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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um kleine und kompakte Kraftfahrzeuge bauen zu können, ist es erforderlich, den zum Einbau einer Antriebsvorrichtung zur Verfügung stehenden Motorraum möglichst effizient zu nutzen. Im Zuge der Bemühungen, die Antriebsvorrichtung auf möglichst kleinem Bauraum unterzubringen und möglichst leicht zu gestalten, sind Antriebsvorrichtungen bekannt geworden, die die eingangs erwähnten Merkmale aufweisen.
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Auch aus dem Motorradbau sind Anordnungen von Brennkraftmaschine und Getriebe bekannt, bei denen im Interesse einer schmalen Silhouette des Motorrades die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, Getriebeantriebs- und Abtriebswelle und eine Vorgelegewelle quer zur Längsachse des Motorrades und in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind. Motorradgetriebe sind wegen der niedrigen Drehzahldifferenzen üblicherweise aber nicht synchronisiert, so dass die Abmessungen unkritischer sind. Darüber hinaus sind für Motorradgetriebe keine Querdifferentiale notwendig, um Drehzahlunterschiede von Rädern beim Kurvenfahrt auszugleichen.
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Aus der
DE 42 09 526 A1 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, bei der an einem Ende einer Getriebeausgangswelle ein Längsdifferential angeordnet ist. Das zum Ausgleich von Drehzahldifferenzen der Vorderräder des Kraftfahrzeuges notwendige Querdifferentialgetriebe ist in Längsrichtung des Fahrzeuges hinter Kurbelwelle, Vorgelegewelle und Getriebeabtriebswelle bzw. Antriebswelle angeordnet, so dass die Abmessungen der gesamten Antriebseinheit in Längsrichtung des Fahrzeuges vergleichsweise groß sind. Darüber hinaus wird bei solchen Konstruktionen der Schwerpunkt der gesamten Antriebsvorrichtung zwangsläufig vor der Vorderachse des Kraftfahrzeuges zu liegen kommen, was die ohnehin ungleichmäßige Achslastverteilung bei reinen Vorderradantrieben in Kraftfahrzeugen zusätzlich negativ beeinflusst.
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Aus der
DE 43 24 851 A1 ist eine ähnliche Antriebsvorrichtung bekannt, bei der ein V6-Motor und ein dahinter angeordnetes, zur Längsachse des Fahrzeuges querliegendes Getriebe so eingebaut sind, dass die Hauptabtriebswelle des Getriebes tiefer liegt als die Vorgelegewelle. Verbrennungskraftmaschine, Getriebeantriebs- und Abtriebswelle sowie die Vorgelegewelle liegen wiederum vor dem Drehzentrum der Gelenkwellen des Vorderradantriebes und das notwendige Querdifferentialgetriebe ist in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges hinter den genannten Wellen angeordnet. Damit ergeben sich auch bei dieser Bauform die erwähnten Nachteile hinsichtlich des beanspruchten Bauraumes und der Schwerpunktlage der gesamten Anordnung.
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Bei diesen beiden aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen ist das jeweilige Wechselgetriebe lediglich mit fünf Gängen ausgestattet.
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Im Bemühen, immer kompaktere und treibstoffeffizientere Fahrzeuge zu bauen, ist es hilfreich, bei gleichem Bauraum eine höhere Spreizung des Wechselgetriebes zu ermöglichen, um die Brennkraftmaschine häufiger in günstigen Betriebspunkten des Kennfeldes betreiben zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung kleiner und leichter zu bauen, und gegebenenfalls bei gleichem Bauraum eine höhere Gangzahl als beim Stand der Technik zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Getriebeantriebs- und die Getriebeabtriebswellen koaxial und miteinander fluchtend angeordnet und hohl sind, und dass von den zwei Radantriebswellen zumindest eine koaxial in der hohlen Getriebeantriebs- und der hohlen Getriebeabtriebswelle geführt ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist eine zweite Vorgelegewelle vorgesehen, die in den Leistungsfluss zwischen Getriebeabtriebswelle und Gehäuse (Stegträger) des Differentialgetriebes schaltbar ist.
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Insbesondere lässt sich unter Verwendung einer zweiten Vorgelegewelle, die in den Leistungsfluss zwischen Getriebeabtriebswelle und Gehäuse schaltbar ist, die sonst notwendige Achsgetriebestufe einsparen, und die oberen Gänge müssen nicht mehr ins Schnelle übersetzt werden.
