DE19919454C2 - Fahrzeugantriebseinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugantriebseinrichtung gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Fahrzeugantriebseinrichtung dieser Art ist aus der DE 197 18 709 A1
bekannt. Sie zeigt ein Hybridfahrzeug mit dem Antrieb
einer Fahrzeugachse durch einen Verbrennungsmotor und den
Antrieb einer anderen Fahrzeugachse durch eine elektrische
Maschine. Drehmomentabfälle oder Drehmomentunterbrechungen
durch Schaltvorgänge werden durch die elektrische Maschine
kompensiert.
Die DE 35 42 059 C1 zeigt eine Fahrzeugantriebseinrichtung. Sie
besitzt eine durch einen Verbrennungsmotor antreibbare
Hauptantriebsachse. Bei erhöhtem Schlupf der Räder dieser
Hauptantriebsachse können die Räder einer zuschaltbaren
Antriebsachse mittels eines gesonderten
Zusatzantriebsaggregates, insbesondere eines Elektromotors,
automatisch angetrieben werden. Bei höheren Geschwindigkeiten
bleibt der Zusatzantrieb ständig ausgeschaltet oder
ausgekuppelt.
Aus der DE 40 05 623 A1 ist ebenfalls eine
Fahrzeugantriebseinrichtung bekannt. Die Räder einer
Fahrzeugachse sind über eine Kupplungsvorrichtung wahlweise nur
von einer Brennkraftmaschine über ein Gangwechselgetriebe oder
von einem Elektromotor oder von beiden Motoren antreibbar.
Beide Motoren werden dann zum Antrieb der Räder benutzt, wenn
eine kurzzeitige Erhöhung der Antriebsleistung gefordert ist,
beispielsweise beim Überholen eines anderen Fahrzeuges.
Aus der DE 40 04 330 C2 ist eine Fahrantriebseinrichtung
bekannt, bei welcher eine elektrische Maschine wahlweise mit
einem Verbrennungsmotor kuppelbar ist, um ihn zu starten, oder
mit der Eingangswelle eines Gangwechselgetriebes, um das
Fahrzeug nur mit der elektrischen Maschine als Motor
anzutreiben, entweder für einen Go- und Stop-Fahrbetrieb oder
als Notbetrieb bei einem Defekt des Verbrennungsmotors.
Für einen Gangwechsel im Gangwechselgetriebe ist es
erforderlich, eine Trennkupplung zwischen Fahrantriebsmotor,
normalerweise ein Verbrennungsmotor, und dem
Gangwechselgetriebe zu öffnen. Dadurch kommt es zu einer
Kraftübertragungslücke, bei welcher die Antriebszugkraft
kurzzeitig unterbrochen ist. Während dieser
Zugkraftunterbrechung kann die Fahrgeschwindigkeit des
Fahrzeuges zunehmen (Bergabfahrt) oder abfallen, um so mehr, je
schwerer es beladen ist oder um so steiler die Fahrstrecke
ansteigt.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die
Kraftübertragungslücken mindestens teilweise zu kompensieren,
ohne daß dafür ein großer technischer oder finanzieller Aufwand
erforderlich ist und ohne Beeinträchtigung der
Fahrsicherheit bei Allradantrieb.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die
kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Das Gangwechselgetriebe kann ein manuell schaltbares, ein
halbautomatisch schaltendes oder ein vollautomatisch
schaltendes Gangwechselgetriebe sein. Jeder Gang des
Gangwechselgetriebes hat eine andere Getriebeübersetzung. Im
Rahmen der Erfindung wird unter einem Gangwechsel jeweils eine
Änderung der Getriebeübersetzung verstanden, jedoch nicht ein
Umschalten der Fahrtrichtung beispielsweise von Vorwärtsfahrt
auf Rückwärtsfahrt.
