DE19953495C2 - Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 27 32 974 A1 ist bereits eine derartige Antriebseinheit bekannt, bei der ein Nutzfahrzeug, erläutert am Beispiel eines Omnibusses, mit einem Elektromotor ausgestattet ist, mit dem das Fahrzeug im normalen Fahrbetrieb angetrieben wird. Weiterhin ist dieses Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet, mit dem das Fahrzeug alternativ oder zusätzlich zu dem Elektromotor antreibbar ist. Wenn keine Versorgung mit elektrischer Energie gewährleistet ist, weil beispielsweise die Akkumulatoren im Fahrzeug leer sind oder weil in einem Teil der Fahrstrecke keine Oberleitung vorgesehen ist, kann das Fahrzeug dann allein über den Verbrennungsmotor angetrieben werden. Wenn das Fahrzeug eine Steigung hinauf bewegt werden soll, kann das Fahrzeug sowohl über den Elektromotor als auch über den Verbrennungsmotor angetrieben werden, um die zur Verfügung stehende Leistung zu erhöhen. Es ist angegeben, dass der Verbrennungsmotor im Verhältnis zum Elektromotor so bemessen ist, dass die maximale Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine etwa 1/3 bis 1/5 der maximalen Leistungsabgabe des Elektromotors beträgt. Aufgrund dieser Verhältnisse wird das Fahrzeug im normalen Fahrbetrieb mit dem Elektromotor angetrieben. Bei dem Aufbau der Antriebseinheit bildet der Elektromotor einen Teil der Kardanwelle der Antriebseinheit und damit auch einen Teil der Ausgangswelle des Getriebes. Zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe einerseits sowie dem Teil des Antriebsstrangs, der den Elektromotor bis hin zu den antreibbaren Rädern des Fahrzeugs umfasst, ist eine Kupplungseinrichtung angeordnet, mit der der Verbrennungsmotor und das Getriebe vom Rest des Antriebsstrangs trennbar sind.
Aus der DE 37 30 653 C2 ist eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Verbrennungsmotor sowie ein Getriebe aufweist, wobei über die Drehbewegung der Aus­ gangswelle des Getriebes die antreibbaren Räder des Kraftfahrzeugs antreibbar sind. Dabei sind die antreibbaren Räder des Kraftfahrzeugs alternativ oder zusätzlich über eine Elektromaschine antreibbar, die so montierbar ist, dass deren Läufer einen Teil der Ausgangswelle des Getriebes bildet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik sollen die Einsatzmöglichkeiten eines Elektroan­ triebs von Fahrzeugen erweitert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst.
Dadurch wird es in vorteilhafter Weise möglich, den Hybridantrieb als Sonderausstattung für ein Kraftfahrzeug vorzusehen, ohne dass bei einem Einbau eines Hybridantriebs gegenüber einem Einbau eines alleinigen Antriebs über den Verbrennungsmotor umfangreiche konstrukti­ ve Unterschiede notwendig sind mit allen weiteren damit verbundenen Nachteilen wie beispielsweise dem erhöhten Produktionsaufwand und der umfangreicheren Logistik. Es kann dann also in einfacher Weise ein Kraftfahrzeug mit einem rein konventionellen Antrieb aus­ gestattet werden oder - als Zusatzausstattung - mit einem Hybridantrieb.
Aufgrund der dann gegebenen Länge der Ausgangswelle des Getriebes erweist sich eine derar­ tige Antriebseinheit insbesondere bei einem Fahrzeug als vorteilhaft, dessen Hinterräder antreibbar sind und bei dem der Verbrennungsmotor vorne untergebracht ist.
Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Elektromotors muss dann der Unterboden des Kraftfahrzeugs nicht geändert werden, wenn der Elektromotor in seinen Ausmaßen zumindest nicht wesentlich größer ist als das Stück der Ausgangswelle des Getriebes, das der Elektromotor ersetzt.
