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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugantriebsstrang,
insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge zum Personen- und
Gütertransport, wie beispielsweise Stadtbusse.
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In
jüngster Zeit wurden hybridgetriebene Nutzfahrzeuge bekannt,
deren Antriebsstrang im Wesentlichen einen als Verbrennungsmotor
ausgeführten Hauptantriebsmotor, einen Elektromotor sowie ein
Getriebe umfasst. Dabei sind herkömmlich der Verbrennungsmotor,
der Elektromotor und das Getriebe in Leistungsübertragungsrichtung
von einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu einer Getriebeausgangswelle
gesehen hintereinander angeordnet. Herkömmlich sind der
Verbrennungsmotor und der Elektromotor in eine Triebverbindung mit
der Getriebeeingangswelle zum Antreiben von Fahrzugrädern
bringbar, so dass diese entweder vom Verbrennungsmotor, vom Elektromotor
allein oder von beiden gemeinsam antreibbar sind. Etwaige im Antriebsstrang
angeordnete Nebenaggregate werden dabei insbesondere ausschließlich
vom Verbrennungsmotor angetrieben. Eine solche Anordnung ist als
Parallelhybrid bekannt geworden.
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Moderne
Parallelhybridantriebe umfassen dabei eine sogenannte Start-Stopp-Automatik,
welche die Verbrennungskraftmaschine für die Dauer eines
Betriebszustands des Fahrzeugs, der herkömmlich durch geringe
Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine charakterisiert war,
außer Betrieb setzt. Ein derartiges System wird beispielsweise bei
Personenkraftwagen eingesetzt, wobei der Motor zum Beispiel beim
Warten an Ampeln automatisch stillgesetzt und durch Betätigung
eines Kupplungs- oder Fahrpedals durch den Fahrer wieder automatisch
in Betrieb genommen wird.
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Die
Kraftstoffeinsparung mittels der Start-Stopp-Automatik stößt
jedoch besonders im Nutzfahrzeugbereich schnell an ihre Grenzen,
insbesondere dann, wenn während des Stillstands des Fahrzeugs
Nebenaggregate weiter betrieben werden müssen, die wichtige
Funktionen des Nutzfahrzeugs aufrechterhalten, wie beispielsweise
der Antrieb von Kompressoren für die Druckluft- oder Klimaanlage oder
von Generatoren zur Stromerzeugung. Zum anderen ist eine Fülle
von Sonderfahrzeugen (zum Beispiel Müllfahrzeuge) bekannt,
welche Nebenaggregate umfassen, die besonders im Stand eine hohe Leistungsaufnahme
besitzen (zum Beispiel Einrichtungen zum Ausleeren von Mülltonnen
oder Pressen). In einem solchen Fall werden die Nebenaggregate solcher
Fahrzeuge, auch wenn diese einen Parallelhybridantrieb aufweisen,
im Stillstand des Fahrzeugs ausschließlich über
die Verbrennungskraftmaschine betrieben. Zwar wurden in jüngster
Zeit Versuche unternommen, Nebenaggregate, wie zum Beispiel Klimakompressoren
für Personenkraftwagen, bei Außerbetriebnahme
der Verbrennungskraftmaschine mittels separaten Elektromotoren anzutreiben,
jedoch sind diese Antriebe einerseits komplex im Aufbau, relativ
groß bauend sowie schwer und teuer in der Herstellung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftfahrzeugantriebsstrang
anzugeben, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Zugleich soll die Kraftstoffersparnis möglichst groß,
die Herstellung möglichst kostengünstig sein und
komplexe Konstruktionen sollen weitgehend vermieden werden. Insbesondere
soll die volle Funktionsfähigkeit des Fahrzeugs mit dessen
Nebenaggregaten in jedem Betriebszustand des Fahrzeugs (Traktion,
Stillstand) unabhängig davon, ob die Verbrennungskraftmaschine
in Betrieb ist oder nicht, gewährleistet sein.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang nach dem unabhängigen
Anspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche
stellen dabei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Ein
erfindungsgemäßer Kraftfahrzeugantriebsstrang,
insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, weist einen Hauptantriebsmotor,
insbesondere Verbrennungsmotor, wie Diesel- oder Benzinmotor, umfassend
eine Abtriebswelle zum Antrieb von Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs
sowie einen Elektromotor, umfassend einen Läufer und eine
Stator, ebenfalls zum Antrieb der Antriebsräder des Kraftfahrzeugs,
auf. Ferner ist ein automatisches Getriebe, umfassend eine Vielzahl
von wahlweise einstellbaren Triebverbindungen zur Darstellung von
Gängen und eine Getriebeeingangswelle sowie eine Getriebeausgangswelle,
um eine Vielzahl von Übersetzungen zwischen der Getriebeeingangswelle
und der Getriebeausgangswelle wahlweise einzustellen, vorgesehen.
Dabei ist der Läufer des Elektromotors in einer Triebverbindung
zwischen der Abtriebswelle des Hauptantriebsmotors und der Getriebeeingangswelle
angeordnet und mittels einer Trennkupplung von der Abtriebswelle
abkuppelbar. Weiterhin ist wenigstens ein Nebenaggregat, das mittels
des Hauptantriebsmotors antreibbar ist, vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst
der Läufer des Elektromotors einen Außenantrieb
mit einer Verzahnung oder Reibfläche, welche in einer treibenden
Verbindung mit dem wenigstens einen Nebenaggregat steht, um dieses
mittels des Läufers anzutreiben.
