DE102011083808A1

DE102011083808A1 - Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad

Info

Publication number: DE102011083808A1
Application number: DE102011083808A
Authority: DE
Inventors: Christian Friedel; Uli Wenglein; Daniel Behr; Florian Christoffel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad mit einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor, einem Radantriebsmodul, einem ersten Zugmitteltrieb zur Koppelung der Brennkraftmaschine mit dem Radantriebsmodul und einem zweiten Zugmitteltrieb zur Koppelung des Elektromotors mit dem Radantriebsmodul. Erfindungsgemäß ist zwischen dem ersten Zugmitteltrieb und der Brennkraftmaschine, sowie zwischen dem zweiten Zugmitteltrieb und dem Elektromotor jeweils eine Übersetzungsgetriebestufe vorgesehen, welche die Drehzahl am Leistungseingang des jeweiligen Zugmitteltriebs gegenüber der Drehzahl einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine bzw. des Elektromotors reduziert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad mit einer Brennkraftmaschine, einem Elektromotor, einem Radantriebsmodul, einem ersten Zugmitteltrieb zur Koppelung der Brennkraftmaschine mit dem Radantriebsmodul, und einem zweiten Zugmitteltrieb zur Koppelung des Elektromotors mit dem Radantriebsmodul.
Aus DE 202 09 976 U1 ist eine Hybridantriebseinrichtung der oben genannten Bauart bekannt. Bei dieser Hybridantriebseinrichtung ist im Bereich des Radantriebsmoduls eine Übersetzungsstufe vorgesehen durch welche die Drehzahl der Abtriebsriemenscheiben des jeweiligen Zugmitteltriebs auf die Raddrehzahl reduziert und das Antriebsmoment entsprechend erhöht wird. Die Antriebsriemenscheiben der beiden Zugmitteltriebe sitzen direkt auf der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine bzw. des Elektromotors.
Aus EP 1 036 957 A1 ist eine weitere Hybridantriebseinrichtung für ein Kraftrad bekannt, welche ebenfalls eine Brennkraftmaschine, einen Elektromotor und ein Radantriebsmodul umfasst. Bei dieser Hybridantriebseinrichtung wird die kinematische Koppelung von Elektromotor, Brennkraftmaschine und Radantriebsmodul über zwei in Serie angeordnete Zugmitteltriebe bewerkstelligt. Hybridantriebseinrichtungen der vorstehend genannten Bauart eignen sich insbesondere für leichte Krafträder, z.B. in Form von Motorrollern oder sog. Scootern. Die kinematische Koppelung der Antriebsmotoren mit der Radantriebswelle über Zugmittel wirkt sich vorteilhaft auf das mechanische Betriebsverhalten des Antriebsstranges aus.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen anzugeben, durch welche es möglich wird, eine Hybridantriebseinrichtung für ein leichtes Kraftrad zu schaffen, die sich durch eine hohe Laufruhe und einen hohen Systemwirkungsgrad auszeichnet.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad mit:

– einer Brennkraftmaschine,
– einem Elektromotor,
– einem Radantriebsmodul,
– einem ersten Zugmitteltrieb zur Koppelung der Brennkraftmaschine mit dem Radantriebsmodul, und
– einem zweiten Zugmitteltrieb zur Koppelung des Elektromotors mit dem Radantriebsmodul, wobei
– zwischen dem ersten Zugmitteltrieb und der Brennkraftmaschine, sowie zwischen dem zweiten Zugmitteltrieb und dem Elektromotor jeweils eine Übersetzungsgetriebestufe vorgesehen ist, welche die Drehzahl am Leistungseingang des jeweiligen Zugmitteltriebs gegenüber der Drehzahl einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine bzw. des Elektromotors reduziert.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Hybridantriebseinrichtung zu schaffen, bei welcher die Leistungsübertragung zwischen den beiden Motoren und dem Antriebsrad mit deutlich reduzierten Reibungsverlusten bewerkstelligt werden kann und zudem auch die Lebensdauer der Zugmittel erhöht wird. Das am jeweiligen Abtriebsrad der Zugmitteltriebe anliegende Drehmoment kann direkt auf die Radantriebswelle geführt werden.