Durch die Lagerung der Elektromaschine auf ihrer eigenen Welle wird die Flexibilität der Ausgestaltung der Antriebseinheit weiterhin erhöht, so dass die Ausgestaltung der Antriebseinheit mit einem Hybridantrieb als Sonderausstattung vergleichsweise kostengünstig realisierbar ist, indem der Elektromotor selbsttragend ist. Es ist kein konstruktiver Aufwand zu betreiben, um tragende Haltepunkte für den Elektromotor vorzusehen, wenn dieser eingebaut werden soll.
Durch die zumindest teilweise federelastische Lagerung der Elektromaschine kann der Elektromotor tragend gestützt werden, wobei gleichzeitig durch die federelastische Lagerung Schwingungen des Antriebsstrangs aufgefangen werden können, indem das Kardanwellenzwischenlager entlastet wird.
Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit nach Anspruch 2 ist die Drehmomentabstützung der Elektromaschine Bestandteil einer mechanischen Verbindung des Gehäuses der Elektromaschine mit dem Gehäuse des Getriebes.
Bei dieser Art der Drehmomentabstützung erweist es sich als vorteilhaft, dass Schwingungen des Antriebsstrangs nur gedämpft auf die Karosserie übertragen werden über die Lagerpuffer des Verbrennungsmotors bzw. des Getriebes. Der Fahrkomfort für die Fahrzeuginsassen wird dadurch erhöht gegenüber einer mechanischen Verbindung des Elektromotors mit der Karosserie zur Abstützung des Drehmoments.
Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit nach Anspruch 3 liegen die Angriffspunkte der mechanischen Verbindung am Gehäuse des Getriebes in einer horizontalen Ebene. Weiterhin ist zwischen dem Getriebe und der Elektromaschine ein Knickgelenk vorgesehen.
Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit nach Anspruch 4 liegen die Angriffspunkte der mechanischen Verbindung am Gehäuse der Elektromaschine in einer horizontalen Ebene, wobei zwischen dem Getriebe und der Elektromaschine ein Knickgelenk vorgesehen ist.
Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit nach Anspruch 5 liegen die Angriffspunkte der mechanischen Verbindung am Gehäuse der Elektromaschine in einer horizontalen Ebene, wobei zwischen dem Getriebe und der Elektromaschine ein Knickgelenk vorgesehen ist, wobei beidseits auf dessen Höhe je eine Drehmomentstütze knickbeweglich gelagert ist.
Bei der Ausgestaltung der Antriebseinheit nach Anspruch 6 ist das Eigengewicht der Elektromaschine zumindest teilweise durch eine dämpfungsarme Feder zwischen Fahrzeugboden und Gehäuse der Elektromaschine aufgefangen.
Dadurch kann vorteilhafterweise bei einem Stottern bzw. Stuckern des Antriebsstrangs diese Bewegung abgefangen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung des Antriebsstrangs,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Verbindung der Elektromaschine mit dem Getriebe,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Verbindung der Elektromaschine mit dem Getriebe und
Fig. 4 eine Seitenansicht mit einer zumindest teilweisen Abstützung der Elektromaschine.
Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung des Antriebsstrangs. Mit der Bezugsziffer 1 ist der Verbrennungsmotor bezeichnet und mit der Bezugsziffer 2 ein Getriebe, das beispielsweise ein Automatgetriebe sein kann. Verbrennungsmotor und Automatgetriebe sind so ausgelegt, dass über diese im normalen Fahrbetrieb das Fahrzeug angetrieben wird.
Vorteilhaft kann das Automatgetriebe über CAN gesteuert werden. Der Verbrennungsmotor kann ebenfalls über CAN und E- Gas gesteuert werden. In diesem Fall kann das Antriebsmanagement der Elektromaschine 4 durch eine einfache Chip-Änderung des Antriebssteuergeräts (einschließlich ABS. ASR, ESP, EHB) dargestellt werden. Die Steuerbefehle des Antriebssteuergeräts werden über CAN an die Leistungselektronik der Elektromaschine weitergeleitet.
Vorteilhaft lässt sich mit der Elektromaschine der Antriebskomfort des Automatgetriebes weiter steigern, weil Umschaltrucke (insbesondere in den unteren Gängen) durch Hilfsmomente der Elektromaschine verringert werden können.
