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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung richtet sich auf eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei diese Antriebsanordnung eine Brennkraftmaschine, ein Hauptgetriebe, wenigstens ein Achsgetriebe zur Verzweigung der Antriebsleistung auf die Räder einer Achse jenes Kraftfahrzeuges und eine Generatoreinrichtung zur Rekuperation kinetischer Energie im Rahmen des Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges, umfasst.
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Aus
DE 102 57 257 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein primär über eine Brennkraftmaschine getriebenes Kraftfahrzeug bekannt, welche eine Generatoreinrichtung umfasst, über die im Rahmen eines Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges die kinetische Energie des Fahrzeuges rekuperiert werden kann. Der Generator ist in einem zwischen einem Hauptgetriebe und einem Achsdifferential liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt. Über eine Kupplungseinrichtung kann im Rahmen des Schubbetriebs die Antriebsverbindung zwischen dem Hauptgetriebe und einer Brennkraftmaschine aufgehoben werden. Hierdurch wird es möglich, die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges ohne Verlust durch den Schleppleistungsbedarf der Brennkraftmaschine zurückzugewinnen.
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Aus
DE 196 06 771 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine zum Antrieb durch eine Brennkraftmaschine vorgesehene Getriebeeinrichtung und eine Generatoreinrichtung umfasst. Die Getriebeeinrichtung ist als Überlagerungsgetriebe ausgeführt. Die Generatoreinrichtung ist in zwei Generatormodule unterteilt die jeweils auch als Antriebsmotor betreibbar sind. Diese beiden Generatormodule sind mit zwei Eingangswellen des Überlagerungsgetriebes verbunden. Zudem ist eines der Generatormodule über einen Freilauf mit einer zur Brennkraftmaschine führenden Antriebswelle verbunden. Wird diese Antriebsanordnung im Schubbetrieb betrieben, so kann der Freilauf in einen Öffnungszustand gelangen und über die Generatoreinrichtungen zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeuges rekuperiert und in einem Akkusystem gespeichert werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau vorteilhaft realisierbare Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die sich durch einen hohen Rekuperationswirkungsgrad und insbesondere im Rahmen von Lastwechselphasen durch ein vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, mit:
- – einer Brennkraftmaschine,
- – einem Hauptgetriebe mit einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang, zur kinematischen Koppelung des Getriebeeingangs und des Getriebeausgangs mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen,
- – wenigstens einem Achsgetriebe zur Verzweigung der Antriebsleistung auf die Räder einer Achse jenes Kraftfahrzeuges, und
- – einer Generatoreinrichtung, zur Rekuperation kinetischer Energie im Rahmen des Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges, wobei
- – die Generatoreinrichtung in einem zwischen dem Getriebeeingang des Hauptgetriebes und den Rädern des Kraftfahrzeuges liegenden Bereich des Antriebsstrangs kinematisch an den Antriebsstrang angekoppelt ist,
- – in einem zwischen der Brennkraftmaschine und dem Hauptgetriebe liegenden Bereich des Antriebsstranges eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist, die eine schaltbare Aufhebung der Antriebsverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Hauptgetriebe ermöglicht, und
- – in einem zwischen dem Getriebeeingang des Hauptgetriebes und der Generatoreinrichtung liegenden Bereich eine Freilaufeinrichtung vorgesehen ist, die im Rahmen eines Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges in einen Freigabezustand gelangt, so dass kein Schubmoment am Getriebeeingang anliegt.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welcher über den Aufbau des Hauptgetriebes oder den zwischen dem Ausgang des Hauptgetriebes und der Generatoreinrichtung liegenden Bereich eine vorteilhafte Auskoppelung des Schleppmoments der Brennkraftmaschine ermöglicht wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Freilauf in das Hauptgetriebe des Kraftfahrzeuges integriert. Das Getriebe ist beispielsweise als Schaltgetriebe als Doppelkupplungsgetriebe oder automatisiertes Schaltgetriebe ausgeführt. Bei der Ausführung als Schaltgetriebe kann der Freilauf hierbei insbesondere im Bereich der Synchronisation zwischen Synchronkörper und Abtriebswelle angeordnet werden. Es ist auch möglich, die Eingangswelle als geteilte Welle auszuführen und den Freilauf zwischen den beiden Wellenabschnitten anzuordnen. Der Freilauf kann auch bei einem Festrad zwischen dem Zahnkranz und der An- oder Abtriebswelle angeordnet werden. Auch die Abtriebswelle kann als geteilte Welle ausgeführt werden und die Freilaufeinrichtung dann zwischen den beiden Wellenabschnitten der Ausgangswelle angeordnet werden. Insbesondere bei einem Getriebeaufbau mit einem direkt an das Hauptgetriebe angebundenen Achsdifferential ist es auch möglich, den Freilauf zwischen dem Differential und dem dieses treibenden Antriebsrad anzuordnen.
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Je näher der Freilauf im Antriebsstrang an die Räder des Fahrzeuges herangerückt wird, umso höher wird der Systemwirkungsgrad, da umso weniger Komponenten des Antriebsstranges im Schubbetrieb mitgeschleppt werden müssen.
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Der Freilauf kann in vorteilhafter Weise als reibschlüssig koppelnder Freilauf, insbesondere als Klemmkörperfreilauf ausgeführt sein.