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Bevorzugt ist insbesondere vorgesehen, dass eine zweite Abtriebswelle der ersten Abtriebswelle koaxial gegenüberliegend mit dem Gehäuse des Differentialgetriebes verbunden ist, dass die erste Vorgelegewelle zumindest ein weiteres Zahnrad aufweist, das mit einem auf der zweiten Abtriebswelle angeordneten Zahnrad kämmt, und dass eines der beiden Zahnräder klauengeschaltet ist.
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Unter Verwendung der zweiten Abtriebswelle, der Anordnung des Differentialgetriebes in der Flucht des Hauptdrehzentrums und unter Verwendung der zweiten Vorgelegewelle lässt sich vorteilhaft ein Sechsganggetriebe konstruieren, das sehr wenig Platz beansprucht und so zusammen mit einer – beispielsweise vierzylindrigen – Brennkraftmaschine besonders geeignet für den Einbau in ein kleines, frontgetriebenes Kraftfahrzeug ist.
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Besonders bevorzugt werden das Hauptdrehzentrum des Getriebes und die beiden Drehzentren von erster und zweiter Vorgelegewelle auf einem Bogen liegend so angeordnet, dass sie so eng wie möglich an die Hüllkurve des Kurbeltriebes der Brennkraftmaschine gelegt sind, wobei die Durchmesser der einzelnen, auf den jeweiligen Wellen angeordneten Zahnräder die Grenze für die engstmögliche Einbaulage setzen.
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Bei einer solchen Anordnung, bei der sich alle beteiligten Getriebewellen gleichsam um den vom Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine beanspruchten Raum schmiegen, lassen sich die Getriebewellen im wesentlichen in einer die Brennkraftmaschine unten abschließenden Ölwanne anordnen, wobei wahlweise ein gemeinsamer Ölsumpf für Brennkraftmaschine und Getriebe verwendet werden kann, oder aber die Ölwanne durch eine Trennwand in einen Getrieberaum und einen Kurbelwellenraum unterteilt sein kann. Bei letzterer Ausführungsform ist die Verwendung von Ölen unterschiedlicher Qualitäten und Viskositäten für Brennkraftmaschine und Getriebe möglich, ohne dass auf die Vorteile der kompakten Bauform verzichtet werden muss.
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Eine besonders montagefreundliche und kostengünstige Bauform für die Trennwand ergibt sich, wenn diese einen umlaufenden Befestigungsflansch aufweist, der im zusammengebauten Zustand in einer zwischen Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine und Ölwanne verlaufenden Teilungsebene zu liegen kommt.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung eignet sich wegen der frei zugänglichen Lage der Kupplung am Ende der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bei kompakter Bauform insbesondere auch dazu, durch einen zweiten Antrieb zu einem Hybridantrieb erweitert zu werden. Wird am freien Ende der Kurbelwelle eine zweite Reibkupplung angeordnet, kann die Antriebswelle des Getriebes wahlweise auch mittels eines Elektromotors oder beispielsweise mittels eines Schwungrades, in dem zuvor Bremsenergie gespeichert worden ist, angetrieben werden.
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Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Gestaltung einer Antriebsvorrichtung für ein kleines Kraftfahrzeug besondere Vorteile hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Schwerpunktlage.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 – eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, wobei alle Achsen in die Zeichenebene geschwenkt sind,
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2 – eine schematische Darstellung eines senkrechten Schnittes durch die 1,
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3 – in logarithmischer Darstellung die Stufung eines herkömmlichen Fünfganggetriebes,
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4 – in logarithmischer Darstellung die Stufung eines erfindungsgemäßen, in 1 dargestellten Sechsganggetriebes,
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5 – eine maßstäbliche Darstellung der Bauteile einer Antriebsvorrichtung gemäß 1,
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6 – einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung,
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7 – die Darstellung gemäß 6, wobei ein zusätzliches Trennblech zur Unterteilung der Ölwanne vorgesehen ist, und
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8 – eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß 1, bei der eine zweite Reibkupplung zum Aufbau eines Hybridantriebes vorgesehen ist.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, die eine vierzylindrige Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle 10 umfasst. Die Kurbelwelle 10 ist im Motorraum eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges quer angeordnet. An einem freien Ende 12 der Kurbelwelle 10 ist eine Kupplung 14 angeordnet, die in bekannter Weise nicht näher dargestellte Bauteile, wie eine Tellerfeder und eine Druckplatte umfasst. Im eingerückten Zustand treibt die Kupplung 14 ein Zahnrad 16 eines Primärtriebes C1. Der Primärtrieb C1 ist als Umschlingungsgetriebe ausgebildet, wobei ein nicht dargestellter Zahnriemen über ein zweites Zahnrad 18 eine hohle Antriebswelle 20 eines Wechselgetriebes 22 antreibt.
