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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einem hydrodynamischen Retarder und einer elektrischen Maschine, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Während herkömmlich in der Regel entweder ein hydrodynamischer Retarder oder eine elektrische Maschine zum Abbremsen eines Antriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, wie ihn die vorliegende Erfindung vorteilhaft betrifft, vorgesehen wurde, sind in jüngerer Zeit Antriebsstränge vorgeschlagen worden, in welchen ein hydrodynamischer Retarder mit einer elektrischen Maschine kombiniert wurde, um den Antriebsstrang einerseits hydrodynamisch und andererseits durch Erzeugen elektrischer Leistung verschleißfrei abbremsen zu können. Das Vorsehen einer elektrischen Maschine zusätzlich zu dem hydrodynamischen Retarder hat dabei den Vorteil, dass die verschleißfreie Bremsleistung über dem gesamten Fahrgeschwindigkeitsbereich optimiert werden kann und ferner die beim Bremsen mit der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Leistung zum Antrieb elektrischer Aggregate genutzt oder in einem elektrischen Speicher gespeichert werden kann, um später zum Antrieb von elektrischen Aggregaten oder des Antriebsstrangs, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrangs, verwendet zu werden.
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Zum Stand der Technik wird auf die Druckschrift
DE 10 2004 055 821 A1 verwiesen, welche eine Kombination eines hydrodynamischen Retarders und einer elektrischen Maschine zu einer Bremseinheit offenbart, wobei das Primärrad des hydrodynamischen Retarders und der Rotor der elektrischen Maschine koaxial zueinander, direkt drehfest aneinander, in axialer Richtung mit Abstand zueinander, exzentrisch zueinander, über ein Getriebe miteinander verbunden oder auf verschiedenen Wellen nebeneinander angeordnet sind.
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DE 10 2005 052 121 A1 beschreibt einen hydrodynamischen Retarder oder eine hydrodynamische Kupplung mit abbremsbarem Sekundärrad, wobei kraft- und reibschlüssige Bremseinrichtungen, hydraulische Bremssysteme oder elektrische/elektromagnetische Bremssysteme zur Abbremsung vorgeschlagen werden.
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DE 10 2007 038 236 A1 beschreibt eine elektrische Maschine, um die Sekundärseite einer hydrodynamischen Kupplung abzubremsen, wobei die elektrische Maschine auch zum Starten des Verbrennungsmotors oder zum elektrischen Fahren herangezogen wird.
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DE 10 2005 039 592 A1 beschreibt ein Getriebe mit integrierter elektrischer Maschine und mit einem hydrodynamischen Retarder, wobei die elektrische Maschine den hydrodynamischen Wandler ersetzt.
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DE 10 2009 001 146 A1 beschreibt einen Sekundärretarder mit koaxial positionierter elektrischer Maschine, wobei der Retarder und die elektrische Maschine insbesondere gemeinsam mittels einer Trennkupplung abgekoppelt werden können.
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DE 10 2009 001 147 A1 beschreibt einen Sekundärretarder auf einem Hochtrieb des Getriebes und zusätzlich eine als Motor und Generator betreibbare elektrische Maschine auf der Sekundärseite des Getriebes koaxial auf einer Nebenabtriebswelle. Optional ist der Retarder mittels einer Trennkupplung abkoppelbar. Für die elektrische Maschine kann eine zweite Trennkupplung vorgesehen sein.
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DE 10 2009 001 149 A1 beschreibt einen Antriebsstrang mit einem hydrodynamischen Retarder auf einem ersten Nebenabtrieb auf der Sekundärseite eines Fahrzeuggetriebes und einer elektrischen Maschine auf einem zweiten Nebenabtrieb auf der Sekundärseite des Fahrzeuggetriebes, wobei der Rotor der elektrischen Maschine entweder über einen Hochtrieb zwischen der Hauptabtriebswelle und der Nebenabtriebswelle des Getriebes oder über eine Vorgelegewelle des Getriebes angetrieben werden kann. Der Rotor der elektrischen Maschine und das Primärrad des hydrodynamischen Retarders können gemäß einer Ausführungsform gemeinsam gegenüber dem Antriebsleistungsfluss im Getriebe abgekoppelt werden. Ferner ermöglicht eine zweite Trennkupplung im Nebenzweig der elektrischen Maschine vor deren Rotor die isolierte Abkopplung der elektrischen Maschine von der Antriebsleistungsübertragung im Getriebe.
