DE10312771B4

DE10312771B4 - Dämpfungsvorrichtung zur Eliminierung von Torsionsresonanzen bei einem Kraftfahrzeug mit Parallel-Reihen Hybridantrieb

Info

Publication number: DE10312771B4
Application number: DE10312771A
Authority: DE
Inventors: Shailesh S. Novi Kozarekar
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-23
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: DE10312771A1; US20030183467A1; JP3898139B2; JP2003314614A

Abstract

Vibrations-Dämpfungsvorrichtung (980) zur Reduzierung von Torsionsresonanzvibrationen in einem Hybridfahrzeug, wobei das Hybridfahrzeug einen Elektromotor (840), einen Verbrennungsmotor (802) und eine Getriebeanordnung (810) aufweist,
gekennzeichnet durch:
– eine Mehrzahl von durch eine Mehrzahl von Abstandhaltern (984) voneinander beabstandeten Abdeckplatten (982), wobei der Elektromotor (840) mit den Abdeckplatten (982) über einen ersten Nabenring verbunden ist;
– einen zwischen der Mehrzahl von Abdeckplatten (982) angeordneten Flansch (986) mit einer Vielzahl von Fenstern; und
– eine Vielzahl von Federelementen, wobei jedes Federelement jeweils in einem Fenster in dem Flansch (986) angeordnet ist;
– wobei die Trägheit der Getriebeanordnung (810) und des Verbrennungsmotors (802) mit der Trägheit des Elektromotors (840) über die Federelemente gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeuge, insbesondere das Gebiet der Kraftfahrzeugvibrationen. Speziell betrifft die Erfindung Vibrationen in einem Parallel-Reihen-Hybridfahrzeug.
Torsionsresonanzvibrationen stellten und stellen bei brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeugen ein immanentes Problem dar, da bei diesen Fahrzeugen wiederholte und alternierende Motorstöße auftreten. Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um diese Vibrationen zu minimieren, welche gewöhnlich den Einsatz einer Dämpfungsvorrichtung beinhalten, die eine zusätzliche Masse zur Aufnahme der Vibrationskräfte bereitstellt. Die zusätzliche Masse minimiert die Vibrationen, bedeutet jedoch auch zusätzliches Kraftfahrzeuggewicht. Das zusätzliche Gewicht herkömmlicher Dämpfungsvorrichtungen beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Kraftfahrzeugs und trägt zur Komplexität des Kraftfahrzeugs bei.
Bei mittels eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors angetriebenen Hybridfahrzeugen sind die Torsionsresonanzvibrationen zwar vermindert, aber nicht vollständig eliminiert. Bisher wurde mit dem Vibrationsproblem in einem Hy bridfahrzeug auf die gleiche Weise verfahren wie in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, d.h. durch Hinzufügen einer zusätzlichen Masse zur Aufnahme der Vibrationskräfte, obwohl ein Hybridfahrzeug im Vergleich zu einem benzinbetriebenen Kraftfahrzeug deutlich abweichend aufgebaut ist. Um die Einzigartigkeit eines Hybridfahrzeugs besser zu verstehen, wird das Konzept und die Konstruktion eines Hybridfahrzeugs im Folgenden grundsätzlich beschrieben: Ein Hybrid-Elektrofahrzeug kombiniert im allgemeinen einen elektrischen Antrieb mit einem herkömmlichen Antrieb eines Verbrennungsmotors, um eine verbesserte Kraftstoffausnutzung und/oder geringere Abgasemissionen zu erzielen. Der elektrische Antrieb ist typischerweise aus Batterien und einem Elektromotor aufgebaut. Eine derartige elektrische Antriebsvorrichtung liefert als wünschenswerte Merkmale ein hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen, eine hohe Effizienz und die Möglichkeit, anderenfalls verlorene Bremsenergie regenerativ zu verwerten. Der Antrieb mittels eines Verbrennungsmotors liefert dagegen eine hohe Energiedichte und profitiert von einer vorhandenen Infrastruktur und geringeren Kosten aufgrund der Massenproduktion. Die Kombination der beiden Antriebsvorrichtungen mit einer geeigneten Steuerungsstrategie führt zu einer Einschränkung der Verwendung jeder Vorrichtung in ihrem weniger effizienten Betriebsbereich. Bezüglich einer Parallel-Hybridkonfiguration führt darüber hinaus die Kombination eines kleiner dimensionierten Motors mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung in einem Minimal-Hybrid-Elektrofahrzeug zu einer besseren Nutzung des Verbrennungsmotors, was die Kraftstoffökonomie verbessert. Ferner können der Elektromotor und die Batterie einen Ausgleich für die Reduktion der Motorgröße schaffen.