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Die Generatoreinrichtung kann in einem zwischen dem Eingang, oder vorzugsweise dem Ausgang des Hauptgetriebes und den Radnaben der angetriebenen Räder liegenden Bereich kinematisch an den Antriebsstrang angekoppelt sein. Sie kann hierbei in besonders vorteilhafter Weise in eine ein Achsdifferential beherbergende Baueinheit eingebunden werden. Im Falle eines mehrachsig getriebenen Fahrzeuges das als solches ein Verteilergetriebe, d.h. ein Mittendifferential umfasst, kann die Generatoreinrichtung auch in dieses eingebunden werden. Es ist auch in vorteilhafter Weise auch möglich, die Generatoreinrichtung in das Hauptgetriebe zu integrieren und mit den entsprechenden Getriebekomponenten eines kinematisch zwischen der Freilaufeinrichtung und dem Getriebeausgang liegenden Bereiches zu koppeln. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Antriebsanordnung auch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der über die Generatoreinrichtung abgegriffenen Leistung, wobei die Steuereinrichtung derart ausgelegt ist, dass diese im Rahmen des Schubbetriebs die rekuperierte Leistung derart abstimmt, dass die Generatoreinrichtung ein Gegenmoment generiert, das einem Schleppmoment nahe kommt, das bei einem Mitschleppen der Brennkraftmaschine durch diese generiert werden würde. Hierdurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Antriebsanordnung so zu betreiben, dass im Rahmen des Schubbetriebs eine vom Fahrer erwartete Bremswirkung eintritt, die noch in einem vom Fahrer erwartenden Ausmaß mit dem gegenwärtigen Niederdrückungsgrad des Gaspedals korreliert. In vorteilhafter Weise kann hierbei im Rahmen einer längeren Fahrt auf einer Gefällestrecke die Brennkraftmaschine abgeschaltet werden und eine angemessene Bremsleistung über die Generatoreinrichtung realisiert werden, wobei die Schubleistung ohne Schleppverlust der Brennkraftmaschine rekuperiert werden kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgelegt, dass die einzustellende Schleppmomentleistung des Generators aus der gegenwärtigen über ein Gaspedal vorgegebenen Lastanforderung ermittelt wird. Die volle Schleppmomentleistung der Brennkraftmaschine wird dabei dann über den Generator energetisch vorteilhaft „simuliert“, wenn das Gaspedal völlig entlastet wird, d.h. überhaupt nicht betätigt ist. Je weiter das Gaspedal niedergedrückt ist, umso niedriger wird das durch die Generatoreinrichtung generierte Bremsmoment eingestellt, die Brennkraftmaschine kann hierbei immer noch abgeschaltet sein, oder langsamer rotieren als die Eingangswelle des Hauptgetriebes. Wird das Gaspedal soweit niedergedrückt, dass fahrerseitig ein Leistungsbeitrag der Brennkraftmaschine gefordert wird, so wird die Brennkraftmaschine gestartet und die Brennkraftmaschine treibt sobald die Kurbelwellendrehzahl die zur aktuellen Übersetzung und Fahrzeuggeschwindigkeit passende Drehzahl erreicht wieder über den sich nunmehr schließenden Freilauf das Fahrzeug. Die Generatorleistung wird dann abgesenkt. Ggf. wird die Generatoreinrichtung dann als Antriebseinrichtung betrieben und generiert insbesondere aus der kurz zuvor rekuperierten und in einem Akkusystem gespeicherten Energie einen Antriebsbeitrag. Der zeitliche Verlauf des Wechsels der Generatoreinrichtung aus dem Generator-Modus in den Antriebsmodus kann so abgestimmt werden, dass die Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine derart verzögert werden kann, bis deren Leistungsbeitrag tatsächlich erforderlich ist, oder bis diese ggf. aus dem Stillstand auf eine hinreichende Drehzahl hochgefahren ist.
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Insbesondere in Kombination mit der vorangehend beschriebenen Maßnahme ist es gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, die Steuereinrichtung auch derart auszulegen, dass die einzustellende Schleppmomentleistung der Brennkraftmaschine aus der gegenwärtigen über ein Bremspedal vorgegebenen Bremswirkung ermittelt wird. Im Falle einer fahrerseitig vorgegebenen Bremsoperation wird also der Leistungsabgriff aus der Generatoreinrichtung weiter erhöht, ggf. bis zum maximal generierbaren Generatormoment und erst dann wird zusätzlich das Radbremssystem aktiv. Bei Fahrt auf einer Gefällestrecke kann damit über das Gas- und das Bremspedal die Generatorlast so abgestimmt werden, dass sich für den Fahrer der Eindruck ergibt, er würde die Bremsleistung wie bei einem konventionellen, eine Motorbremswirkung bietenden Kraftfahrzeug durch Betätigen von Gas- und Bremspedal dosieren, wobei in dieser Betriebsphase die maximal rekuperierbare Energie über die Generatoreinrichtung zurückgewonnen und in ein fahrzeugseitiges Speichersystem eingespeichert werden kann. Motor und Bremsen werden hierdurch geschont und Emissionen vermieden.
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Die Steuereinrichtung kann gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auch so konfiguriert werden, dass die einzustellende Schleppmomentleistung unter Berücksichtigung des Fahrbahngefälles und ggf. des aktuellen Fahrzeug- oder Gespanngewichts ermittelt wird. So ist es möglich für bestimmte Betriebsphasen, also insbesondere Bergabfahrt, oder Schubbetrieb mit schwer beladenem Fahrzeug oder angehängter Last hier ein Verhalten darzustellen, das eine gegenüber der tatsächlichen Schleppleistung, d.h. Motorbremswirkung der Brennkraftmaschine erhöhte Schleppleistung darstellt. Dieser Ansatz eignet sich insbesondere für Auslegungen von Fahrzeugen mit kleinem Hubraum der eingesetzten Brennkraftmaschine.
