DE3321433A1

DE3321433A1 - Antriebsmotorsystem fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3321433A1
Application number: DE19833321433
Authority: DE
Inventors: Max 08210 Cape May Courthouse N.J. Cohen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-14
Filing date: 1983-06-14
Publication date: 1983-12-15
Also published as: FR2528515B1; JPS5948234A; CA1208567A; FR2528515A1; GB2121742B; JPH0214210B2; US4495836A; GB8316110D0; GB2121742A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsmotorsystem für Kraftfahrzeuge.

Wegen der Notwendigkeit, weniger Kraftstoff zu verbrauchen, achtet die AutomobilIndustrie unter anderem auf die drastische Verringerung des Fahrzeuggewichtes und merkliche Reduzierung der Beschleunigungswerte. Leichtgewichtige Fahrzeuge stellen jedoch ein Sicherheitsrisiko dar, da tödliche Verkehrsunfälle bemerkenswert ansteigen in Verbindung mit Zusammenstößen von leichtgewichtigen Fahrzeugen. Zusätzlich stellen Fahrzeuge mit schwacher Beschleunigungsleistung auch ein Sicherheitsrisiko dar, wenn sie auf eine Autobahn einbiegen oder wenn sie ein anderes Fahrzeug überholen sollen.

Es ist wohlbekannt, ein Schwungrad vorzusehen, um Schwankungen in der Geschwindigkeit zu absorbieren und damit das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmotors zu vergleichmäßigen. Da ein schweres Schwungrad einen schnellen Anstieg seiner Drehgeschwindigkeit bei offener Drosselklappe verhindert, kann eine schnelle Beschleunigung erreicht werden, wenn die Größe und das Gewicht des Schwungrades vermindert werden, was jedoch nur unter Auf gäbe* eines gleichmäßigen Laufes in den niedrigen Geschwindigkeitsbereichen erreicht wird.

Bekannte Energiespeichersystenemit Schwungrädern in Kraftfahrzeugen sind durch verschiedene Nachteile gekennzeichnet, zumal es ihnen zuvörderst an einem billigen, leistungsfähigen, wirkungsvollen stufenlosen Getriebe mit großem überSetzungsbereich und einem zufriedenstellenden Regelsystem hierzu fehlt.

Die Erfindung ist auf eine Lösung des Problems gerichtet, eine höhere Kilometerleistung pro Kraftstoffmenqe zu erreichen, ohne die Größe und das Gewicht des Fahrzeuges zu vermindern oder Kompromisse in der Beschleunigungsfähigkeit zu schließen. Die Erfindung ist demnach auf

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eine Einrichtung ausgerichtet, mit der ein Automobil in Kormalgröße auf der Strassa einen Kraftstoffverbrauch erzielen kann, der gleich oder sogar geringer ist als derjenige von leichtgewichtigen Fahrzeugen mit niedrigen Fahrwerten, wobei gleichzeitig jedoch die Fahrwerte und auch die Ausrüstung des Fahrzeuges den herkömmlichen Standard haben sollen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die in dem Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf ein Antriebsmotorsystem für Kraftfahrzeuge/ welches ein Differential bzw. Differentialgetriebe mit mindestens drei Elementen aufweist. Das erste Element steht in Wirkverbindung mit einer Ausgangswelle, mit der die Front- bzw. Hinterräder des Kraftfahrzeuges angetrieben werden können. Das zweite Element ist in Wirkverbindung mit einem Antriebsmotor, so z.B. einer Verbrennungsmaschine oder dergleichen. Eine Einrichtung, die ein Schwungrad enthält, ist mit dem dritten Element des Differentialgetriebes verbunden und dient zur Energiespeicherung. Das zweite und das dritte Element sind in Wirkverbindung rni^L dem ersten Element verbunden, jedoch nicht direkt miteinander.

Das Schwungrad und der Antriebsmotor sind so ausgebildet, daß sie gleichzeitig die Ausgangswelle über das Differentic antreiben können, so daß die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges unabhängiq von der Geschwindigkeit des Schwung- rades konstant bleiben oder variieren kann. Das Drehmoment das auf die Ausgangswelle ausgeübt wird, wird durch das Drehmoment geregelt, das auf das zweite Element von dem Antriebsmotor ausgeübt wird. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, um das Schwungrad anzutreiben, so daß das Schwungrad den Antriebsmotor während der Beschleunigung unterstützt.

Es ist Gegenstand und Ziel der Erfindung, die Größe e"ines

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-δι Motors in einem Kraftfahrzeug zu reduzieren, indem eine andere Leistungsquelle vorgesehen wird, um den Motor während der Beschleunigung zu unterstützen, wodurch selbst ein kleinerer Antriebsmotor mit Fahrgeschwindigkeiten annähernd bei Vollgas und mit optimaler Wirksamkeit arbeiten kann.

Es ist ein weiterer Gegenstand und Ziel der Erfindung, eine Verbrennungsmaschine mit einer zusätzlichen Einrichtung zum Starten des Motors zu versehen.

Gegenstand und Ziel der Erfindung ist es fernerhin, ein Antriebsmotorsystem, bei dem Energie in einem Schwungrad gespeichert wird, anzugeben, das dazu verwendet werden kann, selbst oder in Kombination mit dem Antriebsmotor ein Kraftfahrzeug zu starten und/oder zu beschleunigen.

