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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsstrangabschnitt eines Kraftfahrzeugs, umfassend
- – eine Verbrennungskraftmaschine,
- – ein Zahnräderwechselgetriebe mit einer Schaltwalze zur Betätigung von Schaltelementen des Zahnräderwechselgetriebes und
- – eine elektrische Maschine, die mit der Schaltwalze als deren Antrieb gekoppelt ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Verwendung einer elektrischen Antriebseinheit, umfassend eine elektrische Maschine, deren Ausgangswelle über eine Koppelvorrichtung derart mit der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie mit einem Eingangselement einer besonderen antreibbaren Einheit des Kraftfahrzeuges gekoppelt ist, dass eine von der elektrischen Maschine erzeugte rotatorische Kraft alternativ an die Kurbelwelle oder an das Eingangselement anlegbar ist.
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Stand der Technik
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Ein gattungsgemäßer Antriebsstrangabschnitt ist bekannt aus der
DE 102 02 931 A1 .
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Zahnräderwechselgetriebe verfügen häufig über axial verschiebliche Schiebemuffen, mit denen je nach Schiebestellung eine Kopplung zwischen Schalträdern und den zugehörigen Wellen geschaltet wird. Zur Axialverschiebung der Schiebemuffe wird üblicherweise eine in einer Nut der Schiebemuffe gelagerte Schaltgabel verwendet, die einen Schaft aufweist, welcher von einer Antriebseinheit, insbesondere einer elektromotorischen Antriebseinheit verschoben wird. Zur Übersetzung der rotatorischen Bewegung des Elektromotors auf die axiale Bewegung der Schaltgabel finden sogenannte Schaltwalzen Einsatz. Hierbei handelt es sich um mit der Ausgangswelle des Elektromotors gekoppelte zylinderförmige Elemente, in deren Mantelflächen Kulissennuten eingebracht sind. Das freie Ende der Schaltgabel ist in der Kulissennut geführt. Die Krümmungen der Kulissennut liegen jeweils unter dem Selbsthemmungswinkel, sodass eine Rotationsbewegung der Schaltwalze zu einer entsprechenden Axialverschiebung der Schaltgabel führt. Nachteilig bei den bekannten Antriebssträngen der genannten Bauart ist, dass für den Antrieb der Schaltwalze ein eigenes Antriebsmodul erforderlich ist, was mit erhöhten Kosten, größerer Komplexität, erhöhtem Gewicht und großem Bauraumbedarf verbunden ist.
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Aus der
DE 36 41 446 C2 ist eine gattungsgemäße Verwendung einer elektrischen Antriebseinheit bekannt. Die Ausgangswelle einer elektrischen Maschine ist dabei mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eines Motorrades gekoppelt, um diesem als elektrischer Starter dienen zu können. Derselben elektrischen Maschine ist beim Gegenstand der genannten Druckschrift eine weitere Aufgabe zugeordnet, nämlich diejenige eines Hilfsmotors zur Rückwärtsfahrt des Motorrades. Hierzu wird die Verbindung der elektrischen Maschine mit der Kurbelwelle mittels der Koppelvorrichtung gelöst und statt dessen eine Verbindung mit einem Zahnrad im Getriebe geschaffen, über welches die rotatorische Kraft der elektrischen Maschine auf die Getriebeausgangswelle und somit auf das Hinterrad des Motorrades übertragen wird. Die elektrische Maschine kann somit wahlweise als Starter für den Verbrennungsmotor oder als Elektromotor für die Rückwärtsfahrt des Motorrades verwendet werden.
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Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
DE 36 36 286 A1 bekannt, wobei die Kopplungsvorrichtung hier in Form zweier Freiläufe ausgebildet ist, sodass allein die Drehrichtung der elektrischen Maschine darüber entscheidet, ob ihre rotatorische Kraft auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder auf die Ausgangswelle des Getriebes übertragen wird.
