DE102012107103A1

DE102012107103A1 - Fahrzeugnebenaggregat-Antriebssystem

Info

Publication number: DE102012107103A1
Application number: DE102012107103A
Authority: DE
Inventors: David A. Janson; John E. Brevick; Reid A. Baldwin
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: CN102913322B; DE102012107103B4; US20130035193A1; CN102913322A; US8475317B2

Abstract

Ein Fahrzeugantriebssystem weist einen ersten Leistungspfad, wobei eine Brennkraftmaschine ein Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ niedrigen Drehzahl antreibt, einen zweiten Leistungspfad, wobei die Brennkraftmaschine das Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ hohen Drehzahl antreibt, einen dritten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator das Nebenaggregat antreibt, während die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist, und einen vierten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator die Brennkraftmaschine vor einem Brennkraftmaschinenneustart durchdreht, auf.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System, welches Leistung von einer Brennkraftmaschine und einem Starter-Generator zu Kraftfahrzeugnebenaggregaten überträgt und den Starter-Generator verwendet, um die Brennkraftmaschine durchzudrehen, bevor sie erneut startet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Quellen von Zusatzleistung in Kraftfahrzeugen können eine Brennkraftmaschine, eine Batterie oder eine andere Antriebsmaschinen-Energiequelle beinhalten. Hochleistungsbatterien in Hybridfahrzeugen und rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verschieben das Gleichgewicht der Technologien weiter in Richtung zu elektrisch angetriebenen Nebenaggregaten.
Eine Brennkraftmaschine weist eine oder mehrere Vorrichtungen zum Umwandeln von Energie, welche sie erzeugt, in eine verwendbare Form, eine elektrische Verbindung über einen Wechselstromgenerator, hydraulische Verbindungen von einem Pumpen- oder Brennkraftmaschinensystem auf. In modernen Fahrzeugen werden die meisten Nebenaggregate mit elektrischer Energie betrieben. Elektro- und Hybridfahrzeuge können aufgrund der verminderten Ineffizienzen im Antriebsstrang, insbesondere der Vermeidung eines Motorleerlaufs, einen größeren Anteil der Energie für Nebenaggregate verwenden.
Einige Kraftfahrzeugnebenaggregate sind über Rädergetriebe oder Riemen direkt mit der Brennkraftmaschine verbunden. Diese Nebenaggregate erfordern gewöhnlich große Mengen an Energie. Der Klimaanlagenkompressor ist ein bekanntes Beispiel dafür.
Es besteht in der Industrie ein Bedarf an einem Kraftfahrzeugnebenaggregat-Antrieb, welcher wirksam Energie auf die Nebenaggregate überträgt und in der Lage ist, ein in Eingriff befindliches Startersystem für ein Brennkraftmaschinenneustartsystem bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Fahrzeugantriebssystem weist einen ersten Leistungspfad, wobei eine Brennkraftmaschine ein Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ niedrigen Drehzahl antreibt, einen zweiten Leistungspfad, wobei die Brennkraftmaschine das Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ hohen Drehzahl antreibt, einen dritten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator das Nebenaggregat antreibt, während die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist, und einen vierten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator die Brennkraftmaschine vor einem Brennkraftmaschinenneustart durchdreht, auf.
Ein an der Motorkurbel angebrachtes Getriebe stellt drei Übersetzungsverhältnisse zur Verfügung, zwei Verhältnisse, um den Nebenaggregat-Antrieb zu optimieren, und ein drittes Verhältnis zum Starten der Brennkraftmaschine.
Das Nebenaggregat-Antriebssystem mit mehreren Drehzahlen kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern, indem es die Nebenaggregate effizienter betreibt und eine Verkleinerung der Abmessungen von Bauteilen ermöglicht. Das Verwenden des Anlassermotors zum Antreiben der Nebenaggregate, während die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist, ermöglicht eine umfassendere Anwendung einer Strategie, bei welcher die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug angehalten wird.
