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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für mobile Anwendungen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein solcher Antriebsstrang umfasst eine über einen Verbrennungsmotor mechanisch antreibbare erste Welle und eine über einen Elektromotor antreibbare zweite Welle sowie eine Pumpe, die mechanisch und/oder elektrisch über wenigstens eine der beiden Wellen antreibbar ist.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 53 940 A1 ist ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug bekannt, das einen verbrennungsmotorischen Fahrzeugantrieb sowie einen verbrennungsmotorischen Zusatzantrieb zum Antreiben weiterer im Kraftfahrzeug angeordneter Komponenten umfasst. Bei den weiteren Komponenten kann es sich insbesondere um einen Starter/Generator, einen Klimakompressor, eine Servopumpe oder eine mechanisch angetriebene Wasserpumpe handeln. Der Zusatzantrieb soll den Betrieb der weiteren Komponenten unabhängig vom Fahrzeugbetrieb und ohne zusätzliche Belastung des Bordnetzes ermöglichen. Insbesondere soll bei Stillstand des Fahrzeugs, beispielsweise während der Stillstandsphasen im Start-Stopp-Zyklus, eine dauerhafte Energieversorgung der weiteren Komponenten über den Zusatzantrieb sichergestellt sein. Da der Fahrzeugantrieb nicht mehr die Energieversorgung der weiteren Komponenten übernehmen muss, kann dessen Betriebspunkt optimal auf die Anforderungen bezüglich des Antriebs des Kraftfahrzeuges, die sich durch stark schwankende Belastungsfälle auszeichnen, ausgelegt werden. Der Zusatzantrieb kann demgegenüber stationär in einem günstigen Betriebspunkt gefahren werden. Vorzugsweise werden auch die mechanisch betriebenen Nebenaggregate, die üblicherweise direkt oder über Keilriemen, Ketten oder Getriebe mechanisch vom Fahrzeugantrieb oder einem Elektromotor angetrieben werden, über den Zusatzantrieb bewegt. Dadurch kann ein wenig energieeffizienter Betrieb mechanisch angetriebener Nebenaggregate, wie er insbesondere bei hohen Drehzahlen des Fahrzeugantriebs auftritt, vermieden werden. Ferner wird in dieser Offenlegungsschrift eine Leistungsregelung vorgeschlagen, welche insbesondere die leistungsstarken Nebenaggregate ansteuert, um eine bedarfsgerechte Aufteilung der Antriebsleistungen vorzunehmen. Zum Betrieb der Nebenaggregate kann dann ein Zusatzantrieb mit vergleichsweise geringer Leistung eingesetzt werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 115 078 A1 ist ferner ein Hybridgetriebe bekannt, das einen Verbrennungsmotor als Quelle mechanischer Leistung, zwei Elektromotoren als Quelle elektrischer Leistung, eine Batterie als Energiespeicher und ein vierwelliges Planetengetriebe für die Überlagerung der Leistungsflüsse umfasst. Das Getriebe soll auf diese Weise als serieller Hybrid, als Parallelhybrid oder als leistungsverzweigter Hybrid mit geringem elektrischen Leistungsanteil nutzbar sein. Die maximalen Drehmomente und Drehzahlen der beiden Elektromotoren treten ungefähr in den gleichen Betriebspunkten auf, was zu geringen Eckleistungen und kleinen Baugrößen führen soll. Zur Schmierung und Kühlung des Getriebes kann eine Ölpumpe vorgesehen sein, die unabhängig vom Verbrennungsmotor über einen der beiden Elektromotoren angetrieben wird. Die Ölpumpe kann demnach auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors zur Versorgung des Getriebes mit Schmier- und Kühlmittel eingesetzt werden.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang mit einer Pumpe anzugeben, die zumindest wahlweise mechanisch oder elektrisch antreibbar ist, so dass ein von einem Verbrennungsmotor unabhängiger Betrieb während Stillstandsphasen möglich ist. Ferner soll der Antriebsstrang eine bedarfsgerechte Leistungsversorgung der Pumpe sicherstellen sowie kostengünstig und bauraumeffizient umsetzbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Antriebsstrang umfasst eine über einen Verbrennungsmotor mechanisch antreibbare erste Welle und eine über einen Elektromotor antreibbare zweite Welle sowie eine Pumpe, die mechanisch und/oder elektromotorisch antreibbar ist und über wenigstens eine Welle mit dem Verbrennungsmotor und/oder dem Elektromotor verbunden oder verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Pumpe in die über den Verbrennungsmotor mechanisch antreibbare erste Welle integriert ist. Durch die Integration der Pumpe in eine Welle, die unmittelbar oder mittelbar über einen Verbrennungsmotor antreibbar ist, wird der Baumraumbedarf des vorgeschlagenen Antriebsstrangs deutlich abgesenkt. Bei der Welle kann es sich insbesondere um eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder eine mit der Kurbelwelle wirkverbundene Nockenwelle eines Nebenaggregats, wie beispielsweise einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, handeln. Ferner ist die Integration der Pumpe in eine Welle eines Getriebes möglich, das zwischen der Pumpe und dem Verbrennungsmotor geschaltet ist.