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Somit
kann der Elektromotor zusätzlich oder alternativ zum Hauptantriebsmotor
zum Antreiben eines oder einer Vielzahl von Nebenaggregaten insbesondere
unabhängig davon, ob das Fahrzeug fährt oder stillsteht,
eingesetzt werden. Mit anderen Worten steht das wenigstens eine
Nebenaggregat in einer Triebverbindung mit dem Hauptantriebsmotor und/oder
dem Elektromotor oder ist in eine solche schaltbar, um wahlweise
oder gleichzeitig Antriebsleistung vom Hauptantriebsmotor und Elektromotor auf
das Nebenaggregat zu übertragen. Die beim Elektroantrieb
nötige Antriebsenergie wird beispielsweise durch entsprechende
im Fahrzeug angeordnete Speicher für elektrische Energie
bereitgestellt. Diese können zum Beispiel Akkumulatoren
wie Nickel- oder Lithium-Akkus, Hochleistungs- oder Doppelschichtkondensatoren
(SuperCaps) sein. Auch können die elektrischen Speicher
mittels externen Spannungsquellen, wie Oberleitungen oder dem gewöhnlichen
Stromnetz, aufgeladen werden. Im Falle der Aufladung über
das Stromnetz ist der elektrische Speicher frei von einer permanenten
Verbindung mit der Stromquelle, so dass diese lediglich für
die Dauer der Aufladung, wobei das Fahrzeug stillgesetzt ist, mit
dem elektrischen Speicher verbunden ist (Plug-In-Hybrid). Anstelle
des elektrischen Speichers kann die elektrische Energie zum Antreiben
des oder der Vielzahl von Elektromotoren des Kraftfahrzeugantriebsstrangs
ausschließlich über die Oberleitung zur Verfügung
gestellt werden (z. B. Oberleitungsbus). Auch ist eine Rekuperation
von Bremsenergie durch den Elektromotor des Kraftfahrzeugantriebsstrangs
möglich, wobei dieser derart ausgeführt ist, dass
er auch generatorisch betrieben werden kann, um die Antriebsräder
des Kraftfahrzeugs zu verzögern und gleichzeitig die elektrischen
Speicher zu laden (elektrische Dauerbremse).
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Als
Hauptantriebsmotor des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstrangs
kann anstelle des Verbrennungsmotors ein alternativer Antrieb, beispielsweise
ein Elektromotor, insbesondere als Teil eines Brennstoffzellenantriebs
vorgesehen sein. Auch kann der Elektromotor in einem solchen Fall oder
bei Vorsehen eines Verbrennungsmotors als Hauptantriebsmotor, als
Transversalflussmaschine ausgebildet sein, wie sie zum Beispiel
in
DE 198 58 304 beschrieben
ist.
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Bei
Vorsehen eines Verbrennungsmotors als Hauptantriebsmotor kann letzterer
kleiner ausgeführt werden, wobei trotz Abgabe eines kleineren
Drehmoments und Verringerung des Gewichts sowie Platzbedarfs oder
des Hubraums ein höherer Wirkungsgrad und somit eine Kraftstoffersparnis
erreicht werden kann, da der Verbrennungsmotor in ungünstigen Arbeitspunkten
durch Zuschalten des Elektromotors zum Antriebsstrang unterstützt
wird (Downsizing).
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Besonders
bevorzugt weist das Getriebe ein Getriebegehäuse auf, auf
dessen erster Stirnseite die Getriebeeingangswelle angeordnet ist,
und auf dessen zweiter, der ersten Stirnseite entgegengesetzt angeordneten
Stirnseite insbesondere die Getriebeausgangswelle angeordnet ist,
und auf der ersten Stirnseite am Getriebegehäuse ein Nebenabtriebsmodul
angeschlossen ist, umfassend ein Gehäuse, welches den Elektromotor,
die Trennkupplung sowie eine beispielsweise aus dem Gehäuse
herausragende Nebenabtriebswelle umschließt, wobei die Nebenabtriebswelle
in einer Triebverbindung mit dem Läufer steht und insbesondere
ein Ritzel trägt, das mit der Außenverzahnung
des Läufers unmittelbar oder über ein zwischengeschaltetes
Zahnrad kämmt und das Nebenaggregat oder einen Rotor desselben
antreibt und insbesondere trägt.
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Das
Nebenabtriebsmodul ist somit in Leistungsübertragungsrichtung
gesehen vom Hauptantriebsmotor zum Getriebe hinter dem Hauptantriebsmotor
und vor dem Getriebe, insbesondere dem Traktionsgetriebe, im Kraftfahrzeugantriebsstrang angeordnet.
Dabei kann eine Vielzahl von Nebenaggregaten im Nebenabtriebsmodul
vorgesehen sein, welche mittelbar oder unmittelbar in Triebverbindung mit
dem Läufer zur Leistungsverzweigung stehen oder in eine
solche bringbar sind. Dabei bedeutet mittelbar, dass die Nebenaggregate über
eine Vielzahl von Ritzeln, die direkt oder indirekt mit dem Läufer des
Elektromotors kämmen, angetrieben werden, wobei die Nebenaggregate
dann in Leistungsflussrichtung gesehen insbesondere hintereinander
angeordnet sind.