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In weiterhin vorteilhafter Weise ist es möglich, im Bereich der Fahrerumgebung Eingabemittel vorzusehen, die eine gewisse Abstimmung der generatorseitig generierten Bremsleistung ermöglichen. So ist es insbesondere möglich, die seitens der Generatoreinrichtung generierte Bremswirkung derart auf die Betätigung des Gaspedals abzustimmen, dass eine Entlastung des Gaspedals, also eine Reduktion des Niederdrückungsgrades zu einem hiermit korrelierenden Anstieg der durch die Generatoreinrichtung generierten Bremswirkung führt. Es ergibt sich dann die fahrdynamische Charakteristik, dass das Fahrzeug hart an einer Brennkraftmaschine mit hohem Schleppmoment hängt. Das Gaspedal fungiert dann mehr als Geschwindigkeitsregulator denn als Leistungsregulator. Wird das System also auf hohe Schleppleistung im Schubbetrieb eingestellt, so können ohne signifikanten mechanischen Energieverlust komplexe Fahrsituationen, z.B. die Ein- Durch- und Ausfahrt aus einem Kreisverkehr energetisch vorteilhaft abgewickelt werden. Die im Rahmen der Annäherung an einen Kreisverkehr abzuführende kinetische Energie des Fahrzeuges wird über den Generator rekuperiert, kurzzeitig gespeichert und bei der Ausfahrt aus dem Kreisverkehr zur Beschleunigung des Fahrzeuges wieder herangezogen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebsanordnung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Generatoreinrichtung in einem zwischen dem Hauptgetriebe und einem Achsdifferential liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt ist. Bei dieser Variante wird es möglich, den Leistungsabgriff über eine einzige Generatoreinrichtung zu bewerkstelligen, und über das Achsdifferential ausgeglichene Bremswirkungen an beiden Rädern einer Fahrzeugachse sicherzustellen.
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Alternativ zu der oben genannten Maßnahme, oder insbesondere auch in Kombination mit dieser ist es auch möglich, die Antriebsanordnung so auszubilden, dass die Generatoreinrichtung einen ersten Teilgenerator und einen zweiten Teilgenerator umfasst, und dass der erste Teilgenerator in einem zwischen dem Achsdifferential und einer linken Radnabe liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt ist, und zudem der zweite Teilgenerator in einem zwischen dem Achsdifferential und einer rechten Radnabe liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt ist. Der Leistungsabgriff kann damit durch insgesamt mehrere, jeweils kleiner bauende, ggf. baugleiche Generatormodule realisiert werden.
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Es ist auch möglich, die Generatoreinrichtung so auszubilden, dass diese einen ersten Teilgenerator und einen zweiten Teilgenerator umfasst, und dass der erste Teilgenerator im Bereich einer linken Radaufhängung angeordnet und dort an den Antriebsstrang angekoppelt ist, und dass der zweite Teilgenerator im Bereich einer rechten Radnabe angeordnet und dort an den Antriebsstrang angekoppelt ist.
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Die Steuereinrichtung kann so ausgelegt werden, dass die Generatorleistung der linken und rechten Teilgeneratoren unter Berücksichtigung des Lenkradeinschlagwinkels abgestimmt wird. Hierdurch wird es möglich, übermäßige Bremsmomente am kurvenäußeren Rad zu vermeiden. Insbesondere ist es auch möglich, die Generatorleistung der linken und rechten Teilgeneratoren unter Berücksichtigung einer ABS-, ASR-, oder ESP-Steuerungsaktion abzustimmen. Je nach Fahrsituation kann damit das generatorseitig generierte Bremsmoment mit extrem hoher Dynamik derart eingestellt werden, dass sich am jeweiligen Rad ein optimales Brems- oder ggf. auch Antriebsmoment ergibt.
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Die Antriebsanordnung kann in vorteilhafter Weise auch als Vierradantriebsanordnung, d.h. als Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit Allradantrieb ausgeführt werden. Die Antriebsanordnung umfasst dann ein erstes und ein zweites Achsdifferential sowie ein Mittendifferential das in an sich bekannter Weise zwischen dem Hauptgetriebe und den beiden Achsdifferentialen sitzt. Die Generatoreinrichtung wird dann vorzugsweise derart mehrgliedrig realisiert, dass diese einen ersten und einen zweiten Teilgenerator umfasst und der erste Teilgenerator in einem zwischen dem ersten Achsdifferential und dem Mittendifferential liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt ist und der zweite Teilgenerator in einem zwischen dem zweiten Achsdifferential und dem Mittendifferential liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt ist.