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Obwohl durch die gemeinsame Abkopplung des hydrodynamischen Retarders und der elektrischen Maschine Schleppverluste im Nichtbremsbetrieb weitgehend vermieden werden können, weisen insbesondere die zuletzt dargestellten Ausführungsformen den Nachteil auf, dass in der Praxis die Lebensdauer der Trennkupplung verhältnismäßig gering ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang mit einem hydrodynamischen Retarder und einer elektrischen Maschine anzugeben, bei welchem eine zuverlässige Funktionsweise mit langer Lebensdauer erreicht werden kann, wobei vorteilhaft die Gestaltung des notwendigen Bauraums und die Integration des hydrodynamischen Retarders und der elektrischen Maschine in den Antriebsstrang optimiert sein soll.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebstrang mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist einen hydrodynamischen Retarder und eine elektrische Maschine auf, wobei der hydrodynamische Retarder ein angetriebenes Primärrad, umfassend einen Primärradrundkörper mit einer Vielzahl von Primärradschaufeln, und ein stationäres oder gegenläufig zum Primärrad angetriebenes Sekundärrad, umfassend einen Sekundärradgrundkörper mit einer Vielzahl von Sekundärradschaufeln, aufweist. Das Primärrad und das Sekundärrad stehen sich mit ihren Schaufeln in Axialrichtung, welche der Drehachse zumindest des Primärrades entspricht, derart gegenüber, dass ein torusförmiger Arbeitsraum im Bereich der Schaufeln ausgebildet wird, der mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, um durch eine hydrodynamische Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum Drehmoment hydrodynamisch vom Primärrad auf das Sekundärrad zu übertragen.
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Die elektrische Maschine weist einen angetriebenen Rotor und einen Stator auf, die in elektromagnetischer Wirkverbindung miteinander stehen, um in einem ersten Zustand elektromotorisch Antriebsleistung aus elektrischer Energie zu erzeugen und in einem zweiten Zustand generatorisch elektrische Energie aus Antriebsleistung zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß weisen das Primärrad des hydrodynamischen Retarders und der Rotor der elektrischen Maschine eine gemeinsame Antriebswelle als Leistungseingang auf, das bedeutet, diese gemeinsame Antriebswelle treibt mittelbar sowohl das Primärrad des hydrodynamischen Retarders als auch den Rotor der elektrischen Maschine an.
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Erfindungsgemäß ist nun eine Trennkupplung in Richtung des Antriebsleistungsflusses von der gemeinsamen Antriebswelle zum hydrodynamischen Retarder zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und dem hydrodynamischen Retarder oder alternativ zwischen dem hydrodynamischen Retarder und einem Abzweig des Antriebsleistungsflusses zu dem Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen. Somit ist der hydrodynamische Retarder, insbesondere das Primärrad des hydrodynamischen Retarders, mittels der Trennkupplung mechanisch vom Antriebsleistungsfluss der gemeinsamen Antriebswelle abkoppelbar, wohingegen der Rotor der elektrischen Maschine in einer permanenten mechanischen Verbindung mit der gemeinsamen Antriebswelle steht und daher zusammen mit der gemeinsamen Antriebswelle, insbesondere in einem festen Übersetzungsverhältnis, umläuft.