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Die
zusammenfassende Anordnung von Elektromotor, Trennkupplung und Nebenabtrieb
mit den dazugehörigen Nebenaggregaten in einem gemeinsamen
Gehäuse ermöglicht eine kompakte, platzsparende
und modulare Bauweise des Nebenabtriebsmoduls. Durch diese Bauweise
werden zusätzlich Gewicht und Kosten gespart. Hierdurch
wird es auch möglich, das Nebenabtriebsmodul nachträglich
in einen Kraftfahrzeugantriebsstrang eines bestehenden Fahrzeugs
einzubauen. Anstelle des automatischen Getriebes kann dieses auch
als manuelles oder automatisiertes Schaltgetriebe ausgeführt sein.
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Wird
der erfindungsgemäße Kraftfahrzeugantriebsstrang
beispielsweise derart ausgestaltet, dass der Elektromotor wenigstens
zeitweise über eine Oberleitung mit Strom versorgt wird,
so kann zusätzlich eine Isolierung des elektrischen Motors
vom restlichen Fahrzeugantriebsstrang vorgesehen sein. Beispielsweise
können die Gehäuse des Getriebes und des Nebenabtriebsmoduls über
geeignete Isolatoren voneinander elektrisch getrennt werden. Auch können
die einzelnen Nebenaggregate untereinander oder gegenüber
dem Läufer elektrisch isoliert werden, wobei hierzu beispielsweise
Ritzel und Zahnräder aus nicht leitenden Werkstoffen (zum
Beispiel Kunststoff) eingesetzt werden. Auch kann es vorgesehen
sein, das Nebenabtriebsmodul gegenüber dem Verbrennungsmotor
und einem dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Schwungrad oder
Drehschwingungsdämpfer zu isolieren. Bezüglich
der Isolation besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten,
die im Tätigkeitsbereich des zuständigen Fachmanns
liegen, weshalb hier im Einzelnen nicht auf den genauen Aufbau eingegangen
wird.
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Vorteilhaft
kann das automatische Getriebe ein Differenzialwandlergetriebe sein
oder zusätzlich einen Trilok-Wandler umfassen.
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Bevorzugt
steht der Läufer des Elektromotors in einer Triebverbindung,
insbesondere in einer ständigen Triebverbindung mit wenigstens
einer Pumpe, insbesondere Ölpumpe und/oder Wasserpumpe.
Eine solche Pumpe kann als Nebenaggregat ebenso im Nebenabtriebsmodul
untergebracht sein und sorgt zum Beispiel für eine Umwälzung
eines Kühlmediums in einem Kühlkreislauf zum Kühlen
der Nebenaggregate und/oder des Elektromotors und/oder des Hauptantriebsmotors
sowie anderer insbesondere elektronischer Komponenten und/oder Abgassysteme.
Im letzteren Fall kann zum Beispiel ein in einem Abgasrückführungssystem
vorgesehener Kühler oder ein Ladeluftzwischenkühler
bei Vorsehen wenigstens eines Turboladers mit zugehörigem
Verdichter zur Wärmeabfuhr durchströmt werden.
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Bevorzugt
wird die wenigstens eine Pumpe über die Getriebeeingangswelle
angetrieben, wobei zwischen der Getriebeeingangswelle und der Vielzahl
von wahlweise einstellbaren Triebverbindungen zur Darstellung von
Gängen eine zweite Trennkupplung vorgesehen ist. Dabei
werden die einstellbaren Triebverbindungen im Wesentlichen durch
Vorgelegesätze und Kupplungen dargestellt (Zwischengetriebe).
Beispielsweise kann die Pumpe im Bedarfsfall mittels einer schaltbaren
Kupplung, die zum Beispiel zwischen Pumpe und Getriebewelle angeordnet sein
kann, zugeschaltet werden, wobei das Zwischengetriebe derart ausgeführt
sein kann, dass es eine Übersetzung ins Schnelle liefert,
so dass die Pumpe stets mit einer höheren Drehzahl als
die Getriebeeingangswelle angetrieben wird (Übersetzungsverhältnis
größer 2,5).
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und den beigefügten Figuren exemplarisch erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstranges;
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2 bis 4 eine
Ausführungsform eines automatisierten Getriebes (Direktwandler-
oder Trilokgetriebe) eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstrang;
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5 eine
Tabelle, in der die Funktionen der erfindungsgemäßen
Komponenten abhängig vom Betriebszustand des erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeugantriebsstranges dargestellt sind;
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6 eine
Darstellung gemäß 5, jedoch ist
die erste Trennkupplung als Klauenkupplung ausgeführt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugantriebsstranges.
Dabei sind in Leistungsübertragungsrichtung gesehen die
folgenden Komponenten hintereinander geschaltet: ein Hauptantriebsmotor 1,
eine Abtriebswelle 2, ein Schwungrad 17, ein Drehschwingungsdämpfer 18, eine
erste Trennkupplung 9, ein Elektromotor 3 und ein
Getriebe 6, umfassend eine erste und zweite Pumpe 19, 21,
eine zweite Trennkupplung 20 sowie eine Getriebeabtriebswelle 8.
