DE102013211813A1

DE102013211813A1 - Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat und Verfahren zum Betrieb des Zusatzantriebs

Info

Publication number: DE102013211813A1
Application number: DE201310211813
Authority: DE
Inventors: Oliver Merk; Eckhard KIRCHNER; Matthias Schell; Tobias Eckl
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat, beispielsweise einen Kältemittelverdichter, der im Betriebszustand einer Standklimatisierung betrieben werden kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Zusatzantriebs.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat, beispielsweise einen Kältemittelverdichter, der im Betriebszustand einer Standklimatisierung betrieben werden kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Zusatzantriebs.
Hierfür umfasst die Riemenscheibe ein Planetengetriebe im Nebenaggregatetrieb, wodurch der Kältemittelverdichter in einer Betriebsart vom Riementrieb abgekoppelt werden kann, in einer weiteren Betriebsart durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden kann und in einer dritten Betriebsart unabhängig vom Verbrennungsmotor durch einen zusätzlichen Antrieb (beispielsweise einen Elektromotor) angetrieben werden kann.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, Nebenaggregate mit Energie zu versorgen:
In modernen Kraftfahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor werden die Nebenaggregate wie z.B. Generator, Klimaanlage, Wasserpumpe usw. üblicherweise über einen Riementrieb angetrieben, dessen Riemenscheibe durch eine Kurbelwelle direkt mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Das ist in bestimmten Betriebssituationen nachteilig, da bei nicht benötigter Kälteleistung ein ständiger Leistungsverlust entsteht, selbst wenn der Kältemittelverdichter die Förderleistung auf Null einstellt.
Die direkte Kopplung des Riementriebs an den Verbrennungsmotor führt ferner dazu, dass bei Stillstand des Verbrennungsmotors und damit bei Stillstand der Kurbelwelle auch die Nebenaggregate nicht betrieben werden. Dies ist beispielsweise im sogenannten Motor-Start-Stopp-Modus oder im sogenannten Segelbetrieb nachteilig, denn wenn beispielsweise die Klimaanlage nicht durchgehend betrieben wird, kann dies zu Komforteinschränkungen für die Fahrzeuginsassen führen.
Bekannte Lösungskonzepte zur Abkopplung der Riemenscheibe vom Riementrieb sind insofern nachteilig, als durch die notwendige Haltekraft der zumeist verwendeten Magnetkupplungen ein ständiger Energiebedarf von ca. 40 Watt entsteht.
Die DE 4 432 679 A1 beschreibt eine schaltbare Riemenscheibe mit Planetengetriebe und zwei Elektromagneten, um eine zweigängige Betriebsart des Klimakompressors zu gewährleisten.
Die EP 1 934 068 B1 beschreibt eine Riemenscheibe mit Planetengetriebe (zwei Planetenstufen), die drei Betriebsmodi bietet, nämlich Stillsetzung des Nebenaggregates, Direktdurchtrieb oder Untersetzung.
Ferner beschreibt die EP 1 066 168 B1 eine Riemenscheibe mit Planetengetriebe, wobei die Verbrennungskraftmaschine über Riemen oder Zahnräder am Planetenträger befestigt ist, ein weiterer (Elektro-)Motor das Sonnenrad treibt und das Hohlrad über Riemen bzw. Zahnräder das Nebenaggregat treibt. Zur Standklimatisierung muss dabei über einen Getriebesteller der Leerlauf des Planetengetriebes eingelegt werden.
In verschiedenen Fahrsituationen wäre es jedoch vorteilhaft, derartige Nebenaggregate nicht über den Verbrennungsmotor anzutreiben, da damit die vom Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Leistung anteilig verbraucht wird, so dass beispielsweise für die Beschleunigung des Fahrzeugs nicht die gesamte Motorleistung verfügbar ist.
Ferner ist es mit einem solchen permanent gekoppelten Antrieb der Nebenaggregate nicht möglich, bei einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Automatik während des Motorstillstands einen im Nebenaggregatetrieb verbauten Klimakompressor zu betreiben, was für die Fahrzeuginsassen verringerten Komfort bedeutet.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, in bestimmten Betriebsarten ein Abkoppeln des Klimakompressors von der Kurbelwelle zu ermöglichen, wobei idealerweise für das Abkoppeln keine Betätigungskraft notwendig sein soll, so dass beispielsweise bei nicht benötigter Kälteleistung der Kältemittelverdichter komplett vom Verbrennungsmotor getrennt werden kann. Weiter wird angestrebt, den Kältemittelverdichter unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors über eine zweite Leistungsquelle betreiben zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Antrieb gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8, 9 und 10 gelöst.
Vorgeschlagen wird eine erfinderische Erweiterung einer bekannten starren Riemenscheibe am Nebenaggregat, beispielsweise am Kältemittelverdichter, um mehrere Baugruppen. Dementsprechend umfasst die Riemenscheibe des Klimakompressors erfindungsgemäß ein Planetengetriebe und ist an einem drehrichtungsvariabel zu betreibenden Elektromotor angebunden. Dabei ist der Elektromotor über eine Welle mit dem Planetengetriebe verbunden. Besonders vorteilhaft ist dabei die zumindest teilweise Anordnung des Planetengetriebes im Bauraumvolumen der Riemenscheibe.
Die Welle des Elektromotors und die Welle des Nebenaggregats sind koaxial zueinander angeordnet. Dafür ist eine dieser beiden Wellen als Hohlwelle ausgelegt.