In typischen Konfigurationen wird die Kombination der beiden Arten von Antriebsvorrichtungen (Brennkraft und elektrisch) gewöhnlich entweder als Reihen- oder als Parallel-Hybridanordnung bezeichnet. Bei einer reinen Reihen-Hybrid-Antriebsvorrichtung steht nur der Elektromotor (bzw. die Elektromotoren) in direkter Verbindung mit dem Antriebsstrang und der Verbrennungsmotor wird zur Erzeugung von Elektrizität verwendet, die dem Elektromotor bzw. den Elektromotoren zugeführt wird. Der Vorteil dieser Anordnungen liegt darin, dass der Verbrennungsmotor unabhängig von Fahrzuständen gesteuert und daher durchgehend in seinem Optimaleffizienz- und Niedrigemissionsbereich betrieben werden kann. Ein wesentlicher Nachteil der Reihenanordnung ist der spürbare Energieverlust, der sich aufgrund der Ineffizienzen ergibt, die mit der vollständigen Umwandlung der Motorleistung in Elektrizität zusammenhängen.
In einer reinen Parallel-Hybrid-Antriebsvorrichtung sind sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor (bzw. die Elektromotoren) unmittelbar mit dem Antriebsstrang verbunden und jeder dieser Motoren kann das Fahrzeug unabhängig antreiben. Da bei einer Parallel-Hybrid-Antriebsvorrichtung eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Motor und dem Antriebsstrang besteht, geht im Vergleich zu Hybrid-Antriebsvorrichtungen weniger Energie durch die Umwandlung in Elektrizität verloren. Der Arbeitspunkt des Motors kann allerdings nicht immer völlig frei gewählt werden.
Die beiden Hybrid-Antriebsvorrichtungen können entweder zu einer umschaltbaren Hybrid-Antriebsvorrichtung oder zu einer Parallel-Reihen-Hybrid-Antriebsvorrichtung kombiniert werden. Eine umschaltbare Hybrid-Antriebsvorrichtung beinhaltet typischerweise einen Verbrennungsmotor, einen Generator, einen Elektromotor und eine Kupplung. Der Verbrennungsmotor ist typischerweise mit dem Generator verbunden. Der Generator ist über eine Kupplung mit dem Antriebsstrang verbunden. Der. Elektromotor ist zwischen der Kupplung und dem Antriebsstrang mit dem Antriebsstrang verbunden. Die Betätigung der Kupplung ermöglicht einen Reihen- oder Parallel-Hybridantrieb.
Eine Parallel-Reihen-Hybridanordnung, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielhaft eingesetzt wird, beinhaltet einen Verbrennungsmotor, einen Generator und einen Elektromotor. Ein Planetengetriebe ermöglicht einen Reihenpfad vom Verbrennungsmotor zum Generator und einen Parallelpfad vom Verbrennungsmotor direkt zum Antriebsstrang. Bei einer derartigen Parallel-Reihen-Hybridanordnung kann die Drehzahl des Motors mittels des Reihenpfades gesteuert werden, wobei die mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsstrang über den Parallelpfad erhalten bleibt. Der Elektromotor verstärkt den Verbrennungsmotor auf dem Parallelpfad auf ähnliche Weise wie ein Traktionsmotor in einer reinen Parallel-Hybrid-Antriebsvorrichtung und eröffnet die Möglichkeit, Energie unmittelbar über den Reihenpfad zu nutzen, wodurch die mit der Umwandlung der elektrischen Energie in und aus der chemischen Energie der Batterie verbundenen Verluste reduziert werden.
Bei einer typischen Parallel-Reihen-Hybridanordnung ist der Generator mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden. Der Motor ist mit dem Planetenträger und die Abtriebsritzel (die üblicherweise eine Abtriebswelle und Ritzel zur Verbindung mit dem Motor und dem letzten, die Räder antreibenden Antriebsstrang beinhalten) sind mit dem Hohlrad verbunden. Bei einer derartigen Konfiguration arbeitet die Parallel-Reihen-Hybridanordnung grundsätzlich in vier unterschiedli chen Modi, d.h. einem elektrischen Modus und drei Hybridmodi.
In einem elektrischen Modus ist der Verbrennungsmotor abgeschaltet und die Parallel-Reihen-Hybridanordnung treibt das Fahrzeug unter ausschließlicher Verwendung der gespeicherten elektrischen Energie an. Die Zugkraft bzw. das Drehmoment wird vom Elektromotor, dem Generator oder einer Kombination beider Aggregate geliefert. Dies ist der bevorzugte Modus, wenn die gewünschte Leistung gering genug ist, dass diese effizienter durch die elektrische Anordnung als durch den Motor produziert werden kann und wenn die Batterie ausreichend geladen ist. Dies ist ebenfalls ein bevorzugter Modus für das Rückwärtsfahren, weil der Verbrennungsmotor in dieser Konfiguration kein rückwärtsgerichtetes Drehmoment auf den Antriebsstrang übertragen kann.
In einem Parallel-Hybridmodus arbeitet der Verbrennungsmotor und der Generator ist abgeschaltet. Durch diese Maßnahme wird eine feststehende Abhängigkeit zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs geschaffen. Der Elektromotor wird entweder als Motor zur Bereitstellung von Traktionsleistung als zusätzliche Leistung für die Verbrennungsmotorleistung betrieben oder dieser kann zur Produktion von Elektrizität als Generator betrieben werden. Dies ist der bevorzugte Modus, immer wenn die benötigte Leistungsanforderung einen Betrieb des Verbrennungsmotors erfordert und die benötigte Antriebskraft in etwa einem optimalen Betriebszustand des Verbrennungsmotors entspricht. Dieser Modus ist insbesondere für Reisegeschwindigkeiten geeignet, die schon allein durch den kleinen Verbrennungsmotor, mit dem das Hybrid-Elektrofahrzeug ausgestattet ist, aufrechterhalten werden können.