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Vorliegend
ist der Hauptantriebsmotor 1 als Verbrennungsmotor ausgeführt
und treibt in einem ersten Betriebszustand bei eingerückter
erster Trennkupplung 9 die Getriebeeingangswelle 7,
die Getriebeausgangswelle 8 des Getriebes 6 und über eine
mit der Getriebeausgangswelle 8 in Triebverbindung stehende
nicht gezeigte Gelenkwelle ebenfalls nicht gezeigte Antriebsräder
des Fahrzeugs an (erster Leistungszweig). Gleichzeitig wird Antriebsleistung über
den Läufer 4 des Elektromotors 3, welcher drehfest
mit der Antriebswelle 2 umläuft, auf ein Nebenaggregat 10 zu
dessen Antrieb übertragen (zweiter Leistungszweig). Dazu
umfasst der Läufer 4 insbesondere auf dessen Außenumfang
einen Außenantrieb, der in Form eines Zahnrad-, Riemen-
oder Kenntriebes ausgebildet sein kann. Hier ist der Außenantrieb
als Verzahnung ausgeführt, wobei der Läufer 4 eine
Außenverzahnung umfasst, welche mit einem zwischengeschalteten
Zahnrad 16 und einem Ritzel 15 kämmt
und somit das Nebenaggregat 10 über das Ritzel 15 und
eine damit drehfest verbundene Nebenabtriebswelle 14 antreibt.
Mit dem Ritzel 15 kann ebenso eine Vielzahl von zwischengeschalteten
Zahnrädern 16 unter Bildung einer Getriebestufe mit
der Außenverzahnung des Läufers 4 kämmen, um
insbesondere über eine Vielzahl von Nebenabtriebswellen
eine Vielzahl von Nebenaggregaten 10 anzutreiben. Somit
wird eine Vielzahl von Nebenaggregaten 10, welche mittelbar
und insbesondere ständig über die insbesondere
einzige Außenverzahnung mit dem Läufer 4 in
Triebverbindung stehen, angetrieben. Ferner wäre es denkbar,
einzelne oder alle Nebenaggregate 10 durch Vorsehen wenigstens
einer Kupplung gleichzeitig oder wahlweise von dieser Triebverbindung
zu trennen.
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Alternativ
wäre es möglich, die Außenverzahnung
auf der Getriebeeingangswelle 7 in Leistungsflussrichtung
gesehen hinter dem Läufer 4 anzuordnen.
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In
einem zweiten Betriebszustand ist die erste Trennkupplung 9 ausgerückt,
so dass die Triebverbindung zwischen der Abtriebswelle 2 und
der Getriebeeingangswelle 7 unterbrochen ist, wobei insbesondere
der Hauptantriebsmotor 1 stillsteht. Dieser Betriebszustand
stellt sich beispielsweise bei Aktivierung einer Start-Stopp-Automatik
im Stillstand des Kraftfahrzeugs ein. Dabei wird der Elektromotor über eine
nicht gezeigte Verbindungsleitung mit einem ebenfalls nicht gezeigten
Speicher für elektrische Energie oder einer externen Stromquelle
mit Energie versorgt. In diesem Betriebszustand sorgt ausschließlich
der Elektromotor 3 für den Antrieb der Getriebeeingangswelle 7 und
bei geschlossener zweiter Trennkupplung 20 auch dafür,
dass Antriebsleistung über die Getriebeausgangswelle 8 an
die nicht dargestellten Antriebsräder übertragen
wird. Gleichzeitig wird in einem zweiten Leistungszweig, wie oben
beschrieben, das wenigstens eine Nebenaggregat 10 über
den Läufer 4 wenigstens mittelbar angetrieben.
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Die
erste Trennkupplung 9, der Elektromotor 3, umfassend
Läufer 4 und Stator 5, das zwischengeschaltete
Zahnrad 16 sowie das Ritzel 15 und die Nebenabtriebswelle 14 und
das wenigstens eine Nebenaggregat 10 sind vorliegend in
einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet. Im vorliegenden
Fall ist der den Elektromotor 3 umgebende Teil des Gehäuses 13 zwischen
dem Getriebe 6 und dem Drehschwingungsdämpfer 18 angeordnet,
wobei dieser Teil des Gehäuses 13 mit dessen Stirnseite
der Stirnseite mit der Getriebeeingangswelle 7 des Getriebes 6 zugewandt
ist. Der ein oder eine Vielzahl von Nebenaggregaten 10 umfassende
Teil des Gehäuses 13 ist in Axialrichtung gesehen
neben dem Getriebe 6 angeordnet, das heißt, dass
sich das Gehäuse 13 axial in Richtung auf den
Hauptantriebsmotor 1 hin erstreckt. Auch könnte
sich das Gehäuse 13 axial in Richtung des Gehäuses 6 auf
die Getriebeabtriebswelle 8 hin erstrecken. Ebenso sind
auch andere Anordnungen denkbar, insbesondere solche, in denen die
Nebenabtriebswelle 14 winklig zur Getriebeeingangswelle 7 verläuft.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist die erste Trennkupplung 9 zwischen
einem axialen Ende des Stators 5 und einem radialen Abschnitt 4.1 des
Läufers 4 angeordnet. Dabei umschließt
ein axialer Abschnitt 4.2 des Läufers 4 wenigstens
einen Teil des Stators 5 und die erste Trennkupplung 9.