Es ist Gegenstand und Ziel der Erfindung weiterhin, ein Antriebsmotorsystem anzugeben, bei dem Energie, die in einem Schwungrad gespeichert ist, teilweise oder ganz aus während des Bremsens des Kraftfahrzeuges zurückgewonnener Energie erhalten wird, während diese Energie ansonsten üblicherweise in Wärme vernichtet wird, die über die Radbremsen abgeleitet wird.

Ein signifikanter Anteil der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Beschleunigungsleistung wird von. außerhalb des Antriebsmotors aufgebracht und kann gleichzeitig zur Wirkung gebracht werden, wobei die Zeitspanne verkürzt wird, die erforderlich ist, um höhere Antriebsmotorleistungen zu erreichen. Hierdurch werden die Fahrwerte, die Effizients und auch die Schadstoffemissionen verbessert. Als Ergebnis hieraus und des Zusammenwirkens der durch die Erfindung zu erzielenden Einsparnisse kann ein Automobil normaler Größe auf der Strasse einen Kraftfahrzeugverbrauch erzielen, der gleich oder sogar geringer demjenigen von leichtgewichtigen Fahrzeugen ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Verminderung der Größe des Antriebsmotors, wobei gleichzeitig dessen Fahrleistung in Kilometer pro Kraftstoff-

verbrauch erhöht wird.

Andere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Be-Schreibung hervor.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung in bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf die beschriebenen und gezeigten präzisen Anordnungen und Ausrüstungen beschränkt. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 15

Figur 2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 3 eine schematische Ansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 4 eine vergrößerte geschnittene Ansicht des in Figur 3 gezeigten Ausfüh^ungsbeispiels.

in den Zeichnungen zeigen gleiche Bezugsziffern gleiche oder gleichwirkende Elemente an. In der Zeichnung ist in Figur 1 eine schematische Ansicht eines Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Darstellung in Figur 1 ist schematisch, so daß viele Komponenten, wie Lager oder dergleichen, nicht dargestellt sind.

In Figur 1 ist ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem dargestellt, das mit 10 bezeichnet ist. Das System 10 umfaßt einen Antriebsmotor 12 mit einer Motorwelle 14, die mit einem Differential 16 verbunden ist. Das Differential kann ein Kegelraddifferential, ein Planetenraddifferential, ein Umlauf- bzw. Epizykloidendifferential oder ein anderes

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-δι mechanisches Getriebe sein. Das Differential 16 ist vorzugsweise , wie dargestellt, vom Kegelradtyp. Das Differential 16 weist ein Kegelrad 18 auf, das mit der Motorwelle 14 verbunden ist. Das Kegelrad 18 kämmt mit zwei weiteren Kegelrädern 20 und 22, die mit der Ausgangswelle 24 verbunden sind. Die Motorwelle kann mit einer Bremse 26 ausgerüstet werden.

Die Kegelräder 20 und 22 auf der Ausgangswelle 24 kämmen mit einem Kegelrad 28. Dieses Kegelrad 28 ist mit einem weiteren Kegelrad 30 durch einen Kragen verbunden, der die Ausgangswelle 24 umgibt. Das Kegelrad 30 kämmt mit einem Kegelrad 32 und treibt damit entweder ein Schwungrad 34 an oder wird von diesem Schwungrad angetrieben. Die Ausgangswelle 24 ist mit einem Differential 36 verbunden. Das Differential 36 treibt ein Rad 38 auf einer Achse 40 und ein Rad 38' auf einer Achse 40' an.

Das Antriebssystem 10 verwendet ein einfaches Kegelraddifferential 16, bei dem die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 24 die Hälfte der addierten Geschwindigkeit der Motorwelle 14 und des mit dem Schwungrad verbundenen Kegelrades 28 ist. Die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 24 kann demnach dadurch geregelt werden, daß die Geschwindigkeit des Antriebsmotors 12 wie bei einem konventionellen Motorfahrzeug geändert wird. Alle Regelungen können in üblicher Weise ohne Instabilität oder kurzfristige Überlastungen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug mit der beschriebenen Anordnung eine Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute für die Ausgangswelle 24 ·, eine Geschwindigkeit von 3500 Umdrehungen pro Minute für das mit dem Schwungrad verbundene Kegelrad 38 und eine Motorgeschwindigkeit von 500 Umdrehungen pro Minute aufweisen. Die Drosselklappe des Motors kann verwendet werden, um eine Beschleunigung des Fahrzeuges einzuleiten, da Drehmoment über das Differential 16 auf die Ausgangswelle 24 übertragen wird. Gleichzeitig wird das Schwungrad durch den Antriebsmotor 12 über die Kegelräder 18, 20, 22, 28,

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30 und 3 2 angetrieben bzw. geladen.