Der erste Zugmitteltrieb umfasst eine im Bereich der Brennkraftmaschine vorgesehene erste Riemenscheibe und eine im Bereich des Radantriebsmoduls vorgesehene zweite Riemenscheibe. Analog hierzu umfasst der zweite Zugmitteltrieb eine im Bereich des Elektromotors vorgesehene dritte Riemenscheibe und eine im Bereich des Radantriebsmoduls vorgesehene vierte Riemenscheibe. Der Durchmesser der ersten Riemenscheibe und der Durchmesser der dritten Riemenscheibe ist jeweils kleiner als der Durchmesser der zweiten bzw. vierten Riemenscheibe. Über den ersten Zugmitteltrieb und den zweiten Zugmitteltrieb erfolgt damit jeweils eine Übersetzung zu niedrigen Drehzahlen am Abtrieb.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich des Radantriebmoduls eine erste Kupplungseinrichtung vorgesehen, über welche die zweite Riemenscheibe mit der Radantriebswelle koppelbar ist. Diese erste Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise als Fliehkraftkupplung ausgeführt, die bei einer entsprechenden Drehzahl der zweiten Riemenscheibe einen Eingriffs- oder Koppelungszustand einnimmt. Die Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise als Reibungskupplung ausgeführt, so dass der Koppelungszustand unter Durchlauf eines Schlupfzustandes reibschlüssig herbeigeführt wird.
Im Bereich des Radantriebsmoduls ist erfindungsgemäß weiterhin eine zweite Kupplungseinrichtung vorgesehen, über welche die vierte Riemenscheibe mit der Radantriebswelle koppelbar ist. Diese zweite Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise als Schaltkupplung ausgeführt. Diese zweite Kupplungseinrichtung kann hierbei insbesondere als elektromagnetisch schaltbare Kupplung ausgeführt sein. Das Einrücken dieser zweiten Kupplungseinrichtung erfolgt vorzugsweise bei Systemstillstand, oder in einem Zustand bei welchem ein hinreichender Synchronlauf der zu koppelnden Organe erreicht wird. Dieser Synchronlauf kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors herbeigeführt werden.
Vorzugsweise sitzen sowohl die erste Kupplungseinrichtung als auch die zweite Kupplungseinrichtung auf der Radantriebswelle, so dass über diese Kupplungseinrichtungen das an der jeweiligen Riemenscheibe anliegende Moment direkt auf die Radantriebswelle geführt wird. Die Radantriebswelle ist vorzugsweise über eine Radlagereinrichtung gelagert die letztlich auch als Lagerung der beiden Abtriebsriemenscheiben des Zugmitteltriebs fungiert.
Das Radantriebsmodul kann als Baugruppe ausgeführt sein die über eine Radschwinge derart gelagert ist, dass das Radantriebsmodul gemeinsam mit dem daran gelagerten Rad eine Federbewegung gegenüber dem Rahmen des Scooters ausführen kann. Die Brennkraftmaschine und der Elektromotor können so angeordnet sein, dass sich die erste und die dritte Riemenscheibe relativ nahe an einem Schwenkzentrum der Radschwinge befinden. Hierdurch wird es möglich, die Brennkraftmaschine und den Elektromotor am Rahmen des Scooters zu fixieren, so dass diese beiden Komponenten nicht Teil der ungefederten Massen bilden. Alternativ hierzu können die Brennkraftmaschine und der Elektromotor in eine Baugruppe eingebunden sein die auch als Radschwinge fungiert und damit gemeinsam mit diesem Bauteil schwenken. Auch bei dieser Variante befinden sich die Brennkraftmaschine und der Antriebsmotor vorzugsweise möglichst nahe an dem Drehpol der Radschwinge.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Hybridantriebseinrichtung für ein leichtes Kraftrad, insbesondere einen Scooter;
2 eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Radantriebsmoduls der erfindungsgemäßen Hybridantriebseinrichtung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad. Diese Hybridantriebseinrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine 1, einen Elektromotor 2 und ein Radantriebsmodul M. Die Koppelung der Brennkraftmaschine 1 mit dem Radantriebsmodul M wird über einen ersten Zugmitteltrieb Z1 bewerkstelligt. Die Koppelung des Elektromotors 2 mit dem Radantriebsmodul M erfolgt über einen zweiten Zugmitteltrieb Z2.
