DE102019133013A1

DE102019133013A1 - Rekuperationseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019133013A1
Application number: DE102019133013.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rekuperationseinrichtung (10) zum Rückgewinnen von kinetischer Energie eines Kraftfahrzeugs (1), mit wenigstens einer Schwungmasse (12), welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs (1) antreibbar und dadurch in Drehung um eine Drehachse (17) versetzbar ist, wobei die Rekuperationseinrichtung (10) einen um die Drehachse (17) drehbaren Träger (11), an welchem die Schwungmasse (12) gehalten ist, und wenigstens einen Aktor (15) umfasst, mittels welchem die Schwungmasse (12) zwischen mehreren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die Schwungmasse (12) mit dem Träger (11) mitdrehbar ist, relativ zu dem Träger (11) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rekuperationseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Die DE 102 09 514 B4 offenbart einen Antriebsstrang zum Fortbewegen eines Kraftfahrzeugs in verschiedenen Betriebszuständen, wobei der Antriebsstrang zumindest eine Brennkraftmaschine und zumindest eine mit dieser verbindbare, zumindest eine Generator- und eine Motorfunktion aufweisende Elektromaschine und zumindest ein zwischen der Brennkraftmaschine und zumindest einem Antriebsrad angeordnetes Getriebe mit mehreren, in Abhängigkeit vom Betriebszustand auswählbaren Übersetzungsstufen umfasst.
Außerdem ist der WO 2008/003381 A1 ein mechanischer Energiespeicher mit einer rotierbar gelagerten, zur Speicherung von Rotationsenergie dienenden Schwungmasse als bekannt zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rekuperationseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen Rekuperationseinrichtung zu schaffen, sodass kinetische Energie des Kraftahrzeugs besonders bedarfsgerecht rückgewonnen und genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rekuperationseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Rekuperationseinrichtung zum Rückgewinnen von kinetischer Energie eines vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs. Die Rekuperationseinrichtung weist wenigstens eine beispielsweise auch als Schwungrad bezeichnete oder als Schwungrad ausgebildete Schwungmasse auf, welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des sich bewegenden beziehungsweise fahrenden Kraftfahrzeugs antreibbar und dadurch in Drehung um eine Drehachse versetzbar ist. Mit anderen Worten ist die Schwungmasse beispielsweise um die Drehachse drehbar gelagert und kann mittels kinetischer Energie, das heißt mittels Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs angetrieben und dadurch um die Drehachse gedreht werden. Hierdurch wird die Schwungmasse in Drehung um die Drehachse versetzt. Mit anderen Worten wird hierdurch eine Drehung der Schwungmasse um die Drehachse bewirkt, sodass sich die Schwungmasse infolge des Antreibens der Schwungmasse um die Drehachse dreht. Dadurch wird mittels der Schwungmasse beziehungsweise in der Schwungmasse Rotationsenergie gespeichert. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs in Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse umgewandelt wird, sodass zumindest der Teil der kinetischen Energie als Rotationsenergie in der Schwungmasse beziehungsweise mittels der Schwungmasse gespeichert wird.
Die Rotationsenergie der Schwungmasse ist kinetische Energie der Schwungmasse, sodass beispielsweise zumindest der genannte Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs in kinetische Energie der Schwungmasse umgewandelt beziehungsweise als kinetische Energie der Schwungmasse gespeichert wird. Die Rekuperationseinrichtung ist dabei vorzugsweise dazu ausgebildet, die kinetische Energie beziehungsweise die Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse bereitzustellen, wodurch das Kraftfahrzeug antreibbar beziehungsweise beschleunigbar ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise mittels der kinetischen Energie beziehungsweise mittels der Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse wenigstens ein auch als Fahrzeugrad bezeichnetes Rad des Kraftfahrzeugs und dadurch das Kraftfahrzeug, insbesondere über wenigstens eine Welle, angetrieben beziehungsweise beschleunigt werden. Mit anderen Worten kann beispielsweise mittels der kinetischen Energie beziehungsweise mittels der Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse beispielsweise die genannte, wenigstens eine Welle angetrieben beziehungsweise beschleunigt werden, wodurch über die wenigstens eine Welle das wenigstens eine Rad und somit das Kraftfahrzeug insgesamt angetrieben beziehungsweise beschleunigt werden kann. Das genannte Rad ist vorzugsweise ein Bodenkontaktelement, über welches das Kraftfahrzeug insbesondere in seinem vollständig hergestellten Zustand in Fahrzeughochrichtung nach unten an einem Boden abstützbar beziehungsweise abgestützt ist. Wird das Kraftfahrzeug entlang des Bodens gefahren, sodass sich das Kraftfahrzeug entlang des Bodens bewegt, während das Kraftfahrzeug in Fahrzeughochrichtung nach unten hin über das Rad an dem Boden abgestützt ist, so rollt das Rad an dem Boden ab.
Durch Antreiben beziehungsweise Beschleunigen des Rads beziehungsweise des Kraftfahrzeugs insgesamt kann eine sogenannte Boost-Funktion realisiert werden. Unter der Boost-Funktion ist insbesondere eine Beschleunigungsfunktion zu verstehen, in deren Rahmen dadurch, dass das wenigstens eine Rad mittels der Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse angetrieben wird, das Kraftfahrzeug zumindest für eine gewisse beziehungsweise kurze Zeitspanne stark angetrieben beziehungsweise beschleunigt werden kann. Somit wird im Rahmen der Beschleunigungsfunktion beispielsweise die Rotationsenergie der sich drehenden Schwungmasse genutzt, um das Kraftfahrzeug zumindest kurzzeitig zu beschleunigen, insbesondere stark zu beschleunigen. Mittels der Rekuperationseinrichtung kann somit die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs derart zurückgewonnen werden, dass die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs als Rotationsenergie der Schwungmasse gespeichert wird, wobei die gespeicherte kinetische Energie des Kraftfahrzeugs beziehungsweise die Rotationsenergie der Schwungmasse genutzt wird, um das Kraftfahrzeug anzutreiben beziehungsweise zu beschleunigen.
Um nun die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft und bedarfsgerecht rückgewinnen und, insbesondere zum Antreiben beziehungsweise Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, nutzen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rekuperationseinrichtung wenigstens einen, insbesondere zusätzlich zu der Schwungmasse vorgesehenen, Träger aufweist, an welchem die Schwungmasse gehalten ist, sodass die Schwungmasse mit dem Träger um die Drehachse mitdrehbar ist beziehungsweise umgekehrt. Insbesondere ist die Schwungmasse bezüglich der Drehachse drehfest mit dem Träger verbunden. Die Schwungmasse an sich beziehungsweise für sich alleine betrachtet ist beispielsweise eine erste Schwungmasse beziehungsweise weist eine erste Schwungmasse auf. Ist im Folgenden die Rede von der Schwungmasse, so ist darunter die erste Schwungmasse zu verstehen, falls nichts anderes angegeben ist. Der Träger selbst beziehungsweise für sich alleine betrachtet weist Masse auf, welche beispielsweise dadurch, dass die Masse mit der Schwungmasse mitdrehbar, insbesondere drehfest mit der Schwungmasse verbunden, ist, eine zweite Schwungmasse ist, welche beispielsweise zusätzlich zu der ersten Schwungmasse vorgesehen ist.
Die Rekuperationseinrichtung weist außerdem wenigstens einen Aktor auf, mittels welchem die Schwungmasse, insbesondere während sie an dem Träger gehalten und somit mit dem Träger mitdrehbar beziehungsweise mit dem Träger drehfest verbunden ist, zwischen mehreren, voneinander unterschiedlichen Stellungen relativ zu dem Träger bewegbar ist.
Beispielsweise ist die Schwungmasse über den Träger um die Drehachse drehbar gelagert. Mit anderen Worten ist die Schwungmasse mittels des Aktors zwischen wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen relativ zu dem Träger bewegbar, wobei die Schwungmasse in den beziehungsweise allen unterschiedlichen Stellungen, in welche die Schwungmasse mittels des Aktors relativ zu dem Träger bewegbar ist, mit dem Träger mitdrehbar, insbesondere drehfest mit dem Träger verbunden, ist. Die Schwungmasse und der Träger bilden beispielsweise dadurch, dass die Schwungmasse mit dem Träger mitdrehbar, insbesondere drehfest verbunden, ist, und dadurch, dass der Träger eine Masse aufweist, eine Gesamtschwungmasse, deren Massenträgheitsmoment durch das mittels des Aktors bewirkbare und relativ zu dem Träger erfolgende Bewegen der Schwungmasse veränderbar beziehungsweise variierbar ist. Mit anderen Worten weist die Gesamtschwungmasse ein variierbares beziehungsweise variables Massenträgheitsmoment auf, welches dadurch veränderbar, variabel beziehungsweise variierbar ist, dass die Schwungmasse mittels des Aktors relativ zu dem Träger bewegt wird. Hierdurch kann beispielsweise das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse bedarfsgerecht eingestellt und somit beispielsweise an unterschiedliche Betriebs- beziehungsweise Fahrsituationen angepasst werden.
Durch Bewegen der Schwungmasse kann eine kinetische Energieänderung der Gesamtschwungmasse realisiert werden, wobei diese Energieänderung auf dem Coriolis-Effekt basiert. Die Energieänderung oder Energiewandlung entsteht insbesondere durch radiale Verschiebung der Schwungmasse. Dadurch entsteht je nach Bewegungsbeziehungsweise Verstellrichtung, in die die Schwungmasse relativ zu dem Träger bewegt wird, ein antreibendes oder bremsendes Drehmoment auf das Rad beziehungsweise auf einen Antriebsstrang des Kraftwagens. Aus dem Alltag kann dieser Effekt bei einer Eistänzerin oder einem Eistänzer beobachtet werden, wenn diese beziehungsweise dieser - während sie beziehungsweise er eine Pirouette auf dem Eis vollführt - per Ausstrecken der Arme ihre Rotationsgeschwindigkeit verringert bzw. per Anlegen der Arme erhöht. Die Erfindung eignet sich besonders gut für größere Kraftwagen, insbesondere für größere Personenraftwagen, wie beispielsweise SUVs, Kleinbusse, Nutzfahrzeuge, Niederflurbusse, Reisebusse etc.
Insgesamt ist erkennbar, dass die Rekuperationseinrichtung, insbesondere die Gesamtschwungmasse, die um die Drehachse insbesondere relativ zu einem beispielsweise als selbsttragende Karosserie ausgebildeten Aufbau des Kraftfahrzeugs drehbar ist, ein einfach auch als Speicher bezeichneter Energiespeicher ist, mittels welchem die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs beziehungsweise die Rotationsenergie gespeichert werden kann. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Heutige, moderne Antriebsauslegungen von Antrieben für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Personenkraftwagen, behandeln üblicherweise lediglich den konventionellen, das heißt rein verbrennungsmotorischen Antrieb sowie den komplett elektrischen Antrieb sowie einige Hybridisierungs- /Elektrifizierungsgrade zwischen diesen beiden Extrempolen in Form des konventionellen Antriebs und des komplett elektrischen Antriebs. Die grundsätzliche Idee der Erfindung ist, kinetische Energie des Kraftfahrzeugs, insbesondere auch, mechanisch und dabei als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse zu speichern. Beispielsweise wird das sich zunächst bewegende und somit beispielsweise entlang des zuvor genannten Bodens fahrende Kraftfahrzeug durch Antreiben der Schwungmasse, das heißt durch Antreiben der Gesamtschwungmasse abgebremst. Wird ein solches Abbremsen mittels einer Reibbremse bewirkt, so wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in Wärme umgewandelt, sodass die kinetische Energie ungenutzt verloren geht. Im Gegensatz dazu ist es mittels der erfindungsgemäßen Rekuperationseinrichtung möglich, das Kraftfahrzeug abzubremsen und dabei kinetische Energie des Kraftfahrzeugs nicht vollständig ungenutzt verloren gehen zu lassen, sondern als Rotationsenergie mittels der Gesamtschwungmasse zu speichern. Die Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse kann dann beispielsweise später genutzt werden, um das Kraftfahrzeug zumindest kurzzeitig zu beschleunigen. Die Gesamtschwungmasse, die im Rahmen der Erfindung genutzt wird, um die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs rückzugewinnen beziehungsweise um die Rotationsenergie zu speichern, weist dabei nicht etwa ein festes beziehungsweise konstantes Massenträgheitsmoment auf, sondern das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse kann wie beschrieben variiert werden. Dies kann im Vergleich zu festen Massenträgheitsmomenten von herkömmlichen Rekuperationseinrichtung zum mechanischen Speichern von Energie folgende Vorteile bringen:

- Eine übertragene oder übertragbare Leistung und/oder eine auf den gesamten Kraftwagen wirkende Brems- beziehungsweise Beschleunigungskraft und damit auch die gespeicherte Rotationsenergie werden kontrollierbar beziehungsweise bedarfsgerecht einstellbar
- Die energetische Kapazität des Speichers, das heißt dessen Fähigkeit, kinetische Energie als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse zu speichern, kann besonders groß sein
- Die erfindungsgemäße Rekuperationseinrichtung kann konventionelle, hybridisierte und vollkommen elektrische Antriebe gezielt verbessern beziehungsweise sinnvoll ergänzen, um einen besonders energieeffizienten Betrieb realisieren zu können.
- Ein eher schwaches Antriebssystem kann durch die Erfindung, deren Rekuperationseinrichtung als mechanischer Energiespeicher ausgebildet ist, funktional sehr gut ergänzt werden. Ein elektrisches Antriebssystem mit einem Akkumulator und einem E-Motor hat eine relativ hohe Energiedichte, aber eine geringe Leistungsdichte. Bei einem mechanischen System ist es genau umgekehrt. Insofern bringt dieses mechanische Energiesystem vorwiegend bei schwach elektrifizierten Antrieben einen hohen Vorteil hinsichtlich Energieeffizienz und Längsdynamik.

Um die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besonders bedarfsgerecht rückgewinnen und nutzen zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine Schwungmasse mittels des Aktors entlang einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Richtung, insbesondere in radialer Richtung des Schwungrads, translatorisch relativ zu dem Träger zwischen den Stellungen bewegbar ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktor mit dem Träger um die Drehachse mitdrehbar, insbesondere drehfest mit dem Träger verbunden, ist. Einerseits kann dadurch der Bauraumbedarf der Rekuperationseinrichtung an sich besonders gering gehalten werden. Andererseits kann dadurch die Rekuperationseinrichtung als eigenständiges Modul ausgebildet werden, welches besonders zeit- und kostengünstig gehandhabt und verbaut werden kann. Außerdem kann dadurch die wenigstens eine Schwungmasse besonders vorteilhaft relativ zu dem Träger bewegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Rekuperationseinrichtung wenigstens ein Zugmittel auf, über welches die Schwungmasse mittels des Aktors relativ zu dem Träger zwischen den Stellungen bewegbar ist. Dadurch kann eine besonders präzise und gewichtsgünstige Bewegung der Schwungmasse relativ zu dem Träger realisiert werden. Außerdem kann hierdurch der Aktor bedarfsgerecht relativ zu der Schwungmasse positioniert werden. Das Zugmittel hat gegenüber einer, insbesondere radialen, Verstellung oder Bewegung mittels eines Schneckengetriebes den Vorteil des deutlich höheren Wirkungsgrades.