In einem positiven geteilten Hybridmodus (positive split hybrid mode) ist der Verbrennungsmotor eingeschaltet, wobei dessen Kraft zwischen einem direkten mechanischen Pfad zum Antriebsstrang und einem elektrischen Pfad durch den Generator aufgeteilt wird. Die Motordrehzahl ist in diesem Modus typischerweise höher als die Motordrehzahl in dem parallelen Modus, so dass eine höhere Motorleistung geliefert wird. Die mittels des Generators produzierte elektrische Energie kann zur Speicherung in die Batterie oder zum sofortigen Verbrauch in den Elektromotor fließen. In dem positiv geteilten Modus kann der Elektromotor entweder als Motor zur Lieferung von Zugkraft zur Ergänzung der Verbrennungsmotorkraft oder zur zusätzlichen Produktion von Elektrizität mittels des Generators betrieben werden. Dies ist der bevorzugte Modus, wenn hohe Motorleistung zum Anschieben des Fahrzeugs benötigt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn hohe Beschleunigungen angefordert werden, wie beispielsweise beim Überholen oder an Steigungen. Dies ist ebenfalls ein bevorzugter Modus, wenn die Batterie geladen werden soll.
In einem negativen Parallel-Reihen-Hybridmodus ist der Verbrennungsmotor in Betrieb und der Generator wird als Elektromotor "gegen" den Verbrennungsmotor zur Reduzierung seiner Drehzahl eingesetzt. Daraus folgt, dass die Motordrehzahl und folglich die Motorleistung geringer als im parallelen Modus ist. Der Elektromotor kann nötigenfalls auch betrieben werden, um Traktionsleistung bzw. Drehmoment an den Antriebsstrang zu liefern oder hieraus Elektrizität zu erzeugen. Dieser Modus wird normalerweise aufgrund der erhöhten Verluste am Generator und dem Planetengetriebe nie bevorzugt. Er wird aber verwendet, wenn die Leistung des Verbrennungsmotors unter die Leistung abgesenkt werden muss, die ansonsten im parallelen Modus produziert würde. Dieser Zustand wird typischerweise gewählt, wenn die Batterie in einem gut aufgeladenen Zustand und/oder die Anforderung von Traktionsleistung gering ist. Dabei findet die Abgabe des Drehmoments durch den Generator immer in der gleichen Orientierung (+/–) statt, unabhängig davon, ob dieser als Generator oder Elektromotor betrieben wird. D.h., dass das Drehmoment des Generators in seiner Orientierung immer entgegengesetzt zu dem des Verbrennungsmotors gerichtet ist. Jedoch wechselt das Vorzeichen der Drehbewegung des Generators in Abhängigkeit von der Richtung der Rotation seiner Radialwelle zwischen negativen und positiven Werten, was mit den "Generator-gegen-Motor"-Modi zusammenhängt. Da die Leistung von der Orientierung der Umdrehungen abhängt (das Drehmoment behält seine Orientierung bei), wird die Leistung als positiv angesehen, wenn der Generator als Generator arbeitet, und negativ, wenn der Generator als Verbrennungsmotor arbeitet.
Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors verringert werden soll, wird der zum Generator gelieferte Strom geändert, was zu einer Verringerung der Drehzahl des Generators führt. Dies führt wiederum über das Planetengetriebe zu einer Verlangsamung des Verbrennungsmotors. Dieser Effekt wird genutzt, weil die gegen das Drehmoment des Generators arbeitende Widerstandskraft am Verbrennungsmotor geringer ist als an der Antriebswelle, welche mit den Rändern verbunden ist und durch die gesamte Masse des Fahrzeugs beeinflusst wird. Dabei ist zu beachten, dass die Änderung der Drehzahl des Generators nicht gleich der des Verbrennungsmotors ist, sondern aufgrund der Verhältnisse der in den dazwischen liegenden Verbindungen involvierten Ritzel proportional zu der des Verbrennungsmotors ist.
Um einen sanften Motorstart bei Hybrid-Elektrofahrzeugen zu erreichen, bei denen der Motor mechanisch mit den Antriebsrädern verbunden ist, wird der Beginn der Benzineinspritzung und der Zündung des Motors bei einer Drehzahl durchgeführt, die oberhalb jeglicher mechanischer Resonanzdrehzahlen des Antriebsstrangs liegt. Bei voller Startbeschleunigung verringert darüber hinaus jede Verzögerung der Motorkrafterzeugung typischerweise die Motorleistung. Ferner müssen die Ausmaße der Änderung des Drehmoments und der Drehzahl des Motors begrenzt werden, um ein ruhiges Fahrverhalten zu erreichen und einen geringen Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Bei einem vollständigen Start (full take-off) des Verbrennungsmotors führt dies gewöhnlich dazu, dass der Motor eine längere Zeit für das Erreichen der maximalen Leistung benötigt, und alle diese Umstände verschlechtern die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs.