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Die genannten Druckschriften bieten keinen Ansatz zur Überwindung der oben erwähnten Nachteile.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges derart weiterzubilden, dass der Schaltwalzenantrieb kostengünstiger realisiert werden kann.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die elektrische Maschine zusätzlich mit der Verbrennungskraftmaschine als deren Starter gekoppelt ist,
wobei eine von der elektrischen Maschine erzeugte rotatorische Kraft mittels einer Koppelvorrichtung alternativ an die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine oder an ein Eingangselement der Schaltwalze übertragbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8 dadurch gelöst, dass die besondere antreibbare Einheit eine Schaltwalze eines Zahnrädergetriebes des Kraftfahrzeugs ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Komplexität und damit die Kosten des Antriebsstrangs dadurch zu reduzieren, dass dem für den Antrieb der Schaltwalze erforderlichen Elektromotor eine Doppelfunktion zugewiesen wird und er gleichzeitig als Starter der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. Anders ausgedrückt ist es der Grundgedanke der Erfindung, den Starter der Verbrennungskraftmaschine zugleich als Antrieb der Schaltwalze zu verwenden. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Zeitintervalle, in denen eine Funktion als Starter benötigt wird – nämlich beim Startvorgang des stehenden Fahrzeugs –, mit denjenigen Intervallen, in denen ein Antrieb der Schaltwalze benötigt wird – nämlich bei Schaltvorgängen im fahrenden Fahrzeug – nicht überlappen. Mit anderen Worten kommen Schaltvorgänge während des Startens der Verbrennungskraftmaschine beim bestimmungsgemäßen Betrieb eines Kraftfahrzeugs nicht vor. Insofern kann die erfindungsgemäße Doppelfunktion der elektrischen Maschine als Starter und als Antrieb der Schaltwalze als Einzelfunktion während unterschiedlicher Zeiträume aufgefasst werden.
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Bei einer ersten günstigen Bauform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangabschnitts ist vorgesehen, dass die Koppelvorrichtung wenigstens ein schaltbares Kupplungselement umfasst. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Kopplung zwischen der elektrischen Maschine einerseits und der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Schaltwalze andererseits mittels einer schaltbaren Koppelvorrichtung erfolgt. Die Koppelvorrichtung ist so auszulegen, dass alternativ entweder die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder das Eingangselement der Schaltwalze momentenübertragend verbunden ist. Die schaltbare Doppelvorrichtung kann dabei auch eine dritte Schaltstellung umfassen, bei der keines der beiden vorgenannten Elemente mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Die spezielle Gestaltung der schaltbaren Koppelvorrichtung kann der Fachmann gemäß den Anforderungen des Einzelfalls auslegen und dabei beispielsweise auf eine elektromechanische oder elektromagnetische Schaltung und eine form- und/oder reibschlüssige Momentübertragung zurückgreifen.
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Bei einer zweiten günstigen Ausführungsform umfasst die Koppelvorrichtung wenigstens ein drehrichtungssensitives Kupplungselement. Beispielsweise können die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und das Eingangselement der Schaltwalze jeweils über einen Freilauf mit der Ausgangswelle der elektrischen Maschine verbunden sein, wobei die Freiläufe unterschiedliche Orientierung aufweisen. Hierdurch kann die Komplexität der Vorrichtung, die auf eine schaltbare Koppelvorrichtung verzichtet, weiter reduziert werden. Die Auswahl, ob die rotatorische Kraft der elektrischen Maschine auf die Kurbelwelle oder auf das Eingangselement der Schaltwalze übertragen wird, hängt dann allein von der Drehrichtung der elektrischen Maschine ab. Dies hat Auswirkungen auf die Gestaltung der Schaltwalze, die bei dieser Ausführungsform nur in einer vorgegebenen Richtung drehen kann. Die eingangs beschriebene Kulissennut sollte bei dieser Ausführungsform eine geschlossene Form aufweisen.
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Unabhängig von der Wahl der grundlegenden Bauform wird die Koppelvorrichtung typischerweise zwei Kupplungseinheiten umfassen, von denen die eine mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine und die andere mit dem Eingangselement der Schaltwalze verbunden ist. Dabei sind Kombinationen der vorgenannten Beispiele durchaus möglich, d. h. Ausführungsformen mit wenigstens einer reib- oder formschlüssigen, schaltbaren Kupplung und wenigstens einem Freilauf.
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Besonders bevorzugt ist eine Sandwich-Bauweise bei der eine Ausgangswelle der elektrischen Maschine, deren Maschinenkörper beidseitig überragt und beiderseits des Maschinenkörpers mit je einer der Kupplungseinheiten der Koppelvorrichtung verbunden ist. Mit anderen Worten wird die elektrische Maschine von den Kupplungseinheiten eingerahmt und kann so bauraumsparend zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Zahnräderwechselgetriebe angeordnet werden, ohne dass aufwändige Kraftflussumleitungen erforderlich würden.