Wenn die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 24 auf 3000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt worden ist, kann die Geschwindigkeit des mit dem Schwungrad verbundenen Kegelrades 28 auf 2000 Umdrehungen pro Minute abgefallen und die Geschwindigkeit der Motorwelle auf 4000 Umdrehungen pro »Minute angestiegen sein. Diese Beschreibung gilt als Beispiel für ein Fahrzeug, das ungefähr von 59 Kilometer pro Stunde auf 89 Kilometer pro Stunde (36,7 bis 55 Meilen pro Stunde) beschleunigt worden ist. Am Ende der Beschleunigung bei 88,5 Kilometer pro Stunde überträgt der Antriebsmotor 12 zwei Drittel der Gesamtleistung zu der Ausgangswelle 24, die das zweifache Drehmoment des Antriebsmotors erhält, wodurch ein wesentlich kleinerer Antriebsmotor verwendet werden kann, der ein gleiches Beschleunigungsverhalten wie ein wesentlich größerer Motor aufweist. Der Antriebsmotor 12 wird in konventioneller Weise gesteuert, so daß dessen Umdrehungsgeschwindigkeit so eingestellt wird, um die gewünschte Ausgangsgeschwindigkeit an der Welle 24 zu erreichen und um Geschwindigkeitsverluste des Schwungrades zu kompensieren. Dies kann entweder direkt durch Einstellung der Drosselklappe durch den Fahrer des Fahrzeuges erfolgen, der auf das Gaspedal drückt, um eine stetige Geschwindigkeit zu halten. Das Schwungrad wird hierbei allmählich langsamer, da es die gespeicherte Energie abgibt, es sei denn, das Fahrzeug fährt bergabwärts oder wird allmählich langsamer.

Wenn das Fahrzeug einen steilen Berg hinunter fährt, dann wird der Motor gedrosselt und die Ausgangswelle 24 dient als Antriebselement für das Schwungrad über das Differential 16. Der Antriebsmotor 12 wird dann in Kompressions- (Schub)-Betrieb angetrieben, während das Schwungrad 34 angetrieben und beschleunigt wird. Das an der Welle des Schwungrades entwickelte Drehmoment zum Antrieb des Schwungrades 34 ist gleich dem Widerstand auf die Motorwelle 14 und die Hälfte des Bremsürehmoruentes auf die Ausgangswelle 24. Anders ausaedrückt, v?eräen die Abbreir.sung des Fahrzeuges und die Be-

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-ΙΟΙ schleunigung des Schwungrades durch den Widerstand an der Motorwelle 24 geregelt. Bei nur geringfügigen Abbremsungen wird dieser Widerstand durch den im Schubbetrieb arbeitenden gedrosselten Motor unterstützt. Für eine schnellere Bremsaktion wird die Bremse 26 mit der Motorwelle in Wirkverbindung gebracht und eingestellt, um so die gewünschte Abbremsung zu erhalten. Während dieser Bremsaktion wird ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeuges auf das Schwungrad 34 übertragen, wo sie für späteren Gebrauch gespeichert und teilweise an der Motorwelle 14 aufgebraucht wird.

Um nochmals einen Beschleunigungsvorgang gleichmäßig ausführen zu können, ist es wünschenswert, das Schwungrad 34 während der Fahrt im Leerlauf zu lassen und eine Einrichtung vorzusehen, mit der das Schwungrad 34 auf die gewünschte Geschwindigkeit gebracht werden kann, bevor die Beschleunigung gewünscht wird. Es gibt eine Anzahl von Wegen, auf denen dieses erreicht werden kann.

Iⁿ Figur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen und insgesamt mit 10' bezeichnet. Das System 10' ist das Gleiche wie das Antriebssystem 10 ausgenommen den später geklärten Dingen. Das Antriebssystem 10¹ zeigt einen Weg, mit dem der Anteil der an der Motorwelle 14 verlorenen Energie reduziert werden kann, um damit den Anteil der Energierückgewinnung an dem Schwungrad 34 anzuheben. Das Schwungrad 34 wird mit Hilfe zweier kämmender Kegelräder 42 und 44 über eine Einwegkupplung 46 mit einer Hülse 29' verbunden. Das Schwungrad 34 ist ferner mit Hüte zweier kämmender Kegelräder 4 8 und 50 über eine Einwegkupplung 52 mit der Hülse 29' verbunden. Bei der Kupplung 4 6 läuft der äußere Käfig frei, während bei der Kupplung 52 der innere Käfig freiläuft. Während eines Bremsens treibt dann die Kupplung 46 das Schwungrad an. Während einer Beschleunigung kann das Schwungrad 34 die Ausgangswelle 24 antreiben, und zwar mittels der Kegelräder 4 8 und 50 urdder Kupplung 52, die das Kegelrad 50 mit der Hülse 29' verbindet. " /

In Figur 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem das Antriebssystem insgesamt mit 60 bezeichnet ist. Das Antriebssystem 60 umfaßt einen Antriebsmotor 62, der vorzugsweise über ein automatisches Getriebe 64 mit einer Kupplungswelle 70 verbunden ist. Die Welle 70 ist mit Hilfe einer Kupplung 66 mit dem freien Schaft 71 der Ausgangswelle oder mit Hilfe einer Kupplung 68 mit einer Bremse 72 verbunden. Die Bremse 72 ist mit einem Rad 74 des Differentials 73 verbunden. Ein Paar Kegelräder 76 kämmen mit dem Rad 74 und sind mit einer Ausgangswelle 80 verbunden. Ein Kegelrad 78 kämmt mit dem Kegelrad 76 und ist mit einer Hülse 82 verbunden. Die Hülse 82 umgibt die Ausgangswelle 80 und ist mit einem Kegelrad 84 verbunden.