Das Fahrzeug wird während einer
Kraftübertragungslücke, die bei einem Gangwechsel auftritt, von
der elektrischen Antriebseinrichtung angetrieben. Die
elektrische Antriebseinrichtung wird dabei so geregelt, daß die
sogenannte Kraftübertragungslücke (auch als Getriebelücke
bezeichenbar) kompensiert wird und sich ein annähernd idealer
Zugkraftverlauf während des Schaltvorganges ergibt. Die
elektronische Steuereinrichtung kennt den Leistungsverlauf und
den Drehmomentverlauf während der Schaltvorgänge, außerdem den
Zeitpunkt, zu welchem der Schaltvorgang eingeleitet wird, und
auch die Dauer des Schaltvorganges. Anhand dieser Werte kann
die Steuereinrichtung die Kraftübertragungslücken kompensieren.
Statt dessen oder zusätzlich kann die elektronische
Steuereinrichtung anhand von Drehzahlsignalen auf der
Eingangsseite und auf der Ausgangsseite einer für einen
Gangwechsel zu öffnenden Kupplung im Antriebstrang die
elektrische Antriebseinrichtung zur Kompensierung einer
Kraftübertragungslücke während eines Schaltvorganges
automatisch steuern oder regeln.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen
anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein Leistungs-Drehzahl-Diagramm am Beispiel eines
Vierganggetriebes,
Fig. 2 ein Zugkraft-Drehzahl-Diagramm am Beispiel des
gleichen Vierganggetriebes,
Fig. 3 schematisch eine Fahrzeugantriebseinrichtung mit
einer wahlweise kuppelbaren elektrischen Maschine,
Fig. 4 Schema des Verfahrens eines Schaltvorganges mit
Kompensation der Zugkraftunterbrechung bei der
Antriebseinrichtung von Fig. 3 in Abhängigkeit von
der Zeit "t",
Fig. 5 schematisch eine Fahrzeugantriebseinrichtung mit
einer dauernd mechanisch verbundenen, jedoch
kontrolliert steuerbar elektrisch erregbaren
elektrischen Maschine,
Fig. 6 schematisch eine weitere Ausführungsform einer
Fahrzeugantriebseinrichtung nach der Erfindung.
Das Diagramm von Fig. 1 zeigt am Beispiel eines
Viergangwechselgetriebes auf der horizontalen Achse die
Getriebeabtriebsdrehzahl "n", welche gleichzeitig der
Fahrzeuggeschwindigkeit "v" entspricht. Auf der Vertikalachse
ist die Fahrzeugantriebsleistung "PN" angegeben, welche auf die
Fahrzeugräder wirkt.
Die 1., 2., 3. und 4. Kurve sind die Leistungskennlinien des
Fahrantriebsmotors, normalerweise eines Verbrennungsmotors, im
1., 2., 3., bzw. 4. Gang.
Beim Anfahren mit schleifender Kupplung im ersten Gang beginnt
die Leistung bei Null, was in Fig. 1 mit 1A bezeichnet ist, und
steigt dann auf der Leistungskennlinie des 1. Ganges, bis im
Schaltpunkt 1B eine Trennkupplung im Antriebstrang zwischen dem
Fahrantriebsmotor und dem Gangwechselgetriebe geöffnet wird.
Bei diesem Öffnen der Trennkupplung fällt die Antriebsleistung
an den Fahrzeugrädern entsprechend einer gestrichelten Linie
10-1 auf den Wert Null ab und steigt dann, gegebenenfalls nach
einem Geschwindigkeitsverlust (oder einer
Geschwindigkeitszunahme) des Fahrzeuges, entsprechend einer
gestrichelten Linie 12-2 auf einen Punkt 2A auf der
Leistungskennlinie des 2. Ganges an. Die Antriebsleistung
steigt dann auf der Leistungskennlinie des 2. Ganges an, bis
dort im Schaltpunkt 2B die Trennkupplung wieder geöffnet wird
und dabei das Antriebsdrehmoment entsprechend einer
gestrichelten Linie 10-2 auf den Wert Null abfällt. Beim
Schließen der Trennkupplung, gegebenenfalls nach einem
Geschwindigkeitsverlust, steigt die Antriebsleistung gemäß
einer gestrichelten Linie 12-3 auf einen Schaltpunkt 3A auf der
Leistungkennlinie des 3. Ganges wieder an und folgt dann dieser
Leistungskennlinie, bis vom 3. Gang im Schaltpunkt 3B wieder
die Trennkupplung geöffnet wird, um auf einen Schaltpunkt 4A
des vierten Ganges zu schalten, entsprechend den gestrichelten
Linien 10-3 und 12-4. Beim Zurückschalten von einem höheren
Gang auf einen niedrigeren Gang, beispielsweise vom 4. auf den
3. Gang, ergibt sich ein ähnlicher Leistungsverlauf. Ob bei
einem Gangwechsel nach oben oder nach unten die gestrichelte
Linie 10 (10-1, 10-2, 10-3) auf einer höheren oder einer
niedrigeren oder der gleichen Getriebeausgangsdrehzahl "n" bzw.