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Das Wechselgetriebe 22 weist als wesentliche Bauteile eine erste Vorgelegewelle 24, eine erste Abtriebswelle 26, eine zweite Abtriebswelle 28, eine zweite Vorgelegewelle 30 und ein (Quer-)Differentialgetriebe 32 auf.
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Antriebswelle 20, erste Abtriebswelle 26 und zweite Abtriebswelle 28 sind koaxial miteinander fluchtend angeordnet und hohl, so dass zwei Radantriebswellen 34L und 34R in ihnen koaxial geführt werden können.
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Die von Primärtrieb C1 auf die Antriebswelle 20 übertragene Leistung wird über eine Zahnradpaarung C2 auf die Vorgelegewelle 24 geleitet. Auf der Vorgelegewelle 24 sind fünf Zahnräder 41, 42, 44, 46 und 40R fest angeordnet. Die Zahnräder der Vorgelegewelle 41 und 42 kämmen mit Zahnrädern 51 und 52 auf der ersten Abtriebswelle 26, die frei rotierend als Losräder ausgebildet sind. Sie können jeweils über eine in axialer Richtung verschiebbare Klaue oder einer synchronisierten Schaltverzahnung 60 formschlüssig mit der ersten Abtriebswelle 26 verbunden werden.
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Die auf der ersten Vorgelegewelle 24 angeordneten Zahnräder 44 und 46 kämmen mit Losrädern 54 und 56, die auf der zweiten Getriebeabtriebswelle 28 angeordnet sind. Diese Zahnräder können über eine in axialer Richtung verschiebbare Klaue 61 oder einer synchronisierten Schaltverzahnung wahlweise formschlüssig mit der zweiten Getriebeabtriebswelle 28 verbunden werden. Während die zweite Getriebeabtriebswelle 28 direkt mit dem Stegträger (Gehäuse) des Kegel-Differentialgetriebes 32 verbunden ist, kann die erste Getriebeabtriebswelle 26 direkt oder indirekt über die zweite Vorgelegewelle 30 mit dem Gehäuse (Stegträger) des Kegel-Differentialgetriebes 32 verbunden werden.
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Eine in axialer Richtung verschiebbare Klaue oder eine synchronisierte Schaltverzahnung 62 ermöglicht in 1 in rechter Stellung eine direkte Verbindung zwischen erster Getriebeabtriebswelle 26 und Differentialgetriebe 32. Auf der zweiten Vorgelegewelle 30 sind zwei Festräder angeordnet, die zu Zahnradpaarungen C3, C4 gehören. Die Zahnradpaarung C3 umfasst ein auf der zweiten Vorgelegewelle 30 angeordnetes Festrad 71 und ein auf der ersten Getriebeabtriebswelle 26 angeordnetes Losrad 72. Das Losrad 72 kann mittels der Klaue oder eine synchronisierte Schaltverzahnung 62 formschlüssig mit der ersten Getriebeabtriebswelle 26 verbunden werden.
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Die Zahnradpaarung C4 umfasst ein auf der zweiten Vorgelegewelle 30 angeordnetes Festrad 73 und ein mit dem Gehäuse (Stegträger) des Differentialgetriebes verbundenes Zahnrad 74.
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Ein zusätzliches, schematisch dargestelltes Ritzel 80 kann zum Schalten eines Rückwärtsganges in kämmenden Eingriff mit dem Festrad 40R auf der ersten Vorgelegewelle 24 und einer an der Klaue 60 angeordneten Verzahnung 82 gebracht werden.
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Im folgenden wird der Leistungsfluss des erfindungsgemäßen Wechselgetriebes in den einzelnen Gängen erläutert. In allen sechs Vorwärtsgängen und dem Rückwärtsgang wird die Leistung von der Kurbelwelle 10 über die Kupplung 14, den Primärtrieb C1 und die Untersetzung C2 auf die erste Vorgelegewelle 24 übertragen.
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Im ersten Gang ist die Klaue 60 nach links geschoben, die Klaue oder die synchronisierte Schaltverzahnung 61 befindet sich in der Neutralstellung und Klaue 62 ist ebenfalls nach links geschoben. Die Leistung fließt vom Festrad 41 auf der ersten Vorgelegewelle 24 über das festgelegte Losrad 51 auf die erste Getriebeabtriebswelle 26, von dort über die Klaue 62 und die Untersetzungen C3/C4 (zweite Vorgelegewelle 30) auf das Differentialgetriebe 32. Von dort wird die Leistung gleichmäßig auf die Radantriebswellen 34L und 34R verteilt.