Um die Schwungmasse präzise und bauraumgünstig relativ zu dem Träger bewegen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Rekuperationseinrichtung wenigstens eine Gewindestange aufweist, mittels welcher die Schwungmasse relativ zu dem Träger, insbesondere mittels des Aktors, zwischen den Stellungen bewegbar ist. Vorzugsweise stellt die Gewindestange eine Alternative zu dem Zugmittel dar. Das Zugmittel kann ein energieeffizienterer Ersatz des Konzeptes der Gewindestange sein. Der Vorteil der Gewindestange ist, dass eine zum Bewegen der Schwungmasse aufzuwendende Stellkraft aufgrund einer selbsthemmenden Eigenschaft eines hinreichend steilen Gewindes der Gewindestange besonders gering gehalten werden kann. Dadurch können der Leistungsbedarf und damit Kosten und Bauraum des Aktors besonders gering gehalten werden. Zur Veranschaulichung der selbsthemmenden Eigenschaft sei auf eine Selbsthemmung einer Rolltreppe verwiesen: Diese ist bei Abschaltung ihres Antriebs starr. Es ist keine Haltekraft notwendig, weil dies eine steile Antriebsübersetzung mit Reibung >0 übernimmt.
Die geringe Stellkraft ergibt sich nicht automatisch aus der Selbsthemmung (bei genügend Reibung und flachem Gewinde ist die Selbsthemmung vorhanden aber die Stellkraft trotzdem hoch), sondern aus dem steilen Gewinde. Die Selbsthemmung ergibt sich aus dem Verhältnis Gewindesteigung zu Gewindereibung. Für einen hohen Wirkungsgrad eines Aktuators mit Gewindestange sollte die Reibung im Gewinde möglichst niedrig sein. Damit Selbsthemmung aber dann trotzdem noch vorliegt, muss das Gewinde sehr steil sein. Dies verringert dann zudem auch die Stellkraft.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rekuperationseinrichtung wenigstens eine an dem Träger gehaltene und somit mit dem Träger mitdrehbare, insbesondere drehfest mit dem Träger verbundene, zweite Schwungmasse umfasst, welche insbesondere zusätzlich zu der ersten Schwungmasse und zusätzlich zu dem Träger beziehungsweise dessen Masse vorgesehen ist und auch zu der Gesamtschwungmasse gehören kann. Die zweite Schwungmasse ist zwischen mehreren, das heißt zwischen wenigstens zwei weiteren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die zweite Schwungmasse mit dem Träger mitdrehbar ist, insbesondere drehfest mit dem Träger verbunden ist, relativ zu dem Träger bewegbar, insbesondere verschiebbar, das heißt translatorisch bewegbar. Die vorigen und folgenden Ausführungen zur ersten Schwungmasse können ohne weiteres auch auf die zweite Schwungmasse übertragen werden und umgekehrt. Durch Verwendung der zweiten Schwungmasse kann das Massenträgheitsmoment der die Schwungmassen und den Träger beziehungsweise dessen Masse umfassenden Gesamtschwungmasse bedarfsgerecht eingestellt werden. Insbesondere können vorzugsweise Unwuchten der Gesamtschwungmasse durch Verwendung der zweiten Masse vermieden werden.
Vorzugsweise sind die Schwungmassen so angeordnet, dass sich die Zentrifugalkräfte der Schwungmassen gegenseitig aufheben. Beispielsweise ist ein, insbesondere bezüglich der Drehachse, rotationssymmetrische Anordnung der Schwungmassen vorgesehen. Dadurch können übermäßige, beispielsweise auf eine Antriebswelle wirkende Biegemomente vermieden werden, wobei beispielsweise die Gesamtschwungmasse über die Antriebswelle drehbar, insbesondere an der Karosserie, gelagert und/oder von dem Rad antreibbar ist beziehungsweise umgekehrt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Schwungmassen in um die Drehachse verlaufender Umfangsrichtung des Trägers beziehungsweise der Gesamtschwungmasse gleichmäßig verteilt angeordnet sind, das heißt paarweise den gleichen Abstand zueinander aufweisen.
Um dabei die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besonders bedarfsgerecht und gewichtsgünstig rückgewinnen beziehungsweise nutzen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Schwungmasse mittels desselben Aktors, mittels welchem auch die erste Schwungmasse relativ zu dem Träger bewegbar ist, relativ zu dem Träger zwischen den weiteren Stellungen bewegbar ist.
In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktor dazu ausgebildet, die Schwungmassen gleichzeitig den gleichen Weg in entgegengesetzte Richtungen und relativ zu dem Träger zu bewegen. Hierdurch kann die kinetische Energie besonders vorteilhaft rückgewonnen und genutzt werden, da beispielsweise übermäßige Unwuchten und eine übermäßige Laufunruhe der Gesamtschwungmasse vermieden werden können.
Beispielsweise ist eine Koppeleinrichtung vorgesehen, über welche die jeweilige Schwungmasse mit dem Aktor gekoppelt und somit mittels des Aktors relativ zu dem Träger bewegbar ist. Die Koppeleinrichtung umfasst beispielsweise, insbesondere je Schwungmasse, ein beziehungsweise das zuvor genannte Zugmittel beziehungsweise eine beziehungsweise die zuvor genannte Gewindestange.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine Rekuperationseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Die Rekuperationseinrichtung umfasst wenigstens eine Schwungmasse, welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs antreibbar und dadurch in Drehung um eine Drehachse versetzbar ist, insbesondere relativ zu dem beispielsweise als selbsttragende Karosserie ausgebildeten Aufbau des Kraftfahrzeugs. Somit ist beispielsweise die Schwungmasse beziehungsweise die zuvor beschriebene Gesamtschwungmasse um die Drehachse relativ zu dem Aufbau drehbar zumindest mittelbar, insbesondere direkt, an dem Aufbau gelagert.
Um nun die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft rückgewinnen beziehungsweise nutzen zu können, ist es bei dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Rekuperationseinrichtung wenigstens einen, insbesondere zusätzlich zu der Schwungmasse vorgesehenen, Träger, an welchem die Schwungmasse gehalten ist, und wenigstens einen Aktor umfasst, mittels welchem die Schwungmasse zwischen mehreren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die Schwungmasse mit dem Träger mitdrehbar, insbesondere drehfest verbunden, ist, relativ zu dem Träger, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Um dabei die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft rückgewinnen und nutzen und in der Folge einen besonders energieeffizienten Betrieb des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass durch Antreiben der Schwungmasse und des Trägers, das heißt der Gesamtschwungmasse, das Kraftfahrzeug abbremsbar ist. Dadurch kann kinetische Energie, die bei der Verwendung einer Reibbremse zum Abbremsen des Kraftfahrzeugs üblicherweise in Wärme umgewandelt und somit ungenutzt verloren geht, als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse gespeichert und, insbesondere zum späteren Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, wieder genutzt werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Die vorstehend genannten Merkmale und die nachfolgend genannten und/oder in den Zeichnungen gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden. Dabei zeigt:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Rekuperationseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs;
4 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer dritten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer vierten Ausführungsform;
7 eine schematische Draufsicht der Rekuperationseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
8 eine schematische Schnittansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß 7;
9 eine schematische Schnittansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
10 eine schematische Draufsicht der Rekuperationseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;
11 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Rekuperationseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;
12 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß einer vierten fünften Ausführungsform;
13 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer fünften Ausführungsform;
14 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
15 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Rekuperationseinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
16 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Rekuperationseinrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
17 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Rekuperationseinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform;
18 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Rekuperationseinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform;
19 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß der neunten Ausführungsform;
20 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Rekuperationseinrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform;
21 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht der Rekuperationseinrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform;
22 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer sechsten Ausführungsform;
23 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer siebten Ausführungsform;
24 eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs gemäß einer achten Ausführungsform; und
25 eine schematische Schnittansicht der achten Ausführungsform des Antriebsstrangs entlang einer in 24 gezeigten Schnittlinie A-A.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 1, welches als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen als selbsttragende Karosserie 2 ausgebildeten Aufbau auf, welcher einen Innenraum 3 für Insassen des Kraftfahrzeugs 1 begrenzt. Das Kraftfahrzeug 1 weist außerdem Räder 4 und 5 auf, welche zumindest mittelbar drehbar an der Karosserie 2 gelagert und demzufolge um jeweilige Raddrehachsen relativ zu der Karosserie 2 drehbar sind. Die Raddrehachsen verlaufen in Fahrzeugquerrichtung. Das Kraftfahrzeug 1 ist in Fahrzeughochrichtung nach unten über die Räder 4 und 5 an einem Boden 6 abgestützt. Die Fahrzeughochrichtung ist dabei in 1 durch einen Doppelpfeil 7 veranschaulicht. Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere als ein Bus, vorzugsweise als ein Stadtbus, ausgebildet sein. Ist der Bus beispielsweise als ein Niederflurbusse mit Gelenk in der Mitte ausgebildet, so kann das Kraftfahrzeug mehr als zwei Achsen, insbesondere wenigstens oder genau drei Achsen mit jeweiligen Rädern aufweisen
Das Kraftfahrzeug 1 weist außerdem einen Antriebsstrang 8 auf, mittels welchem das Kraftfahrzeugs 1 antreibbar ist. Beispielsweise sind zwei Räder 4 vorgesehen, von denen in 1 nur ein Rad 4 erkennbar ist. Außerdem sind vorzugsweise wenigstens oder genau zwei Räder 5 vorgesehen, von denen nur ein Rad 5 in 1 erkennbar ist. Mittels des Antriebsstrangs 8 sind beispielsweise die Räder 4 und/oder die Räder 5 antreibbar, wodurch das Kraftfahrzeug 1 insgesamt antreibbar ist. Wird das Kraftfahrzeug 1 mittels des Antriebsstrangs 8 angetrieben, während das Kraftfahrzeug 1 über die Räder 4 und 5 in Fahrzeughochrichtung nach unten an dem Boden 6 abgestützt ist, so wird das Kraftfahrzeug 1 entlang des Bodens 6 gefahren, das heißt bewegt, wobei die Räder 4 und 5 an dem Boden 6 abrollen. Der Antriebsstrang 8 weist wenigstens einen Antriebsmotor 9 auf, mittels welchem das Kraftfahrzeug 1 angetrieben werden kann. Außerdem umfassen der Antriebsstrang 8 und somit das Kraftfahrzeug 1 eine Rekuperationseinrichtung 10, welche im Folgenden noch näher erläutert wird.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, wird die Rekuperationseinrichtung 10 genutzt, um kinetische Energie des fahrenden und sich somit bewegenden Kraftfahrzeugs 1 rückzugewinnen. Hierzu umfasst die Rekuperationseinrichtung 10 wenigstens einen Träger 11, welcher - wie im Folgenden noch genauer erläutert wird - eine Schwungmasse der Rekuperationseinrichtung sein kann. Der Träger 11 wird auch als Schwungrad bezeichnet oder kann als ein Schwungrad ausgebildet sein, da der Träger 11 11 um eine Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 drehbar ist. Dabei ist der Träger 11 zumindest mittelbar drehbar an der Karosserie 2 gelagert, sodass sich der Träger 11 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 drehen kann. Der Träger kann, insbesondere in seiner Funktion als Schwungmasse, zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs 1 antreibbar und dadurch in Drehung um die Drehachse 17 versetzbar sein. Außerdem weist die Rekuperationseinrichtung 10 eine zusätzlich zu dem Träger 11 vorgesehene und an dem Träger 11 gehaltene und dadurch mit dem Träger 11 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 mitdrehbare Schwungmasse 12 auf, welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs 1 antreibbar und dadurch in Drehung um die Drehachse 17 versetzbar ist. Beispielsweise sind der Träger 11 und die Schwungmasse 12 Bestandteile einer Gesamtschwungmasse 14, welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs 1 antreibbar und dadurch in Drehung um die Drehachse 17 versetzbar ist.
Mit anderen Worten, um das beispielsweise entlang des Boden 6 fahrende Kraftfahrzeug 1 abzubremsen, wäre es grundsätzlich denkbar, eine Reibbremse zu verwenden. Mittels der Reibbremse wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 in Wärme umgewandelt, wodurch das Kraftfahrzeug 1 abgebremst wird. Die kinetische Energie, welche in Wärme umgewandelt wird, geht jedoch ungenutzt verloren. Daher ist es beispielsweise mittels der Rekuperationseinrichtung 10 möglich, dass entlang des Bodens 6 fahrende und sich somit entlang des Bodens 6 bewegende Kraftfahrzeug 1 derart abzubremsen, dass die Gesamtschwungmasse 14, das heißt der Träger 11 und die Schwungmasse 12 mittels kinetischer Energie des entlang des Bodens 6 fahrenden Kraftfahrzeugs 1 angetrieben und dadurch um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 gedreht, das heißt in Drehung versetzt werden, oder die sich bereits um die Drehachse 17 drehende Gesamtschwungmasse 17 wird mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs 1 beschleunigt, wodurch das Kraftfahrzeug 1 abgebremst, das heißt zumindest verlangsamt wird. Dadurch, dass bei dem oder durch das Abbremsen des Kraftfahrzeugs 1 die Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17 in Drehung versetzt beziehungsweise beschleunigt oder bei zunehmendem Trägheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 in ihrer Drehzahl konstant gehalten wird, wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 in Rotationsenergie der sich drehenden Gesamtschwungmasse 14 umgewandelt, sodass die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 nicht etwa ungenutzt verloren geht, sondern als Rotationsenergie, das heißt als kinetische Energie der sich drehenden Gesamtschwungmasse 14 gespeichert wird. Die Rotationsenergie der sich drehenden Gesamtschwungmasse 14 kann beispielsweise später genutzt werden, um das Kraftfahrzeug 1 zumindest kurzzeitig zu beschleunigen, das heißt anzutreiben. Insgesamt ist erkennbar, dass sich die Gesamtschwungmasse 14 bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 bereits in Drehung befinden kann, sodass sich die Gesamtschwungmasse mit einer Drehzahl um die Drehachse 17 dreht. Durch Beschleunigen der Gesamtschwungmasse und/oder dann, wenn mittels kinetischer Energie die Drehzahl zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird, während das Trägheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 bezüglich der Drehachse 17 erhöht wird, kann das Kraftfahrzeug abgebremst werden.
Um nun kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 besonders bedarfsgerecht rückgewinnen und nutzen zu können, umfasst die Rekuperationseinrichtung 10 wenigstens oder genau zwei zusätzlich zu dem Träger 11 vorgesehene Schwungmassen 12 und 13, welche zusätzlich zu dem Träger 11 beziehungsweise dessen Masse vorgesehene, weitere Massen sind, wobei die Massen als Schwungmassen fungieren. Die Schwungmassen 12 und 13 sind derart drehfest mit dem Träger 11 verbunden und somit derart mit dem Träger 11 mitdrehbar, dass die Schwungmassen 12 und 13 mit dem als dritte Schwungmasse fungierenden Träger 11 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 mitdrehbar sind. Der Träger 11 und die Schwungmassen 12 und 13 bilden somit jeweils für sich alleine betrachtet jeweilige Schwungmassen, wobei dadurch, dass die Schwungmassen 12 und 13 mit dem als dritte Schwungmasse fungierenden Träger 11 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 mitdrehbar sind, der Träger 11 und die Schwungmassen 12 und 13 die Gesamtschwungmasse 14 bilden, welche um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 drehbar ist. Dabei können die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem Träger 11 alleine ohne weiteres auch auf die Gesamtschwungmasse 14 übertragen werden und umgekehrt. Dies bedeutet, dass zum Abbremsen des entlang des Bodens 6 fahrenden Kraftfahrzeugs 1 die Gesamtschwungmasse 14 angetrieben und dadurch in Drehung um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 versetzt oder beschleunigt oder trotz in ihrer Drehzahl trotz ihrer zunehmenden Trägheit konstant wird, wodurch das Kraftfahrzeug 1 abgebremst wird. Hierbei wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 gespeichert, deren Rotationsenergie beispielsweise später genutzt werden kann, um das Kraftfahrzeug 1 zumindest kurzzeitig stark zu beschleunigen. Somit kann die Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 genutzt werden, um eine auch als Boost-Funktion bezeichnete Beschleunigungsfunktion des Kraftfahrzeugs 1 zu verwirklichen.