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Der Antriebsstrang ist ferner so ausgelegt, dass die hierin angeordnete Pumpe wahlweise über die erste Welle, d. h. mechanisch, oder über die zweite Welle, d. h. elektromotorisch, antreibbar ist. Der elektromotorische Antrieb dient insbesondere dem Betrieb der Pumpe, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist, beispielsweise in Stillstandsphasen von Start-Stopp-Zyklen. Bei laufendem Verbrennungsmotor nimmt die Pumpe vorzugsweise lediglich mechanische Antriebsleistung auf, die vom Verbrennungsmotor wirkungsgradoptimal bereitgestellt wird. Dadurch entfallen Verluste, die bei der Erzeugung elektrischer Antriebsenergie entstehen. Darüber hinaus ist bevorzugt ein kombinierter Antrieb der Pumpe möglich, wobei ein signifikanter Anteil der von der Pumpe aufgenommenen Antriebsleistung vorzugsweise direkt mechanisch vom Verbrennungsmotor wirkungsgradoptimal aufgebracht wird. Über eine Veränderung der Drehzahl des Elektromotors kann dann die Fördermenge der Pumpe beeinflusst werden.
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Elektromotorisch angetriebene Pumpen weisen in der Regel ein separates Gehäuse auf. Bei der vorgeschlagenen Integration der Pumpe in eine Welle des Antriebsstrangs kann ein solches entfallen. Ferner kann auf separate Wellen, Wellenlager und/oder Dichtungen verzichtet werden. Der vorgeschlagene Antriebsstrang ist demzufolge nicht nur bauraumeffizient, sondern auch kostengünstig realisierbar.
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Bevorzugt ist die Pumpe eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Verdrängerpumpe mit einem elektromotorisch antreibbaren Rotor, der von einem Stator umgeben ist. Für die Fördermenge einer solchen Pumpe ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Stator bestimmend. Die Relativgeschwindigkeit kann wiederum durch das Drehzahlverhältnis zwischen dem Rotor und dem Stator beeinflusst werden.
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Weiterhin bevorzugt ist die Pumpe als Schraubenspindelpumpe ausgeführt. In dieser Ausführung lässt sich die Pumpe in einfacher Weise in eine rotierende Welle integrieren. Eine Schraubenspindelpumpe ist daher für die vorgeschlagene Anwendung besonders geeignet. Vorzugsweise besitzt die Schraubenspindelpumpe eine zentrale Schraubenspindel, die weiterhin vorzugsweise koaxial zur Welle angeordnet werden, in welcher die Pumpe aufgenommen ist. Die zentrale Schraubenspindel der Pumpe ist dabei bevorzugt mit dem Elektromotor verbunden bzw. verbindbar.
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Zur Wirkungsgradoptimierung ist die Pumpe auch ausschließlich mechanisch antreibbar. Der ausschließliche mechanische Antrieb setzt eine Blockierung der mit dem Elektromotor verbundenen bzw. verbindbaren Schraubenspindel voraus. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor ein Schrittmotor. Über einen Schrittmotor kann eine hohe Blockierkraft erzeugt werden. Ferner zeichnet sich diese Ausgestaltung als besonders einfach und kompaktbauend aus. Dies gilt insbesondere, wenn der als Schrittmotor ausgeführte Elektromotor unmittelbar an der Pumpe angeordnet wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen der Pumpe und dem Elektromotor eine Kupplung angeordnet ist. Über die Kupplung kann ebenfalls eine Blockierung einer elektromotorisch antreibbaren Schraubenspindel der Pumpe bewirkt werden. Die Kupplung kann beispielsweise als mechanische Kupplung, als Hydrokupplung oder als Magnetkupplung ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Pumpe und dem Elektromotor ein Getriebe angeordnet. Mittels eines zwischengeschalteten Getriebes kann die elektromotorische Antriebsleistung übersetzt oder untersetzt werden. Vorzugsweise ist das Getriebe als selbsthemmendes Untersetzungsgetriebe ausgeführt, d. h., dass bei elektromotorischem Betrieb der Pumpe die Drehzahl des Elektromotors höher als die der Pumpe ist. Die selbsthemmende Ausführung stellt wiederum sicher, dass bei stillstehendem Elektromotor keine Drehung der mit dem Elektromotor verbundenen Schraubenspindel erfolgt, d. h. die Schraubenspindel blockiert ist.