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Im zweiten Gang wird die Klaue 60 von links nach rechts verschoben. Von der ersten Vorgelegewelle 24 läuft die Leistung nun über das Festrad 42 und das Losrad 52. Die zusätzliche Untersetzung über die zweite Vorgelegewelle 30 bzw. die Untersetzung C3/C4 bleibt bestehen.
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Im dritten Gang wird wieder die Zahnradpaarung des ersten Ganges verwendet, d. h. die Klaue 60 wird nach links verschoben. Jedoch läuft die zweite Vorgelegewelle 30 lastfrei mit, indem die Klaue 62 nach rechts verschoben wird. Die Klaue 62 schafft eine direkte Verbindung zwischen der ersten Getriebeabtriebswelle 26 und dem Gehäuse (Stegträger) des Differentialgetriebes 32.
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Im vierten Gang werden die Klauen 60 und 62 in die Neutralstellung gebracht. Die Leistung fließt von der ersten Vorgelegewelle 24 über das Festrad 44 zum geschalteten Losrad 54. Das Losrad 54 ist über die nach links verschobene Klaue 61 geschaltet. Die Leistung fließt über die zweite Getriebeabtriebswelle 28 direkt zum Stegträger (Gehäuse) des Differentialgetriebes 32 und von dort gleichmäßig zu den Radantriebswellen 34L und 34R.
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Im fünften Gang wird die Klaue 61 wieder in die Neutralstellung gebracht, d. h. die zweite Getriebeabtriebswelle 28 führt keine Leistung. Die Leistung fließt von der ersten Vorgelegewelle 24 über die bereits erläuterte Zahnradpaarung 42/52 des zweiten Ganges auf die erste Getriebeabtriebswelle 26 und von dort direkt über die nach rechts geschobene Klaue 62 auf den Stegträger (Gehäuse) des Differentialgetriebes 32.
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Im sechsten Gang wird wieder die zweite Getriebeabtriebswelle 28 verwendet. Die Leistung fließt über die Zahnradpaarung Festrad 46/geschaltetes Losrad 56 auf die zweite Getriebeabtriebswelle 28 und von dort zum Differentialgetriebe 32.
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Zum Schalten des Rückwärtsganges wird das lediglich schematisch dargestellte Ritzel 80 in kämmenden Eingriff mit dem Festrad 40R und der zusätzlichen Verzahnung 82 auf Klaue 60 gebracht. Durch das zusätzliche Ritzel 80 wird die gewünschte Drehrichtungsumkehr geschaffen.
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In 1 schematisch dargestellt sind an den Enden der Radantriebswellen 34L und 34R Anschlussplatten zum Anschluss der bekannten Gelenkwellen zum Antrieb der Vorderräder eines kleinen Kraftfahrzeuges. Diese Anschlusspunkte liegen in einer Flucht mit der hohlen Antriebswelle 20, der ersten Getriebeabtriebswelle 26, dem Differential 32 und der zweiten Getriebeabtriebswelle 28. Auf diese Weise wird das Differential 32 im Bereich zwischen den Vorderrädern des Kraftfahrzeuges angeordnet, so dass sich die gesamte Baulänge der Antriebsvorrichtung in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges verkürzen und die Schwerpunktlage verbessern lässt.
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Während in 1 sämtliche Drehzentren bzw. Achsen in die Zeichenebene geschwenkt sind, um eine schematische Darstellung zu ermöglichen, zeigt 2 die relative Lage der einzelnen Drehzentren in einem senkrechten Schnitt durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zueinander. Die Drehzentren bzw. Achsen sind durch die Bezugszeichen der zugeordneten Wellen bezeichnet. Um das Drehzentrum der Kurbelwelle 10 herum rotiert das Zahnrad 16 des Primärtriebs und treibt über einen Zahnriemen 90 das Zahnrad 18, das die Antriebswelle 20 des Getriebes antreibt. Die vom Pleuel des Kurbeltriebs erzeugte Hüllkurve 11 begrenzt den minimalen, für die Bewegung der einzelnen Pleuel notwendigen Bauraum. Die Drehzentren der ersten Vorgelegewelle 24, von Antriebswelle 20, erster Abtriebswelle 26 und zweiter Abtriebswelle 28 sowie der zweiten Vorgelegewelle 30 sind bogenförmig möglichst nahe an die Hüllkurve 11 angelegt.