Fahrzeuggeschwindigkeit "v" liegt als bzw. wie die zugehörige
gestrichelte Linie 12 (12-2, 12-3, 12-4) des jeweils
benachbarten Ganges ist davon abhängig, ob das Fahrzeug während
des Gangwechsels schneller oder langsamer wird oder die
Geschwindigkeit beibehält, also insbesondere, ob das Fahrzeug
bergauf oder bergab fährt.
In Fig. 1 ist in einer strichpunktierten Linie 14 der
Idealverlauf einer Leistungskurve bei konstanter
Maximalleistung PN,max angegeben.
Wie Fig. 1 zeigt, bestehen zwischen den tatsächlichen
Leistungskurven des 1., 2., 3. und 4. Ganges und dem
Idealverlauf 14 Kraftübertragungslücken (auch Getriebelücken
oder Zugkraftunterbrechungen genannt).
Fig. 2 zeigt analog zu Fig. 1 für die als Beispiel gewählten 4
Gänge eines Gangwechselgetriebes die Fahrzeug-Antriebszugkraft
"FZ" in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit "v", was
der Abtriebsdrehzahl "n" des Gangwechselgetriebes entspricht.
In Fig. 2 sind mit 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B und 4A jeweils die
Schaltpunkte des ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten
Ganges beim Öffnen bzw. beim Schließen der zum Schalten
geöffneten bzw. geschlossenen Trennkupplung angegeben. Die
gestrichelten vertikalen Linien 10-1, 10-2 und 10-3 sowie 12-2,
12-3 und 12-4 geben jeweils den Zugkraftunterbrechungsverlauf
beim Hochschalten von einem niedrigeren in einen höheren Gang
an, wenn eine Trennkupplung zum Herausnehmen eines niedrigeren
Ganges geöffnet und nach dem Einlegen eines höheren Ganges
wieder geschlossen wird.
Ferner sind in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie 22 der
ideale Verlauf einer Zugkrafthyperbel bei maximaler
Antriebsleistung "PN" und die in den Übergängen zwischen den
einzelnen Gängen entstehenden Kraftübertragungslücken 16, 18
und 20 eingetragen, welch letztere zwischen dem
Öffnungszeitpunkt und dem Schließzeitpunkt einer Trennkupplung
entstehen, die zum Herausnehmen eines bisher verwendeten Ganges
und anschließendem Einlegen eines neuen Ganges im
Fahrzeugantriebsstrang geöffnet wird.
Die genannte Trennkupplung kann zwischen dem Fahrantriebsmotor
und dem Gangwechselgetriebe oder innerhalb des
Gangwechselgetriebes angeordnet sein.
Im folgenden werden mehrere Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung mit Bezug auf die weiteren Figuren beschrieben.
Fig. 3 zeigt schematisch in Draufsicht von einem Fahrzeugmotor
30, vorzugsweise ein Verbrennungsmotor, über eine Trennkupplung
32 und ein Gangwechselgetriebe 34 (ein manuell oder automatisch
oder halbautomatisch schaltbares Getriebe) antreibbare
Fahrzeug-Vorderräder 36 einer Vorderachse 38.
Fahrzeughinterräder 40 einer Hinterachse 42 sind von einer
elektrischen Antriebseinrichtung 46 durch Schließen von
Trennkupplungen 48 und Erregen einer (oder mehrerer)
elektrischen Maschine 50, so daß diese als Elektromotor
arbeitet, antreibbar. Die elektrische Maschine 50 hat einen
Rotor 52 und einen Stator 54.