Es ist weiterhin ein Knickgelenk 3 zu sehen, über den eine Elektromaschine 4 mit der Ausgangswelle des Getriebes 2 verbindbar ist und somit einen Teil dieser Ausgangswelle bildet. Die Elektromaschine 4 ist hinsichtlich ihrer äusseren Abmessungen so konzipiert, dass diese einen Teil der Ausgangswelle des Getriebes 2 ersetzen kann, ohne dass an dem Fahrzeug sonstige bauliche Veränderungen vorgenommen werden müssten.
Die Ausgangswelle des Getriebes 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Kardanwelle des Fahrzeugs. Mit der Ausgangswelle des Getriebes 2 ist also eine Welle gemeint, die kraftschlüssig mit dem Getriebeausgang verbunden ist. Dazu muss diese Ausgangswelle nicht unbedingt unmittelbar baulich in das Getriebe 2 integriert sein. Die Antriebskräfte können beispielsweise auch über ein Gelenk oder eine sonstige Umleitung auf die entsprechende Welle übertragen werden, die aber im Sinne dieser Anmeldung die Ausgangswelle des Getriebes 2 ist.
Die Elektromaschine 4 kann auf ihrer eigenen Welle gelagert sein, so dass deren Gewicht von dem Getriebe 2 und dem Kardanzwischenlager aufgenommen wird.
Das Kardanzwischenlager 6 kann auch in der Weise entlastet werden, daß das Eigengewicht der Elektromaschine 4 zumindest teilweise durch eine dämpfungsarme Feder zwischen Fahrzeugboden und Elektromaschinengehäuse aufgefangen wird.
Der Ausgang der Elektromaschine 4 ist über ein Kreuzgelenk 5 mit einem Zwischenlager 6 der Kardanwelle des Fahrzeugs verbunden.
Mit der Bezugsziffer 7 ist der verbleibende Teil der Kardanwelle bezeichnet und mit der Bezugsziffer 8 das Hinterachsgetriebe.
Die Elektromaschine 4 ist auf ihrer eigenen Welle gelagert. Eine Detailansicht des Knickgelenks 3 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Fig. 2 zeigt das Knickgelenk 3 in einer Seitenansicht (Schnitt A-A der Fig. 3), die der Blickrichtung der Fig. 1 entspricht. Mit der Bezugsziffer 9 ist eine Drehmomentstütze bezeichnet, mit der der Stator der Elektromaschine 4 gehalten wird. Diese Drehmomentstütze 9 ist über ein Elastomer 11 gelagert über eine Halterung 12 der Elastomerhülse. Die Drehmomentstütze ist damit knickbeweglich.
Fig. 3 zeigt die Darstellung der Fig. 2 in einer Draufsicht auf den Antriebsstrang. Dort ist zu sehen, dass auf beiden Seiten Drehmomentstützen 9 und 10 vorhanden sind.
Indem die Drehmomentstützen 9 und 10 über ein Elastomer 11 gelagert sind und weiterhin das Knickgelenk 3 beweglich ist, kann an dieser Stelle ein eventuell bei einem Lastwechsel auftretendes Rucken im Antriebsstrang aufgenommen werden, wodurch der Fahrkomfort verbessert wird. Die Drehmomentstützen 9, 10 sind damit knickbeweglich auf der Höhe des in der Wellenverbindung angeordneten Knickgelenks 3 gelagert. Indem weiterhin die Drehmomentabstützung der Elektromaschine 4 am Gehäuse des Getriebes 2 erfolgt, das wiederum über Lagerpuffer mit der Karosserie verbunden ist, werden Geräusche beim Betrieb der Elektromaschine 4 nur entsprechend reduziert an die Karosserie weitergegeben. Auch dadurch wird der Fahrkomfort erhöht.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Getriebes 2 mit der Elektromaschine 4, bei der die Elektromaschine 4 über Bügel 13 federelastisch tragend am Gehäuse des Getriebes 2 abgestützt ist. Die Elektromaschine 4 wird also hier zumindest teilweise tragend an dem Gehäuse des Getriebes 2 befestigt.