Das an der Kurbel angebrachte Getriebe ermöglicht ein Auskuppeln der Brennkraftmaschine, so dass der Generator-Motor die Nebenaggregate bei abgestellter Brennkraftmaschine antreiben kann. Das Getriebe ermöglicht außerdem eine Optimierung der Betriebsdrehzahlen der Nebenaggregate und stellt ein ausreichendes Drehmoment zum Starten der Brennkraftmaschine bereit, ohne eine hohe Riemenspannung oder ein hohes Motordrehmoment zu erfordern.
Ein einziges Reibelement gewährleistet ein Kuppeln der Brennkraftmaschine und eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Nebenaggregat-Antriebs.
Der Umfang der Anwendbarkeit der bevorzugten Ausführungsform wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, den Patenansprüchen und Zeichnungen ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zur Veranschaulichung dienen. Für den Fachmann werden verschiedene Änderungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Nebenaggregat-Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug;
2 eine Schnittdarstellung der Antriebssystem-Anordnung von 1;
3 eine Tabelle, welche die Betriebszustände der Bremse, der Kupplung und der Freilaufkupplungen für jede Antriebsbedingung zeigt;
4 die relative Drehzahl und das relative Drehmoment der Komponenten der Planetengetriebe des Nebenaggregat-Antriebssystems für jede der Antriebsbedingungen; und
5 die relative Drehzahl und das relative Drehmoment der Bremsen, der Kupplungen, des Starter-Generators, der Brennkraftmaschine und der Nebenaggregate des Nebenaggregat-Antriebssystems für jede der Antriebsbedingungen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen; das in 1 dargestellte Nebenaggregat-Antriebssystem 10 weist auf: eine Energiequelle, wie etwa eine Brennkraftmaschine 12; eine Motorwelle 14; Nebenaggregate 16; einen Klimaanlagenkompressor 17; einen Starter-Generator 18, der in umkehrbaren Drehrichtungen betrieben werden kann; zwei Planetengetriebe 20, 22; drei Freilaufkupplungen (overrunning clutch – OWC) 24, 26, 28; eine Reibungsbremse 30; eine Reibungskupplung 32; eine Riemenscheibe 34; einen Antriebsriemen 38, der sich mit der Riemenscheibe in Eingriff befindet; und eine Hohlwelle 40.
Obwohl 1 speziell nur den Klimaanlagenkompressor 17 und den Starter-Generator 18 als durch den Antriebsriemen 38 in Eingriff befindlich zeigt, gehören zu weiteren Nebenaggregaten 16, welche mit dem Antriebsriemen 38 antriebsverbunden sein können, unter anderem eine Motorkühlmittelpumpe, eine Servolenkungspumpe usw.
Die Motorwelle 14 ist über eine Welle 72 mit dem Planetengetriebe 20 verbunden, welches ein Sonnenrad 44, das mit der Kupplung 30 verbunden ist, ein Hohlrad 46, das mit den Freilaufkupplungen 26, 28 verbunden ist, einen Träger 48, der mit der Welle 72 verbunden ist, und Planetenräder 50, die auf dem Träger 48 gelagert sind und mit dem Hohlrad 46 und dem Sonnenrad 44 kämmen, aufweist.
Die Welle 40 ist mit dem Planetengetriebe 22 antriebsverbunden, welches ein Sonnenrad 54, das mit der Welle 40, der Freilaufkupplung 24 und der Riemenscheibe 34 verbunden ist, ein Hohlrad 56, das gegen Drehung gesichert ist, einen Träger 58, der mit dem Hohlrad 46 über die Freilaufkupplung 28 verbunden ist, und Planetenräder 60, die auf dem Träger 58 gelagert sind und mit dem Hohlrad 56 und dem Sonnenrad 54 kämmen, aufweist.