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Vorteilhafterweise ist die Pumpe über ein Summier- oder Überlagerungsgetriebe mit dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor verbunden. Ein solches Getriebe ermöglicht eine freie Wahl der Pumpendrehzahl – und damit eine bedarfsgerechte Förderung der Pumpe – durch Überlagerung der Drehzahlen von Verbrennungsmotor und Elektromotor. Zugleich kann der größere Leistungsanteil wirkungsgradoptimiert vom Verbrennungsmotor aufgebracht werden, so dass ein kostengünstiger Elektromotor mit geringer Leistung einsetzbar ist. Durch eine geeignete Wahl der Getriebeübersetzung können die Kosten weiter reduziert werden.
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Das Summier- oder Überlagerungsgetriebe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgeführt und umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Steg. Der Verbrennungsmotor, der Elektromotor und die Pumpe sind jeweils mit einer dieser drei Komponenten des Planetengetriebes verbunden. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung des Verbrennungsmotors über die mechanisch antreibbare erste Welle und die Verbindung des Elektromotors über die elektromotorisch antreibbare zweite Welle des Antriebsstrangs.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Verbrennungsmotor mit dem Hohlrad, die Pumpe mit dem Sonnenrad und der Elektromotor mit dem Steg verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht die Integration der Pumpe in die mechanisch antreibbare erste Welle, über welche der Verbrennungsmotor mit dem Hohlrad des Planetengetriebes fest verbunden ist.
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Darüber hinaus sind andere Arten von Summier- oder Überlagerungsgetrieben in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang einsetzbar. Ferner kann die Anordnung und/oder Anbindung der Komponenten des Antriebsstrangs an das Getriebe variiert werden, um insbesondere eine bedarfsgerechte Leistungsaufnahme der Pumpe zu gewährleisten.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Pumpe eine Schmieröl-, Getriebeöl-, Kühlmittel-, Kraftstoff- oder Vakuumpumpe ist. In diesen Anwendungen kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen. Im Falle der Ausbildung der Pumpe als Vakuumpumpe dient der erfindungsgemäße Antriebsstrang der Aufrechterhaltung eines Bremsunterdrucks bei abgestelltem Verbrennungsmotor. In der Anwendung als Kühlmittelpumpe ist eine Beheizung bzw. Kühlung eines Fahrgastinnenraums bei abgestelltem Verbrennungsmotor sichergestellt. In der Ausgestaltung als Getriebeölpumpe dient der erfindungsgemäße Antriebsstrang der Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit von Automatikgetrieben, automatisierten Schaltgetrieben oder Doppelkupplungsgetrieben. Die Ausführung als Schmierölpumpe stellt sicher, dass die tribologischen Randbedingungen in den Motorlagern für einen Wiederstart mit hoher Drehzahl- und Lastdynamik erfüllt sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Antriebsstrang,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Antriebsstrang,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Antriebsstrang und
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4 eine schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 schematisch dargestellte Antriebsstrang umfasst eine erste Welle 2, die mechanisch unmittelbar oder mittelbar über einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) antreibbar ist. Ferner ist eine zweite Welle 4 vorgesehen, die elektromotorisch über einen Elektromotor 3 antreibbar ist. Die erste Welle 2 ist als Hohlwelle ausgebildet und nimmt eine Pumpe 5 auf, die vorliegend als Schraubenspindelpumpe ausgeführt ist und eine zentrale Schraubenspindel 6 besitzt, die mit der zweiten Welle 4 fest verbunden ist. Die Pumpe 5 ist dadurch mechanisch über den Verbrennungsmotor und/oder elektromotorisch über den Elektromotor 3 antreibbar.