Eine elektronische Steuereinrichtung 56 steuert oder regelt die
elektrische Maschine 50 und deren Trennkupplungen 48 derart,
daß während Schaltvorgängen beim Wechsel von einem Gang in
einen anderen Gang des Gangwechselgetriebes 34 entstehende
Kraftübertragungslücken 16, 18, 20 automatisch mindestens
teilweise kompensiert werden durch eine während einer solchen
Kraftübertragungslücke zusätzlich übertragene Antriebsleistung
von der elektrischen Antriebseinrichtung 46 auf die von ihr
anzutreibenden Räder 40.
Die Fahrzeugantriebseinrichtung von Fig. 3 kann auch als
Allradantrieb benutzt werden. Gemäß einer Ausführungsform
hierfür ist die elektronische Steuereinrichtung 56 derart
ausgebildet, daß sie bei Schaltvorgängen während des
Allradbetriebes keine zusätzliche Antriebsleistung von der
elektrischen Antriebseinrichtung 46 zum Kompensieren von
Kraftübertragungslücken 16, 18, 20 anfordert, sondern ein
solches Kompensierverfahren für die Zeitdauer des
Allradbetriebes ausschaltet.
Die Steuereinrichtung 56 und die elektrische Maschine 50 sind
vorzugsweise derart ausgebildet, daß zu Betriebszeiten, wenn
von der elektrischen Antriebseinrichtung 46 keine
Antriebsleistung erforderlich ist, beispielsweise bei
Bergabfahrt oder im Bremsbetrieb, die elektrische Maschine 50
als Generator zur Erzeugung von Strom in eine Batterie 60
betrieben wird. Dies kann die gleiche oder eine andere Batterie
sein, welche die elektrische Maschine 50 mit Strom versorgt,
wenn diese als Elektromotor arbeitet.
Die elektrischen Verbindungsleitungen der Steuereinrichtung 56
sind in den Zeichnungen nur schematisch durch einfache Linien
dargestellt.
Wie Fig. 4 in Abhängigkeit von der Zeit "t" zeigt, enthält das
Verfahren nach der Erfindung zum elektrischen Kompensieren von
Kraftübertragungslücken (Getriebelücken) bei einer
Antriebseinrichtung nach der in den Fig. 3, 6 und 7
Verfahrensschritte "A" in dem Hauptantriebstrang, welcher den
Fahrantriebsmotor 30 und das Gangwechselgetriebe 34 enthält,
und Verfahrensschritte "B" im Zusatzantriebstrang, welcher
durch die elektrische Antriebseinrichtung 46 gebildet ist.
Schritt A1: Die Steuereinrichtung 56 (Getriebesteuerung) gibt
ein Signal, welches das Startsignal für einen
Gangwechselvorgang ist.
Schritt A2: Die Trennkupplung 32 des Hauptantriebstranges
(Verbrennungsmotor 30, Gangwechselgetriebe 34) wird geöffnet,
danach wird der Gang im Gangwechselgetriebe 34 gewechselt,
wobei während des Gangwechsels die Zugkraft sowohl in der
Trennkupplung 32 als auch im Gangwechselgetriebe 34
unterbrochen ist.
Schritt A3: Die Trennkupplung 32 des Hauptantriebstranges wird
wieder geschlossen, nachdem der neue Gang eingelegt wurde, so
daß wieder Zugkraft übertragen werden kann.
Schritt B1: Dieser Schritt B1 erfolgt zwischen den Schritten A1
und A2. Die elektrische Maschine 50 der elektrischen
Antriebseinrichtung 46 wird auf die Drehzahl der Vorderräder 36
gebracht (synchronisiert).
Schritt B2: Dieser Schritt erfolgt noch vor dem Schritt A2. Die
Kupplungen 48 der elektrischen Maschine 50 werden geschlossen.
Schritt B3: Dieser Schritt erfolgt während des Schrittes A2.