Das Kegelrad 84 kämmt mit einem Kegelrad 86. Das Kegelrad 86 ist auf einer Welle montiert, die mit einem automatischen Getriebe verbunden ist, welches eine Flüssigkeits-Drehmoment-Wandlerkupplung 88 aufweist,die ihrerseits mit ihrer Ausgangswelle mit einem Schwungrad ' 90 verbunden ist. Das Schwungrad 90 treibt z.B. mit Hilfe eines Riemens 92 ein Zusatzgerät, so z.B. eine Pumpe 94 für eine Servolenkung.

Bei dem Antriebssystem 60 kann die Ausgangswelle des Motorgetriebes 64 mittels der Kupplung 66 mit dem freien Ende 71 auf der Ausgangswelle 80 oder durch die Kupplung 68 verbunden werden, was dazu führt, daß die Ausgangswelle angetrieben und das Schwungrad aufgeladen wird. Die Drehmoment-Wandlerkupplung 88 hat eine Einwegkupplung, so daß sie lediglich beim Bremsen arbeitet, wobei der Ausgang mit dem Schwungrad 90 verbunden ist, wohingegen bei einer Beschleunigung die Drehmoment-Wandlerkupplung umgangen wird und das Schwungrad das Kegelrad 86 direkt antreibt.

Andere gleichwirkende hydrokinetische Anordnungen, sowie Drehmomentwandler und Flüssigkeitskupplungen, können anstelle der Kupplung 88 verwendet werden. Wenn die Bremse 7 2 betätigt wird, um das Fahrzeug abzubremsen, so ermöglicht

die Kupplung 88 des Schwungrades 90, das dieses durch das Drehmoment des Fahrzeuges bei oder unterhalb der Drehgeschwindigkeit des Kegelrades 86 angetrieben wird,je nachdem wie dies durch den Schlupf der Kupplung 88 erlaubt wird.

In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 60' bezeichnet, wobei dies eine detaiLliertere Anordnung der schematischen Darstellung in Figur 3 ist. Das System 60' in Figur 4 wird dementsprechend mit gestrichenen Bezugszeichen beschrieben.

Das System 60' in Figur 4 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Getriebe 64' in Form eines stufenlosen Getriebes vor, das zwei Riemenscheiben 96 und 98 aufweist, die mit einem Riemen 100 verbunden sind. Die Riemenscheibe 96 ist mit der Kurbelwelle des Antriebsmotors 62' verbunden. Die Riemenscheibe 98 ist fest mit der Kupplungswelle 70' verbunden. Das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten von Riemenscheibe 96 und Riemenscheibe 98 kann stufenlos über einen Bereich von 5 zu 1 mit Hilfe von herkömmlichen Mitteln variiert werden, so z.B. nicht gezeigten hydraulischen Kolben, um eine Riemenscheibe aufzuweiten und die andere zu schließen. Die Einstellung des Getriebes 64' ebenso wie diejenige der Bremsen, der Kupplungen und des Motors etc. des gesamten Antriebssystems 60 kann automatisch durch Sensoren kontrolliert werden, die auf bestimmte Bedingungen ansprechen, so z.B. die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle, die Geschwindigkeit des Schwungrades, die Motorlast. Ebenso kann dieses durch einen Befehl eines Fahrers erfolgen, z.B. durch Position und Druck auf Gas- und Bremspedale , Einstellung der Wählhebel für das Getriebe usw.

Die Welle 70' wird an einem Rückdrehen mit Hilfe einer Einwegkupplung 102 gehindert , die mit dem nicht gezeigten Gehäuse fest verbunden ist. Die Welle 70' erstreckt sich zu der einen Seite einer hydraulisch betätigten Rei-

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bungskupplung 66' und zu der einen Seite einer Kupplung 68', die durch ein Kohlrad ^04 bestimmt ist. Die andere Seite der Kupplung 66' ist mit dem freien Schaft 71' der Ausgangswelle 80' fest verbunden. Die andere Seite der Kupplung 68' ist mit einem Planetenradträger 106 verbunden.

Der Planetenradträger 106 kann mit einer hydraulisch betätigten Reibungsbremse 72' angehalten werden. Ein Sonnenrad 108 ist mit dem Differentialrad 24' verbunden.

Planetenräder 110 stützen sich auf dem Planetenradträger 106 ab und kämmen mit dem Sonnenrad 108 und dem Hohlrad 104. Ein Ring unterstützt das Ende der Planetenräder 110 an dem von dem Planetenradträger 106 entfernten Ende, wobei ein solcher Ring auf einem Lager an dem Schaft 71' montiert ist.

Ein elektrischer Startermotor 112, der extern mit Hilfe einer elektrischen Spannungsquelle gestartet werden kann, ist mit dem Kegelrad 86* verbunden. Das Rad 86' ist mit einer Einwegkupplung 116 verbunden, die ihrerseits mit der Welle 114 verbunden ist, so daß das Rad 86' gegenüber der Welle 114 schneller laufen kann.^Das Kegelrad 86' treibt eine Hälfte der Drehmoment-Wandlerkupplung 88' an und wird mit Hilfe einer Bremse 119 geregelt. Die andere Hälfte der Kupplung 88* treibt die Welle 114. Während eines Bremsens läuft das Kegelrad 86' schneller als die Welle 114 und treibt diese mit Hilfe der Kupplung 88' an. Die Kupplung 88' ist vorzugsweise eine konventionelle Kupplung, die in breitem Umfang in Automobilgetrieben verwendet wird und die einen Stator bzw. ein Reaktionsglied aufweist, das in herkömmlicher Weise auf der Kupplung 118 frei laufen kann, wenn diese Anordnung als Kupplung arbeitet. Die andere Seite der Kupplung 118 kann durch eine hydraulisch betätigte Reibungsbremse angehalten oder freigegeben werden.