Die Rekuperationseinrichtung 10 weist dabei außerdem wenigstens einen Aktor 15 auf, mittels welchem die Schwungmassen 12 und 13, insbesondere gleichzeitig, relativ zu dem Träger 11 in mehrere, voneinander unterschiedliche Stellungen bewegt werden können. In 2 veranschaulicht eine Doppelpfeil 16 eine erste Bewegungsrichtung, entlang welcher die Schwungmasse 12 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11, insbesondere translatorisch, bewegt werden kann.
Außerdem veranschaulicht in 2 ein Doppelpfeil 18 eine zweite Bewegungsrichtung, entlang welcher die Schwungmasse 13 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11, insbesondere translatorisch, bewegt werden kann. Anhand der Doppelpfeile 16 und 18 ist erkennbar, dass die Bewegungsrichtungen parallel und insbesondere in radialer Richtung des Trägers 11 beziehungsweise senkrecht zu der Drehachse 17 und dabei in einer Ebene verlaufen, wobei die Drehachse 17 senkrecht zu dieser Ebene verläuft. In 2 veranschaulicht ein Pfeil 19 eine beziehungsweise die Drehung der Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17, wobei sich beispielsweise die Gesamtschwungmasse 14 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_KERS um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 dreht. Pfeile 20 veranschaulichen dabei jeweilige Bewegungsrichtungen, in die sich die Schwungmassen 12 und 13 bewegen, wenn sich die Gesamtschwungmasse 14 in eine durch den Pfeil 19 veranschaulichte Drehrichtung um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 dreht. Insgesamt ist erkennbar, dass die jeweilige Bewegungsrichtung eine senkrecht zu der Drehachse 17 verlaufende Richtung ist, in die beziehungsweise entlang der die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 bewegt werden kann.
Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10 ist die Aktor 15 mit dem Träger 11 mitdrehbar. Insgesamt ist erkennbar, dass der Träger 11 eine dritte Schwungmasse sein kann, welche die zusätzlich zu dem Schwungmassen 12 und 13 vorgesehen und insbesondere separat von den Schwungmassen 12 und 13 ausgebildet ist und die Schwungmassen 12 und 13 trägt. Die Schwungmassen 12 und 13 sind somit beispielsweise an dem Träger 11 gehalten beziehungsweise drehfest mit dem Träger 11 verbunden und somit mit dem Träger 11 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 mitdrehbar. Außerdem ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass der Träger 11 beispielsweise den auch als Aktuator bezeichneten Aktor 15 trägt, welcher mit dem Träger 11 bei der ersten Ausführungsform mitdrehbar ist.
Außerdem ist es vorzugsweise vorgesehen und anhand der Doppelpfeile 16 und 18 beispielsweise erkennbar, dass der Aktor 15 dazu ausgebildet ist, die Schwungmassen 12 und 13 gleichzeitig den gleichen Weg in entgegengesetzte Richtungen relativ zu dem Träger 11 zu bewegen, beispielsweise über eine Koppeleinrichtung, über welche der den Schwungmassen 12 und 13 gemeinsame Aktor 15 mit den Schwungmassen 12 und 13 gekoppelt oder koppelbar ist. Mit anderen Worten sind die Schwungmassen 12 und 13 über die Koppeleinrichtung mittels des den Schwungmassen 12 und 13 gemeinsamen Aktors 15 relativ zu dem Träger, insbesondere translatorisch, bewegbar. Wird somit beispielsweise die Schwungmasse 12 mittels des Aktors 15 entlang der senkrecht zu der Drehachse 17 verlaufenden ersten Bewegungsrichtung nach innen und somit in Richtung der Drehachse 17 translatorisch bewegt, so wird dadurch auch die Schwungmasse 13 entlang der zweiten Bewegungsrichtung nach innen und somit in Richtung der Drehachse 17 bewegt, und zwar um den gleichen Weg wie die Schwungmasse 12. Wird beispielsweise die Schwungmasse 12 nach außen bewegt, so wird auch die Schwungmasse 13 um den gleichen Weg nach außen bewegt, das heißt von der Drehachse 17 weg bewegt. Durch Bewegen der Schwungmassen 12 und 13 relativ zu dem Träger 11 wird das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 eingestellt, das heißt variiert beziehungsweise verändert, insbesondere bezüglich der Drehachse 17. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 in der jeweiligen Stellung relativ zu dem Träger 11, insbesondere mittels des Aktors 15, fixierbar beziehungsweise arretierbar ist. Dadurch kann das auch mit MTM bezeichnete Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 bedarfsgerecht eingestellt und somit beispielsweise an unterschiedliche Fahr- beziehungsweise Betriebssituationen angepasst werden. Die Rekuperationseinrichtung 10 wird auch als KERS (kinetic energy recuperation system - kinetisches Energierückgewinnungssystem) bezeichnet, sodass die Rekuperationseinrichtung 10 ein KERS mit variablen MTM ist. Insgesamt ist erkennbar, dass die Rekuperationseinrichtung 10 ein mechanisches Rekuperationssystem ist, da die kinetische Energie dies Kraftfahrzeugs 1 als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 und somit mechanisch gespeichert werden kann. Wird die jeweilige Schwungmasse 12 und 13 beispielsweise nach außen, das heißt von der Drehachse 17 weg bewegt, so wird dadurch beispielsweise das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 erhöht. Wird beispielsweise die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 nach innen, das heißt in Richtung der Drehachse 17 bewegt, so wird dadurch beispielsweise das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 reduziert.
Bei der ersten Ausführungsform umfasst die Koppeleinrichtung je Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 eine Gewindestange 82, über welche die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 verschiebbar ist.
Die Rekuperationseinrichtung 10 nutzt folgendes, physikalisches Grundprinzip: der Drall eines starren, ebenen Körpers auf einer Kreisbahn mit einem Radius R_B wird beschrieben durch: $L = ω (m R_{B}^{2} + θ) = ω θ_{g e s}$
Dabei bezeichnet L den Drall, ω die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Körper auf der Kreisbahn bewegt und θ beziehungsweise θ_ges den Trägheitstensor beziehungsweise die Trägheit oder das Massenträgheitsmoment des Körpers. Das auf den Körper wirksame Drehmoment ergibt sich durch die zeitliche Änderung des Dralls: $M = \frac{d L}{d t} = \dot{ω} θ_{g e s} + 2 m ω R_{B} {\dot{R}}_{B}$
Die auf den Körper wirksame Kraft, um ihn auf der Kreisbahn zu halten beziehungsweise den Radius der Kreisbahn zu ändern, ergibt sich als Überlagerung der Zentripetalkraft und der Trägheitskraft zu: $F_{r a d i a l} = m (R_{B} ω^{2} - {\ddot{R}}_{B})$
Im Folgenden wird (meist) der stationäre Fall, also Ṙ_B = const betrachtet.
Die mechanische Leistung am Körper ergibt sich zu: $P = M ω - F_{r a d i a l} \dot{R} = \dot{E}$
Die radiale Kraft am Körper ergibt sich zu: $F_{r a d i a l} = m (R ω^{2} - \ddot{R})$
Die Energie des starren, ebenen Körpers auf der Kreisbahn mit dem Radius R beziehungsweise R_B ergibt sich zu: $E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} θ ω^{2} = \frac{1}{2} (m [ω^{2} R^{2} + {\dot{R}}^{2}] + θ ω^{2})$
Die Energie kann entsprechend abgeleitet werden.
Die als mechanisches Rekuperationssystem ausgebildete Rekuperationseinrichtung 10 weist hinsichtlich einer reinen Elektrifizierung eines Antriebsstrangs die Vorteile auf, dass die Rekuperationseinrichtung 10 als konventionelle beziehungsweise kostengünstige Konstruktion, insbesondere Stahlkonstruktion, möglich ist. Ferner kann die Rekuperationseinrichtung 10 in Leichtbauweise ausgestaltet und somit beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und/oder Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium und/oder gleichem hergestellt werden. Außerdem kann der Bauraumbedarf der Rekuperationseinrichtung 10 besonders flexibel gestaltet werden. Die Rekuperation beziehungsweise Rückgewinnung der kinetischen Energie ist aus funktionaler Sicht zumindest nahezu nicht limitiert. Eine Temperatursensitivität besteht nicht, und Fahrfunktionen sind besonders vorteilhaft reproduzierbar. Außerdem weist die Rekuperationseinrichtung 10 ein besonders vorteilhaftes Unfallverhalten auf. Darüber hinaus kann eine besonders große Energiemenge als Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 gespeichert werden.
3 zeigt eine erste Ausführungsform des Antriebsstrangs 8. Bei der ersten Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 ist der Antriebsmotor 9 beispielsweise als ein Verbrennungsmotor ausgebildet. Der Verbrennungsmotor, insbesondere dessen beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle ist beispielsweise mit einem Startergenerator 21 gekoppelt oder koppelbar, welcher beispielsweise von der Abtriebswelle antreibbar ist. Mittels des Startergenerators 21 kann beispielsweise der Verbrennungsmotor gestartet, das heißt angelassen werden. Das Kraftfahrzeug 1 beziehungsweise dessen Räder 4 und/oder 5 sind beispielsweise von dem Antriebsmotor 9 über eine auch als final drive bezeichnete Endübersetzung 22 und ein Getriebe 23 antreibbar. Bei der ersten Ausführungsform umfasst der Antriebsstrang 8 außerdem elektrische Maschinen 24 und 25, mittels welchen beispielsweise das Kraftfahrzeug 1, insbesondere über die Endübersetzung 22 und das Getriebe 23, antreibbar ist. Die elektrischen Maschinen 24 und 25 sind beispielsweise für eine Variante als Plugin-Hybrid (PHEV) vorgesehen, als konventionelles (KONV) Fahrzeug oder schwach elektrifiziertes Hybridfahrzeug (mild HEV) sind diese elektrischen Maschinen 24 und 25 nicht erforderlich oder vorgesehen.
Dabei ist beispielsweise die Rekuperationseinrichtung 10 zwischen den elektrischen Maschinen 24 und 25 angeordnet. Der Antriebsstrang 8 umfasst außerdem Kupplungen 26 und 27. Über die Kupplung 26 kann beispielsweise die elektrische Maschine 24 beziehungsweise 25 und/oder das Rekuperationssystem mit dem Verbrennungsmotor, insbesondere mit dessen Abtriebswelle, gekoppelt werden. Über die Kupplung 27 kann beispielsweise die jeweilige elektrische Maschine 24 beziehungsweise 25 beziehungsweise das mechanische Rekuperationssystem mit dem Getriebe 23 gekoppelt werden. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor über die Kupplungen 26 und 27 mit dem Getriebe 23 und somit mit der Endübersetzung 22 gekoppelt werden.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Antriebsstrangs 8. Bei der ersten Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 kann das Kraftfahrzeug 1 als konventionelles Kraftfahrzeug, als milder Hybrid oder als Plug-in-Hybrid ausgestaltet sein. Bei der zweiten Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 1 beispielsweise als Hybridfahrzeug ausgebildet. Der Startergenerator 21 entfällt. Es kann die elektrische Maschine 24 vorgesehen sein, oder anstelle der elektrischen Maschine 24 können eine Bremse und ein Starter vorgesehen sein.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Antriebsstrangs 8. Bei der dritten Ausführungsform kann das Kraftfahrzeug 1 als konventionelles Kraftfahrzeug, als milder Hybrid oder als Plug-in-Hybrid ausgestaltet sein. Die Kupplung 27 entfällt, und das Getriebe 23 ist nicht etwa zwischen der Endübersetzung 22 und der Kupplung 27, sondern zwischen der elektrischen Maschine 24 und der Rekuperationseinrichtung 10 angeordnet. Hier befindet sich die auch als KERS bezeichnete Rekuperationseinrichtung 10 nicht zwischen Motor (Antriebsmotor 9) und Getriebe 23, sondern zwischen Getriebe 23 und final drive (Endübersetzung 22). Dies impliziert einen Einbau des KERS bauraumkomfortabel im Unterboden. 3 hingegen impliziert den Einbau des KERS im Vorderwagen, der weniger bauraumflexibel ist. Dafür hat 3. den funktionalen Vorteil, dass der Einbau vor dem Getriebeeingang ein kleineres Drehzahlband für den Betrieb des KERS (nämlich exakt das der Antriebsmaschine) vorsieht. Dadurch kann das KERS in jedem Gang praktisch gleich gut genutzt werden (also auch bei geringen Geschwindigkeiten sind hohe KERS-Drehzahlen möglich bzw. bei hohen Geschwindigkeiten sind sie nicht so hoch), was bei 5 funktional weniger gut gelöst ist. Dies ist besonders vorteilhaft für typische Mittelklasse-PKW.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform des Antriebsstrangs 8. Bei der vierten Ausführungsform entfällt die Kupplung 26, und es entfallen der Verbrennungsmotor beziehungsweise der Antriebsmotor 9 und der Startergenerator 21, welcher auch bei der zweiten Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 nicht vorgesehen ist. Auch das Getriebe 23 entfällt bei der vierten Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform ist beispielsweise die elektrische Maschine 24 beziehungsweise 25 der Antriebsmotor 9, mittels welchem das Kraftfahrzeug 1, insbesondere rein elektrisch, angetrieben werden kann. Dabei ist die Rekuperationseinrichtung 10 mit der elektrischen Maschine 24 koppelbar oder gekoppelt, wobei die elektrische Maschine 24 beziehungsweise die Rekuperationseinrichtung 10 über die Kupplung 27 mit der elektrischen Maschine 25 gekoppelt oder koppelbar ist. Bei der vierten Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 ist das Kraftfahrzeug 1 als Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), ausgebildet. Die in 3 bis 6 gezeigten Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 sind Topologievarianten, wobei selbstverständlich weitere, unterschiedliche Topologievarianten denkbar sind. Die Notwendigkeit oder die Verwendung der elektrischen Maschine 25 bei den Ausführungsformen gemäß 3,4,5 und 6 kann aus folgenden Gründen vorteilhaft: Würde die auch als EM oder E-Maschine oder E-Motor bezeichnete, elektrische Maschine 25 entfallen, könnte es die zu folgendem Effekt führen: Bei moderater Beschleunigung (Annahme SOC, das Ladezustand des KERS ist voll, R=groß) ist das Antriebsmoment links der Rekuperationseinrichtung 10 nicht ausreichend, den KERS-Boost zu nutzen, weil aufgrund der Zentripetalkräfte das Stellmoment für den Boost höher ist als das Antriebsmoment. Würde man nun die Arretierung der Schwungmassen 12 und 13 lösen, würden diese zu größerem R treiben und damit das Fahrzeug bremsen (bzw. bei Verwendung von Gewindestangen anstatt eines Zugmittels entfällt die Arretierung aufgrund der Gewindeselbsthemmung aber das Grundproblem ist dasselbe: das Stellmoment zur Verringerung von R könnte auf zu hohes Niveau anwachsen). Um das Stellmoment bei gelöster Arretierung zu stützen, müsste man das Antriebsmoment auf ein höheres Niveau anheben als was dem aktuellen Fahrerwunsch entspräche. Folglich wird die Arretierung bei moderater Beschleunigung gehalten werden (R = const.). Durch die Fahrzeugbeschleunigung wachsen aber die Stellkräfte auf die Arretierung durch die Drehzahlerhöhung weiter an. Es ist aber aus Sicherheits- (mech. Festigkeit vs. Zentrifugalkräfte) und betriebsstrategischen Gründen nicht sinnvoll, das KERS bei höheren Geschwindigkeiten mit hohem SOC (state of Charge = Energieinhalt) zu fahren. Diese Energie muss aus dem KERS entleert werden. Die Betriebsstrategie kann so sein, dass der Soll-SOC mit steigender KERS-Ausgangsdrehzahl sinkt und mit sinkender KERS-Ausgangsdrehzahl anwächst. Um dieser Betriebsstrategie („BSG“) zu folgen, muss bei moderater Beschleunigung auch R verringert werden. Aber aufgrund der „zu hohen“ Stellmomente muss das Eingangsmoment (links der Rekuperationseinrichtung 10) über das Antriebs-Sollmoment angehoben werden und diese Drehmomentüberschuss kann durch negatives Moment an EM wieder auf das gewünschte Antriebsmoment zurückreguliert werden. Es findet also ein Übertrag aus mechanischer in elektrische Energie statt.