Der Stator 5 kann drehfest und insbesondere einteilig mit
dem Gehäuse 13 ausgeführt sein. Dieser
ist vorliegend kreisringförmig und bildet eine Durchführung
für die Abtriebswelle 2, wobei er letztere radial
umschließt. Die erste Trennkupplung 9 kann zu
deren Betätigung an einen Ölkreislauf des Getriebes 6 angeschlossen sein
oder aber anderweitig, zum Beispiel pneumatisch, elektrisch, elektromagnetisch
oder mechanisch betätigbar sein. Im Falle der hydraulischen
Betätigung der ersten Trennkupplung 9 durch den Ölkreislauf
des Getriebes 6 kann die Trennkupplung 9 derart ausgeführt
sein, dass sie frei von einer Beaufschlagung mit Getriebeöl
eingerückt, also geschlossen ist und bei Beaufschlagung öffnet.
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Zusätzlich
zur ersten Trennkupplung 9 kann insbesondere im Bereich
des Getriebes 6 eine weitere zweite Trennkupplung 20 vorgesehen
sein. Diese ist in Leistungsflussrichtung dem Elektromotor 3 nachgeschaltet,
wobei ein erstes Kupplungsteil drehfest mit der Getriebeeingangswelle 7 und
ein zweites Kupplungsteil drehfest mit der Getriebeausgangswelle 8 verbunden
ist.
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Weiterhin
ist hier die erste Pumpe 19 dem Getriebe 6 zugeordnet
und im Getriebegehäuse 11 untergebracht. Diese
ist insbesondere stets drehfest oder drehfest ankuppelbar mit der
Getriebeeingangswelle 7 verbunden. Auch wäre es
denkbar, diese im Nebenabtriebsmodul 12 und insbesondere
innerhalb des Gehäuses 13 unterzubringen und über
den Läufer 4 anzutreiben. Die Pumpe 19 kann
aber auch von einem separaten Elektromotor angetrieben werden. Sie
dient im Wesentlichen dazu, die Druckölversorgung für
das Getriebe 6 und/oder die Nebenaggregate 10 bereits
bei niedrigen Drehzahlen der Getriebeeingangswelle 7 zu
gewährleisten. Ist das Getriebe 6 beispielsweise
als Drehmomentwandlergetriebe ausgeführt, so dient die
Pumpe 19 zum Erzeugen eines Ölvolumenstromes,
mit dem die hydrodynamische Komponente des Drehmomentwandlers betrieben werden
kann, um beispielsweise den Gang des Getriebes zu wechseln, den
Drehmomentwandler zu überbrücken oder das Getriebe
ohne Schlupf zum Antriebsstrang anzukoppeln. Die Pumpe 19 kann über
eine Kupplung wahlweise in die Triebverbindung mit der Getriebeeingangswelle 7, wie
hier gezeigt, schaltbar sein. Auch kann ein Zwischengetriebe vorgesehen
sein, mittels welchem die Drehzahl des Pumpenlaufrads der Pumpe 19 in
Abhängigkeit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle 7 übersetzt werden
kann. Zusätzlich zur Pumpe 19 kann eine insbesondere
ständig in Triebverbindung mit der Getriebewelle 7 stehende
weitere Ölpumpe 21 vorgesehen sein, welche für
einen kontinuierlichen Ölstrom im Getriebe 6 sorgt,
unabgängig davon, ob der Hauptantriebsmotor 1 oder
der Elektromotor 3 die Antriebsleistung liefert. Die beiden
Pumpen 19, 21 können zum Beispiel parallel
zueinander geschaltet sein.
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Die 2 bis 4 zeigen
eine besondere Ausführungsform des Getriebes 6 aus 1.
Dabei ist in den 2 und 3 das Getriebe 6 als
Direktwandlergetriebe ausgeführt. Derartige Getriebe insbesondere
für den Einsatz in Fahrzeugen sind in einer Vielzahl von
Ausführungen bekannt. Sie arbeiten vollautomatisch mit
einem Gegenlaufwandler, der sowohl für die Beschleunigung
während des Anfahrvorganges als auch zur Realisierung der
Verzögerung des Fahrzeuges, das heißt im Bremsbetrieb,
verwendet wird. Mit einem solchen Getriebe kann auch über längere
Zeit stufenlos, das heißt ohne häufiges Schalten
gefahren werden. Wie man aus 2 und 3 erkennt,
ist in Leistungsübertragungsrichtung gesehen von der Getriebeeingangswelle 7 zur
Getriebeausgangswelle 8 zunächst ein Differenzialgetriebe 24 angeordnet,
mittels welchem Antriebsleistung von der nicht gezeigten Abtriebswelle 2 des Hauptantriebsmotors 1 zugleich über
den weiter hinten im Getriebe 6 angeordneten hydrodynamischen Wandler 26 als
auch über einen parallel zum hydrodynamischen Wandler 26 angeordneten
rein mechanischen Leistungszweig auf die Getriebeausgangswelle 8 über
verschiedene Schaltstufen 22, zum Beispiel umfassend Planetengetriebe
und Lamellenkupplungen, zur Einstellung von Vorwärtsgängen und
wenigstens einem Rückwärtsgang übertragen werden
kann. Zum Beispiel kann die zweite Trennkupplung 20 (1)
als Lamellenkupplung realisiert sein. Vorliegend umfasst das Differenzialgetriebe 24 zwei
Planetensätze 25, 28.