Zwei miteinander gekoppelte Planetengetriebesätze 122 und 124 sind auf der Welle 114 angeordnet, so daß ein

automatisches Getriebe zur Verfügung gestellt wird, das drei Gänge aufweist, nämlich zwei Gänge mit reduzierten Drehgeschwindigkeiten und ein Gang mit direktem Antrieb, und das ähnlich den Getrieben ist, die bei konventionellen Automobilen in großem Umfang verwendet werden. Der Planetengetriebesatz 122 weist ein Hohlradi 26 auf, das mit dem Planetenrädern 128 auf einem Planetenradtrager 130 kämmt. Der Planetenradtrager 130 kann mit Hilfe einer Bremse angehalten werden. Ein Sonnenrad 124 ist beiden Getriebe-IC sätzen 122 und 124 gemeinsam. Das Sonnenrad 134 kann mit Hilfe einer Bremse 136 angehalten werden.

Der Getriebesatz 124 weist ein Ring- bzw. Hohlrad 138 auf, das auf der Welle des Schwungrades 90' aufgesetzt ist.

Das Hohlrad 138 ist mit Hilfe von Planetenrädern 140 mit dem Sonnenrad 134 verbunden. Die Planetenräder 140 stützen sich auf einen Planetenradtrager 142 ab. Der Planetenradtrager 142 ist an einer Seite einer hydraulisch betätigten Reibungskupplung 144 angeordnet, so daß die Welle 114 das Schwungrad 90" direkt antreiben kann. Die Welle 114 ist ferner mit der einen Seite einer Einwegkupplung 146 verbunden, deren andere Seite mit der Welle des Schwungrades 90' verbunden ist, so daß das Schwungrad gegenüber der Welle 114 schneller laufen kann und eineverbindung lediglich ■ dann erfolgt, wenn während des Bremsens die Welle 114 das Schwungrad antreibt, so daß auch verhindert wird, daß die Reibungskupplung 144 mit hohen Belastungen beim Bremsen beaufschlagt wird.

Das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten von Schwungrad 90' und Welle 114 wird durch den Zustand der Bremsen 132 und 136 sowie der Kupplung 144 bestimmt und ferner dadurch, ob das Schwungrad im Antriebszustand ist oder ob die Welle 114 das Schwungrad antreibt. Das höchste Verhältnis tritt dann auf, wenn die Bremse 132 betätigt ist, die Bremse 136 und die Kupplung 144 jedoch nicht betätigt sind. Das niedrigste Verhältnis (direkt mit 1:1) tritt dann auf, wenn die Kupplung 144 eingerückt ist, wobei das

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Schwungrad als Antriebselement arbeitet, kann jedoch auch dann automatisch mittels der Kupplung 146 auftreten, wenn die Welle 114 als Antriebselement arbeitet und wenn dann die Bremsen 132 und 136 sowie die Kupplung 144 nicht betätigt sind. Neutrales Verhalten tritt auf, wenn das Schwungrad bei nicht betätigten Bremsen 132 und 136 sowie nicht betätigter Kupplung 144 schneller läuft als die Kupplung 146.

Betrieb eines Automobils mit einem Antriebssystem gemäß den Figuren 3 und 4.

Anfängliches Laden des Schwungrades vor der Abfahrt.

Wenn ein Fahrzeug für eine längere Zeit geparkt worden ist, wird das Schwungrad 90' in seiner Umdrehungsgeschwindigkeit soweit abgenommen haben, daß diese unterhalb der gewünschten Geschwindigkeit liegt. Das Schwungrad kann durch zwei Methoden auf die gewünschte Geschwindigkeit gebracht werden. Zunächst sei angenommen, daß das Schwungrad anfangs in Ruhe ist. Das Schwungrad kann automatisch durch den Motor in einer Gesamtzeit von etwa 20 Sekunden aufgeladen, d.h. auf die gewünscht«=¹ Drehgeschwindigkeit gebracht werden. Eine geringe Kraftstoffmenge könnte eingespart werden, wenn das Schwungrad über den Motor 112 aufgeladen wird, der zeitweilig mit einer Spannungsquelle, so z.B. einer Haushaltssteckdose verbunden wird. Die Zeit, um das Schwungrad anfangs zu laden, wird durch die Verwendung eines Schwungrades reduziert, das klein ist im Vergleich mit in anderen Fahrzeugen verwendeten. Bei einem Kraftfahrzeug mit einem Testgewicht von ca. 1910 Kilogramm (4300 lbs) würde das Schwungrad eine Gesamtenergie von etwa 0,2 PS (150 V/h) bei maximaler Geschwindigkeit haben.

Das anfängliche Laden des Schwungrades durch den Motor 112 geht folgendermaßen vor sich. Alle Bremsen und Kupplungen sind ausgerückt ausgenommen einerParkbremse 148.