Legt man einen Verbrennungsmotor als primäre Antriebsmaschine zugrunde, dann ergibt sich für den Fahrer ein akustisch nicht nachvollziehbares Verhalten, denn die Erhöhung des Motorgeräusches durch die Anhebung des Motordrehmoments resultiert in diesem Fall nicht mit einer vergleichbaren Beschleunigung des Fahrzeugs. Dieser akustische Störeffekt kann vermieden werden, wenn die Aktuatorik in dieser Situation nicht über den Motor, sondern über eine schaltbare Festübersetzung praktisch geräuschlos vonstattenginge. So etwas ist beispielsweise in 14 mit den grünen Übersetzungselementen angedeutet - ein Schaltelement ist der Übersichtlichkeit wegen dort nicht gezeigt, was aber vorteilhaft wäre.
Wie zuvor erwähnt, ist der Aktor 15 beispielsweise mit der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 über die Koppeleinrichtung koppelbar oder gekoppelt, sodass die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 über die Koppeleinrichtung mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 zwischen den Stellungen, insbesondere translatorisch, bewegt werden kann. Dabei ist es denkbar, dass die Koppeleinrichtung wenigstens eine Gewindestange 82 aufweist. Somit ist beispielsweise die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 über eine beziehungsweise die Gewindestange 82 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 in die unterschiedlichen Stellungen bewegbar. Hierzu wird beispielsweise die Gewindestange 82 mittels des Aktors 15 gedreht, insbesondere um eine Stangendrehachse, welche beispielsweise parallel zu der Bewegungsrichtung verläuft beziehungsweise mit der Bewegungsrichtung zusammenfällt. Mittels der Gewindestange 82 wird die Drehung der Gewindestange 82 in eine translatorische Bewegung der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 entlang der Bewegungsrichtung umgewandelt. Ferner ist es denkbar, dass die Koppeleinrichtung wenigstens ein Zugmittel aufweist. Über das Zugmittel ist beispielsweise die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mit dem Aktor 15 koppelbar oder gekoppelt, sodass die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 über das Zugmittel mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 zwischen den Stellungen bewegbar ist. Das Zugmittel ist beispielsweise eine Kette oder ein Seil oder ein Riemen, sodass beispielsweise ein Seil-, Ketten- oder Riemenzugsystem vorgesehen ist, über welches die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels des Aktors 15 zwischen den Stellungen relativ zu dem Träger 11 bewegbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Koppeleinrichtung einen beispielsweise hydraulisch und/oder pneumatisch verstellbaren Kolben aufweisen, über welchen die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels des Aktors 15 relativ zu dem Träger 11 zwischen den Stellungen bewegbar ist. Die Verwendung der Gewindestange ermöglicht die Realisierung einer nur geringen Komplexität und ermöglicht die Realisierung einer einfachen Konstruktion, welche außerdem insbesondere durch Selbsthemmung der Gewindestange, insbesondere durch Gewindeselbsthemmung, ausfallsicher ist. Des Weiteren kann eine Arretiereinrichtung vermieden werden. Außerdem kann der Bauraumbedarf bei Verwendung der Gewindestange gering gehalten werden. Auch bei Verwendung eines oder des Zugmittels kann die Komplexität besonders gering gehalten werden. Es sind dabei vielfache Lösungsvarianten hinsichtlich Material (Stahl, Carbon) und hinsichtlich des Zugmittels selbst (Seil, Kette, Riemen, Zahnriemen) möglich. Da das Zugmittel ausschließlich auf Zug belastbar ist beziehungsweise belastet wird, ist ein Einsatz von hochwertigen und gewichtsgünstigen Materialien, welche außerdem belastbar sind, möglich. Außerdem kann der Bauraumbedarf besonders gering gehalten werden. Die Verwendung eines hydraulisch und/oder pneumatisch verstellbaren Kolbens ermöglicht außerdem die Realisierung einer geringen Konzeptkomplexität. Außerdem können dadurch die Schwungmassen 12 und 13 besonders präzise bewegt werden. Insbesondere ist der Kolben nur gering schwingungsanfällig und robust. Das gesamte System kann eine zylindrische Form mit möglichst großem Radius (Minimierung der Zentripetalkraft bei Konstanthaltung der kin. Energie ergibt hohe Radien) haben, wobei die Höhe dieses Zylinders gering gehalten werden kann. Das technische und ökonomische Optimum ergibt sich daher aus einer kreisrunden und flächigen Baugruppe geringer Höhe.
Wenn im Folgenden von einer oder der Schwungmasse die Rede ist, so ist darunter - falls nichts anderes angegeben ist - die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 beziehungsweise der Träger 11 zu verstehen. Vorzugsweise ist die jeweilige Schwungmasse aus einem Material mit möglichst hoher Dichte gebildet, um dadurch den Bauraumbedarf gering zu halten und eine besonders hohe Spreizung im Hinblick auf die Variierung des Massenträgheitsmoments zu realisieren. Bei dem Material handelt es sich beispielsweise um Kupfer. Der auch als Bahnradius bezeichnete Radius R_B sollte möglichst groß sein, damit bei möglichst hoher Bahngeschwindigkeit und somit bei besonders großer kinetischer Energie beziehungsweise Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 die Zentripetalkraft möglichst gering ist. Vorzugsweise beträgt die Masse der jeweiligen Schwungmasse, insbesondere der Gesamtschwungmasse 14, nur etwa ein bis zwei Prozent des Gewichts des Kraftfahrzeugs 1.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. In 7 ist mit x die Fahrzeuglängsrichtung bezeichnet, während y die Fahrzeugquerrichtung und z die Fahrzeughochrichtung bezeichnet. Insbesondere sind zwei Einbauvarianten denkbar: Bei einer ersten der Einbauvarianten erfolgt ein ein Einbau der Rekuperationseinrichtung 10 liegend im Unterboden, z.B. nach Topologie von 5. Dann verläuft x nach rechts, und y nach oben. Bei der zweiten Einbauvariante erfolgt ein stehender Einbau im Vorderwagen, z.B. nach Topologie von 3, 4 oder 6, aber quer. Dann gilt: y anstelle von x zeigt nach rechts, z zeigt nach oben.
Bei der zweiten Ausführungsform weist die Rekuperationseinrichtung 10 zwei Gesamtschwungmassen 14 auf, welche auch als Spindeln oder KERS-Spindeln bezeichnet werden. Die Gesamtschwungmasse 14 weist den jeweiligen Träger 11 und beispielsweise je Träger 11 n Einzelmassen als Schwungmassen insbesondere in Form der Schwungmassen 12 und 13 auf, wobei mit n die Anzahl der Schwungmassen 12 beziehungsweise 13 bezeichnet ist. Die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wird auch als Körper bezeichnet, sodass die jeweilige Spindel beispielsweise n Körper aufweist. Der jeweilige Körper weist beispielsweise die Masse m/(n*2) auf. Vorzugsweise ist n gleich 2, sodass je Spindel genau zwei Schwungmassen 12 und 13 vorgesehen sind.
In 7 ist mit 28 eine jeweilige, die jeweilige Spindel einhüllende Hüllkurve bezeichnet. Wie insbesondere anhand der Hüllkurve 28 der Spindel erkennbar ist, kämmen die Spindeln miteinander beziehungsweise ineinander, sodass der Bauraumbedarf der Rekuperationseinrichtung 10 insgesamt besonders gering gehalten werden kann. Dabei drehen sich die Spindeln um die jeweilige Drehachse 17 gegen- beziehungsweise widersinnig, wie in 7 durch den jeweiligen Pfeil 19 veranschaulicht ist. Beispielsweise drehen sich die Spindeln mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit ω_KERS. Als sehr flache Baugruppen wäre die geometrische Integration der Rekuperationseinrichtung 10 in einen in 1 mit 91 bezeichneten Unterboden der Karosserie 2 denkbar, insbesondere mit einem Abtrieb auf einer als Kardanwelle ausgebildete Welle des Antriebsstrangs 8. Mit anderen Worten kann die Rekuperationseinrichtung 10 beispielsweise mittels der gespeicherten Rotationsenergie der Gesamtschwungmasse 14 die genannte Kardanwelle und über die Kardanwelle das Kraftfahrzeug 1 beschleunigen beziehungsweise antreiben. Eine solche Zwillingsanordnung macht aus einer kreisrunden Baugruppe eine oval/rechteckige Baugruppe, die auch vor dem Getriebeeingang und damit stehend im Vorderwagen integrierbar ist. Bei der Zwillingsanordnung heben sich die Drehimpulse der ineinander kämmenden Spindeln gegenseitig auf. Energieänderungen sind also mit deutlich weniger Drehimpulsübertrag auf die Karrosserie möglich, als wenn man nur eine einzige Spindel benutzt. Dadurch wird die Radlastverteilung vom KERS-Betrieb nicht hinsichtlich Wank- oder Gierdynamik beeinflusst, was bei einer einzigen Spindel (je nach Einbaulage) durchaus denkbar wäre.
Um beispielsweise ein synchrones Kämmen der auch als KERS-Partner bezeichneten Spindeln sicherzustellen, ist es denkbar, dass die jeweilige Hüllkurve 28 eine zahnradförmige Hülle ist. Darüber hinaus wird beispielsweise eine Art Rahmenwerk verwendet, da die radiale Bewegung beziehungsweise Verstellung des jeweiligen Körpers zwar zentripetale Kräfte, aber vermutlich nur vernachlässigbar geringe Biegemomente, das heißt Kräfte in Umfangsrichtung der jeweiligen Gesamtschwungmasse 14, aufnehmen kann. Die zahnradförmige Hüllkurve ist insbesondere deswegen gezeigt, um das Kämmen der Spindeln optisch zu verdeutlichen. Ein kämmender Synchronlauf der beiden Spindeln kann natürlich auch über simple Stirnradstufen realisiert werden (vgl. 22 und dort die mit den Bezugszeichen 85 und 86 bezeichneten Elemente)
8 zeigt die zweite Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10, welche besonders flach ausgeführt ist. Hier ist die Aktuatorik nicht durch die primäre Antriebsquelle realisiert, sondern durch den Aktor 15, welcher vorzugsweise als ein Elektromotor ausgebildet sein kann. Das KERS befindet sich nicht seriell im Antriebsstrang, sondern parallel dazu. Die zuvor genannte, als Kardanwelle ausgebildete Welle ist in 8 schematisch erkennbar und dort mit 29 bezeichnet. Durch einen Pfeil 30 ist ein Antrieb beziehungsweise ein Antriebsdrehmoment veranschaulicht, mittels welchem die Welle 29 antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird. Der Antrieb beziehungsweise das Antriebsdrehmoment wird beispielsweise von einem Antriebsmotor 9, das heißt von dem Verbrennungsmotor und/oder von der jeweiligen elektrischen Maschine 24 beziehungsweise 25 bereitgestellt, sodass die Welle 29 mittels des durch den Pfeil 30 veranschaulichten Antriebs, das heißt mittels des durch den Pfeil 30 veranschaulichten Antriebsdrehmoments angetrieben wird. In 8 ist durch einen Pfeil 31 ein Abtrieb beziehungsweise ein Abtriebsdrehmoment veranschaulicht, welches von der Welle 29 bereitgestellt wird, sodass das Kraftfahrzeug 1 beziehungsweise dessen Räder 4 und/der 5 mittels des durch den Pfeil 31 veranschaulichten Abtriebs beziehungsweise Abtriebsdrehmoments antreibbar ist beziehungsweise wird. Bei der in 8 gezeigten dritten Ausführungsform wird die Rekuperationseinrichtung 10 auf besonders einfache Weise als flache Baugruppe unterhalb oder neben der Welle 29 angeordnet, insbesondere integriert. Als Ersatz für einen oder in Kombination mit einem elektrischen Flachspeicher ist die Anordnung der Rekuperationseinrichtung 10 unterhalb oder neben der Welle 29 (KW) besonders bauraumgünstig.
Der Antriebsstrang 8 umfasst dabei die Kupplung 26, über welche die Rekuperationseinrichtung 10 beziehungsweise die Gesamtschwungmasse 14 von der Welle 29 beziehungsweise über die Welle 29 von dem Antriebsmotor 9 antreibbar ist. Bei der in 8 gezeigten dritten Ausführungsform ist der auch als Aktuator oder Aktuatorik bezeichnete Aktor 15 mit dem Träger 11 mitdrehbar. Der Träger 11 wird auch als Rotor oder KERS-Rotor der Rekuperationseinrichtung 10 bezeichnet, wobei es bei der dritten Ausführungsform vorgesehen ist, dass der Aktor 15 mit beziehungsweise auf dem Rotor mit rotiert. Dies bedeutet, dass der Aktor 15 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 drehbar ist. Gemäß 9 ist der Stator fahrzeugfest. Es ist denkbar, dass der Aktor 15 fahrzeugfest ist, sodass dann nur der Rotor mit dem KERS rotiert. Vorteile hiervon sind: einfache Konstruktion und keine Reibungsverluste durch elektrische Energieversorgung auf einen rotierenden Aktor. Rotiert der Aktor mit dem KERS mit, so können die Stellleistungen gering gehalten werden.
Bei wenigstens einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass der Aktor 15 fahrzeugfest ist, insbesondere derart, dass der Aktor 15 zumindest mittelbar an der Karosserie 2 gehalten, insbesondere festgelegt, ist, sodass beispielsweise die Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 und relativ zu dem Aktor 15 drehbar ist. Eine Ansteuerung, das heißt die Bewegung der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 relativ zu dem Träger 11 erfolgt beispielsweise mechanisch per Geschwindigkeitsüberlagerung. Dies wird im Folgenden veranschaulicht. Bei der dritten Ausführungsform wird die Gesamtschwungmasse 14 beispielsweise über eine Zahnradpaarung 92 angetrieben. Die Zahnradpaarung 92 umfasst beispielsweise ein insbesondere drehfest mit dem Träger 11 verbundenes erstes Zahnrad 32 und ein zweites Zahnrad 33, welches mit dem Zahnrad 32 kämmt. Das Zahnrad 33 ist über die Kupplung 26 von der Welle 29 antreibbar. Durch Antreiben des Zahnrads 33 treibt das Zahnrad 33 das Zahnrad 32 an, wodurch das Zahnrad 32 und mit diesem die Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 gedreht werden. Die Zahnradpaarung 92 ist beispielsweise eine Kegelradstufe, sodass due Zahnräder 32 und 33 Kegelräder sein können.