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Die Freilaufeinrichtung ist vorzugsweise als reibschlüssig koppelnde Freilaufeinrichtung ausgeführt. Sie kann hierzu beispielsweise als Klemmrollenfreilauf, oder auch als Freilauf mit einer komplexeren Mechanik, z.B. als Lamellenkupplungsscheibenfreilauf ausgeführt sein, der eine Lamellenkupplungspackung und eine Axialnockenscheibe umfasst welche entsprechend der Lastsituation die Lamellenkupplungspackung be- oder entlastet. Weiterhin ist es möglich, die Freilaufeinrichtung derart auszubilden, dass diese auch selektiv sperrbar ist, so dass keine Freilaufwirkung eintritt und die entsprechenden Antriebsstrangabschnitte starr gekoppelt sind. Wird die Freilaufeinrichtung als selektiv sperrbare Freilaufeinrichtung ausgebildet, so wird es möglich, im Rahmen einer Verzögerungsphase die ein über das Bremsmoment der Generatoreinrichtung hinausgehendes Bremsmoment erfordert vor einer Aktivierung der Radbremssysteme zunächst die Brennkraftmaschine zuzuschalten und deren Schleppmoment zum Abbau der kinetischen Energie heranzuziehen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Verschleißreduktion der Bremssysteme. Für den Fall, dass die durch die Generatoreinrichtung im Schubbetrieb abgegriffene Energie nicht weiter gespeichert werden kann ist es möglich, dieses über einen thermischen Verbraucher abzuführen, Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung bietet damit auch die Funktion eines elektrischen Retarders, der ggf. ergänzend zum Schubbetrieb der Brennkraftmaschine aktiviert werden kann.
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Die Freilaufeinrichtung kann in vorteilhafter Weise unmittelbar nach dem Getriebeeingang des Hauptgetriebes in dessen Gehäuse angeordnet werden.
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Diese Anordnung ermöglicht es, die Rückwärtsgang-Funktion des Hauptgetriebes zu nutzen, ohne dass hierzu die Freilaufeinrichtung sperrbar ausgeführt werden müsste.
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Alternativ zur vorangehend genannten Variante kann die Freilaufeinrichtung auch in einem zwischen dem Hauptgetriebe und dem Mittendifferential oder einem Achsdifferential liegenden Bereich angeordnet werden. Dies ermöglicht es auch die Schleppverluste des Hauptgetriebes zu eliminieren.
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Die Generatoreinrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass diese auch als Antriebsmotor betreibbar ist, zur Einkoppelung eines Antriebsdrehmomentes in den entsprechenden Antriebsstrangabschnitt. Die Energiespeicherung wird vorzugsweise über eine Akkumulator- oder Kondensatoreinrichtung, beispielsweise eine Gold-Cap-Anordnung bewerkstelligt. Die Kondensatoreinrichtung wird für Ladungswechsel mit hoher Dynamik verwendet und ist vorzugsweise so ausgelegt, dass diese ein energetisches Speichervermögen hat, das der kinetischen Energie des Fahrzeuges bei etwa 80 km/h entspricht. Die Akkumulatoreinrichtung kann so ausgelegt sein dass diese eine Reichweite von 30km bei 60 km/h bietet. Die Brennkraftmaschine und die Generatoreinrichtung können so betrieben werden, dass diese einen Boost-Modus bereitstellen in welchem die Generatoreinrichtung als Zusatzantrieb fungiert welcher ein zusätzliches Antriebsmoment bereitstellt. Die Generatoreinrichtung kann wenigstens einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor aufweisen. Sie kann mit der jeweiligen Welle des Antriebsstranges zu einem Modul zusammengefasst werden. Die Generatoreinrichtung kann koaxial zu einer durch diese hindurch verlaufenden Welle angeordnet werden, d.h. der Rotor sitzt auf jener Welle, oder ist auf dieser gelagert. Die Generatoreinrichtung kann weiterhin so gestaltet sein, dass diese über schaltbar aktivierbare Koppelglieder selektiv an den Antriebsstrang ankoppelbar ist. Dies ermöglicht es, die Generatoreinrichtung temporär abzukoppeln und etwaige Wirkungsgradreduktionen z.B. aufgrund von Wirbelstromverlusten zu reduzieren. Der Generator kann bei einem als Vierradantrieb ausgelegten Antriebssystem auch zwischen dem Hauptgetriebe und dem Verteilergetriebe sitzen
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Die Erfindung betrifft im Kern die Integration eines Freilaufs in das Hauptgetriebe eines Kraftfahrzeuges. Das Getriebe ist beispielsweise als Schaltgetriebe als Doppelkupplungsgetriebe oder als automatisiertes Schaltgetriebe ausgeführt. Der Freilauf wird dabei in dem Antriebsstrang im Leistungsfluss abwärts des Eingangs des Hauptgetriebes positioniert. Zusätzlich wird der Antriebsstrang um einen Generator erweitert, der bei geöffnetem Freilauf eine Leistung rekuperiert, die in etwa der Schleppmomentleistung der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Die Rekuperationsleistung orientiert sich zudem an der Steigung der Straße, z.B. umso steiler desto stärker. Der Generator wird dabei an definierten Stellen des Antriebsstranges untergebracht, insbesondere im Hauptgetriebe, oder zwischen Haupt- und Verteilergetriebe, an der vorderen bzw. hinteren Kardanwelle, den Seitenwellen, als radnahe Generatoren, in den Radnaben, am Hauptgetriebe, am Verteilergetriebe, oder am Differential.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich das Schleppmoment in Abhängigkeit vom aktuell eingelegten Gang zu „simulieren“ d.h den aktuel eingelegten Gang steuerungstechnisch zu Berücksichtigen. Bei einem derartigen Ansatz bewirkt dann der 1. Gang ein wesentlich größeres Schubmoment als der 6. Gang. Dieser Effekt kann über die Belastung des Generators herbeigeführt werden auch wenn der Generator mit einem vom Schaltzustand des Getriebes unabhängigen Übersetzungsverhältnis an den stromabwärts des Freilaufs verlaufenden Antriebsstrang angekoppelt ist
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Die Steuerung des Generators zur Rekuperation kann auch so ausgelegt sein, dass diese den Betrieb des Fahrzeugs in einem sog. Segelbetriebsmodus (= Ausrollen/Rollen ohne Verzögerung durch Schleppmoment) bietet. So kann das Fahrzeug mit geeigneten Schnittstellen, insbesondere fahrerseitig bedienbaren Schaltelementen ausgestattet sein, die einen Betrieb des Kraftfahrzeuges in jenem Segelbetriebsmodus ermöglichen. So wird für diesen Betriebsmodus der Generator deaktiviert, so dass keine Verzögerungswirkung generiert wird. Die Aktivierung des Generators zur Rekuperation kann z.B. erfolgen, indem der Segelmodus durch ein leichtes Antippen des Bremspedals beendet wird. Weiterhin ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Einstellung verschiedener Konfigurationen/Betriebsmodi durch Eingabemittel im Bereich der Fahrerumgebung zu ermöglichen.