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Um den stark unterschiedlichen Anforderungen an die Eigenschaften der Rotationsbewegungen beim Startvorgang der Verbrennungskraftmaschine einerseits und beim Schaltvorgang des Zahnräderwechselgetriebes andererseits gerecht zu werden, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein mechanischer Momentenflussweg von der elektrischen Maschine zur Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine ein Übersetzungsgetriebe umfasst Typischerweise erfordert der Startvorgang eine vielfache, kontinuierliche Rotation der Kurbelwelle mit vergleichsweiser hoher Drehzahl. Im Gegensatz dazu erfordert ein Schaltvorgang im Zahnräderwechselgetriebe, d. h. eine Axialverstellung der Schaltgabel, eine vergleichsweise langsame nur teilweise, dafür umso präziser zu gestaltende Rotation der Schaltwalze. Da elektrische Maschinen leicht für niedrige Drehzahlen bei hohem Drehmoment zu optimieren sind, schlägt die genannte Weiterbildung der Erfindung vor, dies dergestalt auszunutzen, dass die niedrige Drehzahl der elektrischen Maschine mittels des genannten Übersetzungsgetriebes auf eine geeignete Drehzahl für den Startvorgang des Verbrennungsmotors übersetzt wird. Die Verwendung eines Übersetzungsgetriebes zum Antrieb der Schaltwalze wird hingegen oft nicht erforderlich sein, da hier eine langsame, präzise Rotation der elektrischen Maschine unmittelbar übertragen werden kann. Gleichwohl ist auch hier der Einsatz eines Übersetzungsgetriebes, insbesondere einer einfachen Übersetzungsstufe möglich.
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Das genannte Übersetzungsgetriebe im Starter-Momentenflussweg wird bevorzugt als Planetengetriebe ausgebildet. Der Vorteil dieser Bauart liegt insbesondere in ihrem kompakten Aufbau und daraus folgend dem geringen Bauraumbedarf.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigt:
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1: eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangabschnitts.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangabschnitts. Der gezeigte Antriebsstrangabschnitt ist Teil eines Antriebsstrangs eines beliebigen, verbrennungsmotorisch betriebenen Kraftfahrzeugs. Demgemäß fungiert als (primäres) Antriebsaggregat eine Verbrennungskraftmaschine 10. Deren Kurbelwelle 12 tragt ein Schwungrad 14, welches insbesondere als Torsionsschwingungsdämpferrad ausgebildet sein kann. Die Kurbelwelle 12 mündet in eine Hauptkupplung 16, die, wie in 1 angedeutet, als Einzelkupplung oder, bevorzugt, als eine Doppelkupplungsanordnung ausgebildet sein kann. Die Hauptkupplung 16 koppelt die Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 mit der Getriebeeingangswelle 18 eines Zahnräderwechselgetriebes 20. Diese ist in 1 stark vereinfacht dargestellt und zeigt insbesondere lediglich zwei Gänge, die durch zwei Festräder 22, 24 und zwei mit diesen jeweils kämmenden Losrädern 26, 28 gebildet sind. Üblicherweise weist das Zahnräderwechselgetriebe 20 eine deutlich größere Anzahl von Gängen, insbesondere sechs oder sieben Gänge zzgl. wenigstens eines Rückwärtsganges auf. Die vorliegende, vereinfachte Darstellung erleichtert jedoch die Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Die Losräder 26, 28 sind auf der Getriebeausgangswelle 30, welche mit einem nicht dargestellten Abtrieb des Fahrzeugs verbunden sind, axial fest und drehbeweglich gelagert und können mittels einer nachfolgend näher erläuterten Schaltvorrichtung 32 einzeln drehfest mit der Getriebeausgangswelle 30 verbunden werden. Die durch das Zahnräderwechselgetriebe 20 realisierte Übersetzung zwischen der Rotation der Kurbelwelle 12 und der Rotation der Getriebeausgangswelle 30 hängt dann vom Schaltzustand der Schaltvorrichtung 32 ab.