Bei der erfindungsgemäßen Hybridantriebseinrichtung ist zwischen dem ersten Zugmitteltrieb Z1 und der Brennkraftmaschine 1, sowie zwischen dem zweiten Zugmitteltrieb Z2 und dem Elektromotor 2 jeweils eine Übersetzungsgetriebestufe vorgesehen, welche die Drehzahl am Leistungseingang des jeweiligen Zugmitteltriebs Z1, Z2 gegenüber der Drehzahl einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Elektromotors 2 reduziert.
Der erste Zugmitteltrieb Z1 umfasst eine im Bereich der Brennkraftmaschine 1 vorgesehene erste Riemenscheibe 7 und eine im Bereich des Radantriebsmoduls M vorgesehene zweite Riemenscheibe 12. Der zweite Zugmitteltrieb Z2 umfasst eine im Bereich des Elektromotors 2 vorgesehene dritte Riemenscheibe 8 und eine im Bereich des Radantriebsmoduls M vorgesehene vierte Riemenscheibe 13.
Im Bereich des Radantriebmoduls M ist eine erste Kupplungseinrichtung 11 vorgesehen, über welche die zweite Riemenscheibe 12 mit der Radantriebswelle 15 koppelbar ist. Die erste Kupplungseinrichtung 11 ist als Fliehkraftkupplung ausgeführt.
Im Bereich des Radantriebsmoduls M ist weiterhin eine zweite Kupplungseinrichtung 14 vorgesehen, über welche die vierte Riemenscheibe 13 mit der Radantriebswelle 15 koppelbar ist. Diese zweite Kupplungseinrichtung 14 ist hier als elektromagnetisch schaltbare Schaltkupplung ausgeführt.
Sowohl die erste Kupplungseinrichtung 11, als auch die zweite Kupplungseinrichtung 14 sitzen auf der Radantriebswelle 15 und leiten in eingekuppeltem Zustand das an der zweiten Riemenscheibe 12 sowie das an der vierten Riemenscheibe 13 anliegende Drehmoment in die Antriebswelle 15 ein.
Bei dem erfindungsgemäßen Hybridantriebssystem wird es möglich, den Verbrennungsmotor 1 und den Elektromotor 2 mit einem erhöhten Systemwirkungsgrad in den Antriebstrang einzubinden.
In dem erfindungsgemäßen System kann beispielsweise der Elektromotor 2 für alle Fahrten bis ca. 30 km/h eingesetzt – und der Verbrennungsmotor 1 erst ab 30 km/h zugeschaltet werden. In Beschleunigungsphasen können sich beide Motoren 1, 2 unterstützen. Dies ermöglicht es, den Verbrennungsmotor 1 nur in den verbrauchsarmen, optimalen Drehzahlen einzusetzen und somit einen relativ geringen Verbrauch, und einen reduzierten C02-Ausstoß und eine große Reichweite zu erreichen.
Das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors 1 wird erfindungsgemäß über eine Übersetzungsstufe 3 auf jene die erste Riemenscheibe 7 tragende Antriebswelle 5 geführt. Von dieser ersten – und kleinen – Riemenscheibe 7 erfolgt eine Leistungsübertragung über den Riemen 9 auf die zweite, größere Riemenscheibe 12.
Die Kraft bzw. das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 2 wird ebenfalls über eine Übersetzungsstufe 4 auf die Antriebswelle 6 der dritten, kleinen Riemenscheibe 8 geführt. Der Leistungsabgriff von dieser dritten Riemenscheibe 8 erfolgt über einen Riemen 10 der über die vierte, große Riemenscheibe 13 läuft. Um das Moment des Elektromotors 2 zu- und abschalten zu können, wird die elektromagnetische Kupplung 14 eingesetzt. Diese ist mit der großen Riemenscheibe 13 verbunden und lässt diese im ungeschalteten Zustand unabhängig von der Abtriebswelle 15 drehen.
Wird die elektromagnetische Kupplung 14 angesteuert, wird das Moment auf die Abtriebswelle 15 übertragen. Da dieser Vorgang auch bei ausgeschaltetem Elektromotor 2 funktioniert, kann man über diese Kupplung auch Rekuperation ermöglichen, indem man bei Bremsvorgängen das Moment von der Abtriebswelle 15 auf den Elektromotor 2 überträgt, welcher dann als Generator fungiert.