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Der Motor 112 treibt das Rad 86' und die Drehmoment-Wandlerkupplung 88' an. Die Bremse 120 wird in das Stator-Reaktionselement eingerückt. Wenn der Motor 112 die erforderliche Geschwindigkeit der Welle 114 mitteilen kann, so wird diese einfach beschleunigt, bis ein hier nicht gezeigter Sensor , der Geschwindigkeitssignale für das Schwungrad mißt, Signale zu einem Kontrollgerät liefert, daß die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Die Bremsen 132 oder 136 können eingerückt werden, wenn höhere Schwungradgeschwindigkeiten erforderlich sind. Zu diesem Zeitpunkt beendet das Kontrollgerät die Ladeoperation und schaltet ein Signallicht auf dem Armaturenbrett an, um den Fahrer zu informieren, daß die maximale Beschleunigung vorhanden ist. Es ist allerdings ein wenig unbequem, den Motor 112 mit einer elektrischen Spannungsquelle vor dem Start des Kraftfahrzeuges zu verbinden und dann diese Verbindung wieder zu trennen.

Wenn das Schwungrad wie oben beschrieben geladen wird, so kann der Antriebsmotor anfangs mit Hilfe des Schwungrades gestartet werden, ohne daß hierzu eine Batterie oder ein Startermotor verwendet werden muß. Dies geht wie folgt vor sich. Anfänglich sind a 1Ie^ Kupplungen und Bremsen ausgerückt, ausgenommen die Parkbremse 148. Das stufenlose automatische Getriebe 64¹ wird auf das Drehzahlverhältnis 1/2,25 eingestellt. Die Bremse 136 ist dann in Eingriff. Dann wird die Bremse 72' eingerückt, wodurch in Folge der Antriebsmotor angeworfen wird.

Bei Verwendung des Motors 112 wird der Antriebsmotor wie folgt gestartet. Anfänglich sind alle Kupplungen und Bremsen ausgerückt, ausgenommen die Parkbremse 148. Das Übersetzungsverhältnis ist auf Minimum, d.h. 1/2,25 eingestellt; das übersetzungsverhältnis stellt sich automatisch auf diesen Wert zurück, wenn der Antriebsmotor nicht läuft. Der Motor 112 wird in Betrieb gesetzt, anschließend wird die Bremse 72* eingerückt, wodurch in Folge der Antriebsmotor angeworfen wird. Dieser Vorgang kann

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von Hand geregelt werden mit Hilfe eines herkömmlichen federgestützten Starterschalters, der eigens hierfür vorgesehen wird.

Das Schwungrad kann anfangs auch durch den Antriebsmotor 62' wie folgt geladen werden. Wenn der Antriebsmotor läuft, so daß er ohne Schaden belastet werden kann, wird das übersetzungsverhältnis des stufenlosen automatischen Getriebes 64' auf 2,25/1 eingestellt. Die Bremse 120 wird eingerückt und anschließend die Bremse 72'. Danach wird die Drosselklappe des Antriebsmotors weit geöffnet. Wenn die maximal erlaubte Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotores erreicht ist, wird das Getriebe 64' so eingestellt, daß das Schwungrad weiterhin beschleunigt wird, bis die gewünschte Drehgeschwindigkeit des Schwungrades erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Antriebsmotor bis auf Leerlauf zurückgedrosselt, das Schwungrad wird die Kupplung 146 überlaufen, die Bremse 72' und die Bremsen 120 werden ausgerückt und ferner wird das Bereitschaftslicht am Armaturenbrett zum Aufleuchten gebracht. Der Antriebsmotor wird auf Leerlaufdrehgeschwindigkeit gehalten, wenn ein automatischer Sensor die Aufwärmung des Motors nach der Anlaufzeit feststellt, bis das Fahrzeug gestartet,, oder abgeschaltet wird.

Anfahren

Das Kraftfahrzeug wird aus dem Stand in Bewegung gesetzt, indem der Fahrer ähnlich wie bei einem Kraftfahrzeug mit einem herkömmlichen automatischen Getriebe den Wählhebel des Getriebes in Fahrposition bringt, anschließend das Gaspedal hinunterdrückt und die Beschleunigung durch den Druck auf das Gaspedal und/oder die Position auf diesem kontrolliert. Das automatische Getriebe wählt automatisch von einem der drei zur Verfügung stehenden Gänge einen aus, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das Schwungrad geladen ist und/oder der Antriebsmotor läuft. Diese Antriebsarten sind: (1) Anfahren ohne Hilfe des Schwungrades, (2) Anfahren mit Schwungradunterstützung und laufendem Motor und