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3 zeigt
eine vorteilhafte Weiterbildung des Getriebes 6 aus 2.
Anstelle der beiden Planetensätze 25, 28 ist
lediglich nur ein Planetensatz 25 im Bereich der Getriebeeingangswelle 7 vorgesehen.
Dabei wird im Gegensatz zu 2 anstelle
des Umschaltens von dem einen Planetensatz 25 auf den anderen
Planetensatz 28 hier lediglich die Kopplungsstruktur des
Planetensatzes 25 verändert. Vorliegend umfasst
das Getriebe 6 hierzu zwei Klauenkupplungen 23, 27.
Durch entsprechendes Schalten der Klauenkupplungen 23, 27 wird
ein parallel zu diesem einen Planetensatz 25 verlaufender
Leistungszweig in einer Gangstufe des Planetensatzes 25 nicht
zur Drehmomentübertragung genutzt. Stattdessen liegt nur
das Reibmoment einer Lamellenkupplung der entsprechenden Schaltstufe 22 an,
welches einen schnellen Schaltvorgang begünstigt. Die Klauenkupplungen 23, 27 können
wie die beiden Trennkupplungen 9, 20 betrieben
und angesteuert werden. Eine solche Anordnung erlaubt es, das Getriebe 6 kompakter
auszuführen.
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Die 4 zeigt
ein Getriebe 6, welches als ein an sich bekannter Trilok-Wandler
ausgeführt ist. Im Wesentlichen sind dieselben Bauteile
mit den gleichen Bezugsziffern wie in den 2 und 3 bezeichnet.
Der Wandler 26 umfasst ein wahlweise feststellbares Leitrad 29,
siehe die Feststellbremse beziehungsweise Kupplung 30,
die beispielsweise als Lamellenpaketkupplung ausgeführt
sein kann. Anstelle des Wandlers 26 kann ein erfindungsgemäßer
Elektromotor vorgesehen sein, der wie oben beschrieben ausgeführt
sein kann.
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Die 5 zeigt
eine Tabelle, in der die Funktionen des erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeugantriebsstrangs und dessen Komponenten abhängig vom
Betriebszustand des Kraftfahrzeugantriebsstrangs dargestellt sind.
Dabei können sämtliche erfindungsgemäßen
Komponenten, insbesondere die in den 1 bis 4 beschriebenen
Ausführungsformen, miteinander kombiniert werden. Im Folgenden
werden die Betriebszustände mit Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher
erläutert:
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Anfahren mit Verbrennungsmotor
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Der
Anfahrvorgang erfolgt hierbei ausschließlich mittels des
Hauptantriebs (hier Verbrennungsmotor), somit ohne Zuschaltung des
Elektromotors 3. Ein solcher Anfahrvorgang kommt beispielsweise
bei leerem Energiespeicher in Betracht oder wenn eine externe Stromquelle
nicht verfügbar ist. Er entspricht dem Anfahrvorgang eines
Kraftfahrzeuges mit herkömmlichem Antriebsstrang, das heißt ohne
Hybridantrieb. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors steigt während
des Anfahrvorgangs von der Leerlaufdrehzahl bis zur Volllast allmählich
an. Der Läufer 4 des Elektromotors läuft
bei geschlossener erster Trennkupplung 9 mit der Getriebeeingangswelle 7 um.
Das wenigstens eine Nebenaggregat 10 wird über
den Läufer 4 angetrieben. Da die zweite Trennkupplung 20 eingerückt
ist, wird Antriebsleistung über die Getriebeausgangswelle 8 auf
die Räder übertragen. Dabei wird die zweite Pumpe 21,
welche in ständiger Triebverbindung mit der Getriebeeingangswelle 7 steht,
angetrieben. Die Pumpe 19 ist vorliegend ausgeschaltet,
beispielsweise durch Öffnen der ihr zugeordneten Kupplung.
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Anfahren elektrisch
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Der
Verbrennungsmotor ist vorliegend stillgesetzt, die erste Trennkupplung 9 ist
geöffnet. Es wird vorliegend ausschließlich der
Elektromotor 3 aus dem Energiespeicher oder mittels der
externen Stromversorgung betrieben. Er umläuft ausgehend von
einer Ausgangsdrehzahl („Leerlaufdrehzahl”), die
eingestellt werden kann, bis hin zur Volllastdrehzahl. Die Nebenaggregate 10 werden über
den Läufer 4 angetrieben. Ab einer gewissen Drehzahl
wird die zweite Trennkupplung 20 geschlossen, wodurch der
Anfahrvorgang eingeleitet wird und das Fahrzeug langsam beschleunigt.
Die Pumpe 19 ist während des Anfahrvorgangs eingeschaltet,
wird hiernach jedoch bei ca. 1.000 U/min wieder ausgeschaltet. Dadurch,
dass der Elektromotor 3 bereits mit einer bestimmten Drehzahl
umläuft, um die Nebenaggregate anzutreiben, kann beim Einleiten
des Anfahrvorgangs bereits das volle Drehmoment genutzt werden.