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Zur drehfesten Kopplung je eines Losrades 26, 28 mit der Getriebeausgangswelle 30 ist eine axial auf der Getriebeausgangswelle 30 verschieblich angeordnete Schiebemuffe 34 vorgesehen, mit welcher ein drehfest, jedoch axial verschieblich auf der Getriebeausgangswelle 30 angeordneter Synchronkörper 36 mit den Kupplungskörpern 38, 40 der Schalträder 22, 24 in herkömmlicher und bekannter Weise in Eingriff bringbar ist. Zur Axialverschiebung der Schiebemuffe 34 ist eine auf einer Schaltstange 42 geführte Schaltgabel 44 vorgesehen. Diese greift mit ihrem Gabelende in eine korrespondierende Nut der Schiebemuffe 34 ein. Zur Realisierung der Axialverschiebung der Schaltgabel 44 auf der Schaltstange 42 ist eine Schaltwalze 46 vorgesehen, deren zylindrischer Hauptkörper eine Kulissennut 48 aufweist, in welche ein Führungsdorn 50 der Schaltgabel eingreift. Die Kulissennut 48 beschreibt auf dem Mantel des Hauptkörpers der Schaltwalze 46 einen vorzugsweise geschlossenen Bögen, sodass eine Rotation der Schaltwalze 46 zu einer Axialverschiebung der Schaltgabel 44 auf der Schaltstange 42 und somit zu der gewünschten Verschiebung der Schiebemuffe 34 führt.
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Die bisher beschriebenen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im Stand der Technik bekannte Variationen dieser grundlegenden Anordnung sind daher von der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
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Zum Antrieb der Schaltwalze 46 ist eine elektrische Maschine 52 vorgesehen. Diese ist im vorliegenden Fall über eine Getriebestufe 54, die als einfache Übersetzungsstufe ausgebildet sein kann, mit der Welle 56 der Schaltwalze 46 verbunden. Das Vorsehen einer Getriebestufe 54 ist nicht zwingend erforderlich. Grundsätzlich ist es auch möglich, die elektrische Maschine 52 ohne Übersetzung unmittelbar mit der Schaltwalzenwelle 56 zu koppeln.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist zwischen der elektrischen Maschine 52 und der Getriebestufe 54 ein Kupplungselement 58 einer komplexeren Kupplungsanordnung angeordnet. Das Kupplungselement 58 kann beispielsweise als Freilauf oder als schaltbares Kupplungselement, z. B. als elektromotorisch oder elektromagnetisch schaltbares Kupplungselement gestaltet sein. Auf der der Schaltwalze 46 gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 52 ist ein weiteres Kupplungselement 60 vorgesehen, welches an der gleichen Ausgangswelle des Elektromotors 52, die dessen Maschinenkörper beidseitig überragt, angreift. Auch dieses Kupplungselement 60 kann entweder als Freilauf oder als schaltbares Kupplungselement ausgebildet sein. Der Fall eines schaltbaren Kupplungselementes 60 wird vorzugsweise dann realisiert, wenn auch das Kupplungselement 58 als schaltbares Kupplungselement ausgestaltet ist. In diesem Fall ist auch eine kombinierte Kupplungsvorrichtung mit zwei oder drei Schaltstellungen denkbar. Der Fall, dass das Kupplungselement als Freilauf ausgebildet ist, wird vorzugsweise dann realisiert, wenn auch das Kupplungselement 58 als Freilauf ausgebildet ist, wobei die Freilaufrichtungen der beiden Freilaufe umgekehrt zueinander auszulegen sind.
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Bei der gezeigten Ausführungsform koppelt das Kupplungselement 60 die elektrische Maschine 52 mit einem Übersetzungsgetriebe 62, welches vorzugsweise als ein Planetengetriebe ausgebildet ist. Dieses treibt ein Starterzahnrad 54 an, welches mit einem Starterkranz 66 auf dem Schwungrad 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 kämmt.
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Nachfolgend soll der Betrieb des gezeigten Antriebsstrangabschnitts in zwei Varianten, je nach Ausführungsform der Kupplungselemente 58, 60 beschrieben werden.