(3) Anfahren mit Schwungradunterstützung bei nicht laufendem Motor. Fahren ohne Schwungradunterstützung tritt automatisch auf, wenn bei niedriger Geschwindigkeit des Schwungrades eine Beschleunigung gewünscht wird. Die Beschleunigung ist dann nur gering, da der kleine Motor die einzige Leistungsquelle ist. Wenn der Wählhebel des automatischen Getriebes in der Fahrposition ist, wird die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors auf Leerlaufdrehgeschwindigkeit heruntergesenkt und der Übersetzungsgrad des stufenlosen Getriebes wird auf Maximum , d.h. 2,25/1 eingestellt; anschließend wird die Parkbremse 148 freigegeben und alle anderen Bremsen und Kupplungen werden ausgerückt. Wenn das Gaspedal niedergedrückt wird, wird der Antriebsmotor beschleunigt, die Bremse 119 wird eingerückt und das Fahrzeug startet. Die Beschleunigung setzt sich fort, indem die Drehzahl des Antriebsmotors erhöht wird, bis die maximal erlaubte Motordrehzahl erreicht ist. Danach kann weitere Beschleunigung nur erreicht werden, indem das Übersetzungsverhältnis des automatischen Getriebes neu eingestellt wird. Wenn das übersetzungsverhältnis des stufenlosen automatischen Getriebes die Hälfte des Maximums erreicht, wird der Gang gewechselt, indem die Bremse 119 und die Kupplung 68 ausgerückt, die Kopplung 66' jedoch eingerückt werden und anschließend das Übersetzungsverhältnis wieder auf Maximum erhöht wird. Weitere Beschleunigung und Fahrweise werden durch die automatischen Einstellungen des Übersetzungsverhältnisses und/oder der Antriebsmotordrehzahl wie bei herkömmlichen Automobilen mit automatischen Getrieben erreicht. Das automatische Getriebe arbeitet in der beschriebenen Art weiter, wenn eine Beschleunigung erwünscht ist, bis das Schwungrad durch Laden während des Fahrens und/oder während des Bremsens wie oben beschrieben auf Endgeschwindigkeit gebracht ist.

Anfahren mit Schwungradunterstützung und laufendem Motor.

Solches Anfahren läuft ab , wie oben im Zusammenhang mit dem Anfahren ohne Schwungradunterstützung beschrieben, bis

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ein automatischer Gangwechsel bei einer Geschwindigkeit von etwa 22,5 km/h (14 Meilen pro Stunde) erfolgt. Die Bremse 119 wird fneigegeben und die Bremse 136 wird eingerückt, so daß als Folge das Schwungrad die Ausgangswelle 80' mittels der Kegelräder 84' und 86' antreibt. Die Ausgangswelle 80' kann ein Differential für die Fronträder oder die Hinterräder mittels der Kegelräder 150 und 152 antreiben. Die Beschleunigung wird mit automatischer Einstellung der Antriebsmotorgeschwindigkeit und des über-Setzungsverhältnisses des automatischen Getriebes fortgesetzt, um die gewünschte Beschleunigungsrate zu erhalten, um ferner den Abfall der Geschwindigkeit des Schwungrades bei der Abgabe von Energie zu kompensieren und um die möglichst wirksamsten Betriebsbedingungen für den Antriebsmotor zu erzeugen. Bei ungefähr 48 km/h (30 Meilen pro Stunde) erfolgt ein weiterer automatischer Gangwechsel, indem die Bremse 132 eingerückt, die Bremse 136 ausgerückt wird. Ein letzter Gangwechsel erfolgt bei etwa 63 km/h (39 Meilen pro Stunde), indem die Kupplung 144 eingerückt, die Bremse 132 jedoch ausgerückt wird.

Anfahren mit Schwungradunterstützung und abgestelltem Motor tritt dann auf, wenn der Antriebsmotor warm ist und z.B. während langer Leerlaufzeit oder während einer Geschwindigkeitsabnahme ausgeschaltet worden ist. In diesem Fall liefert das Schwungrad Energie, um gleichzeitig das Fahrzeug zu beschleunigen und den Antriebsmotor zu starten. Wenn das Gaspedal heruntergedrückt wird, rückt die Kupplung 66' ein, ferner die Bremse 136 _Und anschließend wird die Bremse 72' mit einer Geschwindigkeit eingerückt, so daß der Planetenradträgerarm 106 in etwa 0,5 bis 1,0 Sekunden angehalten wird. In Folge hiervon wird das Schwungrad die Ausgangswelle 80' mittels der Kegelräder 84' und 86' antreiben, ebenso werden die Kegelräder 74' und 108 ihrerseits das Hohlrad 104 antreiben und somit den Antriebsmotor über das automatische Getriebe zum Start anwerfen. Sobald Sensoren anzeigen, daß der Antriebsmotor läuft, wird die Kupplung 66' ausgerückt.

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Die Beschleunigung wird fortgesetzt, wie oben für das Anfahren mit Schwungradunterstützung und laufendem Motor beschrieben worden ist.

Wenn der Druck auf das Gaspedal nachgelassen wird, entsprechend einem Signal, mit der gerade vorhandenen Geschwindigkeit zu fahren, dann wird die Kupplung 68 ausgerückt, die Kupplung 66V eingerückt und alle anderen Kupplungen und Bremsen ausgerückt, ausgenommen derjenigen Teile, die zu einer Ladung des Schwungrades während des Fahrens dienen, wie dieses oben beschrieben worden ist. Eine stetige Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch Einstellungen der Übersetzungsverhältnisse des automatischen Getriebes und der Motordrehzahl sowie der Drosselklappenstellungerreicht, die automatisch geregelt werden, um so die optimale Wirksamkeit für den Antriebsmotor zu erzeugen.