Aus 8 ist erkennbar, dass - wie in 7 veranschaulicht ist - die Rekuperationseinrichtung 10 zwei oder mehr Gesamtschwungmassen 14 aufweisen kann, welche über das Zahnrad 33 angetrieben werden können. Während in 8 die Gesamtschwungmasse 14 als erste der Gesamtschwungmassen der Rekuperationseinrichtung 10 gezeigt ist, ist eine zweite der Gesamtschwungmassen der Rekuperationseinrichtung 10 nur ausschnittsweise erkennbar und mit 14' bezeichnet, deren mit dem Zahnrad 33 kämmendes Zahnrad mit 32' bezeichnet ist.
9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Bei der dritten Ausführungsform ist der Aktor 15 karossiere- beziehungsweise fahrzeugfest, derart, dass die Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 und relativ zu dem Aktor 15 drehbar ist. Somit dreht sich bei der dritten Ausführungsform der Aktor 15 nicht mit der Gesamtschwungmasse 14 mit. Der Aktor 15 ist dabei beispielsweise der Verbrennungsmotor, insbesondere dessen Abtriebswelle, oder eine elektrische Maschine mit einem Außenrotor. Der Aktor 15 weist dabei beispielsweise ein Planetengetriebe 34 auf, welches frei von einem Hohlrad sein kann, das heißt kein Hohlrad umfassen kann. Das Planetengetriebe 34 weist ein Sonnenrad 35 auf, welches von dem Aktor 15 antreibbar und dadurch um eine Getriebedrehachse 36 insbesondere relativ zu der Karosserie 2 drehbar ist. Beispielsweise verläuft die Getriebedrehachse 36 parallel mit der Drehachse 17 oder fällt mit der Drehachse 17 zusammen. Als Variante Unterbodenverbau kann das KERS im Unterboden hinter dem Getriebe 12 sitzen, und diese Achsen (z-Richtung) stünden somit senkrecht auf ein in x-Richtung eingebautes Getriebe.
Das Planetengetriebe 34 umfasst darüber hinaus Planetenräder 37, die mit dem Sonnenrad 35 kämmen. Das Planetengetriebe 34 umfasst außerdem einen Planetenträger 38, an welchem die Planetenräder 37 drehbar gelagert sind. Das jeweilige Planetenrad 37 ist um sich selbst und um die Getriebedrehachse 36 relativ zu der Karosserie 2 drehbar, und der Planetenträger 38 ist um die Getriebedrehachse 36 relativ zu der Karosserie 2 drehbar. In 9 ist die Koppeleinrichtung ausschnittsweise erkennbar und mit 39 bezeichnet, wobei die Koppeleinrichtung 39, insbesondere je Schwungmasse 12 beziehungsweise 13, ein Zugmittel 40 aufweist. Das jeweilige Zugmittel 40 weist ein Trum auf, an welchem beispielsweise die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 befestigt ist, sodass durch Bewegen des jeweiligen Trums die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 relativ zu dem Träger 11 entlang der Bewegungsrichtung bewegt wird beziehungsweise bewegbar ist. In 9 ist mit v_Trum eine Geschwindigkeit bezeichnet, mit welcher das jeweilige Trum und mit diesem die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 bewegbar ist beziehungsweise bewegt wird. Mit ω_Trum ist eine jeweilige Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, mit welcher sich beispielsweise das jeweilige Planetenrad 37 und somit das jeweilige Trum, insbesondere relativ zu dem Planetenträger 38 dreht. Aus 9 ist erkennbar, dass das jeweilige Zugmittel 40 das jeweilige Planetenrad 37 umschlingt, sodass dann, wenn sich das jeweilige Planetenrad 37 um sich selbst dreht, das jeweilige Zugmittel 40 von dem jeweiligen Planetenrad 37 angetrieben wird, derart, dass das jeweilige Trum mit der Geschwindigkeit v_Trum entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 bewegt wird. Außerdem ist in 9 mit R_Akt ein Radius des Aktors bezeichnet, und mit ω_Akt ist eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, mit welcher sich der Aktor 15 beziehungsweise das Sonnenrad 35 um die Getriebedrehachse 36 dreht, und mit ω_KERS ist die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, mit welcher sich die Gesamtschwungmasse 14 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 dreht. Aus 9 ist insbesondere erkennbar, dass beispielsweise die Getriebedrehachse 36 mit der Drehachse 17 zusammenfällt.
Außerdem ist eine Kupplung 41 vorgesehen, über welche der Planetenträger 38 unter Überbrückung der Planetenräder 37 direkt mit dem Sonnenrad 35 drehfest verbindbar ist. 10 zeigt die Rekuperationseinrichtung 10 gemäß der dritten Ausführungsform ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht, wobei die Rekuperationseinrichtung 10 gemäß der dritten Ausführungsform auch in 11 ausschnittsweise dargestellt ist. Die Winkelgeschwindigkeit ω_Trum ergibt sich zu: $ω_{T r u m} = (ω_{A k t} - ω_{K E R S}) \frac{R_{A k t}}{R_{T r u m}}$
Mit ω_GS ist eine Stellgröße beziehungsweise eine Stellwinkelgeschwindigkeit bezeichnet, die die Schwungmassen 12 und 13 entlang der Bewegungsrichtung und vorliegend in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Drehachse 17 bewegt. Die Stellgröße ω_GS wird über die Drehzahldifferenz ω_Akt - ω_KERS eingestellt gemäß obiger Form.
Dimensionierungsrechnungen haben ergeben, dass die in 9 bis 11 gezeigte konstruktive Anordnung eine leistungsverstärkende Funktion der Aktuatorik bewirkt, neben der Realisierung eines hinreichend hohen Energiegehalts, insbesondere je nach Betriebspunkt. Daher ist es von Vorteil, eine primäre Traktionsquelle insbesondere in Form des Antriebsmotors 9 des Kraftfahrzeugs 1 als den Aktor 15 zu verwenden. Es sei nochmal darauf hingewiesen, dass das Planetengetriebe 34 kein Hohlrad aufweist, das heißt frei von einem Hohlrad ist. Unter dem Merkmal, dass das jeweilige Planetenrad 37 um sich selbst drehbar ist, ist zu verstehen, dass jeweilige Planetenrad 37 um eine Planetenradrehachse 93 relativ zu dem Planetenträger 38 und relativ zu der Karosserie 2 drehbar ist, wobei die Planetenradrehachse 93 parallel zu der Getriebedrehachse 36 verläuft und von dieser beabstandet ist. Das Planetenrad 37 hat entlang seiner Zylinderhochachse zwei unterschiedliche Außendurchmesser: R_Akt und R_Trum. Der Antrieb erfolgt über R_Akt und der Abtrieb auf das Zugmittel 42 über R_Trum. R_Trum bezeichnet den Umschlingungsradius des Zugmittels 42 um das Planetenrad 37, also den halben Abstand der beiden waagrechten Linien in 11. Im Beispiel von 11 ist R_Trum kleiner als R_Akt , um die Aktorstellkraft zu reduzieren. In 12 sind R_Akt und R_Trum als identisch dargestellt, da das Zugmittel denselben Umschlingungsradius hat, auf dem das Zugmittel 42 auf ω_Akt abrollt.
Die Zentripetalkraft der als Schwungmassen fungierenden Schwungmassen 12 und 13 wirkt über eine Übersetzung auf die Aktuatorik, das heißt auf den Aktor 15, zurück. Daher ist es von Vorteil, zwischen dem Aktor 15 und dem als KERS-Träger fungierenden Planetenträger 38 die Kupplung 41 zu integrieren beziehungsweise anzuordnen, die einen Synchronlauf, das heißt keine Radialverstellung bei Drehmomentfreiheit am Aktor 15 gewährleistet. Dabei ist es vorteilhaft, die Kupplung 41 bei einer Betätigung des Aktors 15, das heißt bei Durchführung der zuvor genannten Boost-Funktion, zu öffnen.
12 zeigt eine vierte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Da die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 entlang der senkrecht zur Drehachse 17 verlaufenden Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 und somit relativ zu der Drehachse 17 translatorisch bewegbar ist, kann der Bahnradius R_B , auf dem die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 12 dreht, variiert werden. Der auch mit R bezeichnete Bahnradius ist in 12 qualitativ bezeichnet. Beträgt der Bahnradius R 0, so bedeutet dies, dass die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 maximal nahe an der Drehachse 17 angeordnet ist. Beträgt der Bahnradius R 1 beziehungsweise SOC, so ist die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 maximal von der Drehachse 17 entfernt, wodurch das Massenträgheitsmoment der Gesamtschwungmasse 14 maximal eingestellt ist.
Um beispielsweise für die Bewegung der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 von der Aktuatorik bereitzustellende Stellkräfte besonders gering zu halten, insbesondere dann, wenn der Bahnradius R beziehungsweise R_B besonders groß ist, kann es vorteilhaft sein, in einem äußeren Bereich eines Verstellwegs, um welchen die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 relativ zu dem Träger 11 entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung bewegbar ist, eine beispielsweise aus 12 erkennbare Druckfeder 43 anzuordnen. Dies ist in 12 am Beispiel der Schwungmasse 12 erkennbar. Die Druckfeder 43 ist beispielsweise einerseits an dem Träger 11 festgelegt und abgestützt, und andererseits ist die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13, insbesondere entlang der Bewegungsrichtung, an der Druckfeder 43 abstützbar. Die Druckfeder 43 kann als dämpfende Maßnahme in einem Havariefall genutzt werden. Mit steigender Drehzahl der Gesamtschwungmasse 14 steigen auf die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wirkende Fliehkräfte, die entlang der Bewegungsrichtung von der Drehachse 17 weg wirken. Die Federn dienen nicht notwendigerweise als Aktorik, sondern zur Verringerung der Stellkräfte und als zusätzliche Energiespeicher. Die Verstellung erfolgt weiterhin über die jeweilige Gewindestange 82 oder das Zugmittel 40. Dadurch nimmt der Bahnradius R zu. Mit zunehmenden Bahnradius R kommt die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 in Stützanlage mit der Druckfeder 43, welche mit weiterer Zunahme des Bahnradius R gespannt, insbesondere komprimiert, wird und dadurch eine Federkraft bereitstellt. Besonders vorteilhaft kann es sein, die Druckfeder analog zur Zugfeder nicht am KERS-Gehäuse, sondern ebenfalls an der Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 selbst zu befestigen. So könnte man diese nicht nur auf der rechten (R groß) sondern auch auf der linken Seite (R klein) per Anschlag als Zugfeder nutzen.
Die von der Druckfeder 43 bereitgestellte Federkraft wirkt entlang der Bewegungsrichtung und dabei in Richtung der Drehachse 17 auf die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13. Ein Halten der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wird durch eine Arretierung des Zugmittels 40 beziehungsweise durch eine Selbsthemmung der Gewindestange 82 übernommen. Die Federn dienen zur zusätzlichen Energiespeicherung und zur Verringerung der Stellkraft bei R groß (Druckfeder) und zur höheren Agilität des Systems aus dem Zustand R klein (Zugfeder - da ein Verbrennungsmotor kein hohes negatives Drehmoment agil stellen kann). Nehmen die Drehzahl der Gesamtschwungmasse 14 und somit die auf die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wirkenden Fliehkraft ab, so übersteigt die von der Druckfeder 43 bereitgestellte und in Richtung der Drehachse 17 wirkende Federkraft die auch als Zentripetalkraft bezeichnete, auf die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wirkende Fliehkraft, wodurch beispielsweise die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 zurück in Richtung der Drehachse 17 bewegt, insbesondere gedrückt, wird. Dies geht mit einer Verringerung des Massenträgheitsmoments der Gesamtschwungmasse 14 einher, wodurch die Gesamtschwungmasse 14 beschleunigt wird. In der Folge kann mittels der Gesamtschwungmasse 14 die Welle 29 beziehungsweise das Kraftfahrzeug 1 insgesamt angetrieben werden, wodurch die zuvor beschriebene Boost-Funktion realisiert werden kann, insbesondere ohne Aktorkraft, das heißt ohne dass die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 aktiv mittels des Aktors 15 in Richtung der Drehachse 17 bewegt wird. Insbesondere kann die Boost-Funktion genutzt werden, um das zunächst stillstehende Kraftfahrzeug 1 aus seinem Stillstand anzufahren. Die Idee mit den Federn ist eine verbessernde Ergänzung zur Konzeptvariante mit dem Zugmittel. Durch die Federn wird das Ansprechverhalten bei geringer Zentrifugalkraft (Drehzahl und Radius gering) verbessert, die Energiespeicherkapazität des Gesamtsystems erhöht und die Stellkräfte für die Aktuatorik verringert. Unter dem Anfahren des Fahrzeugs aus dem Stand ist insbesondere zu verstehen, dass im Stand im Leerlauf bei Öffnung der Arretierung die Druckfederkraft die Zentripetalkraft übersteigt, sodass die Schwungmassen 12 und 13 allein durch die Druckfederkraft nach innen gedrückt werden. Zum Anfahren wäre also kein Drehmoment der primären Traktionsquelle oder sonstiger Energieaufwand notwendig.
Kombiniert werden könnte die Druckfeder 43 mit einer Zugfeder 44 insbesondere auf der Innenseite der Schwungmasse, das heißt auf einer der Druckfeder 43 entlang der Bewegungsrichtung abgewandten Seite der Schwungmasse 12 beziehungsweise 13. Die Zugfeder 44 ist beispielsweise einerseits an dem Träger 11 abgestützt beziehungsweise festgelegt und andererseits mit der Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 koppelbar oder gekoppelt. Mit zunehmender Bewegung der Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 nach außen, das heißt von der Drehachse 17 weg, das heißt mit zunehmendem Bahnradius R wird die Zugfeder 44 gespannt, vorliegend gelenkt. Hierdurch stelle die Zugfeder eine Federkraft insbesondere in Form einer Zugkraft bereit, welche nach innen und somit in Richtung der Drehachse 17 auf die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 wirkt. Mit abnehmender Drehzahl der Gesamtschwungmasse 14 wird die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels der von der Zugfeder 44 bereitgestellten Federkraft und mittels der von der Zugfeder 44 bereitgestellten Zugkraft nach innen und somit in Richtung der Drehachse 17 bewegt, wodurch die Gesamtschwungmasse 14 effektiv und stark beschleunigt werden kann. Dadurch kann die Boost-Funktion besonders vorteilhaft umgesetzt werden.
Aus 12 ist erkennbar, dass die Zugfeder 44 nicht schon dann gespannt wird, wenn der Bahnradius R beginnend bei 0 vergrößert wird, sondern die Zugfeder 44 wird erst ab einem gegenüber 0, insbesondere gegenüber 0,1, größeren Wert des Bahnradius R aktiv. Dieser Wert ist in 12 mit ΔR bezeichnet und beträgt beispielsweise 0,25. Unter dem Merkmal, dass die Zugfeder 44 erst ab dem Wert ΔR aktiv wird ist zu verstehen, dass die Zugfeder 44 erst dann gespannt wird und erst dann die Zugkraft auf die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 ausübt, wenn der Bahnradius R, auf dem sich die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 um die Drehachse 17 relativ zu der Karosserie 2 dreht, größer als der Wert ΔR ist. Der Wert ΔR beträgt bei der fünften Ausführungsform 0,25, das heißt 25 Prozent des größtmöglichen Werts des Bahnradius R, dessen größtmöglicher Wert in 12 mit SOC bezeichnet ist und beispielsweise 1 beziehungsweise 100 Prozent beträgt. Wie zuvor erläutert, wird in 12 der kleinstmögliche Wert des Bahnradius R mit 0 beziehungsweise 0 Prozent bezeichnet. Dies muss nicht notwendigerweise bedeuten, dass der Rotationsradius 0 mm beträgt, sondern kann eher bedeuten, dass der Rotationsradius den konstruktiv bedingt geringstmöglichen Wert eingenommen hat.