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Wenn die gemeinsame Antriebswelle, wie besonders vorteilhaft vorgesehen, durch eine Nebenabtriebswelle eines Getriebes, insbesondere Schaltgetriebes, automatisierten Schaltgetriebes oder Automatgetriebes eines Kraftfahrzeugs gebildet wird, so bedeutet dies, dass immer dann, wenn das Fahrzeug sich bewegt und damit eine Abtriebswelle des Getriebes umläuft, auch die gemeinsame Nebenabtriebswelle als gemeinsame Antriebswelle für den hydrodynamischen Retarder und den Rotor der elektrischen Maschine umläuft und somit mit dieser Nebenabtriebswelle auch der Rotor der elektrischen Maschine. Wenn die Trennkupplung geöffnet ist, ist hingegen das Primärrad des hydrodynamischen Retarders aus diesem Leistungsfluss herausgeschaltet und wird nicht mehr durch die gemeinsame Antriebswelle, das heißt die Nebenabtriebswelle angetrieben.
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Um auch die elektrische Maschine abschalten zu können, beispielsweise wenn ein der elektrischen Maschine zugeordneter elektrischer Speicher vollständig gefüllt ist und für den von der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb erzeugten Strom kein Abnehmer zur Verfügung steht, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine weitgehend oder vollständig lastfrei schaltbar ist, sodass trotz umlaufendem Rotor kein oder nur eingeringes Widerstandsmoment erzeugt wird. Wenn die elektrische Maschine als Erregermaschine ausgeführt ist, kann beispielsweise die Erregerspannung beziehungsweise das Erregerfeld abgeschaltet werden. Wenn die elektrische Maschine hingegen als permanent erregte elektrische Maschine ausgeführt ist, können andere Maßnahmen vorgesehen sein, um die Schleppverluste zu minimieren. Beispielsweise kann eine besonders kleine Last, insbesondere in Form eines elektrischen Widerstands, der gemäß einer Ausführungsform gekühlt wird, als elektrischer Verbraucher an die elektrische Maschine gekoppelt werden.
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Insbesondere, wenn die elektrische Maschine zur Darstellung eines sogenannten Mild-Hybrid-Antriebsstrangs vorgesehen ist, das heißt dass die maximale Leistung der elektrischen Maschine kleiner als die maximale Leistung eines zusätzlich vorgesehenen Verbrennungsmotors, mittels welchem der Antriebsstrang antreibbar ist, und die maximale Leistung der elektrischen Maschine nicht ausreicht, um das Kraftfahrzeug rein elektrisch anzutreiben, so wird durch den Verzicht auf eine Trennkupplung zwischen der gemeinsamen Antriebswelle und dem Rotor der elektrischen Maschine eine bisher starke Belastung der Trennkupplung durch häufige Schaltvorgänge zum Einleiten des generatorischen Betriebs oder des motorischen Betriebs der elektrischen Maschine vermieden. Die Reduzierung der Abkopplung allein auf den hydrodynamischen Retarder beziehungsweise das Primärrad des hydrodynamischen Retarders mittels einer Trennkupplung führt zu einer erheblich geringeren Schalthäufigkeit und damit zu einer erheblich verlängerten Lebensdauer der Trennkupplung. Außerdem können einfachere und weniger robuste Trennkupplungen zum Einsatz kommen, sowohl synchronisierte Trennkupplungen als auch unsynchronisierte Trennkupplungen, je nach anderweitiger Möglichkeit der Synchronisierung der Drehzahl zwischen dem Primärrad des hydrodynamischen Retarders und der dem hydrodynamischen Retarder abgewandten Seite der Trennkupplung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Primärrad des hydrodynamischen Retarders und der Rotor der elektrischen Maschine koaxial zueinander in Axialrichtung nebeneinander positioniert, wobei sich die Richtungsangabe der Axialrichtung auf die Drehrichtung des hydrodynamischen Retarders beziehungsweise der elektrischen Maschine bezieht. Alternativ ist auch eine Positionierung in Radialrichtung nebeneinander möglich, das heißt das Primärrad des hydrodynamischen Retarders und zumindest der Rotor der elektrischen Maschine sind in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Richtung der Drehachse beider Maschinen positioniert. Zusätzlich kann auch der Stator der elektrischen Maschine in dieser gemeinsamen Ebene vorgesehen sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Trennkupplung an der oder auf der gemeinsamen Antriebswelle vorgesehen ist.
