriebeeingangswelle eine Trennkupplung vorgesehen sein, um die Elektromaschine 6 unabhängig vom Getriebe 4 bewegen zu können.
Die Erfindung ermöglicht einen großen Gestaltungsspielraum für den Einsatz einer konzentrischen Elektromaschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges sowie eine Entlastung des Pumpenlagers in einem Automatgetriebe.

Claims (9)

1. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die einen Verbrennungsmotor aufweist sowie ein Getriebe (4), wobei über eine Drehbewegung der Ausgangswelle des Getriebes (4) die antreibbaren Räder des Kraftfahrzeugs antreibbar sind, wobei eine Elektromaschine (6) mit zumindest einem Rotor (9) und zumindest einem Stator (8) im Antriebsstrang so montiert ist, daß deren zentrale Achse (7) und die Längsachse der Eingangswelle des Getriebes (4) eine gemeinsamen Achse bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromaschine (6) zwischen dem getriebeseitigen Ende (1) der Kurbelwelle und dem Getriebe (4) angeordnet ist, daß der Stator (8) der Elektromaschine (6) starr mit dem Kurbelwellengehäuse (3) verbunden ist,
daß der Rotor (9) oder ein Rotorhalter (10) einerseits über ein Lager (13) am Kurbelwellengehäuse (3) gelagert und andererseits mit einer Getriebeeingangswelle verbunden ist,
und daß die Kurbelwelle zur Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle auf die Getriebeeingangswelle zumindest über ein flexibles Element (15) mit der Getriebeeingangswelle verbunden ist.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Element (15) innerhalb des Rotors (9) oder eines Rotorhalters (10) als Metallbalg ausgebildet ist.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Element (15) nach Art einer Mitnehmerscheibe ausgebildet ist, wobei die Mitnehmerscheibe mindestens drei radial nach außen gleichmäßig am Umfang verteilte Flächen (17, 18, 19) zur Einleitung von Drehmoment auf einen Drehmomentwandler (14) eines Getriebes (4) sowie drei ebenfalls gleichmäßig am Umfang verteilte Öffnungen (20, 21, 22) aufweist und in seinem Zentrum (23) eine Ausbauchung (24) in axialer Richtung (7) aufweist.
4. Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorhalter (10) nach Art einer Mitnehmerscheibe mit mindestens drei radial nach außen gerichteten, gleichmäßig am Umfang verteilten Flächen (25, 26, 27) sowie drei ebenfalls gleichmäßig am Umfang verteilte Öffnungen (28, 29, 30) ausgebildet ist und in seinem Zentrum (31) eine Ausbauchung (32) in axialer Richtung (7) aufweist, wobei die Ausbauchung (32) zur Halterung des Rotors (9) vorgesehen ist.
5. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorhalter (10) konzentrisch auf dem flexiblen Element (15) angeordnet ist, so daß die Ausbauchung (32) des Rotorhalters (10) zumindest teilweise die Ausbauchung (24) des flexiblen Elements (15) umschließt und die radial nach außen gerichteten Flächen (25, 26, 27) des Rotorhalters (10) in die Öffnungen (20, 21, 22) des flexiblen Elements (15) ragen und die radial nach außen gerichteten Flächen (17, 18, 19) des flexiblen Elements (15) durch die Öffnungen (28, 29, 30) des Rotorhalters (10) zugänglich sind.
6. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkräfte des Getriebes (4) über den Rotorhalter (10) durch Lager (13) am Kurbelwellengehäuse (3) aufnehmbar sind.
7. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (6) eine geschaltete Reluktanzmaschine mit Innenläufer ist.
8. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (6) ein Starter/Generator ist.
9. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (6) eine Traktionsmaschine ist.
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