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In weiterhin vorteilhafter Weise ist es möglich, im Bereich der Fahrerumgebung Eingabemittel vorzusehen, die eine gewisse Abstimmung der generatorseitig generierten Bremsleistung ermöglichen. Die Steuereinrichtung kann z.B. so ausgelegt sein, dass diese einen fahrerseitig selektierbaren Betriebsmodus vorsieht in welchem keine Schleppmomentengenerierung durch die Generatoreinrichtung erfolgt (reines Ausrollen, sog „Segelbetrieb“). Hierzu können Eingabemittel im Bereich der Fahrerumgebung vorgesehen sein, oder vorhandene Eingabemittel zum Abgriff dieser Information herangezogen werden. So kann die Segelfunktion beispielsweise durch Betätigung eines Schalters oder auch durch Einlegen eines bestimmten Ganges herbeigeführt /ermöglicht werden. Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist es insbesondere möglich, die Segelfunktion automatisch zu aktivieren, sobald im aktuell eingelegten Gang eine vorgegebene theoretische Grenzdrehzahl, z.B. die Standard Leerlaufdrehzahl unterschritten werden würde. In diesem Falle wird zunächst die Brennkraftmaschine abgeschaltet und zum Stillstand gebracht und die Segelfunktion aktiviert. So kann also die Segelfunktion unter automatischer Abschaltung der Brennkraftmaschine dann aktiviert werden, wenn im 6. Gang die Fahrzeuggeschwindigkeit unter 50 km/h abfällt. Der Übergang in den Segelzustand kann derart sanft angesteuert werden, dass vom Fahrer keine störende Änderung der Längsverzögerung wahrgenommen wird.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit einer Freilaufeinrichtung die in ein Hauptgetriebe integriert ist und damit in einem Zwischenbereich zwischen einer dem Eingang des Hauptgetriebes und einer Generatoreinrichtung liegt;
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2 eine vereinfachte Darstellung eines Hauptgetriebes mit einem direkt angebundenen Achsdifferential, zur Veranschaulichung geeigneter Einbindungsabschnitte für eine Freilaufeinrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die Darstellung nach 1 zeigt in Form einer Schemadarstellung ein Kraftfahrzeug das mit einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ausgestattet ist. Die Antriebsanordnung umfasst eine Brennkraftmaschine M, ein Hauptgetriebe G mit einem Getriebeeingang PI und einem Getriebeausgang PO, sowie ein erstes und ein zweites Achsgetriebe D1, D2 zur Verzweigung der Antriebsleistung auf die Räder 4 jeweils einer Achse A1, A2 jenes Kraftfahrzeuges. Weiterhin umfasst die Antriebsanordnung eine hier für mehrere, z.T. alternative Einbaupositionen schematisch dargestellte Generatoreinrichtung P, zur Rekuperation kinetischer Energie im Rahmen des Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges, und eine Steuereinrichtung C zur Steuerung der über die Generatoreinrichtung P abgegriffenen Leistung.
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Bei dieser Antriebsanordnung ist in einem zwischen der Brennkraftmaschine M und dem Hauptgetriebe G liegenden Bereich des Antriebsstranges eine Kupplungseinrichtung K vorgesehen, die eine schaltbare Aufhebung der Antriebsverbindung zwischen der Brennkraftmaschine M und dem Hauptgetriebe G ermöglicht. Zudem ist zwischen einem bereits in dem Hauptgetriebe G liegenden Getriebeeingang PI und der Generatoreinrichtung P liegenden Innenbereich, eine Freilaufeinrichtung F vorgesehen, die im Rahmen eines Schubbetriebs des Kraftfahrzeuges in einen Freigabezustand gelangt. Die Steuereinrichtung C ist derart ausgelegt, dass diese im Rahmen des Schubbetrieb die rekuperierte Leistung derart abstimmt, dass das die hierbei rekuperierte Leistung im wesentlichen der Schleppleistung der Brennkraftmaschine entspricht, die über die Brennkraftmaschine abgegriffen werden würde, wenn die Brennkraftmaschine ohne jenen Freilauf über den Antriebsstrang weiter mitgeschleppt werden würde.