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Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum hat sich als günstig erwiesen, wenn das Primärrad des hydrodynamischen Retarders und der Rotor der elektrischen Maschine auf zueinander parallelen oder senkrecht oder winklig zueinander verlaufenden Wellen positioniert sind.
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Wenn die gemeinsame Antriebswelle durch eine Nebenabtriebswelle eines Getriebes, insbesondere Fahrzeuggetriebes, gebildet wird, wobei die Nebenabtriebswelle vorteilhaft auf der Sekundärseite des Getriebes vorgesehen ist, jedoch auch eine Positionierung auf der Primärseite des Getriebes oder auf einem Nebenabtrieb eines Verbrennungsmotors möglich ist, so kann der Rotor der elektrischen Maschine unmittelbar auf der Nebenabtriebswelle positioniert sein. Das Primärrad des hydrodynamischen Retarders kann über die Trennkupplung angeschlossen koaxial hierzu positioniert sein oder gemäß einer alternativen Ausgestaltung auf einer von der Nebenabtriebswelle über eine Übersetzung, insbesondere einen Hochtrieb angetriebenen Welle. Selbstverständlich kommen auch eine oder mehrere Zwischenwellen mit weiteren Übersetzungen zwischen der Nebenabtriebswelle und der Welle mit dem Primärrad des hydrodynamischen Retarders in Betracht.
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Günstig ist es, wenn die Trennkupplung auf der von der Nebenabtriebswelle über die Übersetzung, insbesondere den Hochtrieb angetriebenen Welle oder an dieser Welle vorgesehen ist. Eine alternative Ausführungsform sieht vorteilhaft vor, dass die Trennkupplung zwischen der Nebenabtriebswelle und einem Eingang, insbesondere in Form eines Zahnrads, wie Stirnrads oder Kegelrads, der Übersetzung vorgesehen ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit einer koaxialen Positionierung eines hydrodynamischen Retarders und einer elektrischen Maschine auf einer sekundärseitigen Nebenabtriebswelle eines Fahrzeuggetriebes;
- 2 einen mechanischen Anschluss einer elektrischen Maschine und eines hydrodynamischen Retarders an einer Nebenabtriebswelle auf der Sekundärseite eines Kraftfahrzeuggetriebes mit verschiedenen Möglichkeiten der Positionierung der elektrischen Maschine und einer Positionierung des hydrodynamischen Retarders auf einer Welle, die über eine Übersetzung an der Nebenabtriebswelle angeschlossen ist;
- 3 eine Ausführungsform ähnlich einer Alternative der 2, jedoch mit Positionierung der Trennkupplung zwischen einem Eingang der Übersetzung und der Nebenabtriebswelle.
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In der 1 ist ein Antriebsstrang mit einem Antriebsmotor 1 und einem im Antriebsleistungsfluss dem Antriebsmotor 1 nachgeschalteten Getriebe 2 dargestellt. Das Getriebe 2 weist eine Getriebeeingangswelle 3 und eine Getriebeausgangswelle 4 auf. An der Getriebeausgangswelle 4 sind über eine zwischengeschaltete mechanische Verbindung, hier beispielsweise in Form der Gelenkwelle 5 und dem Differential 6 von einer Antriebsachse 8 getragene Antriebsräder 7 mittelbar angeschlossen.
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Der Weg, den die Antriebsleistung vom Verbrennungsmotor 1 bis zu den Antriebsrädern 7 zurücklegt, wird vorliegend als Hauptzweig 9 bezeichnet. Daher wird die Getriebeausgangswelle 4 auch als Hauptabtriebswelle des Getriebes 2 bezeichnet.
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Vom Hauptzweig 9 zweigt an der Getriebeabtriebswelle 4 ein Nebenzweig ab, der eine Übersetzung 11 ins Schnelle (Hochtrieb) aufweist. In diesem Nebenzweig 10 ist eine Kombination aus hydrodynamischem Retarder 13 und elektrischer Maschine 14 angeordnet, vorliegend auf einem sogenannten Nebenabtrieb auf der Sekundärseite des Getriebes 2.