2 zeigt, dass das Lager 36 die Riemenscheibe 34 auf der Welle 40 trägt, die eine Hohlwelle ist, welche die Motorwelle 14 umgibt. Das Hohlrad 56 ist durch eine Keilwellenverbindung 62 an einem Gehäuse 64 befestigt, welches gegen Drehung gesichert ist. Das Sonnenrad 54 (i) ist durch eine Keilwellenverbindung 66 an der Riemenscheibe 34 befestigt, (ii) bildet den Außenring der Freilaufkupplung 24 und (iii) ist durch Lager 68, 70 auf einer Eingangswelle 72 gelagert, welche mit dem Träger 48 einstückig ausgebildet ist.
Die Reibungsbremse 30 kann ein Bremsband 74 aufweisen, welches mit einer Bremstrommel 76, die durch eine Keilwellenverbindung an dem Sonnenrad 44 befestigt ist, abwechselnd in Eingriff kommt und diese freigibt. Die Bremstrommel 76 ist mittels der Nadellager 78, 80 auf der Eingangswelle 72 gelagert.
Ein Gehäuse 82, das an dem Gehäuse 64 befestigt ist, ist mittels eines Lagers 84 auf der Eingangswelle 72 gelagert. Das Sonnenrad 54 ist mittels eines Lagers 86 an dem Gehäuse 64 gelagert.
3 ist eine Tabelle, die den betätigten und gelösten Zustand der Bremse 30 und der Kupplung 32 sowie den Antriebs- und Freilaufzustand der Freilaufkupplungen 24, 26, 28 für jede von vier Antriebsbedingungen zeigt.
Im Betrieb treibt bei Vorliegen einer ersten Antriebsbedingung, wenn die Bremse 30 gelöst ist, die Brennkraftmaschine 12 die Nebenaggregate 16 und den Starter-Generator 18 in einer Vorwärts-Drehrichtung mit einer relativ niedrigen Drehzahl über einen Leistungspfad an, welcher die Motorwelle 14, die Freilaufkupplung 1 (OWC1) 24, den Antriebsriemen 38 und die Riemenscheibe 34 enthält. Während des Betriebs bei der ersten Antriebsbedingung erzeugt das Nebenaggregat-Antriebssystem 10 eine Direktantriebsbedingung, bei welcher die Nebenaggregate 16 und der Starter-Generator 18 mit Brennkraftmaschinendrehzahl angetrieben werden.
Bei Vorliegen einer zweiten Antriebsbedingung, d.h. wenn die Bremse 30 betätigt ist und der Träger 48 des Getriebes 20 von der Brennkraftmaschine 12 angetrieben wird, wird das Hohlrad 46 vorzugsweise mit etwa dem 1,5-fachen der Drehzahl der Brennkraftmaschine im Overdrive (Schnellgang/Schongang) angetrieben. Die Brennkraftmaschine treibt die Nebenaggregate 16 und den Starter-Generator 18 in einer Vorwärts-Drehrichtung mit einer relativ hohen Drehzahl an. Die Leistung wird von der Brennkraftmaschine 12 über einen Leistungspfad übertragen, welcher die Motorwelle 14, die Eingangswelle 72, den Träger 48, das Hohlrad 46, die Freilaufkupplung 3 (OWC3) 26, die Welle 40, den Antriebsriemen 38 und die Riemenscheibe 34 enthält. Die Freilaufkupplung 26 überträgt Leistung zu dem Starter-Generator 18 über die Welle 40, den Antriebsriemen 38 und die Riemenscheibe 34. Leistung kann auch über die Kupplung 32 zu dem Klimaanlagenkompressor 17 und über irgendeine andere Kupplung, die in einem Antriebspfad zwischen der Riemenscheibe 34 und irgendeinem anderen Nebenaggregat angeordnet ist, übertragen werden.