Beträgt der Bahnradius R ΔR, das heißt weist der Bahnradius R den Wert ΔR auf, so kommt die Zugfeder 44 entlang der Bewegungsrichtung in Stützanlage mit dem Träger 11, sodass bei weiterer Bewegung der Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 nach außen und somit von der Drehachse 17 weg die Zugfeder 44 gelenkt wird. Die Überlagerung der von der Druckfeder 43 bereitgestellten Federkraft mit der von der Zugfeder 44 bereitgestellten Zugkraft kann dann im Kraftverlauf einer von dem Aktor 15 bereitgestellten und zum Bewegen der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 vorgesehenen Kraft insbesondere in Abhängigkeit von dem Verstellweg beziehungsweise von dem Bahnradius R glätten, sodass das Stellkraftmaximum deutlich verringert wird, da diese Federkräfte der mit R wachsenden Zentrifugalkraft entgegenwirken.. Insgesamt ist erkennbar, dass der Bahnradius R beziehungsweise dessen Wert ein Verstellweg ist, um die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 bewegt werden kann. wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 maximal um einen Verstellweg entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11, insbesondere translatorisch, bewegt werden, wobei sich der Verstellweg von dem kleinstmöglich einstellbaren Bahnradius bis zu dem größtmöglich einstellbaren Bahnradius der jeweiligen Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 erstreckt. Der jeweilige Bahnradius R beziehungsweise dessen jeweiliger Wert ist somit ein jeweiliger Wert des Verstellwegs.
Die Druckfeder 43 und die Zugfeder 44 werden zusammenfassend auch als Federn bezeichnet. Durch die Verwendung beziehungsweise den Einbau der Federn können folgende Dinge erreicht werden: Verringerung beziehungsweise Abmilderung der Aktorstellkraft, für SOC > 0,5 beziehungsweise für R > 0,5. Hierdurch kann eine besonders große Menge an Rotationsenergie auch bei mittleren Drehzahlen der Gesamtschwungmasse 14 beherrscht werden und ein besonders großer nutzbarer Betriebsbereich realisiert werden. Es kann eine negative Stellkraft insbesondere bei R > 0,75 bei kleinen Drehzahlen realisiert werden, wodurch die Rekuperationseinrichtung 10 die Boost-Funktion von selbst, das heißt ohne aktives Zutun des Aktors 15 durchführt, wodurch ein verbesserter Anfahrvorgang realisiert werden kann, durch den das zunächst stillstehende Kraftfahrzeug 1 angefahren werden kann. Es wurden Stellkraftverläufe untersucht, die jeweilige Verläufe von jeweiligen Kräften sind, die zur Bewegung der Schwungmassen 12 und 13 von dem Aktor 15 bereitzustellen sind. Die Federsteifigkeiten der Federn wurden beispielsweise so gewählt, dass sich bei 4500 Umdrehungen der Gesamtschwungmasse 14 für R > 0,75 kein effektiver Stellkraftanstieg mehr ergibt. Um diese Verstellkräfte auf ein Drehmomentniveau eines Verbrennungsmotors zu verringern, ist eine Aktor-Übersetzung im zweistelligen Zahlenwertbereich vorteilhaft, was aber über zwei, insbesondere serielle, Übersetzungen im einstelligen Bereich einfach realisierbar sein sollte.
Um die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 zu verstehen, das heißt entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 zu bewegen, wird eine Differenzdrehzahl zwischen dem Aktor 15 und dem KERS-Träger bewirkt. Hierzu wird beispielsweise der Kraftverlauf um 700 Umdrehungen pro Minute angehoben, insbesondere im Rahmen der Boost-Funktion. Das von der Rekuperationseinrichtung 10 abgegebene Drehmoment ist direkt proportional zur Differenzdrehzahl. Wird also der Antrieb beispielsweise auf ein bestimmtes maximales Drehmoment ausgelegt, so korrespondiert dies mit einer maximalen Differenzdrehzahl zwischen ω_Akt und ω_KERS (vgl. 11).
13 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Antriebsstrangs 8, wobei die fünfte Ausführungsform des Antriebsstrangs 8 beispielsweise die in 9 bis 11 gezeigte vierte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10 umfasst. Die Kupplung 41 wird auch mit K1 bezeichnet, wobei die Kupplung 27 auch mit K2 bezeichnet wird. Über die Kupplung 27 sind der Planetenträger 38 und somit die Gesamtschwungmasse 14 mit dem Getriebe 23, insbesondere mit dessen Getriebeeingang, koppelbar, sodass über die Kupplung 27, das Getriebe 23 und die Endübersetzung 22 das Kraftfahrzeug 1 von der Gesamtschwungmasse 14, insbesondere von dem Planetenträger 38, antreibbar ist. Beispielsweise ist der Planetenträger 38 drehfest mit dem Träger 11 verbunden.
Der Antriebsmotor 9 ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor und/oder eine elektrische Maschine. Dabei ist beispielsweise das Sonnenrad 35 drehfest mit einer insbesondere als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise mit einem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelt. Mit anderen Worten ist das Sonnenrad 35 von der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise von dem Rotor der elektrischen Maschine antreibbar. Der Antriebsmotor 9 ist dabei der Aktor 15. Bei einer Konstantfahrt und bei einem mäßigen Beschleunigen des Kraftfahrzeugs 1 sind die Kupplungen K1 und K2 geschlossen. Bei einem starken Beschleunigen ist die Kupplung K1 offen, während die Kupplung K2 geschlossen ist. Bei einem Verzögern des Kraftfahrzeugs 1 ist die Kupplung K2 geschlossen, während beispielsweise die Kupplung K1 schleift oder offen ist. Der Antriebsmotor 9 wird auch als gebremste Traktionsquelle bezeichnet, die das Bremsmoment regelt. Wird beispielsweise, insbesondere das Getriebe 23, geschaltet, während der Bahnradius R 0 ist, so ist die Kupplung K1 geschlossen, während die Kupplung K2 die Synchronisierung regelt. Ist der Bahnradius R größer als 0, und erfolgt ein Hochschalten, so wird entweder die Kupplung K2 befähigt oder die Kupplung K1 wird geöffnet und die Traktionsquelle wird auf eine Zieldrehzahl gebremst. Die Rekuperationseinrichtung 10 folgt und bei einem Synchronlauf werden beide Kupplungen K1 und K2 geschlossen. Erfolgt beispielsweise ein Runterschalten dann, wenn der Bahnradius R größer als 0 ist, so werden die Kupplungen K1 und K2 geöffnet, und die Traktionsquelle wird auf Zieldrehzahl gehoben, woraufhin beide Kupplungen K1 und K2 geschlossen werden. Bei der fünften Ausführungsform ist die Rekuperationseinrichtung 10 vor dem Getriebe 23 angeordnet. Für ein völlig reibungsfreies Schalten könnte man die Kupplung K2 auch als Stator und Rotor einer elektrischen Maschine auslegen. Der Stator würde dann allerdings selbst rotieren und müsste zum Beispiel per Schleifkontakte mit 3-Phasen-Strom gespeist werden.
14 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Werden beispielsweise die Schwungmassen 12 und 13 mittels des Aktors 15 in Richtung der Drehachse 17 bewegt, so wird dadurch die Gesamtschwungmasse 14 beschleunigt. Dadurch kann das Kraftfahrzeug 1 angetrieben beziehungsweise beschleunigt werden, wodurch die zuvor beschriebene Boost-Funktion durchgeführt werden kann. Werden die Masen 12 und 13 mittels des Aktors 15 beispielsweise nach außen, das heißt von der Drehachse 17 wegbewegt, so werden dadurch beispielsweise die Gesamtschwungmasse 14 und somit das Kraftfahrzeug 1 abgebremst. Neben dieser, durch den Aktor 15 gesteuerten oder bewirkten Beschleunigung und Verzögerung der Gesamtschwungmasse 14 wäre es auch möglich, die Differenzdrehzahl zwischen Aktor 15 und dem KERS-Träger beziehungsweise dem Träger 11 über feste Übersetzungen 45 einzustellen. Denkbar ist es, nur eine davon, nämlich für eine sanfte Boost-Funktion, aus Sicht einer Ausfallsicherheit zu nutzen, nämlich immer dann, wenn in einen Kennfeldbereich hineingefahren worden ist, in dem die Aktorkraft die Zentripetalkraft nicht überwinden kann. Die Übersetzungen 45 umfassen eine erste Übersetzungsstufe 46 mit einem drehfest mit dem Aktor 15 verbundenen Zahnrad 47 und einem damit kämmenden Zahnrad 48, welches drehfest mit einer Welle 49 verbunden ist. Die Übersetzungen 45 umfassen außerdem in axialer Richtung der Welle 49 hintereinander angeordnete Zahnräder 50 und 51, welche drehfest mit der Welle 49 verbunden sind. Die Übersetzungen 45 umfassen außerdem eine Übersetzungsstufe 52, welche das Zahnrad 50 und ein damit kämmendes Zahnrad 53 umfasst. Außerdem umfassen die Übersetzungen 45 eine dritte Übersetzungsstufe 54, welche das Zahnrad 51 und ein damit kämmendes Zahnrad 55 umfasst. Das Zahnrad 48, 50, 51, 53 und/oder 55 ist beispielsweise ein Losrad, welches grundsätzlich relativ zu der Welle 49 beziehungsweise relativ zu dem Planetenträger 38 drehbar ist. Insbesondere sind die Zahnräder 48, 50, 51, 53 und 55 um sich selbst, das heißt um ihre jeweiligen axialen Richtungen drehbar, insbesondere relativ zu der Karosserie 2. Vorzugsweise sind die Zahnräder 48, 50, 51, 53 und/oder 55 fahrzeugfest, also beispielsweise zumindest mittelbar drehbar an der Karosserie 2 gelagert dem Aktor 15 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Drehachsen der Zahnräder 48, 50, 51, 53 und/oder 55 fahrzeugfest, wobei die Zahnräder 58, 50, 51, 53 und 55 um die Drehachsen drehbar sind. Es liegt also genau ein Freiheitsgrad vor, nicht zwei oder mehr und nicht 0 Freiheitsgrade. Somit kämmt beispielsweise ein Hohlrad als Teil des Planetenträgers 38 beziehungsweise eines den Planetenträger 38 und das Hohlrad bildenden Bauelements mit den inneren Zahnrädern 53 und 55, die als eine Art feststehende Planeten zu betrachten sind. Die Drehachsen, um welche das Hohlrad und/oder der Planetenträger 38 und/oder das Sonnenrad 35 relativ zu der Karosserie 2 drehen können, fahrzeugfest, ebenso wie die Drehachsen, um welche sich die Zahnräder 48, 50, 51, 53 und 55 drehen können. Lediglich die Drehachsen der Planetenräder 37 rotieren um die Drehachse des Planetenträgers 38 und/oder des Hohlrads und/oder des Sonnenrads 35. In 14 eine Schalteinrichtung nicht eingezeichnet ist. Diese ist jedoch vorteilhafterweise vorgesehen. Es kann immer nur Übersetzung 52 oder 54 eingelegt werden (oder keine von beiden), nicht beide gleichzeitig, denn sonst würde sich das System verspannen beziehungsweise blockieren und Schaden nehmen. Der Übersichtlichkeit wegen ist hier nur eine übersetzende und eine untersetzende Getriebestufe gezeigt. In der Praxis können jeweils mehrere sinnvoll beziehungsweise vorteilhaft sein.
15 zeigt eine sechste Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Wie bei der fünften Ausführungsform ist die Rekuperationseinrichtung 10 vor dem Getriebe 23 angeordnet, dessen Getriebeeingang in 15 mit 56 bezeichnet ist. Dabei ist eine Kupplung Ko vorgesehen, über welche eine Getriebeeingangswelle 57 des Getriebes 23 drehfest mit einer weiteren Welle 58 verbunden ist. Außerdem sind Kupplungen K₁ und K₂ vorgesehen, über welche beispielsweise die Welle 58 wahlweise mit dem Aktor 15, das heißt beispielsweise mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise mit dem Rotor der elektrischen Maschine und mit dem Planetenträger 38 drehmomentübertragend gekoppelt werden kann. Außerdem ist in 15 eine Übersetzung der Übersetzungsstufe 52 mit I_U bezeichnet, während eine Übersetzung der Übersetzungsstufe 54 mit I_Ü bezeichnet ist. Das Getriebe 23 kann einzelne Gänge aufweisen, welche geschaltet werden können. Alternativ oder zusätzlich sind die Übersetzungsstufen 52 und 54 beispielsweise jeweilige, einzelne Gänge, welche geschaltet, das heiß eingelegt und ausgelegt werden können. Alternativ oder zusätzlich sind die Kupplungen K₁ und K₂ Bestandteile von jeweiligen, einzelnen Gängen, welche jeweilige Gangräder umfassen und ebenfalls geschaltet, das heißt eingelegt und ausgelegt werden können.
16 zeigt eine siebte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Die in 16 gezeigte Rekuperationseinrichtung 10 umfasst - insbesondere wie bereits im Hinblick auf 7 erläutert - mehrere KERS beziehungsweise mehrere Spindeln und ist beispielsweise eine Multiplikation oder Hintereinanderschaltung von in 15 gezeigten Rekuperationseinrichtungen 10. Eine weitere Möglichkeit, neben einer hohen Aktorübersetzung, hohe Aktorkräfte beziehungsweise hohe Zentripetalkräfte beherrschbar zu machen, wäre schlicht die Verwendung mehrerer Rekuperationseinrichtungen 10, wie sie beispielsweise in 15 gezeigt ist. Mit anderen Worten umfasst die Rekuperationseinrichtung 10 gemäß 16 mehrere Rekuperationseinrichtungen 10 gemäß 15. Somit sind gemäß 16 wenigstens oder genau zwei Rekuperationseinrichtungen 10 gemäß 15 in Reihe geschaltet beziehungsweise angeordnet. Um die in 16 veranschaulichte Rekuperationseinrichtungen 10 begrifflich besser voneinander unterscheiden zu können, ist eine der Rekuperationseinrichtungen mit 10 und die andere Rekuperationseinrichtung mit 10' bezeichnet. Die den Bauteilen der Rekuperationseinrichtung 10 entsprechenden Bauteile der Rekuperationseinrichtung 10' haben die gleichen Zahlen und sind lediglich zusätzlich mit einem Strich versehen. Insgesamt ist erkennbar, dass das Sonnenrad 35' der Rekuperationseinrichtung 10' drehfest mit dem Planetenträger 38 der Rekuperationseinrichtung 10 verbunden ist, wobei die Planetenräder 37' der Rekuperationseinrichtung 10' drehbar an dem Planetenträger 38' der Rekuperationseinrichtung 10' gelagert sind. Der Aktor 15 beziehungsweise die Abtriebswelle oder der Rotor durchdringt sowohl den beispielsweise zumindest teilweise als Hohlwelle ausgebildeten Planetenträger 38 als auch den beispielsweise als Hohlwelle ausgebildeten Planetenträger 38' und kann unter Umgehung der Planetenträger 38 und 38' drehmomentübertragend mit der Welle 58 gekoppelt werden. Durch eine solche optionale, und vorzugsweise koaxiale Durchreiche des beispielsweise als Abtriebswelle oder Rotor ausgebildeten Aktors 15 ließen sich sogar beide, mehrere oder alle Rekuperationseinrichtungen 10 bezüglich Drehmomentfluss umgehen, was eine besonders hohe Flexibilität in Bezug auf mögliche Betriebszustände erlaubt und somit auch ein mögliches Ausfallsicherheitselement darstellen könnte. Die Kupplungen 41 und 41' sind antriebsseitige Synchronisierungskupplungen, welche nur dann vorgesehen oder notwendig sind, wenn in 16 mit 59 und 60 bezeichnete Synchronisierungselemente auf der Abtriebsseite nicht verwendet werden beziehungsweise umgekehrt. Außerdem ist eine Kupplung K₃ vorgesehen, über die der Aktor 15 unter Umgehung der PT 38 und 38' Drehmomentübertragend mit der Welle 58 gekoppelt werden kann. Fraglich ist auch, ob die beispielsweise als festen Gänge ausgebildeten Übersetzungsstufen 52, 52', 54 und 54' bei einer solchen Anordnung von mehreren Rekuperationseinrichtungen 10 in Reihe dann überhaupt noch notwendig sind. Gegebenenfalls könnten diese festen Gänge (Übersetzungsstufen 52, 52', 54 und 54') entfallen.