Aus diesem Grund kann auch eine Transversalflussmaschine anstelle
des Elektromotors 3 eingesetzt werden, wobei auf eine Anlaufvorrichtung
zum Beschleunigen des Läufers 4 auf Nenndrehzahl
verzichtet werden kann. Umfasst das Getriebe 6 einen Drehmomentwandler,
wie oben beschrieben, so wird der Komfort beim Anfahrvorgang verbessert.
Um einen entsprechenden Wirkungsgrad zu erreichen, wird die erste
Pumpe 19 aktiviert. Diese liefert den nötigen Ölvolumenstrom,
um bei Bedarf bereits bei niedrigen Drehzahlen eine Überbrückung
des Drehmomentwandlers zu erreichen.
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Anfahren mit Verbrennungsmotor
und Elektromotor
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Der
Elektromotor 3 und der Verbrennungsmotor laufen mit Teillast.
Die beiden Trennkupplungen 9, 20 sind geschlossen,
so dass die Nebenaggregate sowie das gesamte Fahrzeug angetrieben wird.
Die Pumpe 19 wird wie beim „Anfahren elektrisch” geschaltet.
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Bremsen (Speichern, elektrisch)
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Dabei
ist die Trennkupplung 9 wahlweise geöffnet, ebenso
ist der Verbrennungsmotor wahlweise außer Betrieb. Hierdurch
werden auch die Schleppverluste des Verbrennungsmotors vermieden,
so dass ein höherer Grad an Bewegungsenergie erhalten bleibt,
der zur Aufladung der elektrischen Speicher genutzt wird, so dass
sich der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugantriebsstrangs erhöht.
Der Elektromotor 3 fungiert somit bei geschlossener Trennkupplung 20 hierbei
als Generator, wobei die elektrischen Speicher des Fahrzeugs geladen
werden. Die Nebenaggregate sind in Funktion, wobei diese bevorzugt
einen minimalen Leistungsbedarf haben. Die Pumpe 19 wird
wie beim „Anfahren mit Verbrennungsmotor und Elektromotor” angetrieben.
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Dauerbremsen mit Verbrennungsmotor
und elektrisch
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Die
beiden Trennkupplungen 9, 20 sind geschlossen.
Die Pumpen 19, 21 arbeiten wie im elektrischen
Speicherbetrieb. Der Verbrennungsmotor befindet sich im Schleppbetrieb.
Umfasst das Fahrzeug eine Motorbremseinrichtung, so kann diese wahlweise
aktiviert werden. Der Elektromotor befindet sich im Generatorbetrieb. Überschüssige
Energie, die nicht in den elektrischen Speichern gespeichert werden
kann, wird beispielsweise in einem gekühlten Widerstand
in Wärme umgewandelt. Alternativ kann der Verbrennungsmotor
und insbesondere die Abtriebswelle 2 mittels des Elektromotors 3 und insbesondere
durch dessen Antreiben verzögert werden. Die Nebenaggregate
sind in Funktion, insbesondere können diese mit voller
Leistung arbeiten.
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Dauerbremsen mit Verbrennungsmotor
und Retarder
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Dieser
Betriebszustand unterscheidet sich zum „Dauerbremsen mit
Verbrennungsmotor und elektrisch” lediglich dadurch, dass
sich der Elektromotor 3 im Leerlauf befindet. Dabei ist
das Fahrzeug mit einem hydrodynamischen Retarder oder einer sonstigen
Dauerbremse ausgestattet, durch welche das Fahrzeug zusätzlich
verzögert wird.
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Leerlauf Verbrennungsmotor
aus
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Dieser
Betriebszustand beschreibt den Stillstand des Kraftfahrzeugs mit
ausgeschaltetem Verbrennungsmotor. Die beiden Trennkupplungen 9, 20 sind
folglich geöffnet. Der Elektromotor 3 läuft
im Motorbetrieb mit einer Leerlaufdrehzahl, die Nebenaggregate sind
in Funktion, benötigen jedoch einen minimalen Leistungsbedarf.
Der Vorteil der Abschaltung des Verbrennungsmotors ist neben der
Kraftstoffeinsparung derer, dass das Abgasreinigungssystem – vor
allem bei mit Russfilter ausgerüsteten Dieselmotoren – nicht
im Leerlauf auskühlt und somit bei Fahrzeugen wie beispielsweise
Linienbussen mit einem ausgeprägten Stopp-Go-Betrieb wesentlich
effizienter arbeitet. Die erste Pumpe 19 ist außer
Betrieb.
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Restart des Verbrennungsmotors
mit Elektromotor
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Im
Ausgangszustand sind beide Trennkupplungen 9, 20 geöffnet.
Die Nebenaggregate sind in Funktion, benötigen jedoch einen
minimalen Leistungsbedarf. Der Elektromotor 3 befindet
sich im Leerlauf, umläuft mit einer bestimmten Drehzahl.