Dabei ist zu beachten, dass der Motor während des Fahrzeugbetriebs nicht ständig läuft. Wenn der Motor für eine längere Zeitspanne während des Betriebs des Fahrzeugs angehalten wird, kann der Katalysator der Abgasbehandlungsvorrichtung zu sehr herunterkühlen. Dies kann bis zu einem Grad stattfinden, dass ein zeitweiser aber signifikanter Anstieg der Abgasemissionen bei einem erneuten Start zu beobachten ist, bis der Katalysator erneut bis auf seine effektive Temperatur erwärmt ist.
In einer typischen Parallel-Reihen-Hybrid-Elektroantriebsanordnung beinhaltet die Steuerungsstrategie vorteilhafterweise den Betrieb des Motors entlang von Drehmoment/-Drehzahlkurven optimaler Effizienz. Dabei muss ein Kompromiss zwischen der Durchzugsstärke und der Kraftstoffökonomie eingegangen werden, der zur Optimierung typischerweise die Auswahl eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Motor und den Rädern erfordert, was bewirkt, dass der Motor mehr Leistung liefern kann als für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlich ist. Dieser Effekt tritt allgemein bei Fahrten im parallelen Modus oder in der Nähe konstanter Geschwindigkeitszustände des Fahrzeugs statt.
Ein Betrieb unter diesen Bedingungen kann manchmal bewirken, dass die Batterie- und Ladeeinrichtung Energie zurückleitet, die ihr vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt wurde. Dieses Problem wird allgemein dadurch gelöst, dass die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors durch Eintritt in den negativen geteilten Modus verringert oder begrenzt wird, bei dem zur gesteuerten Verringerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors der Generator als Motor verwendet wird. Eine derartige Steuerung ermöglicht dem Motor einer optimalen Kurve auch bei reduzierter Ausgangsleistung des Motors zu folgen.
Die Verwendung des Generators als Motor bewirkt eine Leistungszirkulation im Antriebsstrang, die zu unerwünschten Energieverlusten an Generator, Elektromotor, Wechselrichter und/oder Planetengetriebe führt. Diese Energieverluste können als Wärmeerzeugung in Erscheinung treten, wodurch angezeigt wird, dass der installierte Antriebsstrang nicht mit höchstmöglicher Effizienz verwendet wird.
In einer Parallel-Reihen-Hybrid-Antriebsvorrichtung mit Planetengetriebe bzw. Planetengetrieben, bei dem bzw. bei denen eine Sperrvorrichtung für den Generator vorgesehen ist bzw. sind, entstehen Härten beim Fahren, wenn die Sperrvorrichtung des Generators aktiviert oder gelöst wird. Dies liegt vor allem an dem Unterschied, wie das Drehmoment in den unterschiedlichen Betriebsmodi des Motors abgeschätzt wird. Wenn der Generator gesperrt ist, wird das Drehmoment des Motors typischerweise anhand des Verbrennungssteuerungsvorganges des Motors abgeschätzt. Wenn der Generator frei ist – wie im geteilten Modus – wird das Drehmoment des Motors da gegen aus dem Drehmomentsteuerungsvorgang des Generators abgeschätzt. Der Unterschied in den Werten aus diesen beiden Schätztechniken führt dazu, dass diese sich gewöhnlich zu einer Veränderung des Betriebsdrehmoments zwischen dem Motor und dem Generator summieren, wenn die Sperrvorrichtung eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Hierdurch wird eine Unruhe im Betrieb des Fahrzeugs erzeugt, welche sich gewöhnlich als abrupte Änderungen oder Ruckeln in der Fahrt des Fahrzeugs zeigen.
Der Generator wird typischerweise verwendet, um den Motor im Parallel-Reihen-Hybridmodus zu steuern. Dies wird gewöhnlich durch Verwendung eines Generators realisiert, der maximale Drehmomentfähigkeiten aufweist, die wesentlich größer als das maximale, auf das Planetengetriebe übertragbare Drehmoment des Motors sind. Das Fehlen eines derartigen Steuerungsspielraums kann zu einem Überdrehen des Generators und möglichen Beschädigungen an der Antriebsanordnung führen. Ein derartiger Steuerungsspielraum bedeutet jedenfalls, dass der Motor und der Generator bei voller Beschleunigungsleistungsfähigkeit nicht voll belastet sind.
Wie zuvor beschrieben treten bei Verwendung bekannter Hybrid-Elektrofahrzeuggestaltungen einige Nachteile auf, wobei einer dieser Nachteile Torsionsresonanzvibrationen betrifft. Torsionsvibrationen werden, neben anderen Faktoren, durch die Ungleichmäßigkeit der Rotation der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors und die nachfolgende Rotation des Antriebsstrangs verursacht. Die Drehvibration kann das gesamte Spektrum an Vibrationen mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen und kann sich mit den Eigenfrequenzen eines Fahrzeugkörpers überlagern. Die im Fahrbereich (driving range) liegenden Torsionsresonanzvibrationen erzeugen eine Vibration oder ein Geräusch, das für Fahrer und Passagiere unangenehm ist.