Die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 50 der
elektrischen Antriebseinrichtung 46 kompensiert die
Zugkraftunterbrechung des Hauptantriebstranges.
Schritt B4: Dieser Schritt erfolgt nach dem Schritt A3. Die
elektrische Maschine 50 der elektrischen Antriebseinrichtung 46
wird durch Öffnen ihrer Kupplungen 48 wieder entkoppelt.
Das Kompensierverfahren für die Antriebseinrichtung von Fig. 5
ist identisch, mit der Ausnahme, daß ein Schließen von
Kupplungen 48 gemäß Schritt B2 entfällt, da die elektrische
Maschine 50 ohne solche schaltbaren Kupplungen direkt verbunden
ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 ist identisch mit der von Fig.
3, mit der Ausnahme, daß der Rotor der elektrischen Maschinen
50 (eine nicht dauernd elektrisch erregte Maschine) ohne
Trennkupplungen 48 direkt mit den Rädern 40 dauernd verbunden
ist.
Fig. 6 entspricht Fig. 3, mit dem Unterschied, daß der
Fahrzeugantriebsmotor 30, vorzugsweise ein Verbrennungsmotor,
nicht die Vorderräder 36 des Fahrzeuges, sondern über eine
Kardanwelle 62 dessen Hinterräder 40 antreibt, wohingegen die
elektrische Antriebseinrichtung 46 durch ihre elektrische
Maschine 50 nicht die Hinterräder 40, sondern die Vorderräder
36 antreiben kann und zu diesem Zwecke mit diesen über eine
Trennkupplung 48 und eine Antriebswelle 64 antriebsmäßig
verbindbar ist. Der Rotor 52 der elektrischen Maschine 50 ist
über ein Verbindungsgetriebe 66 mit der Trennkupplung 48
verbunden.
Bei allen Fig. 3, 5 und 6 sind die gleichen Bezugszahlen
angegeben wie in Fig. 3 und die Funktionen der Fig. 5 und 6
sind, mit Ausnahme der speziell angegebenen Unterschiede, die
gleichen wie bei der Ausführungsform von Fig. 3.
Claims (1)
1. Fahrzeugantriebseinrichtung enthaltend ein Gangwechselgetriebe
(34), welches antriebsmäßig zwischen einem Fahrantriebsmotor
(38) und den Rädern (36, 40) von mindestens einer Radachse (38,
42) angeordnet ist; eine elektrische Antriebseinrichtung (46)
mit mindestens einer elektrischen Maschine (50), welche als
Elektromotor zum Antrieb der Räder von einer anderen Radachse
(42, 38) verwendbar ist; eine elektronische Steuereinrichtung
(56) zur Steuerung der elektrischen Antriebseinrichtung in
Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen; wobei die
elektrische Antriebseinrichtung (46) von der elektrischen
Steuereinrichtung (56) derart automatisch steuerbar oder
regelbar ist, daß während Schaltvorgängen beim Wechsel von
einem Gang in einen anderen Gang des Gangwechselgetriebes (30)
entstehende Kraftübertragungslücken automatisch mindestens
teilweise kompensiert werden durch eine während einer solchen
Kraftübertragungslücke zusätzlich übertragenen Antriebsleistung
von der elektrischen Antriebseinrichtung (46) auf die von ihr
anzutreibenden Räder; wobei die elektrische Maschine (50) von
der Steuereinrichtung (56) nicht nur während Schaltvorgängen,
sondern auch außerhalb der Schaltvorgangszeiten als
Elektromotor zum Antrieb von anderen Fahrzeugrädern als die vom
Fahrantriebsmotor (30) angetriebenen Fahrzeugräder betreibbar
ist, so daß ein Allradantrieb gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Schaltvorgängen während des Allradbetriebes die
elektrische Steuereinrichtung (56) keine zusätzliche
Antriebsleistung von der elektrischen Antriebseinrichtung (46)
zum Kompensieren von Kraftübertragungslücken anfordert, sondern
von der Steuereinrichtung automatisch das Kompensierverfahren
für die Zeitdauer des Allradbetriebes ausgeschaltet wird.
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