Bei Schließen der ersten Trennkupplung 9 wird
der Verbrennungsmotor auf eine Startdrehzahl hochgeschleppt, wobei
der Elektromotor 3 ausgehend von dem nahezu lastfreien
Zustand vor dem Einkuppeln zunehmend belastet wird. Das Drehmoment
des Elektromotors 3 kann dabei so gesteuert werden, dass
sich die Drehzahl der elektrischen Maschine nur unwesentlich ändert,
so dass die Nebenaggregate 10 weiter mit konstanter Drehzahl
betrieben werden können. Das automatische Getriebe bleibt
durch die eingeprägte Drehzahl des Elektromotors anfahrbereit,
bei Bedarf kann bei niedrigen Drehzahlen der Nebenaggregate, um
Verluste zu vermeiden, die Pumpe 19 zugeschaltet werden,
so dass die volle Funktion des Getriebes 6 gewährleistet
wird.
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Anlassen Verbrennungsmotor
bei Inbetriebnahme
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Die
Nebenaggregate 10 verhalten sich wie beim Betriebszustand „Restart
Verbrennungsmotor mit Elektromotor”, beide Trennkupplungen 9, 20 sind zuerst
geöffnet. Der Elektromotor 3 wird nahezu fastfrei
hochgelaufen bis zu einer bestimmten Drehzahl, dann wird durch Schließen
der ersten Trennkupplung 9 der Verbrennungsmotor hochgeschleppt
und startet in Leerlaufdrehzahl. Hierdurch kann auf einen herkömmlichen
Anlasser verzichtet werden. Die Elektromaschine 3 kann
auch hier als Transversalflussmaschine ausgeführt sein.
Zusätzlich kann die Pumpe 19 bereits bei niedrigen
Drehzahlen zugeschaltet werden.
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Anlassen Verbrennungsmotor
während der Fahrt
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Das
Wiederanlassen während der Fahrt aus dem elektrischen Speicher
(„Segelbetrieb”) geschieht sinngemäß wie
beim „Restart”. Dabei kann die Drehzahl beziehungsweise
das Drehmoment des Elektromotors 3 derart geregelt werden,
dass dieser/diese mit der/dem des Verbrennungsmotors während
des Hochschleppens synchronisiert wird. Hierdurch werden unangenehme
Ruckbewegungen für den Fahrer vermieden.
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6 beschreibt
im Wesentlichen dieselben Betriebszustände wie in 5,
jedoch ist das Getriebe 6 als Trilok-Wandler gemäß 4 ausgeführt.
Dabei sind die Betriebszustände bis auf die letzten drei identisch
mit 5, so dass auf diese vorliegend nicht eingegangen
wird.
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Restart Verbrennungsmotor
mit Elektromotor
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Zunächst
wird der Elektromotor kurzzeitig stillgesetzt, so dass die als Klauenkupplung
ausgeführte erste Trennkupplung 9 im Stillstand
geschlossen werden kann. Nach Einrücken der Klauenkupplung
wird der Verbrennungsmotor gemeinsam mit dem Elektromotor angelassen.
Die Belastung des Elektromotors steigt mit dem Anlassvorgang. Zusätzlich
kann die Pumpe 19 zur Sicherstellung der Ölversorgung
im Stillstand eingeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich
kann ein Speicher 31 (1), der zum
Beispiel im Getriebe 6 untergebracht sein kann, das Getriebe 6 sowie
die Klauenkupplung zu deren Betätigung mit Drucköl
versorgen. Beim Anlassvorgang werden die Nebenaggregate mit minimalem Leistungsbedarf
angetrieben.
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Anlassen Verbrennungsmotor
bei Inbetriebnahme
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Dieser
Betriebszustand entspricht im Wesentlichen dem „Restart
Verbrennungsmotor mit Elektromotor”, wobei die Pumpe 19 ausgeschaltet
ist.
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Anlassen Verbrennungsmotor
während der Fahrt
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Dabei
wird der Elektromotor 3 bis zum Stillstand abgebremst,
so dass die Klauenkupplung bei Drehzahl 0 eingerückt und
geschlossen werden kann. Die zweite Trennkupplung 20 ist
während des Anlassvorgangs geöffnet. Nach Schließen
der ersten Trennkupplung 9 wird der Verbrennungsmotor zusammen
mit dem Elektromotor 3 hochgelaufen, bis eine Synchrondrehzahl
erreicht ist. Nach dem Anlassvorgang wird die zweite Trennkupplung 20 geschlossen.
Die erste Pumpe 19 schaltet ab ca. 1.000 U/min aus.
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- 1
- Hauptantriebsmotor
- 2
- Abtriebswelle
- 3
- Elektromotor
- 4
- Läufer
- 5
- Stator
- 6
- Getriebe
- 7
- Getriebeeingangswelle
- 8
- Getriebeausgangswelle
- 9
- Trennkupplung
- 10
- Nebenaggregat
- 11
- Getriebegehäuse
- 12
- Nebenabtriebsmodul
- 13
- Gehäuse
- 14
- Nebenabtriebswelle
- 15
- Ritzel
- 16
- Zahnrad
- 17
- Schwungrad
- 18
- Drehschwingungsdämpfer
- 19
- Pumpe
- 20
- Trennkupplung
- 21
- Pumpe
- 22
- Schaltstufe
- 23
- Klauenkupplung
- 24
- Differenzialgetriebe
- 25
- Planetensatz
- 26
- hydrodynamischer
Wandler
- 27
- Klauenkupplung
- 28
- Planetensatz
- 29
- Leitrad
- 30
- Feststellbremse
- 31
- Speicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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