Die den beiden Zugmitteltrieben Z1, Z2 vorgeschalteten Übersetzungsgetriebe 3, 4 sind vorzugsweise als Stirnradgetriebe ausgeführt.
In 2 ist in Form einer Axialschnittdarstellung der Aufbau des Radantriebsmoduls M weiter veranschaulicht. Dieses Radantriebsmodul M umfasst die Radantriebswelle 15, eine Radlagerung R, die beiden Kupplungen 11, 14, sowie die Riemenscheiben 12, 13 die über Riemenscheibenlager L1, L2 auf der Radantriebswelle 15 gelagert sind. Erhöht man bei einem derartigen System die Drehzahl des Verbrennungsmotors, nimmt ab einer einstellbaren Drehzahl die Fliehkraftkupplung 16 einen Koppelungszustand ein und überträgt das Moment auf die Glocke 11a, welche über eine Verzahnung mit der Radantriebswelle 15 verbunden ist. Das Hinterrad des Hybrid-Scooters ist als Antriebsrad fest mit der Radantriebswelle 15 verbunden. Die große Riemenscheibe 12 ist dabei über eine Verbindungshülse 17 mit der Fliehkraftkupplung 16 verbunden und alle drei Bauteile sind im ausgekuppelten Zustand unabhängig von der Radantriebswelle 15 drehbar gelagert.
Die zweite Kupplungseinrichtung 14 ist als elektromagnetisch aktivierbare Schaltkupplung ausgeführt und koppelt in eingerücktem Zustand die vierte Riemenscheibe 13 mit der Radantriebswelle 15.
Das Antriebsdrehmoment und die Drehzahl des Elektromotors 2 und der Brennkraftmaschine 1 werden vorzugsweise über eine elektronische Steuereinrichtung abgestimmt. Diese Steuereinrichtung berücksichtigt vorzugsweise neben einer fahrerseitigen Leistungsvorgabe zahlreiche Fahrzeugbetriebszustände wie z.B. den Ladezustand eines Akkusystems, den Füllungsgrad eines Kraftstofftanks, sowie ggf. einen in einem Navigationssystem hinterlegten Routenplan. Aus diesen Informationen kann dann bestimmt werden, durch welche Leistungsbeiträge der Brennkraftmaschine 1 und des Elektromotors 2 einer fahrerseitigen Leistungsvorgabe entsprochen wird. So kann beispielsweise bei niedrigem Ladezustand des Akkus die Beschleunigungsunterstützung durch den Elektromotor 2 reduziert werden.
Es ist auch möglich, die erste Kupplungseinrichtung 11 so zu gestalten, dass deren Eingriffszustand unabhängig von der Motordrehzahl festlegbar ist. Weiterhin ist es auch möglich, diese erste Kupplungseinrichtung 11 so auszuführen, dass diese eine Fliehkraftkupplung bildet, deren Eingriffsgrenzdrehzahl während der Fahrt einstellbar veränderbar ist. Hierdurch wird es möglich, bei niedrigem Akkuladezustand die Ankoppelung der Brennkraftmaschine schon bei niedrigeren Drehzahlen vorzunehmen.
Es ist möglich, die Fliehkraftkupplung 16 so auszubilden, dass die Einrückdrehzahl derselben durch das an der zweiten Riemenscheibe 13 anliegende Drehmoment verändert wird. So ist es möglich, die Fliehkraftkupplung so auszubilden, dass dann wenn an der dem Elektroantriebsstrang zugeordneten großen Riemenscheibe 13 ein geringes Antriebsmoment anliegt, die Fliehkraftkupplung 16 früher, d. h. bei niedrigeren Drehzahlen eingerückt wird. Dies kann durch eine Mechanik erreicht werden, bei welcher die Vorspannung der Fliehkraftkupplung durch das Antriebsmoment an der Riemenscheibe 13 eingestellt wird. Durch diese Maßnahme wird es möglich, bei erschöpftem Akku das Hybridfahrzeug so zu betreiben, dass die Brennkraftmaschine beim Anfahren aus dem Stand schon bei Überschreiten der minimalen Leerlaufdrehzahl angekoppelt wird. Dieser Ansatz erlaubt es weiterhin auch, zwischen einem Hybridbetrieb, einem reinen Elektrobetrieb und einem reinen Brennkraftmaschinenbetrieb zu wählen. So kann bei Abschaltung des elektromotorischen Antriebs auch im Brennkraftmodus mit niedrigen Drehzahlen gefahren werden.