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Die Steuereinrichtung C ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass die einzustellende Schleppmomentleistung der Generatoreinrichtung P aus der gegenwärtigen über ein Gaspedal AP vorgegebenen Lastanforderung ermittelt wird. Zudem ist die Steuereinrichtung C derart ausgelegt, dass die einzustellende Schleppmomentleistung des Antriebsstranges aus der gegenwärtigen über ein Bremspedal BP vorgegebenen Bremswirkung ermittelt wird. In der Steuereinrichtung C werden noch weitere Parameter berücksichtigt, insbesondere das momentan durchfahrene Fahrbahngefälle und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs oder des Gespanns.
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Die Generatoreinrichtung P kann als Einzelmodul PM realisiert sein und hierbei wie dargestellt an den Positionen 1 oder 2, zwischen dem Hauptgetriebe G und einem Achsdifferential D1 oder bei einem Vierradgetriebenen Fahrzeug zwischen dem Hauptgetriebe G und einem Verteilergetriebe V angeordnet sein.
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Die Generatoreinrichtung kann auch in mehrere Module P1, P2, P3, P4 aufgegliedert, sein. So können die Module P1, P2 entweder an der Achse A1 oder der Achse A2 in den Positionen 3 angeordnet werden. Das Generatormodul P1 befindet sich dann in einem zwischen dem Achsdifferential D1, D2 und einer rechten Radnabe liegenden Bereich. Das Generatormodul P2 ist dann in einem zwischen dem Achsdifferential D1, D2 und einer linken Radnabe liegenden Bereich an den Antriebsstrang angekoppelt. Im Falle eines einachsig getriebenen Fahrzeuges befindet sich dann diese Module lediglich auf dieser Achse A1 oder A2 und es ist kein Verteilergetriebe V erforderlich. Im Falle eines Vierradantriebs befinden sich sind die Generatormodule P1, P2, P3, P4 wie angedeutet zwischen einem Achsdifferential D1, D2 und einer Radaufhängung.
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Im Falle eines allradgetriebenen Kraftfahrzeuges ist es auch möglich, die Generatoreinrichtung in zwei Teilmodule P5, P6 zu untergliedern und diese in den Positionen 2 zwischen dem Verteilergetriebe V und dem entsprechenden Achsdifferential D1, D2 anzuordnen. Bei einem allradgetriebenen Kraftfahrzeug ist es auch möglich, eines der Generatormodule P5, P6 zwischen dem Verteilergetriebe V und einem Achsdifferential D1; D2 anzuordnen und zwei weitere Generatormodule P1, P2, P3, P4 zwischen dem weiteren Achsdifferential D2; D1 und den zugeordneten Radaufhängungen.
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Soweit die Generatoreinrichtung in links und rechts angeordnete Generatormodule P1, P2, P3, P4 untergliedert ist, ist es möglich die von diesen Generatoren jeweils abgegriffene Leistung unter Berücksichtigung des Lenkradeinschlagwinkels des Kraftfahrzeuges, oder anderweitigen fahrdynamischen Parametern abzustimmen, so dass im Schubbetrieb das Kurvenfahrverhalten verbessert wird. Die vom jeweiligen Teilgenerator P1, P2, P3, P4, P5, P6 abgegriffene Leistung kann auch unter Berücksichtigung einer ABS- oder ESP-Steuerungsaktion abgestimmt werden.
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Die Freilaufeinrichtung F ist bei diesem Ausführungsbeispiel als reibschlüssig koppelnde Freilaufeinrichtung ausgeführt die ein sanftes, ruckfreies Auftrennen und Schließen des Antriebsstranges innerhalb des Hauptgetriebes G ermöglicht. Die Freilaufeinrichtung ist mit einem hier nicht näher dargestellten Sperrmechanismus versehen, der es ermöglicht, im Rahmen bestimmter Betriebszustände die Freilaufeinrichtung derart zu überbrücken, dass im Rahmen eines Schleppbetriebsmodus die Brennkraftmaschine M mitgeschleppt wird.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Freilaufeinrichtung F in dem Hauptgetriebe G in einem Abschnitt des Hauptgetriebes angeordnet, der zwischen dem Getriebeeingang PI und dem Getriebeausgang PO liegt.
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Die Generatoreinrichtung P, oder deren Generatormodule PM, P1, P2, P3, P4, P5 können ggf. schaltbar mit dem zugeordneten Antriebsstrangabschnitt koppelbar sein. Sie können koaxial zu einer entsprechenden Welle angeordnet sein, insbesondere kann der Rotor des jeweiligen Generators im Zusammenspiel mit der entsprechenden Welle realisiert sein. Die Generatormodule PM, P1, P2, P3, P4, P5 können auch über eine Getriebeeinrichtung, insbesondere einen Zugmitteltrieb mit den entsprechenden Wellen gekoppelt oder an das Verteilergetriebe V oder die Achsdifferentiale D1, D2 oder die jeweilige Radaufhängung angebunden sein.
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Die Steuerung des Leistungsabgriffs kann erfolgen, indem z.B. die Generatormodule PM, P1, P2, P3, P4, P5 als Wechselstromgeneratoren ausgelegt sind und durch die Steuereinrichtung C die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung aktiv eingestellt wird. Es können also z.B. über die Statorwicklungen des jeweiligen Generatormoduls Drehfelder erzeugt werden welche entweder den darin rotierenden Rotor bremsen (Generatorbetriebsmodus) oder antreiben (Motorbetriebsmodus). Die Rotoren können hierbei insbesondere als mit Permanentmagneten bestückte Rotoren ausgebildet sein. Bei der Abkopplung mittels der Freilaufeinrichtung geht der Motor vorzugsweise nicht mehr direkt in den Schubbetrieb über, sondern der Motor arbeitet im Leerlauf oder wird ggf. abgestellt.