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6 zeigt, wie sich aufgrund dieser Anordnung der Drehzentren das Getriebe in der Ölwanne 100 einer Brennkraftmaschine 102 unterbringen lässt. Schematisch dargestellt sind die bekannten grundlegenden Bauteile einer Brennkraftmaschine im Schnitt, umfassend einen Kolben 104, ein geteiltes Pleuel 106, ein Kurbelgehäuse 108 und ein Zylinderkopf 110. 7 zeigt eine alternative Bauform, bei der der durch die Ölwanne 100 gebildete Raum durch eine Trennwand 112 in einen Getrieberaum und einen Kurbelwellenraum unterteilt ist. Die Trennwand 112 ist beispielsweise als Tiefziehteil aus Blech gefertigt und weist einen umlaufenden Flansch 114 auf, der im zusammengebauten Zustand in der Teilungsebene zwischen Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102 und der die Brennkraftmaschine unten abschließenden Ölwanne 100 zu liegen kommt. Auf diese Weise wird eine montagefreundliche und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, Öle verschiedener Qualitäten und Viskositäten für Getriebe und Brennkraftmaschine zu verwenden. 5 zeigt eine Darstellung analog zu 1, wobei die einzelnen Wellen und Zahnräder maßstabsgerecht dargestellt sind. Hinsichtlich der Funktion wird auf die Beschreibung von 1 hingewiesen.
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Die 3 und 4 zeigen im Vergleich zueinander die gestalterischen Freiheiten, die durch den Kunstgriff der zweiten Vorgelegewelle gewonnen werden.
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3 zeigt in logarithmischem Maßstab die Stufung eines herkömmlichen Fünfganggetriebes.
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4 zeigt, wie durch die zusätzliche Untersetzung C3 × C4 = 2,766 die Zahnradpaarung des dritten Ganges für den ersten und die Zahnradpaarung des fünften Ganges für den zweiten Gang genutzt werden kann. Für den ersten Gang ergibt so beispielsweise eine Übersetzung von 14, für den zweiten Gang von 7,76. Wie 4 zeigt, kann eine bessere Spreizung im Vergleich zum herkömmlichen Fünfganggetriebe erreicht werden, ohne dass das Bauvolumen gesteigert wird.
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In 8 ist die Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zu einem Hybridantrieb schematisch dargestellt. Zwischen dem Ende 12 der Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine und dem im Primärtrieb 16/18 (90) ist neben der Kupplung 14 eine zweite Kupplung 114 in Serie angeordnet. Sind beide Kupplungen geschlossen, so treibt in bekannter Weise die Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine über beide Kupplungen 14 und 114 den Primärtrieb 16/18. Ist die Kupplung 114 geöffnet, so ist die Brennkraftmaschine vom Getriebe getrennt. Ein symbolisch dargestelltes Schwungrad 118 ist als Rotor eines Elektromotors ausgebildet, dessen Stator 116 gehäusefest angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein Hybridantrieb mit einfachen konstruktiven Mitteln zu verwirklichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kurbelwelle
- 11
- Hüllkurve des Kurbeltriebs
- 12
- kupplungsseitiges Ende (von 10)
- 14
- Kupplung, erste Kupplung
- 16
- erstes Zahnrad des Primärtriebs
- 18
- zweites Zahnrad des Primärtriebs
- 20
- Getriebeantriebswelle
- 22
- Wechselgetriebe
- 24
- erste Vorgelegewelle
- 26
- erste Getriebeabtriebswelle
- 28
- zweite Getriebeabtriebswelle
- 30
- zweite Vorgelegewelle
- 32
- Differentialgetriebe
- 34L
- Radantriebswelle
- 34R
- Radantriebswelle
- 40R
- Festrad für den Rückwärtsgang (auf 24)
- 41
- Festrad erster und dritter Gang (auf 24)
- 42
- Festrad zweiter und fünfter Gang (auf 24)
- 44
- Festrad vierter Gang (auf 24)
- 46
- Festrad sechster Gang (auf 24)
- 51
- Losrad erster und dritter Gang (auf 26)
- 52
- Losrad zweiter und fünfter Gang (auf 26)
- 54
- Losrad vierter Gang (auf 28)
- 56
- Losrad sechster Gang (auf 28)
- 60
- erste Klaue
- 61
- zweite Klaue
- 62
- dritte Klaue
- 71
- Festrad (auf 30)
- 72
- Losrad (auf 26)
- 73
- Festrad (30)
- 74
- Antriebsverzahnung des Differentialgetriebes (32)
- 80
- Ritzel für Rückwärtsgang
- 82
- Rückwärtsgangverzahnung (auf 60)
- 90
- Zahnriemen
- 100
- Ölwanne
- 102
- Brennkraftmaschine
- 104
- Kolben
- 106
- Pleuel
- 108
- Kurbelgehäuse
- 110
- Zylinderkopf
- 112
- Trennblech
- 114
- zweite Kupplung
- 116
- Stator
- 118
- Schwungrad, Rotor