Die Elektromaschine 4 kann als Antriebsaggregat oder als Generator betrieben werden. Je nach dem Prinzip der verwendeten Elektromaschine 4 (schnell oder langsam laufend, mit oder ohne Leerlaufschleppmoment) kann die Elektromaschine von ihrem Gehäuse von der durchlaufenden Welle abkoppelbar und/oder über ein Getriebe beaufschlagbar ausgeführt sein. Dazu muss die Welle der Elektromaschine als Hohlwelle ausgeführt sein.
Die Kupplung kann als einfache Klauenkupplung ausgeführt sein, wenn die Elektromaschine vor dem Zukoppeln aktiv (elektrisch) oder passiv (mechanisch) synchronisiert werden kann.
Vorzugsweise kann eine hochüberlastbare Asynchronmaschine ohne Kupplung und ohne Getriebe verwendet werden, weil diese keine Schleppverluste hat, sehr kostengünstig ist und wegen der kurzzeitigen Überlastbarkeit sowohl für Nutzbremsungen als auch für Booster-Funktionen tauglich ist. Weiterhin ist deren Raumbedarf für einen Kardantunnel mit üblichen Abmessungen geeignet.
Die installierte Leistung sollte vorzugsweise im Bereich von etwa 10 kW pro Tonne Fahrzeuggewicht liegen. Es hat sich gezeigt, dass damit ca. 18% Kraftstoff einsparbar sind. Gegenüber der ermittelten Ersparnis einer optimierten elektrischen Maschine von 22% erweist es sich bei der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft, dass das vergleichsweise geringfügige schlechtere Ergebnis mit erheblichem einfacherem Installationsaufwand erreichbar ist.
Die Traktionsbatterie kann bei den gegebenen Leistungsdaten beispielsweise den Raum des Reserverades einnehmen. Die Leistungselektronik kann beispielsweise hinter den Hintersitzen oder im Hinterachsbereich untergebracht sein.

Claims (6)

1. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die einen Verbrennungsmotor (1) aufweist sowie ein Getriebe (2), wobei über die Drehbewegung der Ausgangswelle des Getriebes (2) die antreibba­ ren Räder des Kraftfahrzeugs antreibbar sind, wobei die antreibbaren Räder des Kraftfahrzeugs alternativ oder zusätzlich über eine Elektromaschine (4) antreibbar sind, die so montierbar ist, dass deren Läufer einen Teil der Ausgangswelle des Getriebes (2) bildet, wobei die Elektroma­ schine (4) auf ihrer eigenen Welle gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (4) zumindest teilweise mit einem federelastischen Element (13) am Gehäuse des Getriebes (2) gelagert ist.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse der Elektromaschine (4) und dem Gehäuse des Getriebes (2) eine mechanische Verbindung besteht und die Drehmomentabstützung (9, 10) der Elektromaschine (4) Bestandteil der mechanischen Verbindung ist.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte der mechanischen Verbindung am Gehäuse des Getriebes (2) in einer horizontalen Ebene liegen und dass zwischen dem Getriebe (2) und der Elektromaschine (4) ein Knickgelenk (3) vorgesehen ist.
4. Antriebseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte der mechanischen Verbindung am Gehäuse der Elektromaschine (4) in einer horizontalen Ebene liegen und dass zwischen dem Getriebe (2) und der Elektromaschine (4) ein Knickgelenk (3) vorgesehen ist.
5. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wellenverbindung zwischen Getriebe (2) und Elektromaschine (4) ein Knickgelenk (3) angeordnet ist und beidseits auf Höhe des Knickgelenks (3) je eine Drehmomentstütze (9, 10) knickbeweglich gelagert ist.
6. Antriebseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eigengewicht der Elektromaschine (4) zumindest teilweise durch eine dämpfungsarme Feder zwischen Fahrzeugboden und Gehäuse der Elektromaschine (4) aufgefangen ist.
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