Bei Vorliegen einer dritten Antriebsbedingung, wenn die Bremse 30 gelöst ist, treibt der als ein Motor arbeitende Starter-Generator 18 die Nebenaggregate 16 und den Klimaanlagenkompressor 17 direkt an, vorausgesetzt, dass die Kupplung 32 eingerückt ist. Vorzugsweise ist die Drehzahl des Starter-Generators 18 gleich der Drehzahl der Nebenaggregate 16.
Bei Vorliegen einer vierten Antriebsbedingung, wenn die Bremse 30 betätigt ist, die Kupplung 32 ausgerückt ist und die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist, dreht der als ein Motor arbeitende Starter-Generator 18 die Brennkraftmaschine 12, bevor die Brennkraftmaschine erneut startet, über einen Antriebspfad durch, welcher die Riemenscheibe 34, den Antriebsriemen 38, die Welle 40, das Sonnenrad 54, den Träger 58, die Freilaufkupplung 2 (OWC2) 28, das Hohlrad 46, den Träger 48, die Eingangswelle 72 und die Motorwelle 14 enthält. Während das Hohlrad 56 gegen Drehung gesichert ist und das Sonnenrad 54 des Getriebes 22 durch den Starter-Generator 18 über den Antriebsriemen 38 angetrieben wird, wird der Träger 58 mit etwa dem 0,333-fachen der Drehzahl des Starter-Generators 18 im Underdrive (Kriechgang) angetrieben. Die Freilaufkupplung 28 überträgt Leistung von dem Träger 48 zu dem Hohlrad 46. Während das Sonnenrad 44 gegen Drehung gesichert ist, rotieren der Träger 48 und die Brennkraftmaschine 12 mit etwa dem 0,222-fachen der Drehzahl des Starter-Generators 18.
Ein bevorzugtes Verhältnis "beta", d.h. Verhältnis des Teilkreisdurchmessers des Hohlrades zum Teilkreisdurchmesser des Sonnenrades, für die Getriebe 20, 22 beträgt 2,0. 4 zeigt die relative Drehzahl und das relative Drehmoment der Komponenten der Planetengetriebe des Nebenaggregat-Antriebssystems für jede der Antriebsbedingungen, wenn das Verhältnis "beta" der Getriebe 20, 22 den Wert 2,0 hat. 5 zeigt die relative Drehzahl und das relative Drehmoment der Bremsen, der Kupplungen, des Starter-Generators, der Brennkraftmaschine und der Nebenaggregate des Nebenaggregat-Antriebssystems für jede der Antriebsbedingungen, wenn das Verhältnis "beta" der Getriebe 20, 22 den Wert 2,0 hat.
Entsprechend den Bestimmungen der Patentgesetze wurde die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass die alternativen Ausführungsformen auf andere Art und Weise realisiert werden können, als hier speziell dargestellt und beschrieben wurde.
Bezugszeichenliste

10: Nebenaggregat-Antriebssystem
12: Brennkraftmaschine
14: Motorwelle
16: Nebenaggregate
17: Klimaanlagenkompressor
18: Starter-Generator
20: Planetengetriebe
22: Planetengetriebe
24: Freilaufkupplung 1 (overrunning clutch – OWC1)
26: Freilaufkupplung 3 (overrunning clutch – OWC3)
28: Freilaufkupplung 2 (overrunning clutch – OWC2)
30: Reibungsbremse
32: Reibungskupplung
34: Riemenscheibe
36: Lager
38: Antriebsriemen
40: Hohlwelle
44: Sonnenrad
46: Hohlrad
48: Träger
50: Planetenräder
54: Sonnenrad
56: Hohlrad
58: Träger
60: Planetenräder
62: Keilwellenverbindung
64: Gehäuse
66: Keilwellenverbindung
68: Lager
70: Lager
72: Eingangswelle
74: Bremsband
76: Bremstrommel
78: Nadellager
80: Nadellager
82: Gehäuse
84: Lager
86: Lager

Claims