Ein Weg, diese Resonanzvibrationen aus dem kritischen Fahrbereich zu eliminieren, liegt in der Verwendung eines zusätzlichen, üblicherweise auf der Hinterachswelle angeordneten Dämpfers, üblicherweise bekannt als Stützwellendämpfer (Prop-Shaft Damper). Dieser zusätzliche Dämpfer weist eine Schraubenfeder und eine Masse auf und kann auf eine spezifische Frequenz eingestellt werden. Die Kombination von Schraubenfedern und Massen bedeutet für das Fahrzeug zusätzliches Gewicht und erhöht dessen Kosten. Das zusätzliche Gewicht hat einen direkten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch, weil ein Fahrzeug für seine Bewegung desto mehr Kraftstoff benötigt je schwerer es ist.
Das zusätzliche Gewicht ist insbesondere bei Hybrid-Fahrzeugen unerwünscht, da der Elektromotor nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung stellt. Bei Hybridfahrzeugen mit aktueller Technologie besteht der Trend, dass diese im Vergleich zu herkömmlichen rein brennkraftbetriebenen Fahrzeugen weniger schwer ausgebildet sind, so dass die Hybridfahrzeuge mit ihrem Elektromotor eine bessere Leistung erreichen können. Jedes zusätzliche Gewicht beeinflusst diese Leistung nachteilig.
Aus GB 2 346 351 A ist eine Vorrichtung zur Dämpfung von Drehmomentschwankungen in einem Hybridfahrzeug bekannt, wobei der in dem Hybridfahrzeug vorgesehene Elektromotor als aktives Dämpfungsglied eingesetzt wird, indem eine elektronische Steuereinrichtung einen Drehmomentabfall an der Antriebswelle interpretiert und den Elektromotor über einen Controller entsprechend ansteuert, woraufhin der Elektromotor Strom aus einer Batterie entnimmt und zur Be schleunigungserhöhung zusätzliches Drehmoment an die Antriebswelle liefert.
Aus EP 1 176 339 A2 ist eine Vorrichtung zum Absorbieren von Drehmomentschwankungen bekannt, welche zwischen einer Kurbelwelle eines Motors und einer Eingangswelle auf der angetriebenen Seite vorzusehen ist. Diese Vorrichtung weist ein mit der Kurbelwelle zu verbindendes Schwungrad und eine in einer Drehmomentübertragungsbahn zwischen dem Schwungrad und der Eingangswelle auf der angetriebenen Seite angeordnete Dämpfereinheit auf, wobei ein Drehmomentbegrenzer zwischen dem Schwungrad und der Dämpfereinheit angeordnet ist.
JP 2002013547 A offenbart eine Dämpfungsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug mit einem Begrenzungsmechanismus, welcher die Leistungsübertragung unterbindet, wenn das von dem Verbrennungsmotor oder dem Elektromotor bereitgestellte variable Drehmoment einen spezifischen Wert überschreitet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Dämpfungsvorrichtung für Hybridfahrzeuge zu schaffen, welche die Drehresonanzvibrationen ohne zusätzliches Gewicht effektiv vermindert oder eliminiert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vibrations-Dämpfungsvorrichtung für Hybridfahrzeuge gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße zusätzliche Dämpfungsvorrichtung ersetzt eine herkömmliche, entlang einer Antriebswelle angebrachte Dämpfungsanordnung mit Schraubenfeder/Masse-Kombinationen durch eine Vorrichtung, die in der Nähe eines Elektromotors angebracht ist und keine nennenswerte zusätzliche Masse beiträgt. Die zusätzliche Dämpfungsvorrichtung verwendet die Trägheit eines Elektromotors in Kombination mit Federn, um die Drehresonanzvibrationen zu reduzieren.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen zusätzlichen Dämpfungsvorrichtung wird die herkömmliche Feder/Masse-Dämpfungsanordnung an der Antriebswelle eines Hybridfahrzeugs ersetzt und stattdessen eine Feder/Motor/Trägheits-Dämpfungsvorrichtung in der Nähe des Elektromotors vorgeschlagen, der auch als Fahrmotor bekannt ist. Die Feder/Motor/Trägheits-Dämpfungsvorrichtung ist vorzugsweise zwischen dem Differentialgetriebe und der Getriebeanordnung und in der Nähe des Elektromotors angeordnet. Der Elektromotor stellt dabei die erforderliche Trägheit für die Feder/Motor/Trägheits-Dämpfungsvorrichtung zur Verfügung.
Der Elektromotor ist mit zwei Abdeckplatten verbunden, die mittels einiger Abstandhalter voneinander beabstandet sind. Der Elektromotor ist über eine Nabe mit den Abdeckplatten verbunden und mit einer Konstruktion verzahnt, die einer Kupplungsscheibe ähnlich ist. Die Abdeckplatten weisen Vertiefungen bzw. Ausnehmungen zum Halten von Schraubenfedern auf. Ein Flansch ist zwischen zwei Abdeckplatten angeordnet und über eine Nabe angebracht. Der Flansch steht mit einer Welle in Eingriff, die mit einer Transmissionswelle verbunden ist. Die träge Masse des Motors ist mit der trägen Masse des Getriebes nicht unmittelbar, sondern über verschiedene Schraubenfedern verbunden, die weniger steif als die Welle sind.