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Die Funktionsweise des dargestellten Kraftfahrzeuges ist wie folgt: Ein erfindungsgemäß ausgestattetes Kraftfahrzeug befährt im Rahmen einer Fahrt durch das fränkische Jura einen ansteigenden Straßenabschnitt und erreicht dann einen Kuppenbereich. Aufgrund freier Fahrbahn betätigt der Fahrer das Gaspedal und beschleunigt das Fahrzeug zunächst mit einem Leistungsbeitrag der Brennkraftmaschine. Das Fahrzeug beschleunigt unter Wirkung des Leistungsbeitrags der Brennkraftmaschine sowie der auf dem nunmehr abfälligen Straßenabschnitt wirksamen Hangabtriebskraft. Das Fahrzeug erreicht die vom Fahrer gewünschte Geschwindigkeit und dieser reduziert den Niederdrückungsgrad des Gaspedals. Aufgrund der weiter wirksamen Hangabtriebskraft beschleunigt das Fahrzeug weiter. Nunmehr gelangt das Fahrzeug in einen Schubbetriebsmodus und die im Hauptgetriebe G liegende Freilaufeinrichtung F öffnet. Die Brennkraftmaschine wird in einen Schubabschaltungsmodus verbracht und im Rahmen desselben ggf. abgeschaltete. Bleibt der Fahrer auf dem Gaspedal AP in einer Stellung in welcher die Brennkraftmaschine noch fast ohne Schleppmoment mitlaufen würde, so stellt die Steuereinrichtung C einen nur schwachen Leistungsabgriff an den Generatoreinrichtungen P ein und führt die abgezweigte elektrische Energie einem Akkusystem zu. Reduziert der Fahrer den Gaspedalniederdrückungsgrad weiter, so erhöht die Steuereinrichtung den Leistungsabgriff aus den Generatoreinrichtungen und das hierdurch generierte Bremsmoment und der elektrische Leistungsabgriff werden vergrößert. Für den Fahrer ergibt sich hierbei der Eindruck, er würde über das Gaspedal PA nur die sog. Motorbremse dosieren. Nimmt der Fahrer den Fuß gänzlich vom Gas, so stellt die Steuereinrichtung den Leistungsabgriff so ein, dass eine Fahrzeugverzögerung eintritt wie sie auch unter der normalen Schleppwirkung der Brennkraftmaschine eintreten würde. Im Bereich der Fahrerumgebung können Eingabeeinrichtungen vorgesehen sein, die es ermöglichen die Schleppmomentcharakteristik einzustellen, so dass ggf. Schleppmomente generiert werden, die über dem Schleppmoment der Brennkraftmaschine liegen. Das System kann hierbei so ausgelegt werden, dass Einstellungen möglich sind in welchen kein Schleppmoment generiert wird, ein Schleppmoment unterhalb des Schleppmoments der Brennkraftmaschine, eines das im wesentlichen der Brennkraftmaschine entspricht, und eines oder mehrere die darüber liegen. Eingabemittel zur Wahl des Systemverhaltens sind vorzugsweise im Bereich des Umfeldes des Fahrers angeordnet, oder in vorhandenen Bedienelemente implementiert. So kann beispielsweise ein Wahlhebel auch eine „S“(Sail-Position) und eine „B“(Brake-Position) bieten. Die Wahl der S-Position führt dazu, dass zunächst keine Rekuperationswirkung bei Wechsel in den Schubbetrieb eintritt. Die B-Position bewirkt jene Rekuperationswirkung im Rahmen des Schubbetriebs. Der Wechsel aus einer beispielsweise standardmäßig vorgesehenen Sail-Einstellung (freies Ausrollen ohne Rekuperation) in den Rekuperationsmodus kann z.B. durch kurzes Antippen des Bremspedals ausgelöst werden. Es ist auch möglich, am Bremspedal einen bestimmten Weg- oder Kraftbereich zur Steuerung der Rekuperationswirkung heranzuziehen und damit bis zu einem bestimmten Bremsleistungsbedarf ein elektrisches Bremsen durch dosierte Rekuperation zu ermöglichen.
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Die Steuereinrichtung und das unter Einschluss derselben gebildete Gesamtsystem kann weiterhin so gestaltet werden, dass bei Betätigen der Bremse der Leistungsabgriff über die Generatoreinrichtung entsprechend dem Niederdrückungs- oder Belastungsgrad des Bremspedals weiter erhöht wird, und erst wenn die hierbei erreichte Bremswirkung unter der fahrerseitig gewünschten Bremswirkung liegt die Radbremsen zusätzlich aktiv werden.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht sowohl eine Rekuperation potentieller Energie des Fahrzeuges im Rahmen einer Abfahrt auf einer Gefällestrecke, als auch die Rekuperation kinetischer Energie im Rahmen des Betriebs des Fahrzeugs mit einem alternierenden Geschwindigkeitsprofil. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Aktivitäten der Generatoreinrichtung im wesentlichen unauffällig, ruckfrei geregelt werden.