Der Elektromotor kann in einer bevorzugten Ausführungsform als Vierquadranten-Maschine ausgelegt sein, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Zweiquadranten-Maschine ausgelegt sein und in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Einquadranten-Maschine ausgelegt sein. Sofern es sich bei dem Elektromotor um eine Einquadranten-Maschine oder um eine Zweiquadranten-Maschine handelt, die das Treiben des Elektromotors nur in eine Drehrichtung zulässt, so ist ferner ein Freilauf auf der Welle des Elektromotors vorgesehen.
Sofern es sich bei dem Motor um eine Vierquadranten-Maschine handelt, die das Treiben und Bremsen des Motors in beide Drehrichtungen zulässt, sind folgende Betriebsarten möglich:
Im Energiesparmodus kann durch Leistungsaddition des Verbrennungsmotors und des Elektromotors der Kältemittelverdichter über das Planetengetriebe angetrieben werden. Dadurch wird der Verbrennungsmotor im transienten Betrieb entlastet und das Beschleunigungsvermögen des Fahrzeugs gesteigert.
Durch Leistungsverzweigung des Verbrennungsmotors kann die Vierquadranten-Maschine durch Drehmoment-Abstützung am Klimakompressor zusätzlich elektrische Energie erzeugen, was zur weiteren Steigerung der Antriebseffizienz beiträgt.
Bei Vierquadranten-Maschinen sind in diesem Modus beide Drehrichtungen der elektrischen Maschine zulässig. Bei Einquadrantenmaschinen oder Zweiquadrantenmaschinen verhindert der Freilauf ein Rückwartsdrehen des elektrischen Zusatzantriebs.
Im Komfortmodus (Standklimatisierung) wird das Hohlrad des Planetengetriebes durch den Stillstand der Kurbelwelle über den Riemen gesperrt. Dies hat zur Folge, dass sich die Planetenräder des Planetengetriebes gegen das Hohlrad abstützen können und somit der Klimakompressor von dem Elektromotor angetrieben wird. Somit kann Kälteleistung erzeugt werden, sobald der Verbrennungsmotor stillsteht – beispielsweise im Segelbetrieb oder im Start-Stopp Betrieb.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen des Planetengetriebes und seiner Anbindungen an Klimakompressor und Elektromotor.
Die Erfindung kann in Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor mit Start-Stopp-System vorteilhaft eingesetzt werden.
Die Riemenscheibe mit integriertem Planetengetriebe der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch zum Antrieb weiterer Nebenaggregate verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt den Elektromotor 30, der über die Elektromotor-Welle 31a mit dem Sonnenrad 22 des Planetengetriebes 20 verbunden is. Der Klimakompressor 11 ist über die Klimakompressor-Hohlwelle 13b mit dem Planetenträger 24 verbunden. Die Riemenscheibe 12 steht mit dem Hohlrad 21 in Verbindung. Elektromotor-Welle 31a und Klimakompressor-Hohlwelle 13b sind koaxial zueinander angeordnet. Der Elektromotor 30 dieser Ausführung ist eine Vierquadranten-Maschine. Der Klimakompressor 11 ist in Hohlwellen-Bauweise ausgeführt.
2 zeigt den Elektromotor 30, der über die Elektromotor-Hohlwelle 31b mit dem Sonnenrad 22 des Planetengetriebes 20 verbunden is. Der Klimakompressor 11 ist über die Klimakompressor-Welle 13a mit dem Planetenträger 24 verbunden. Der Riemenantrieb 12 steht mit dem Hohlrad 21 in Verbindung. Der Elektromotor 30 dieser Ausführung ist eine Vierquadranten-Maschine in Hohlwellen-Bauweise. Elektromotor-Hohlwelle 31b und Klimakompressor-Welle 13a sind koaxial zueinander angeordnet.
3 zeigt den Elektromotor 30, der über die Elektromotor-Welle 31a mit dem Sonnenrad 22 des Planetengetriebes 20 verbunden is. Der Klimakompressor 11 ist über die Klimakompressor-Hohlwelle 13b mit dem Planetenträger 24 verbunden. Der Riemenantrieb 12 steht mit dem Hohlrad 21 in Verbindung. Elektromotor-Welle 31a und Klimakompressor-Hohlwelle 13b sind koaxial zueinander angeordnet. An der Elektromotor-Welle 31a ist ein Freilauf angeordnet. Der Elektromotor 30 dieser Ausführung ist eine Einquadranten-Maschine. Der Klimakompressor 11 ist in Hohlwellen-Bauweise ausgeführt.
Die erfindungsgemäßen Ausführungen erlauben eine bauraumsparende und kostengünstige Bauweise, da sich die erfindungsgemäßen Komponenten in bestehende technische Lösungen integrieren lassen.
Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ermöglicht insbesondere folgende Betriebszustände:
In einem ersten Betriebszustand wird das Nebenaggregat, beispielsweise der Kältemittelverdichter, direkt durch die Kurbelwelle angetrieben. Hierbei ist der Nebenaggregatetrieb allein durch die Kurbelwelle antreibbar.
In einem zweiten Betriebszustand ist der Nebenaggregatetrieb von der Kurbelwelle entkoppelt und wird von einer anderen Leistungsquelle angetrieben. Dies ist wünschenswert bei Motorstillstand – beispielsweise für eine Standklimatisierung. Dabei ist der Nebenaggregatetrieb durch einen gesonderten Antrieb möglich.
Außerdem ist es möglich, bei einem sogenannten Segelbetrieb des Fahrzeugs, bei dem der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abgekoppelt und/oder abgeschaltet ist, den Nebenaggregatetrieb von der Kurbelwelle abzukoppeln und gesondert anzutreiben.
Ergänzend kann in einem dritten Betriebszustand der Nebenaggregatetrieb von der Kurbelwelle bei laufendem Verbrennungsmotor getrennt werden, wenn Kälteleistung nicht in dem Umfang benötigt wird, wie sie der direkt getriebene Klimakompressor liefert.
Bezugszeichenliste