Die Schraubenfeder/Motorträgheits-Anordnung kann auf die Eigenfrequenz des Fahrzeugs eingestellt werden. Die Einstellung kann durch Justierung der Federkonstante erfolgen.
Durch die Einstellung der Federkonstante kann die Eigenfrequenz der Kombination zwischen Feder und Elektromotorträgheit auf den Fahrbereich abgestimmt werden. Die erzeugte Trägheit kann den Torsionsresonanzvibrationen im Fahrbereich entgegenwirken und somit die Vibrationen insgesamt erheblich reduzieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Hybrid-Elektrofahrzeugs, die eine beispielhafte Anordnung der Komponenten in dem Fahrzeug darstellt,
2 eine schematische Darstellung der Architektur eines Parallel-Reihen-Hybrid-Elektrofahrzeugs,
3 eine schematische Darstellung eines Planetengetriebes im Querschnitt,
4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Freilaufkupplung gemäß 1,
5 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Feder/Masse-Dämpfungsvorrichtung und
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Feder/Trägheits-Dämpfungsvorrichtung.
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung zu verstehen und können in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt sein. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. Einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten darzustellen.
1 stellt ein Elektro/Hybridkraftfahrzeug bzw. Fahrzeug 10 dar, welches eine Antriebsstranganordnung beinhaltet, die sowohl den Antrieb bewirkt als auch zusätzliche Funktionen bereitstellt, die im Weiteren näher beschrieben werden. Bei Hybrid-Elektrofahrzeugen ist die Antriebsstranganordnung überwiegend in einem Motorraum 11 angeordnet, der sich in der Nähe einer Fahrgastzelle 12 des Fahrzeugs 10 befindet. Ein Batteriekasten oder Gehäuse 14, welches in der Nähe der Fahrgastzelle 12 angeordnet ist, nimmt eine oder mehrere Batterien 410 auf.
Wie in 2 dargestellt, umfasst die gesamte Architektur des Elektro-Hybridfahrzeugs 10 eine Motoranordnung 510, die einen Verbrennungsmotor 511 (Benzin, Diesel oder ähnliches) beinhaltet, welcher mittels einer Hauptwellenanordnung 520 mit einer Hinterachsenanordnung 530 mechanisch verbunden ist. Die Hinterachsenanordnung 530 ist ferner mit einer Hinterachswellenanordnung 540 verbunden, die ein oder mehrere Antriebsräder 20 in Rotation versetzen, welche wiederum das Hybrid-Elektrofahrzeug 10 antreiben. In einer Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor 511 durch ein Motorsteuermodul (ECM = Engine Control Module) bzw. eine Motorsteuereinheit 530 gesteuert, welche in der Lage ist, den Luftstrom zu dem Verbrennungsmotor, den Kraftstofffluss zu dem Verbren nungsmotor und/oder die Zündung des Verbrennungsmotors 511 sowie weitere mögliche Parameter einzustellen. Der Verbrennungsmotor 511 ist über eine Hauptwelle 522 mit der Hinterachsenanordnung 530 mechanisch verbunden. Ein Planetengetriebe 535 stellt die Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 511 (über die Hauptwelle 522), einem Generator 532 und der Hinterachswellenanordnung 540 (über die Hinterachsenanordnung 530) her. Ein Motor 531 ist ebenfalls mit der Hinterachswellenanordnung 540 gekoppelt, ebenfalls möglicherweise über die Hinterachsenanordnung 530.
In einer Ausführungsform, die in den 3 bis 5 dargestellt ist, kann eine Freilaufkupplung 521 mit der Hauptwelle 522 in Eingriff gebracht werden, wobei die Hauptwelle 522 wiederum mit dem Verbrennungsmotor 511 und dem Planetengetriebe 535 verbunden ist. Die Funktion der Freilaufkupplung 521 ist die Begrenzung des Verbrennungsmotors darauf, Leistung und Drehmoment an das Planetengetriebe 535 mit nur einer Rotationsrichtung zu übertragen. Dementsprechend verhindert die Freilaufkupplung 521, dass Leistung oder Drehmoment vom Planetengetriebe 535 zurück auf den Verbrennungsmotor 511 übertragen wird.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß 3 beinhaltet das Planetengetriebe 535 eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Planetenräder 539, welche mechanisch zwischen einem Umfangsbereich eines zentral angeordneten Sonnenrads 538 und der inneren Oberfläche eines Hohlrades 537 in Eingriff stehen. Die einzelnen, die Mehrzahl oder den Satz von Planetenrädern 539 bildenden Ritzel werden durch einen Planetenträger 536 relativ zueinander in ihren Positionen fixiert.