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Der Nebenabtrieb weist eine Nebenabtriebswelle 12 auf, die den Rotor 14.1 der elektrischen Maschine 14 drehfest trägt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Rotor 14.1 in Radialrichtung vom Stator 14.2 der elektrischen Maschine 14 umschlossen, dies könnte jedoch auch anders sein. Beispielsweise könnte der Stator 14.2 axial neben dem Rotor 14.1 oder radial innerhalb des Rotors 14.1 vorgesehen sein.
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In Richtung des Antriebsleistungsflusses von der Nebenabtriebswelle 12, die eine gemeinsame Antriebswelle für die elektrische Maschine 14 und den hydrodynamischen Retarder 13 darstellt, zum hydrodynamischen Retarder 13 ist hinter dem Rotor 14.1 beziehungsweise dem Anschluss des Rotors 14.1 auf der ihn antreibenden Welle (hier der Nebenabtriebswelle 12) eine Trennkupplung 16 vorgesehen, mittels welcher das Primärrad 13.1 des hydrodynamischen Retarders mechanisch vom Antriebsleistungsfluss des Hauptzweigs 9 und des Nebenzweigs 10 abkoppelbar ist, sodass das Primärrad 13.1 nicht weiter umläuft und dementsprechend kein Bremsmoment hydrodynamisch vom Primärrad 13.1 auf das Sekundärrad 13.2, vorliegend als Stator ausgeführt, des hydrodynamischen Retarders 13 übertragen wird und zudem ein Schleppmoment des hydrodynamischen Retarders 13 vermieden wird.
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In der 2 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, bei welcher sich entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen beziffert sind. Abweichend von der Ausführungsform gemäß der 1 ist hier der hydrodynamische Retarder 13 über eine zweite Übersetzung 15 an der Nebenabtriebswelle 12 angeschlossen, welche wiederum über eine erste Übersetzung 11 in einer Triebverbindung mit der Getriebeausgangswelle 4 steht.
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Im Einzelnen wird das Primärrad 13.1 über eine Primärradwelle 17 angetrieben, die über ein Stirnradgetriebe an der Nebenabtriebswelle 12 angeschlossen ist. Die Nebenabtriebswelle 12 treibt zugleich permanent die elektrische Maschine 14 beziehungsweise den hier nicht im Einzelnen dargestellten Rotor der elektrischen Maschine 14 an.
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In der 2.sind nun verschiedene mögliche Positionen für die permanent angetriebene elektrische Maschine 14 dargestellt, beispielsweise auf der Nebenabtriebswelle 12, auf der Primärradwelle 17, auf einer zusätzlichen über eine weitere Übersetzung an der Primärradwelle 17 angeschlossenen Welle 18 oder auf einer zusätzlichen über eine weitere Übersetzung an der Nebenabtriebswelle angeschlossenen Welle 19. Prinzipiell ist es möglich, mehrere elektrische Maschinen 14 gleichzeitig vorzusehen, beispielsweise an zwei oder mehr der gezeigten Positionen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Trennkupplung 16 ferner auf der beziehungsweise an der Primärradwelle 17 vorgesehen, sodass die Antriebsleistungsübertragung von der Primärradwelle 17 auf das Primärrad 13.1 mittels der Trennkupplung 16 unterbrochen werden kann.
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In der 3 ist ein Beispiel dafür dargestellt, dass die Trennkupplung 16 zwischen der Nebenabtriebswelle 12 und einem Eingang der Übersetzung 15, über welche die Primärradwelle 17 an der Nebenabtriebswelle 12 angeschlossen ist, vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Zahnrad 15.1 wahlweise drehfest mit der Nebenabtriebswelle 12 verbunden werden. Das Zahnrad 15.1 stellt den Eingang der Übersetzung 15 dar, wobei der Ausgang dieser Übersetzung durch ein Zahnrad 15.2 auf der Primärradwelle 17 gebildet wird.