Weiterhin ist die Fliehkraftkupplung 16 vorzugsweise so gestaltet, dass diese eine Freilauffunktion bietet die dazu führt, dass die Kupplungstrommel 11a die Riemenscheibe 12 überholen kann, so dass bei einem Schubbetrieb bei erhöhter Geschwindigkeit die Brennkraftmaschine 1 keine Motorbremswirkung herbeiführt.
Das Radantriebsmodul M, die Brennkraftmaschine 1 und der Elektromotor 2 können in eine Radschwinge eingebunden und damit zu einer Radantriebseinheit zusammengefasste werden.
Der Elektromotor 2 kann im Rekuperationsmodus betrieben werden. In diesem Modus kann das Akkusystem wieder aufgeladen werden. Es ist möglich, neben dem Akkusystem einen weiteren Energiespeicher vorzusehen in welchem die bei einem Bremsvorgang durch Rekuperation gewonnene Energie kurzfristig gespeichert werden kann. Ein derartiger Zusatzenergiespeicher kann insbesondere durch Superkondensatoren, z.B. ein Doppelschichtkondensatorsystem, insbesondere ein Goldcap Kondensatorsystem gebildet sein. Durch die Aufteilung des Ladevorganges in hochdynamische Ladevorgänge durch Bremsoperationen und Ladevorgänge durch z.B. Bergabfahrten kann die Lebensdauer des Akkumulatorsystems erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20209976 U1 [0002]
EP 1036957 A1 [0003]

Claims

Hybridantriebseinrichtung für ein Leichtkraftrad mit: – einer Brennkraftmaschine (1), – einem Elektromotor (2), – einem Radantriebsmodul (M), – einem ersten Zugmitteltrieb (Z1) zur Koppelung der Brennkraftmaschine (1) mit dem Radantriebsmodul (M), und – einem zweiten Zugmitteltrieb (Z2) zur Koppelung des Elektromotors (2) mit dem Radantriebsmodul (M), wobei – zwischen dem ersten Zugmitteltrieb (Z1) und der Brennkraftmaschine (1), sowie zwischen dem zweiten Zugmitteltrieb (Z2) und dem Elektromotor (2) jeweils eine Übersetzungsgetriebestufe (3, 4) vorgesehen ist, welche die Drehzahl am Leistungseingang des jeweiligen Zugmitteltriebs (Z1, Z2) gegenüber der Drehzahl einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine (1) bzw. des Elektromotors (2) reduziert.
Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zugmitteltrieb (Z1) eine im Bereich der Brennkraftmaschine (1) vorgesehene erste Riemenscheibe (7) und eine im Bereich des Radantriebsmoduls (M) vorgesehene zweite Riemenscheibe (12) umfasst.
Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zugmitteltrieb eine im Bereich des Elektromotors (1) vorgesehene dritte Riemenscheibe (8) und eine im Bereich des Radantriebsmoduls (M) vorgesehene vierte Riemenscheibe (13) umfasst.
Hybridantriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Radantriebmoduls (M) eine erste Kupplungseinrichtung (11) vorgesehen ist über welche die zweite Riemenscheibe (12) mit einer Radantriebswelle (15) koppelbar ist.
Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplungseinrichtung (11) als Fliehkraftkupplung ausgeführt ist.
Hybridantriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Radantriebsmoduls (M) eine zweite Kupplungseinrichtung (14) vorgesehen ist, über welche die vierte Riemenscheibe (13) mit der Radantriebswelle (15) koppelbar ist.
Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplungseinrichtung (14) als Schaltkupplung ausgeführt ist.
Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplungseinrichtung (14) als elektromagnetisch schaltbare Kupplung ausgeführt ist.
Hybridantriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplungseinrichtung (11) und die zweite Kupplungseinrichtung (14) auf der Radantriebswelle (15) sitzen.
Hybridantriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Radantriebswelle (15) über eine Radlagereinrichtung (R) gelagert ist, und dass diese Radlagereinrichtung (R) auch die an den Riemenscheiben (12, 13) anliegenden Querkräfte abträgt.