Fahrzeugnebenaggregat-Antriebssystem, welches Folgendes aufweist: einen ersten Leistungspfad, wobei eine Brennkraftmaschine ein Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ niedrigen Drehzahl antreibt; einen zweiten Leistungspfad, wobei die Brennkraftmaschine das Nebenaggregat und einen Starter-Generator mit einer relativ hohen Drehzahl antreibt; einen dritten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator das Nebenaggregat antreibt, während die Brennkraftmaschine ausgeschaltet ist; einen vierten Leistungspfad, wobei der Starter-Generator die Brennkraftmaschine vor einem Brennkraftmaschinenneustart durchdreht.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Leistungspfad eine Motorwelle, eine Freilaufkupplung, die an der Motorwelle befestigt ist, einen Antriebsriemen, der mit einem Ausgang der Freilaufkupplung antriebsverbunden ist, und eine Riemenscheibe, in welche der Antriebsriemen eingreift und die mit dem Nebenaggregat antriebsverbunden ist, aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, welches ferner eine Kupplung aufweist, die eine Antriebsverbindung zwischen einem Klimaanlagenkompressor und der Riemenscheibe abwechselnd öffnet und schließt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Leistungspfad eine Motorwelle, ein Planetengetriebe, das einen mit der Motorwelle verbundenen Eingang und einen bezüglich einer Drehzahl der Motorwelle im Overdrive angetriebenen Ausgang aufweist, eine zweite Freilaufkupplung, die mit dem Ausgang verbunden ist, einen Antriebsriemen, der mit einem Ausgang der Freilaufkupplung antriebsverbunden ist, und eine Riemenscheibe, in welche der Antriebsriemen eingreift und die mit dem Nebenaggregat antriebsverbunden ist, aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei das Planetengetriebe ferner Folgendes aufweist: einen Eingangsträger, der mit der Motorwelle verbunden ist, wobei auf dem Träger Planetenräder drehbar gelagert sind; ein Ausgangshohlrad, das mit der zweiten Freilaufkupplung verbunden ist und mit den Planetenrädern kämmt; ein Sonnenrad, das mit den Planetenrädern kämmt und abwechselnd gegen Drehung gesichert und zur Drehung freigegeben ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5, welches ferner eine Reibungsbremse aufweist, die eine Antriebsverbindung zwischen dem Sonnenrad und einer nicht rotierenden Komponente abwechselnd öffnet und schließt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der dritte Leistungspfad einen Starter-Generator aufweist, der mit dem Nebenaggregat antriebsverbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 7, welches ferner eine Kupplung aufweist, die eine Antriebsverbindung zwischen einem Klimaanlagenkompressor und dem Starter-Generator abwechselnd öffnet und schließt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der vierte Leistungspfad Folgendes aufweist: einen Starter-Generator; eine Riemenscheibe, die mit dem Starter-Generator antriebsverbunden ist; einen Antriebsriemen, der mit der Riemenscheibe in Eingriff steht; ein zweites Planetengetriebe, das eine mit dem Antriebsriemen antriebsverbundene zweite Eingangswelle und einen bezüglich einer Drehzahl des zweiten Eingangs im Underdrive angetriebenen zweiten Ausgang aufweist; eine dritte Freilaufkupplung, die mit dem zweiten Ausgang verbunden ist; ein Planetengetriebe, das einen mit einem Ausgang der dritten Freilaufkupplung antriebsverbundenen Eingang und einen bezüglich einer Drehzahl des Eingangs im Underdrive angetriebenen und mit einer Motorwelle antriebsverbundenen Ausgang aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 9, wobei: das Planetengetriebe ferner einen Ausgangsträger, der mit der Motorwelle verbunden ist und auf welchem Planetenräder drehbar gelagert sind, ein Eingangshohlrad, das mit dem Ausgang der dritten Freilaufkupplung verbunden ist und mit den Planetenrädern kämmt, und ein Sonnenrad, das mit den Planetenrädern kämmt und abwechselnd gegen Drehung gesichert und zur Drehung freigegeben ist, aufweist.