11: Klimakompressor
12: Riemenscheibe des Klimakompressors
13a: Welle des Klimakompressors
13b: Hohlwelle des Klimakompressors
20: Planetengetriebe
21: Hohlrad
22: Sonnenrad
23: Planetenräder
24: Planetenträger
30: Elektromotor
31a: Welle des Elektromotors
31b: Hohlwelle des Elektromotors
40: Freilauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4432679 A1 [0006]
EP 1934068 B1 [0007]
EP 1066168 B1 [0008]

Claims

Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat mit einer Riemenscheibe (12) zum Antrieb des Nebenaggregats, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetengetriebe (20) mindestens teilweise innerhalb der Riemenscheibe (12) angeordnet ist und über eine erste Welle mit einem Elektromotor (30) verbunden ist und über eine zweite Welle mit dem Nebenaggregat verbindbar ist.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle und die zweite Welle koaxial zueinander angeordnet sind.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle mit einem Sonnenrad (22) des Planetengetriebes (20) verbunden ist und die zweite Welle mit einem Planetenträger (24) des Planetengetriebes (20) verbunden ist.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle eine Hohlwelle (13b) ist.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle eine Hohlwelle (31b) ist.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) eine Vierquadranten-Maschine ist.
Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) eine Einquadranten-Maschine ist und dass auf der ersten Welle (31a) ein Freilauf (40) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat mit einer Riemenscheibe (12) zum Antrieb des Nebenaggregats, einem zumindest teilweise innerhalb der Riemenscheibe (12) angeordneten Planetengetriebe (20), das über eine erste Welle mit einem Elektromotor (30) verbunden ist und über eine zweite Welle mit dem Nebenaggregat verbindbar ist, wobei das Nebenaggregat durch die Riemenscheibe (12) angetrieben wird.
Verfahren zum Betrieb eines Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat mit einer Riemenscheibe (12) zum Antrieb des Nebenaggregats, einem zumindest teilweise innerhalb der Riemenscheibe (12) angeordneten Planetengetriebe (20), das über eine erste Welle mit einem Elektromotor (30) verbunden ist und über eine zweite Welle mit dem Nebenaggregat verbindbar ist, wobei das Nebenaggregat durch den Elektromotor (30) angetrieben wird.
Verfahren zum Betrieb eines Zusatzantrieb für ein Nebenaggregat mit einer Riemenscheibe (12) zum Antrieb des Nebenaggregats, einem zumindest teilweise innerhalb der Riemenscheibe (12) angeordneten Planetengetriebe (20), das über eine erste Welle mit einem Elektromotor (30) verbunden ist und über eine zweite Welle mit dem Nebenaggregat verbindbar ist, wobei das Nebenaggregat durch die Riemenscheibe (12) und den Elektromotor (30) angetrieben wird.