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In 2 ist vereinfacht der Aufbau eines Hauptgetriebes dargestellt. Die Wellen U1, U2, U3, U4 des Getriebes befinden sich in jenen Positionen, die in der im oberen rechten Bildbereich eingebundenen Skizze S1 veranschaulicht sind. Die Schnittdarstellung selbst zeigt diese Wellen U1, U2, U3, U4 in geklappter Darstellung.
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Das hier gezeigte Hauptgetriebe G umfasst ein Getriebegehäuse GH. Aus diesem Getriebegehäuse GH führt ein Endabschnitt der den Getriebeeingang PI bildenden Eingangswelle U1 heraus. An das Hauptgetriebe G ist ein Achsdifferential D1 angebunden. Dieses umfasst ein auf dem Umlaufgehäuse CD des Achsdifferentials sitzenden Stirnrad WD das über ein auf der Ausgangswelle U2 sitzendes Stirnrad getrieben wird. Dieses Stirnrad WD stellt den Ausgang PO des Hauptgetriebes G dar.
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Bei dem dargestellten Hauptgetriebe G kann die erfindungsgemäß abwärts des Leistungseingangs PI angeordnete Freilaufeinrichtung an den hier jeweils durch Kreissymbole gekennzeichneten Positionen 1, 2, 3, 4, 5 angeordnet werden.
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Der Freilauf kann wie hier angedeutet in der Position 1, d.h. im Bereich der Synchronisation zwischen Synchronkörper und Abtriebswelle U3 angeordnet werden. Wird die Freilaufeinrichtung im Bereich der Position 2 angeordnet, so wir hierzu die Eingangswelle U1 als geteilte Welle ausgeführt und der Freilauf zwischen den beiden Wellenabschnitten angeordnet. Zur Anordnung der Freilaufeinrichtung in den Positionen 3 wird die Freilaufmechanik zwischen dem entsprechenden Zahnkranz und der Antriebswelle U1 angeordnet werden. Auch die Abtriebswelle U2, U3 kann als geteilte Welle ausgeführt werden und die Freilaufeinrichtung dann in der gezeigten Position 4 zwischen den beiden Wellenabschnitten der Ausgangswelle U2, U3 angeordnet werden. Alternativ zu den angesprochenen Einbindungsstellen der Freilaufeinrichtung in das Hauptgetriebe G, kann die Freilaufeinrichtung auch im Bereich des Achsdifferentials D wie hier durch die Positionsnummer 5 angedeutet zwischen dem Umlaufgehäuse CD und dem Antriebsrad WD angeordnet werden.
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Je näher die Freilaufeinrichtung im Antriebsstrang an die Räder des Fahrzeuges herangerückt wird, umso höher wird der Systemwirkungsgrad, da umso weniger Komponenten des Antriebsstranges im Schubbetrieb mitgeschleppt werden müssen. Bei dem in 2 gezeigten Getriebeaufbau wäre unter diesem Gesichtspunkt die Anordnung der Freilaufeinrichtung in der Position 5, die günstigste Anordnung. Die Generatoreinrichtung müsste dann wie in 1 bezüglich der Achse A1 gezeigt in zwei Generatormodule P1, P2 aufgeteilt werden die im Bereich zwischen den Ausgängen des Achsdifferentials und den benachbarten Rädern kinematisch an den Antriebsstrang angebunden sind. Für den Aufbau der Freilaufeinrichtung sind verschiedenste Bauweisen möglich. Innerhalb des Getriebegehäuses GH kann die Freilaufeinrichtung insbesondere als Klemmkörperfreilauf ausgebildet sein.
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Die Anordnung der Freilaufeinrichtung im inneren des Getriebes G ermöglicht es zudem, die Freilaufeinrichtung so auszubilden, dass diese ggf. nicht für alle Gänge wirksam wird, so dass beispielsweise die Funktion der Abkoppelung der Brennkraftmaschine nur für den 4. 5. und sechsten Gang besteht und bei niedrigeren Gängen, sowie im Rückwärtsgang die Freilaufeinrichtung keine Auftrennung des Antriebsstranges veranlasst.
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Der Freilauf kann in vorteilhafter Weise als Rollenfreilauf ausgeführt werden, es sind jedoch auch anderweitige Freilaufvarianten möglich, z.B. Kugel-, Rollen-, Klemmkörper-, Klinken- und Keilfreiläufe etc.
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Bezugszeichenliste
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- P
- Generatoreinrichtung
- M
- Brennkraftmaschine
- K
- Kupplungseinrichtung
- G
- Hauptgetriebe
- A1
- Achse
- A2
- Achse
- D1
- Achsgetriebe/Achsdifferential
- D2
- Achsgetriebe/Achsdifferential
- 4
- Räder
- C
- Steuereinrichtung
- F
- Freilaufeinrichtung
- AP
- Gaspedal
- BP
- Bremspedal
- 1
- Positionskennzeichnung
- 2
- Positionskennzeichnung
- 3
- Positionskennzeichnung
- 4
- Positionskennzeichnung (nur in 2)
- 5
- Positionskennzeichnung (nur in 2)
- P1
- Generatormodul
- P2
- Generatormodul
- P3
- Generatormodul
- P4
- Generatormodul
- PM
- Generatormodul
- V
- Mittendifferential
- U1
- Antriebswelle
- U2
- Abtriebswelle
- U3
- Abtriebswelle
- GH
- Getriebegehäuse
- WD
- Stirnrad
- PO
- Ausgang
- PI
- Eingang
- S1
- Skizze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10257257 A1 [0002]
- DE 19606771 A1 [0003]