17 zeigt eine achte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10 mit mehreren, insbesondere in Reihe geschalteten Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10". Gemäß 17 ist ein Array aus den Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10" gebildet. Gemäß 17 sind drei Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10", das heißt drei Rekuperationseinrichtungen 10 hintereinander geschaltet und unabhängig voneinander nutzbar. Dabei ist eine elektrische Maschine 61 vorgesehen, deren Stator mit 62 und deren Rotor mit 63 bezeichnet ist. Außerdem ist eine zweite elektrische Maschine vorgesehen, welche mit 64 bezeichnet ist. Mittels der elektrischen Maschine 64 kann die Welle 58 angetrieben werden. Außerdem ist ein Planetengetriebe 65 vorgesehen, über welches die Welle von der elektrischen Maschine 61, insbesondere dem Rotor 63, angetrieben werden kann. Das Planetengetriebe 65 umfasst ein Hohlrad 66, welches drehfest mit dem Rotor 63 verbunden ist. Das Hohlrad 66 kämmt mit Planetenrädern 67 des Planetengetriebes 65. Die Planetenrädern 67 kämmen gleichzeitig mit dem Hohlrad 66 und einem Sonnenrad 68 des Planetengetriebes 65, dessen Sonnenrad 68 drehfest mit einer Welle 69 verbunden ist. Bei der in 17 gezeigten achten Ausführungsform befindet sich die primäre Antriebs- oder Traktionsquelle und damit der Aktor für das KERS weiterhin (wie bei 16) ganz links direkt die Welle antreibend. Die beiden EMotoren auf der rechten Seite dienen lediglich zur Drehzahlausregelung des eCVT (elektric continuous variable transmission - elektrisch geregeltes stufenloses Getriebe), womit das Planetengetriebe samt eMotoren gemeint ist, was als Vorgetriebe für das weniggängige Hauptgetriebe dient. Beispielsweise ist das Sonnenrad 35 der Rekuperationseinrichtung 10 über eine Kupplung 70 von der Welle 69 antreibbar ist. Der Planetenträger 38 der Rekuperationseinrichtung 10 ist drehfest mit dem Sonnenrad 35 der Rekuperationseinrichtung 10' verbunden, und der Planetenträger 38' der Rekuperationseinrichtung 10' ist drehfest mit dem Sonnenrad 35" der Rekuperationseinrichtung 10" verbunden.
Das Planetengetriebe 65 weist außerdem einen Planetenträger 71 auf, an welchem die Planetenräder 67 drehbar gelagert sind. Der Planetenträger 38' ist durch den Planetenträger 38" hindurchgeführt, sodass der Planetenträger 38' unter Umgehung des Planetenträgers 38" drehmomentübertragend mit der Welle 58 gekoppelt werden kann. Die Grundidee der Seriellschaltung der KERS ist, dass man für die hohen Verstellkräfte eines dieser KERS einfach ein davorgeschaltetes KERS nutzt und somit das Drehmoment an der primären Antriebsquelle geringhalten kann. Mit dieser Logik wächst die theoretische Leistung überproportional an. Nimmt man beispielsweise die leistungsverstärkende Funktion von einem KERS mit pauschal 145% an, kann ein Antrieb mit 3 KERS also - für einen begrenzten Zeitraum - etwa 1.45 x 1.45 x 1.45 = 3.05 mal so viel wie seine primäre Antriebsquelle abgeben. Das könnte die Downsizing-Spirale bei Verbrennungsmotoren weiter antreiben. So kommt so eine Verschachtelung mit theoretisch unendlich vielen KERS zustande. Außerdem kann der Planetenträger 38'' drehmomentübertragend mit der Welle 58 verbunden werden. Der Planetenträger 38 ist durch die Planetenträger 38' und 38'' hindurchgeführt und kann unter Umgehung der Planetenträger 38' und 38" drehmomentübertragend mit der Welle 58 verbunden werden. Auch die Welle 69 kann unter Umgehung der Planetenträger 38, 38' und 38'' drehmomentübertragend mit der Welle 58 verbunden werden. Der Planetenträger 71 kann „drehmomentübertragend mit der Welle 58 verbunden werden. Außerdem durchdringt die Welle 69 den Planetenträger 71, sodass das Hohlrad 66 auf einer den Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10“ abgewandten Seite des Planetenträgers 71 angeordnet ist. Es ist eine Kupplung K1 vorgesehen, mittels welcher der Rotor 63 und somit das Hohlrad 66 unter Umgehung des der Planetenräder 67 direkt drehfest mit dem Planetenträger 71 verbunden werden kann. Außerdem ist eine Kupplung K2 vorgesehen, über welche der Rotor 63 an einem Gehäuse 72 drehfest festgelegt werden kann.
Mit eine Leerlauf-Drehzahlabsenkung auf 500 Umdrehungen pro Minute und einer Gesamtübersetzung von 500 Umdrehungen bei 10 Kilometern pro Stunde Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 1 wäre ein Drehzahlbegrenzer, welcher beispielsweise bei 6500 Umdrehungen pro Minute legt, erst bei 130 Kilometern pro Stunde des Kraftfahrzeugs 1 erreicht. Durch die elektrische Maschine 61 und das zugehörige Planetengetriebe 65 kann beispielsweise ein eCVT, das heißt ein elektrisches Getriebe mit kontinuierlicher Übersetzung realisiert werden. Zusammen mit einem solchen CVT beziehungsweise einem eCVT (Drehmomentstütze für den Anfahrvorgang), ließe sich somit eine Volllast-Beschleunigung von 0 bis 130 Kilometern pro Stunde ohne Gangwechsel realisieren, was die Anzahl der notwendigen Gänge im Schaltgetriebe reduziert - was dort wiederum Kosten, Bauraum und Energieverluste einspart. Hierdurch werden beispielsweise die Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10" bezogen auf die Bildebene von 17 von links nach rechts im Hinblick auf die gespeicherte Rotationsenergie entleert. Die beiden elektrischen Maschinen 61 und 64 sind hinsichtlich Längsdynamik besonders vorteilhaft, denn über die beiden Kupplungen K1 und K2 erübrigt sich möglicherweise die Notwendigkeit der elektrischen Maschinen 61 und 64 und eines kürzeren Ganges. Die Kupplung K1 ermöglicht eine Bremsung des Rotors 63 und somit des Hohlrads 66 gegen den Planetenträger 71, und die Kupplung K2 ermöglicht eine Bremsung des Rotors 63 und somit des Hohlrads 66 gegenüber dem Gehäuse 62 beziehungsweise gengenüber der Karosserie 2, an der beispielsweise das Gehäuse 72 zumindest mittelbar, insbesondere direkt, festgelegt ist. Beispielsweise sind beispielsweise nur drei längere beziehungsweise länger übersetzte Gänge vorgesehen oder erforderlich, sodass das Kraftfahrzeug 1 mit insgesamt nur vier Vorwärtsfahrgängen in dem Getriebe 23 auskommen könnte. Über die Kupplungen K1 und K2 sind aber bereits zwei Übersetzungsstufen schaltbar, sodass insgesamt 2 x 4 = 8 festen Drehzahl-Geschwindigkeits-Verhältnisse realisierbar sind. Da die elektrischen Maschinen 61 und 64 nur die Funktion eines elektrischen Getriebes einnehmen würden, wäre ein großer elektrischer Energiespeicher nicht unbedingt nötig.
Zusätzlich zu den bereits in 16 dargestellten Synchronisierungselementen 59 und 60 sind zusätzliche Synchronisierungselemente 73 und 74 vorgesehen. Außerdem sind Kupplungen a, b, c, d und e vorgesehen, wobei das Synchronisierungselement 59 beispielsweise auch als Kupplung f, das Synchronisierungselement 60 auch als Kupplung g, das Synchronisierungselement 73 auch als Kupplung h und das Synchronisierungselement 74 auch als Kupplung i bezeichnet wird. Die Kupplungen a-i können bedarfsweise geöffnet und geschlossen werden.
Folgende Einbau- beziehungsweise Verbauvarianten der jeweiligen Rekuperationseinrichtung 10 sind denkbar: Bei einem Personenkraftwagen mit Vierradbeziehungsweise Allradantrieb oder mit Hinterradantrieb kann die Rekuperationseinrichtung vor dem Getriebe und/oder in dem Unterboden 91 nach dem Getriebe beispielsweise je 1 links und rechts der Kardanwelle verbaut werden. Bei einem Personenkraftwagen mit Vorderradantrieb kann das Rekuperationssystem beispielsweise im Unterboden 91 oder an der Front und insbesondere hinter dem Getriebe angeordnet werden. Bei einem geländegängigen Fahrzeug, einem Transporter, einem Bus, insbesondere einem Stadtbus oder einem Lastkraftwagen kann das Rekuperationssystem beispielsweise im Unterboden 91, insbesondere nach dem Getriebe angeordnet werden. Bei einem Sportwagen mit Mittel- und/oder Heckmotor kann die Rekuperationseinrichtung im Unterboden 91 am Heck und/oder Front jeweils vor oder nach dem Getriebe angeordnet werden.
Das mechanische Rekuperationssystem bietet insbesondere die folgenden Potentiale: Rekuperations- und Boost-Funktion wie bei einem Plug-in-Hybrid beziehungsweise wie bei einem batterieelektrischen Fahrzeug, jedoch mit einem einfachen elektrischen System eines Hybridfahrzeugs. Also es kann durch den Einsatz eines oder mehrerer KERS schon mit leistungsschwacher Elektrifizierung in den Leistungsbereich von Rekuperation und Boost eines stärker elektrifizierten Fahrzeuges erreichen. Das spart Kosten und Bauraum, weil Hochvoltakkus teuer und sperrig sind. Das Rekuperationssystem ist auch als ein passives System an einer nicht-angetriebenen Achse denkbar, insbesondere mit schaltbaren Rekuperations- und Boost-Gängen, also ohne Aktor an Welle 15 sondern lediglich (viele) schaltbare Übersetzungen zwischen rot und gelb (vgl. Baugruppe 45 in 14-16). Anwendungsfall: Grundfahrzeug wäre z.B. ein PKW mit Frontantrieb, dieser Basis-Antriebsstrang wäre völlig unverändert. Zusätzlich zum Antrieb an der Vorderachse: das KERS wäre z.B. liegend im Unterboden verbaut und würde je nach Wahl der grünen Übersetzungsstufen antreibend, rekuperierend oder drehmomentneutral auf die Hinterachse wirken. Diese Varianten sind jedoch nicht gezeigt. Außerdem sind folgende Vorteile denkbar:

- Drehmomentboost der primären Traktionsquelle (vor allem bei niedrigen Drehzahlen),
- Downsizing des Verbrennungsmotors, Gänge im Getriebe einsparen, Schaltkomfort, elektrische Maschine downsizen,
- Leerlauf-Drehzahlabsenkung,
- Geringere Leerlauf-Verbräuche,
- Komfortablerer und umweltschonenderer Anfahrvorgang,
- Turboloch kann vermieden werden, deutlich verbesserte Antriebsdynamik bei niedrigen Drehzahlen,
- Anfahr-CVT

Wie aus 7 erkennbar ist, können ein, zwei, oder demgegenüber mehr Schwungmassen 11 vorgesehen sein. An dem jeweiligen Träger 11 können wenigstens oder genau zwei oder vorzugsweise mehr als zwei und dabei beispielsweise vier Schwungmassen 12 beziehungsweise 13 oder sechs Schwungmassen 12 beziehungsweise 13 gehalten sein. Vorzugsweise ist die Anzahl der Schwungmassen 12 beziehungsweise 13 insgesamt gerade. Um einen möglichst hohen Energiegehalt im KERS bei möglichst geringer Schwungmasse zu ermöglichen, ist die Bahngeschwindigkeit der Schwungmasse(n) zu maximieren, zum Beispiel per Erhöhung der Übersetzung des Rekuperationssystems. Allerdings erhöht dies wiederum die Zentripetalkräfte und den internen Luftwiderstand. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die jeweilige Gesamtschwungmasse 14 in einem evakuierten Raum drehbar gelagert und aufgenommen ist.
18 zeigt eine neunte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Die neunte Ausführungsform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zwischen der Welle 29 und dem Träger 11 ein Planetengetriebe 75 angeordnet oder geschaltet ist, welches ein Hohlrad 76, Planetenräder 77 und ein Sonnenrad 78 aufweist. Das Planetengetriebe zusammen mit dem eMotor erfüllt auch hier wieder die Funktion eines eCVT. Die Grundmotivation des eCVT besteht hierin: ein KERS kann konzeptbedingt nur bei einer Drehzahl >0 Energie beinhalten. Wenn das Fahrzeug steht, hat der Antrieb aber eine Drehzahl von n=0. Damit das KERS z.B. beim Anhalten an einer Ampel nicht auf 0 gebremst werden muss, muss es wie ein im Leerlauf drehender Verbrennungsmotor vom Antrieb abgekoppelt werden. Damit aber beim Anfahren trotzdem die darin gespeicherte Energie genutzt werden kann (und möglichst dissipationsarm), wird das eCVT eingebaut. Hierzu ist es sogar denkbar, dass das KERS bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor den Anfahrvorgang und das Fahren bei geringen Geschwindigkeiten übernimmt. Die bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor situativ primäre Antriebsquelle wäre demnach Aktor 15 bzw. das Wechselspiel von ihm mit EMotor 76 (solange bis der Verbrennungsmotor wieder zustarten muss). Wie in Zusammenschau mit 19 erkennbar ist, kämmen die Planetenräder 77 gleichzeitig mit dem Hohlrad 76, welches gleichzeitig der Rotor eines E-Motors ist, und mit dem Sonnenrad 78, welches beispielsweise drehfest mit dem Träger 11 verbunden ist. In 19 veranschaulichen jeweilige Pfeile eine Drehrichtung, in welche die Gesamtschwungmasse 14 beziehungsweise das Sonnenrad 78, das Hohlrad 76 und die Planetenräder 77 drehbar sind beziehungsweise gedreht werden.