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Die zentrale Schraubenspindel 6 steht in Eingriff mit exzentrisch angeordneten Schraubenspindeln, wobei sich zwischen den Spindeln Arbeitsräume ergeben, die einerseits mit einem Zulauf 13 und andererseits mit einem Ablauf 14 verbunden sind. Soll der Pumpenantrieb allein mechanisch realisiert werden, gilt es die zentrale Schraubenspindel 6 zu blockieren. Die hierzu erforderliche Blockierkraft wird von dem Elektromotor 3 bereit gestellt, der vorliegend als Schrittmotor ausgebildet ist.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist der 2 zu entnehmen. Diese unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass der Elektromotor 3 über eine Kupplung 7 mit der zentralen Schraubenspindel 6 der Pumpe 5 verbunden ist. Die Kupplung 7 ist in der Lage, zwischen zwei Schaltstellungen zu schalten. In der ersten Schaltstellung ist der Elektromotor 3 auf die zentrale Schraubenspindel 6 der Pumpe 5 aufgeschaltet, so dass die Drehzahl der Schraubenspindel 6 der Drehzahl der elektromotorisch angetriebenen Welle 4 (in der 2 nicht dargestellt) entspricht. In der zweiten Schaltstellung ist die Schraubenspindel 6 blockiert, d. h. die Drehzahl ist gleich Null.
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Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang auch gemäß der in der 3 dargestellten Ausführungsform ausgebildet sein. Anstelle einer Kupplung 7 ist hier ein Getriebe 8, das als selbsthemmendes Untersetzungsgetriebe ausgeführt ist, zwischen der Pumpe 5 und dem Elektromotor 3 angeordnet. Durch die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes ist die Drehzahl der elektromotorisch angetriebenen Welle 4 (in der 3 nicht dargestellt) höher als die Drehzahl der Schraubenspindel 6 der Pumpe 5. Durch die selbsthemmende Ausführung des Getriebes 8 kann bei stillstehendem Elektromotor 3 die Schraubenspindel 6 zudem blockiert werden, so dass der Antrieb der Pumpe 5 allein mechanisch erfolgt.
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4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs. Hier ist die Pumpe 5 über ein Getriebe 9 mit der Verbrennungskraftmaschine 1 und/oder dem Elektromotor 3 verbunden bzw. verbindbar. Das Getriebe 9 ist als Überlagerungsgetriebe 9 ausgebildet und ermöglicht durch Überlagerung der Drehzahlen von Verbrennungsmotor 1 und Elektromotor 3 eine bedarfsgerechte Anpassung der Pumpendrehzahl. Ferner ermöglicht das Getriebe 9 eine Auslegung, bei welcher der größte Teil der Antriebsleistung vom Verbrennungsmotor 1 aufgebracht wird, so dass ein weniger leistungsstarker und demzufolge kostengünstiger Elektromotor 3 einsetzbar ist.
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Auch bei der Ausführungsform gemäß der 4 lassen sich wiederum drei Betriebsmodi realisieren.
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In einem ersten Betriebsmodus wird der Antrieb der Pumpe 5 allein mechanisch über den Verbrennungsmotor 1 bewirkt. Der Elektromotor 3 steht dagegen still. Bei direkter Leistungsübertragung ist ein effizienter Betrieb gewährleistet. Ferner kann über diesen Betriebsmodus eine Mindestfördermenge der Pumpe 5 sichergestellt werden, sollte der Elektromotor 3 ausfallen. Dies kann sich insbesondere in der Anwendung der Pumpe 5 als Schmierölpumpe als vorteilhaft erweisen.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird der Antrieb der Pumpe 5 allein elektromotorisch über den Elektromotor 3 bewirkt und der Verbrennungsmotor 1 steht still. Das heißt, dass der Betrieb der Pumpe 5 auch unabhängig vom Verbrennungsmotor 1 erfolgen kann, was sich insbesondere als vorteilhaft für Anwendungen in Kraftfahrzeugen mit einer Start-Stopp-Funktion erweist.
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In einem dritten Betriebsmodus wird die Pumpe 5 mechanisch und elektromotorisch angetrieben. Der Verbrennungsmotor 1 läuft dabei mit einer Drehzahl A und der Elektromotor 3 läuft mit einer Drehzahl B. Den Gesetzmäßigkeiten eines Überlagerungsgetriebes entsprechend stellt sich die Pumpendrehzahl ein. Über die Einstellung der Drehzahl des Elektromotors 3 kann die Pumpendrehzahl verändert und dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden.
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Das Überlagerungsgetriebe 9 der 4 ist als Planetengetriebe ausgeführt. Es umfasst ein mit der Welle 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 fest verbundenes Hohlrad 11 sowie ein Sonnenrad 10, das wiederum mit der Pumpe 5 fest verbunden ist. Ferner weist das Planetengetriebe zwischen dem Sonnenrad 10 und dem Hohlrad 11 angeordnete Planetenräder 15 auf, die an einem Steg 12 abgestützt sind, der über eine Getriebestufe mit der Welle 4 des Elektromotors 3 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19953940 A1 [0003]
- DE 102011115078 A1 [0004]