Der Generator 532 ist mechanisch mit dem Sonnenrad 538 verbunden und zur Übertragung von Leistung und Drehmoment zu und von dem Planetengetriebe 535 ausgebildet. In einer Ausführungsform kann der Generator 532 durch eine Generatorbremse oder eine Sperrvorrichtung 533 blockiert werden, um eine Rotation des Sonnenrads 538 zu verhindern. Der Verbrenungsmotor 531 ist mechanisch mit dem Hohlrad 537 verbunden und zur Übertragung von Drehkraft und Drehmoment zu und von dem Planetengetriebe 535 ausgebildet. In einer Ausführungsform gemäß 2 kann die Hinterachswellenanordnung 540 mit dem Motor 531 in Eingriff gebracht werden und endet effektiv an den Antriebsrädern 20, beispielsweise über eine herkömmlich ausgebildete Transmissions-/Differenzial-Anordnung 542.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Feder/Masse-Dämpfungsvorrichtung 800 gemäß dem Stand der Technik für ein mittels eines Verbrennungsmotors 802 und eines Elektromotors 840 angetriebenes Hybridfahrzeug. Die Kurbelwelle 806 des Verbrennungsmotors 802 ist mit einer Hauptwelle 808 (auch als Abtriebswelle bekannt) über ein Schwungrad 804 verbunden. Die Hauptwelle 808 ist weiter mit einer Getriebeanordnung 810 verbunden, welche unter anderem ein Planetengetriebe umfasst.
Ein Generator 820 ist ebenfalls mit der Hauptwelle 808 verbunden. Der Generator 820 weist eine Sperrvorrichtung 822 auf, welche den Generator 820 während einer gleichmäßigen Fahrt blockieren kann, um den Energieverbrauch durch den Generator 820 zu reduzieren. Die gleichmäßige Fahrt liegt vor, wenn das Fahrzeug sich bei einer relativ gleichbleibenden Geschwindigkeit bewegt und die Leistung von dem Verbrennungsmotor 802 auf das Planetengetriebe in der Getriebeanordnung 810, auf ein Vorgelegerad (transmission counter gear), auf ein Ausgleichsgetriebe 850 und dann auf eine Hinterachswelle 852 übertragen wird.
Die Dämpfungsvorrichtung 800 kann Torsionsresonanzvibrationen aufnehmen. Die Torsionsresonanzvibrationen werden hauptsächlich durch die Ungleichmäßigkeit der Rotation der Kurbelwelle 806 verursacht. Diese Vibrationen beeinflussen den gesamten Antriebsstrang von der Hauptwelle 808 bis zur Getriebeanordnung 810, zur Transmissionsachse 830, zum Ausgleichsgetriebe 850 und zur Hinterachswelle 852. Das Rasseln der Transmissionsachse 830 macht sich bemerkbar, wenn der Elektromotor 840 unter keinerlei Belastung steht, wobei dieses Rasseln zu der Vibration hinzukommt und auf die Karosserie des Automobils übertragen wird. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Vorderradantrieb treten diese Vibrationen und das Rasseln bei einer Frequenz auf, die innerhalb des Fahrbereichs liegt. Bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb kann das Differentialgetriebe ebenfalls rasseln.
Die kritische Frequenz für Hybridfahrzeuge liegt bei ca. 1500 Umdrehungen pro Minute, was bei Hybridfahrzeugen im Hybridbetriebsbereich liegt, wenn der Verbrennungsmotor 802 bei geringen Drehzahlen und mit hohem Drehmoment läuft. In diesem Betriebsmodus sind die Drehresonanzvibrationen noch kritischer.
Herkömmlicherweise wird eine aus Federn 860 und Massen 862 bestehende Feder/Masse-Dämpfungsvorrichtung entlang der Hinterachswelle 852 angeordnet, um Drehresonanzvibrationen zu eliminieren. Die Feder/Masse-Anordnung kann auf die Eigenfrequenz der Anordnung eingestellt werden, um die Vibrationsenergie auf der Transmissionsachse 830 und der Hinterachswelle 852 zu absorbieren, wodurch die auf die Räder und die Karosserie des Fahrzeugs übertragene Energie verringert wird. Die Einstellung wird mittels Justierung einer oder mehrerer Massen, der Federkonstante und/oder der Reibung durchgeführt. Die zusätzlichen Massen und Federn erhöhen dabei das Gewicht und die Kosten des Fahrzeugs.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 900 bei einem Parallel-Hybridfahrzeug mit Elektromotor 840, bei dem die träge Masse des Motors an einem Dämpfer anstatt an einer Transmissionsachse 830 angebracht ist. Ein Parallel-Hybridfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor 802 und einen Elektromotor 840 auf, wobei sowohl der Verbrennungsmotor 802 als auch der Elektromotor 840 die Transmissionsanordnung drehen können, welche wiederum die Räder bewegt. Der Elektromotor 840 stellt eine Masse dar, die aus der Transmissionsachse 830 herausragt und zur Dämpfung der Drehresonanzvibrationen verwendet werden kann. Eine erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung 980 ist zwischen dem Elektromotor 840 und der Transmissionsachse 830 eingefügt. Die Dämpfungsvorrichtung 980 umfasst zwei Abdeckplatten (cover plates) 982, die durch eine Mehrzahl von Abstandshaltern 984 voneinander beabstandet sind. Der Elektromotor 840 ist über einen Nabenring mit den Abdeckplatten verbunden und mit diesen verzahnt. Ein Flansch 986 ist zwischen den Abdeckplatten 982 angeordnet. Der Flansch 986 ist über einen weiteren Nabenring mit einer Welle 992 verbunden und mit dieser verzahnt, wobei die Welle 992 mit der Transmissionsachse 830 verbunden ist. Die Schraubenfedern erleichtern die relative Bewegung zwischen dem Flansch und den Abdeckplatten. Die Schraubenfedern 990 in der Dämpfungsvorrichtung 980 können beispielsweise als Stahlfedern, Gummifedern od. dgl. ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Feder/Trägheits-Dämpfungsvorrichtung 980 ist in der Nähe des Elektromotors 840 angeordnet und verwendet die Trägheit und die Reibung des Elektromotors 840, um die Vibrationsenergie zu absorbieren. Die Dämp fungsrate kann auf die kritische Frequenz des Fahrzeugs eingestellt werden, wobei die Dämpfungkapazität größer sein muss als das Drehmoment des Elektromotors.