Außerdem ist eine elektrische Maschine 79 vorgesehen, deren Rotor beispielsweise drehfest mit dem Hohlrad 76 verbindbar oder verbunden ist. Die elektrische Maschine 79 ist eine auf dem Hohlrad 76 vorgesehene Steuermaschine, deren Rotor beispielsweise in einem normalen Fahrbetrieb auf eine Drehzahl von0 gebremst ist. Hierzu ist eine beispielsweise als Kupplung ausgebildete Bremse 80 vorgesehen, über welche der Rotor und somit das Hohlrad 76 drehfest an der Karosserie 2 festgelegt werden kann. Außerdem ist eine weitere Bremse 81 vorgesehen, mittels welcher das Zahnrad 33, welches von der Welle 29 über die Kupplung 26 antreibbar ist, drehfest an der Karosserie 2 festgelegt werden kann. Mit Bremse 81 wird die Hohlwelle 33 und damit auch Planetenträger 77 auf n=0 gebremst. Hintergrund: Wird das Fahrzeug um ein größeres Energiedelta gebremst, als was das KERS aufnehmen kann (z.B. starke Abbremsung von v = 120 km/h auf rote Ampel), muss das KERS über Kupplung 26 abgekuppelt werden. (Das KERS ist z.B. bei 40 km/h bzw. und weiterem Bremswunsch leider schon „voll“ und würde weiter angekoppelt mit seiner nun hohen Massenträgheit dem weiteren Abbremsen das Fahrzeugs und damit dem Fahrerwunsch entgegenwirken.) Im abgekoppelten Zustand und arretiertem Planetenträger können die beiden eMotoren nun (z.B. Energie aus dem KERS entnehmen oder zuführen und) das KERS in einen wieder ankoppelbaren Zustand bringen. Die Planetenräder 77 sind beispielsweise an einem Planetenträger des Planetengetriebes 75 drehbar gelagert, wobei der Planetenträger beispielsweise drehfest mit einem Zahnrad verbunden ist, welches mit dem Zahnrad 22 kämmt.
18 und 19 veranschaulichen eine Getriebetopologie, welche folgende Funktionen erfüllt:

- Anfahrelement: ruckfreies Anfahren mit der Rekuperationseinrichtung 10 als Traktionsquelle
- Re-Synchronisation der Rekuperationseinrichtung 10 nach einem übermäßig umfangreichen Rekuperationsvorgang
- Variante elektrisches Fahren: Hierzu wird die elektrische Maschine 79 entsprechend stark ausgelegt, und die Bremse 80 beispielsweise dauerhaft offen gehalten.

20 zeigt eine zehnte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Bei der zehnten Ausführungsform weist die Koppeleinrichtung 39, insbesondere die Schwungmasse 12 beziehungsweise 13, eine Gewindestange 82 auf. Über die jeweilige Gewindestange 82 kann die jeweilige Schwungmasse 12 beziehungsweise 13 mittels des Aktors 15 entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Träger 11 bewegt werden. Mit ω_GS ist eine Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, mit welcher sich die Gewindestange 82 dreht beziehungsweise von dem Aktor 15 gedreht wird. Hierzu ist der Aktor 15 beispielsweise drehfest mit einem Zahnrad 83 verbunden. Die jeweilige Gewindestange 82 ist drehfest mit einem Zahnrad 84 verbunden, welches mit dem Zahnrad 83 kämmt. Dadurch kann die jeweilige Gewindestange 82 über die Zahnräder 83 und 84 von dem Aktor 15 angetrieben werden. In 20 ist mit R_GS ein Abstand der jeweiligen Gewindestange 82, insbesondere deren Mittellinie, von dem Außenradius beziehungsweise Außenumfang des jeweiligen Zahnrads 84 bezeichnet.
Die Zentripetalkraft der Schwungmassen 12 und 13 übt ein dauerhaftes Drehmoment auf die Aktuatorik aus. Um dieses einzugrenzen, könnte eine weitere mechanische Übersetzungsstufe vorteilhaft sein. Die Entlastung der Aktuatorik von der Zentripetalkraft erfolgt über die Baugruppe 45 (14-16). Ziffer 85 (22) beschreibt beispielsweise eine Stirnradstufe, die den kämmenden Gegensynchronlaufvon zwei KERS sicherstellen sollen, wenn man diesen nicht über eine zahnradförmige Hülle (vgl. 7) realisieren möchte. Diese weitere mechanische Übersetzungsstufe ist vorliegend mit 85 bezeichnet und durch die Zahnräder 83 und 84 gebildet. Zwischen 84 und 82 sind weitere Übersetzungsstufen denkbar (und je nach Auslegung des Gesamtsystems auch mehr oder weniger sinnvoll). Werden die Gewindestangen 82 durch ein Seilzugsystem beziehungsweise durch ein Zugmittelsystem ersetzt, ergibt sich ein analoger konstruktiver Aufbau. Man müsste lediglich die Gewindestangen 82 und die Zahnräder 84 von der Radial- in die z-Richtung kippen, und beispielsweise eine Stirn- statt Kegelradübersetzung vorsehen, und anstelle der Gewindestangen 82 würde eine Führung eingesetzt, um das beispielsweise als Verstellseil ausgestaltete Zugmittel zu führen beziehungsweise anzutreiben.
22 zeigt eine sechste Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10. Gemäß 22 sind zwei Rekuperationseinrichtungen 10 und 10' vorgesehen. Insgesamt ist erkennbar, dass durch die jeweilige Rekuperationseinrichtung 10 ein leistungsmultiplizierender Effekt realisiert werden kann, insbesondere dadurch, dass die Rekuperationseinrichtung 10 aufgrund des verstellbaren Massenträgheitsmoments adaptiv ist. Dieser leistungsmultiplizierende Effekt ist dann maximal, wenn die Leistung des Aktors 15 maximiert wird. Bei der sechsten Ausführungsform ist der Aktor 15 der Antriebsmotor 9, das heißt der zum verbrennungsmotorischen Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildete Verbrennungsmotor beziehungsweise die zum rein elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildete elektrische Maschine. Bei der sechsten Ausführungsform ist die Gesamtschwungmasse 14 der Rekuperationseinrichtung 10 über eine beispielsweise durch eine Zahnradstufe gebildete Übersetzungsstufe 85 antreibbar, insbesondere von dem Aktor 15. Auch die Gesamtschwungmasse 14' der Rekuperationseinrichtung 10' ist von dem Aktor 15 beziehungsweise vom dem Antriebsmotor 9 antreibbar. Außerdem sind die Schwungmassen 11 und 11' über eine beispielsweise durch eine Zahnradstufe gebildete Übersetzungsstufe 86 miteinander gekoppelt und das Getriebe 23 ist über die Kupplung 27 von den Rekuperationseinrichtungen 10 und 10' antreibbar.
23 zeigt eine siebte Ausführungsform der Rekuperationseinrichtung 10, bei welcher eine stehende Abtriebswelle beziehungsweise Kurbelwelle vorgesehen ist. Die Rekuperationseinrichtungen 10 und 10' sind dabei in Reihe geschaltet. Ein Kämmen der Rekuperationseinrichtungen 10 und 10' ist dabei nicht mehr möglich, da ein Synchronlauf der beiden Rekuperationseinrichtungen 10 und 10' nicht zu jedem Zeitpunkt gewährleistet werden kann. Bei 15 liegen die Antriebsachsen waagrecht und achsparallel (z.B. vergleichbar zum PKW-Standard-Heckantrieb). Bei 23 finden Umlenkungen der Drehachsen statt, damit der flächige Bauraum für die Schwungmassen nicht senkrecht gegenüber der Abtriebsachse stehen muss. Dadurch könnte man die kämmenden Schwungmassen als flache Baugruppe z.B. liegend in den Unterboden eines Kleinbusses oder stehend in die Seiten- oder Heckwand eines Reisebusses integrieren. Auch der Vorderwagen eines PKW wäre als Einbauort prinzipiell denkbar.
Schließlich zeigen 24 und 25 eine achte Ausführungsform mit drei Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10". Die Rekuperationseinrichtung 10" ist dabei eine zentrale Rekuperationseinrichtung mit doppelter Schwungmasse, wobei - wie aus 25 erkennbar ist - ein Kämmen der drei Rekuperationseinrichtungen 10, 10' und 10" möglich ist. In 24 und 25 ist mit 87 ein Abtriebselement bezeichnet, welches die beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise der Rotor der elektrischen Maschine ist. Das Abtriebselement 87 ist mit einem Zahnrad 88 drehfest verbunden, welches mit Zahnrädern 89 und 90 kämmt. Über die Zahnräder 89 und 88 ist die Rekuperationseinrichtung 10 beziehungsweise deren Gesamtschwungmasse 14 von dem Aktor 15 antreibbar, und über die Zahnräder 90 und 88 ist die Rekuperationseinrichtung 10', insbesondere deren Gesamtschwungmasse 14', von dem Aktor 15 antreibbar. Dabei sind die Zahnräder 88, 89 und 90 in 25 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Rekuperationseinrichtung 10" beziehungsweise deren Gesamtschwungmasse 14" ist über das Abtriebselement 87 von dem Aktor 15 antreibbar. 24 zeigt eine bauraumsparende Anordnung von drei kämmenden KERS, deren Drehmomente sich addieren - eine Art Parallelschaltung - alle 3 KERS haben immer denselben Betriebszustand. 16 und 17 hingegen zeigen eine „serielle“ Schaltung von KERS, deren Betriebszustände unabhängig voneinander steuerbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Karosserie
3: Innenraum
4: Rad
5: Rad
6: Boden
7: Doppelpfeil
8: Antriebsstrang
9: Antriebsmotor
10, 10', 10'': Rekuperationseinrichtung
11, 11', 11'': Schwungmasse
12, 12', 12'': Masse
13, 13', 13'': Masse
14, 14', 14'': Gesamtschwungmasse
15: Aktor
16: Doppelpfeil
17: Drehachse
18: Doppelpfeil
19: Pfeil
20: Pfeil
21: Startergenerator
22: Endübersetzung
23: Getriebe
24: elektrische Maschine
25: elektrische Maschine
26: Kupplung
27: Kupplung
28: Hüllkurve
29: Welle
30: Antriebsmoment
31: Pfeil
32, 32': Zahnrad
33: Zahnrad
34: Planetengetriebe
35, 35', 35'': Sonnenrad
36: Getriebedrehachse
37, 37', 37'': Planetenrad
38, 38', 38'': Planetenträger
39: Koppeleinrichtung
40: Zugmittel
41: Kupplung
42: Trum
43: Druckfeder
44: Zugfeder
45: Übersetzungen
46: Übersetzungsstufe
47: Zahnrad
48: Zahnrad
49: Welle
50: Zahnrad
51: Zahnrad
52, 52': Übersetzungsstufe
53: Zahnrad
54, 54': Übersetzungsstufe
55: Zahnrad
56: Getriebeeingang
57: Getriebeeingangswelle
58: Welle
59: Synchronisierungselemente
60: Synchronisierungselemente
61: elektrische Maschine
62: Stator
63: Rotor
64: elektrische Maschine
65: Planetengetriebe
66: Hohlrad
67: Planetenrad
68: Sonnenrad
69: Welle
70: Kupplung
71: Planetenträger
72: Gehäuse
73: Synchronisierungselement
74: Synchronisierungselement
75: Planetengetriebe
76: Hohlrad
77: Planetenrad
78: Sonnenrad
79: elektrische Maschine
80: Bremse
81: Bremse
82: Gewindestange
83: Zahnrad
84: Zahnrad
85: Übersetzungsstufe
86: Übersetzungsstufe
87: Abtriebselement
88: Zahnrad
89: Zahnrad
90: Zahnrad
91: Unterboden
92: Zahnradpaarung
a-i: Kupplung
93: Planetendrehachse
K1, K2, K0: Kupplung
K1, K2, K3: Kupplung
x: Fahrzeuglängsrichtung
y: Fahrzeugquerrichtung
z: Fahrzeughochrichtung
RB: Bahnradius
RAkt: Abstand
R: Bahnradius
ΔR: Wert
ωAkt: Winkelgeschwindigkeit
ωKRES: Winkelgeschwindigkeit
ωTrum: Winkelgeschwindigkeit
ωGS: Winkelgeschwindigkeit
vTrum: Geschwindigkeit

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 10209514 B4 [0002]
WO 2008/003381 A1 [0003]

Claims

Rekuperationseinrichtung (10) zum Rückgewinnen von kinetischer Energie eines Kraftfahrzeugs (1), mit wenigstens einer Schwungmasse (12), welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs (1) antreibbar und dadurch in Drehung um eine Drehachse (17) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationseinrichtung (10) einen um die Drehachse (17) drehbaren Träger (11), an welchem die Schwungmasse (12) gehalten ist, und wenigstens einen Aktor (15) umfasst, mittels welchem die Schwungmasse (12) zwischen mehreren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die Schwungmasse (12) mit dem Träger (11) mitdrehbar ist, relativ zu dem Träger (11) bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (12) mittels des Aktors (15) entlang einer senkrecht zu der Drehachse (17) verlaufenden Richtung (16) translatorisch relativ zu dem Träger (11) zwischen den Stellungen bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (15) mit dem Träger (11) um die Drehachse (17) mitdrehbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationseinrichtung (10) wenigstens ein Zugmittel (40) aufweist, über welches die Schwungmasse (12) mittels Aktors (15) relativ zu dem Träger (11) zwischen den Stellungen bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationseinrichtung (10) wenigstens eine Gewindestange (82) aufweist, über welche die Schwungmasse (12) mittels des Aktors (15) relativ zu dem Träger (11) zwischen den Stellungen bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationseinrichtung (10) wenigstens eine an dem Träger (11) gehaltene, zweite Schwungmasse (13) umfasst, welche zwischen mehreren weiteren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die zweite Schwungmasse (13) mit dem Träger (11) um die Drehachse (17) mitdrehbar ist, relativ zu dem Träger (11) bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwungmasse (13) mittels desselben Aktors (15), mittels welchem die erste Schwungmasse (12) relativ zu dem Träger (11) bewegbar ist, relativ zu dem Träger (11) zwischen den weiteren Stellungen bewegbar ist.
Rekuperationseinrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (15) dazu ausgebildet ist, die Schwungmassen (12, 13) gleichzeitig den gleichen Weg in entgegengesetzte Richtungen (16, 18) relativ zu dem Träger (11) zu bewegen.
Kraftfahrzeug (1), mit wenigstens einer Rekuperationseinrichtung (10) zum Rückgewinnen von kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs (1), wobei die Rekuperationseinrichtung (10) wenigstens eine Schwungmasse (12) aufweist, welche zum Speichern von Rotationsenergie mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs (1) antreibbar und dadurch in Drehung um eine Drehachse (17) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationseinrichtung (10) einen um die Drehachse (17) drehbaren Träger (11), an welchem die Schwungmasse (12) gehalten ist, und wenigstens einen Aktor (15) umfasst, mittels welchem die Schwungmasse (12) zwischen mehreren, voneinander unterschiedlichen Stellungen, in welchen die Schwungmasse (12) mit dem Träger (11) mitdrehbar ist, relativ zu dem Träger (11) bewegbar ist.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Antreiben des Trägers (11) und der Schwungmasse (12) das Kraftfahrzeug (1) abbremsbar ist.