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In einem ersten Fall seien die Kupplungselemente 58, 60 als schaltbare Kupplungselemente ausgebildet. Zum Starten des stehenden Fahrzeugs wird das Kupplungselement 58 geöffnet, sodass keine momentenübertragende Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 52 und der Schaltwalze 46 besteht. Zudem wird das Kupplungselement 60 geschlossen, sodass eine momentenübertragende Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 52 und der Kurbelwelle 12 der Verbrennungskraftmaschine besteht. In diesem Zustand kann bei eingeschalteter Zündung der Verbrennungsmotor 10 mittels der elektrischen Maschine 52, die hier als Starter wirkt, in üblicher Weise gestartet werden. Nach dem Start des Verbrennungsmotors 10 wird das Kupplungselement 60 geöffnet, sodass der Verbrennungsmotor 10 ohne Rückwirkung auf die elektrische Maschine 52 läuft. Die Funktion der elektrischen Maschine 52 als Starter für den Verbrennungsmotor 10 wird nun bis zum Wachsten Starten, welches ein vorheriges Ausschalten des Verbrennungsmotors 10 voraussetzt, nicht mehr benötigt. Somit kann die elektrische Maschine 52 nunmehr durch Schließen des Kupplungselementes 58 in momentenübertragende Verbindung mit der Schaltwalze 46 gebracht werden. Sobald ein Schaltvorgang erforderlich ist, der eine Verschiebung der Schiebemuffe 34 erforderlich macht, kann die elektrische Maschine 52 bestromt werden, um eine entsprechende Rotation der Schaltwalze 46 zu provozieren, wobei beide Drehrichtungen der Schaltwalze 46 (durch Wahl der Drehrichtung der elektrischen Maschine 52) realisiert werden können, um jeweils die schnellstmögliche Überführung der Schiebemuffe 34 in die gewünschte Stellung zu erreichen. Die momentenübertragende Verbindung über das Kupplungselement 55 kann dabei permanent bestehen bleiben oder aber für jeden Schaltvorgang neu geschaffen und anschließen wieder gelöst werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Kupplungselemente 58, 60 als gegensinnige Freiläufe ausgestaltet. Zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 10 bei stehendem Fahrzeug wird die elektrische Maschine 52 derart bestromt, dass sie in einer Richtung dreht, in der das Kupplungselement 60 (Freilauf) eine Momentenübertragung gewährleistet. Das Moment der elektrischen Maschine 52 wird somit über das Getriebe 62 auf das Starterzahnrad 64 und über den Starterkranz 66 auf die Kurbelwelle 12 übertragen. Sobald der Verbrennungsmotor 10 gestartet und eine höhere Drehzahl erreicht ist, als die der elektrischen Maschine, die nun abgeschaltet werden kann, läuft der Freilauf 60 frei, sodass keine Rückwirkung der Verbrennungskraftmaschine 10 auf die elektrische Maschine 52 zu befürchten wäre. Zur Realisierung eines Schaltvorgangs kann die elektrische Maschine 52 nun in umgekehrter Richtung rotiert werden. Folglich steht an der Schaltwalze 46 nur eine Drehrichtung zur Verfügung. Um beide Schaltrichtungen der Schaltgabel 44 bzw. der Schiebemuffe 34 realisieren zu können, muss die Kulissennut 48 eine geschlossene Form aufweisen. Diese Variante hat zwar den Nachteil, dass ggf. nicht in allen Fällen der schnellste, d h. kürzeste Schaltweg gewählt werden kann; vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist jedoch die besonders einfache Ausbildung der Kupplungselemente 58, 60 als Freiläufe, was steuerungstechnische Vorteile sowie Vorteile im Hinblick auf Komplexität, Bauraum und Gewicht hat.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in der Figur gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann das Zahnräderwechselgetriebe 20 in Verbindung mit der Hauptkupplung 16 in grundsätzlich beliebiger Weise gestaltet und an den Einzelfall angepasst werden. Auch die konkrete Ausbildung der Kupplungsvorrichtung, die bei der gezeigten Ausführungsform durch die beiden Kupplungselemente 58, 60 gebildet wird, kann gegenüber der gezeigten Form deutlich abgewandelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Kurbelwelle
- 14
- Schwungrad
- 16
- Hauptkupplung
- 18
- Getriebeeingangswelle
- 20
- Zahnräderwechselgetriebe
- 22
- Losrad
- 24
- Losrad
- 26
- Festrad
- 28
- Festrad
- 30
- Getriebeausgangswelle
- 32
- Schaltvorrichtung
- 34
- Schiebemuffe
- 36
- Synchronkörper
- 38
- Kupplungskörper
- 40
- Kupplungskorper
- 42
- Schaltstange
- 44
- Schaltgabel
- 46
- Schaltwalze
- 48
- Kulissennut
- 50
- Führungsdorn
- 52
- elektrische Maschine
- 54
- Übersetzung
- 56
- Schaltwalzenwelle
- 58
- Kupplungselement
- 60
- Kupplungselement
- 62
- Übersetzung
- 64
- Starterzahnrad
- 66
- Starterkranz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10202931 A1 [0003]
- DE 3641446 C2 [0005]
- DE 3636286 A1 [0006]