Die Abdeckplatten 982 weisen allgemein Vertiefungen bzw. Ausnehmungen zur Aufnahme bzw. zur Halterung der Schraubenfedern 990 auf. Der Flansch 986 weist weiterhin Fenster zur Anordnung bzw. Ausrichtung der Schraubenfedern 990 auf.
Der Eingriff des Elektromotors 840 in die Dämpfungsvorrichtung 980 entspricht dem einer Kupplung, wobei dieser Eingriff die direkte Verbindung zwischen der Trägheit des Elektromotors 840 und den Trägheiten der Getriebeanordnung und des Verbrennungsmotors aufhebt. Die Trägheit der Getriebeanordnung und des Verbrennungsmotors ist nunmehr mit der Trägheit des Elektromotors über die Schraubenfedern 990 gekoppelt, welche eine geringere Starrheit aufweisen als eine von dem Elektromotor 840 ausgehende Welle.
Die Dämpfungsvorrichtung 980 liefert zusätzliche Masse durch den Elektromotor 840 und interagiert noch über weniger starre Bauteile, d.h. die Schraubenfedern 990, was die Eigenfrequenz auf Werte innerhalb des Fahrbereichs verringert. Durch die Veränderung der Federkonstante, welche auch als Hysterese bekannt ist, kann die Eigenfrequenz für die Dämpfungsvorrichtung 980 eingestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Dämpfungsvorrichtung 980 an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, beispielsweise in der Nähe der Transmission, des Differentials oder der Antriebswelle. Im allgemeinen liegt die bevorzugte Stelle unmittelbar hinter ("stromabwärts") dem Elektromotor. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch zahlreiche weitere Modifikationen und Variationen möglich.

10: Fahrzeug
11: Motorraum
12: Fahrgastzelle
14: Gehäuse
20: (Antriebs-)Räder
410: Batterie
510: Motoranordnung
511: Verbrennungsmotor
513: Motorsteuereinheit
520: Hauptwellenanordnung
521: Freilaufkupplung
522: Hauptwelle
530: Hinterachsenanordnung
531: (Elektro-)Motor
532: Generator
533: Sperrvorrichtung
535: Planetengetriebe
536: Planetenträger
537: Hohlrad
538: Sonnenrad
539: Planetenräder
540: Hinterachswellenanordnung
542: Transmissions-/Differentialanordnung
800: Dämpfungsvorrichtung
802: Verbrennungsmotor
804: Schwungrad
806: Kurbelwelle
808: Hauptwelle
810: Getriebeanordnung
820: Generator
822: Sperrvorrichtung
830: Transmissionsachse
840: Elektromotor
850: Ausgleichsgetriebe
852: Hinterachswelle
860: Federn
862: Massen
900: Anordnung
980: Dämpfungsvorrichtung
982: Abdeckplatten
984: Abstandhalter
986: Flansch
990: Schraubenfedern
992: Welle

Claims

Vibrations-Dämpfungsvorrichtung (980) zur Reduzierung von Torsionsresonanzvibrationen in einem Hybridfahrzeug, wobei das Hybridfahrzeug einen Elektromotor (840), einen Verbrennungsmotor (802) und eine Getriebeanordnung (810) aufweist, gekennzeichnet durch: – eine Mehrzahl von durch eine Mehrzahl von Abstandhaltern (984) voneinander beabstandeten Abdeckplatten (982), wobei der Elektromotor (840) mit den Abdeckplatten (982) über einen ersten Nabenring verbunden ist; – einen zwischen der Mehrzahl von Abdeckplatten (982) angeordneten Flansch (986) mit einer Vielzahl von Fenstern; und – eine Vielzahl von Federelementen, wobei jedes Federelement jeweils in einem Fenster in dem Flansch (986) angeordnet ist; – wobei die Trägheit der Getriebeanordnung (810) und des Verbrennungsmotors (802) mit der Trägheit des Elektromotors (840) über die Federelemente gekoppelt ist.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsvorrichtung (980) unmittelbar stromabwärts einer Getriebeanordnung (810) des Hybridfahrzeuges angeordnet ist.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsvorrichtung (980) zwischen einer Getriebeanordnung (810) und einem Ausgleichsgetriebe (850) angeordnet ist.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Federelementen als Schraubfederelemente (990) ausgebildet sind.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfederelemente (990) aus Stahl hergestellt sind.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfederelemente (990) aus Gummi hergestellt sind.
Vibrations-Dämpfungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (986) mit einem zweiten Nabenring verbunden ist, wobei der zweite Nabenring mit einer Welle (992) verbunden ist.