Für jede Fahrzeuggeschwindigkeit ist ein vorbestimmter Bereich von Geschwindigkeiten für das Schwungrad gegeben, der als Minimun, Durchschnitt und Maximum bezeichnet werden soll. Die maximale Schwungradgeschwindigkeit für ein stehendes Kraftfahrzeug ist die höchste Betriebsdrehzahl für das Schwungrad. Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist die Drehzahl des Schwungrades, die sich aus einer mittleren Rückgewinnung der Bremsenergie beim Abbremsen des Kraftfahrzeuges aus einer höheren Geschwindigkeit ergibt. Während der Beschleunigung wird die Beziehung zwischen der von dem Schwungrad abgegebenen Leistung und der von dem Antriebsmotor abgegebenen Leistung durch die Schwungradgeschwindigkeit und das Übersetzungsverhältnis des Schwungrades so geregelt, daß das Schwungrad so nahe wie möglich an der Durchschnittsdrehzahl bei jeder Kraftfahrzeuggeschwindigkeit gehalten wird. Hiermit kann vom Schwungrad etwa der gleiche Energiebetrag bei einer Beschleunigung des Fahrzeuges von der Geschwindigkeit V₁ auf die Geschwindigkeit V₂ zur Verfügung gestellt werden, der dann auch wiedergewonnen und für weiteren Gebrauch nach der Abbremsung von der Geschwindigkeit V2 auf die Geschwindig-

-21-keit V₁ gespeichert wird.

Laden des Schwungrades während des Fahrens.

Die Schwungradgeschwindigkeit kann während des Fahrens dadurch erhöht werden, daß der elektrische Motor 112 mit Strom von der Lichtmaschine und/oder der Batterie versorgt wird. Ein derartiges Laden kann nach den folgenden Kriterien begonnen und fortgesetzt werden. Unabhängig von dem Zustand des Antriebsmotors kann Laden begonnen und bis zu der Minimum-Schwungradgeschwindigkeit foxtgesetzt werden. Oberhalb der Minimum-Drehzahl wird das Laden fortgesetzt oder bis auf die Durchschnittsgeschwindigkeit angehoben, solange der Antriebsmotor unterhalb der maximalen erlaubten Leistung arbeitet. Oberhalb der Durchschnitts-Drehzahl wird nur dann aufgeladen, wenn die Belastung für den Antriebsmotor zvi einer vorher festgesetzten Verbesserung im spezifischen Kraftstoffverbrauch führen würde, als wenn der Antriebsmotor mit Halbgas liefe.

Geschwindigkeitsminderung und Bremsen.

Wird dar meiste Druck auf das Gaspedal von dem Fahrer fortgenommen entsprechend einem Kommando, die Geschwindigkeit zu verringern, wird ein Bremsbetrieb eingeleitet, wobei die 3remsung allmählich ansteigt/ wenn der Druck auf das Gaspedal weiter nachgelassen wird und anschließend das Bremspedal mit ansteigendem Druck getreten wird. Die Bremsaktion wird in mehreren Schritten ausgeführt, indem zunächst der Kraftstofffluß zu dem Antriebsmotor abgestellt und das Übersetzungsverhältnis des automatischen Getriebes auf Minimum für die geringste Fahrzeuggeschwindigkeit umgestellt werden. Anschließend wird bei einer Geschwindigkeit oberhalb etwa 29 km/h (18 Meilen pro Stunde) die Kupplung 68' eingerückt oder bei einer Geschwindigkeit unterhalb etwa 29 km/h (18 Meilen pro Stunde) die Bremse 72 eingerückt, so daß in Folge das Kegelrad 84 mit der Drehzahl oder mit der Hälfte der Drehzahl der Ausgangs-

welle 80' rotiert; anschließend wird die Bremse 120 , dann die Bremse 136 eingerückt, anschließend wird die Bremse 136 freigegeben und die Bremse 132 betätigt. Dann wirken die Fahrzeugradbremsen zunächst auf das Radpaar, das nicht mit dem Antrieb gekoppelt ist und erst anschließend zur maximalen Abbremsung auf alle vier Räder. Wenn über das Gaspedal wiederum der Befehl gegeben wird, normale Fahrt aufzunehmen oder zu beschleunigen, werden die Bremsen losgelassen, die Kupplung 68' wird ausgerückt und die Kupplung 66' wird eingerückt; außerdem wird der Kraftstofffluß zu dem Antriebsmotor wieder aufgenommen und auch das übersetzungsverhältnis des stufenlosen Getriebes wird auf Fahrt eingestellt. Nach dem Start des Antriebsmotors fährt das Kraftfahrzeug wie oben beschrieben; wenn eine Beschleunigung verlangt wird, wird progressiv je nach Anforderung die gewünschte Kraftflußmenge eingestellt, der Antriebsmotor wird auf Vollgas gebracht, dann auf Höchstgeschwindigkeit, anschließend wird die Kupplung 68' eingerückt, dann die Kupplung 144 oder die Bremse 136 bzw. die Bremse 132 eingerückt,und zwar in Abhängigkeit von der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit und der Drehzahl des Schwungrades, wie dieses oben für den Vorgang der Beschleunigung beschrieben worden ist.

Leerseite

Claims

332H33

Antriebsmotorsystem für Kraftfahrzeuge

Patentansprüche

Verfahren zum Liefern von Leistung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges mit einem drei Elemente aufweisenden Differentialgetriebe, mit einer Ausgangswelle, die an ihrem einen Ende in Wirkverbindung mit Fahrzeugrädern und an ihrem anderen Ende in Wirkverbindung mit den Differentialgetriebe steht, ferner mit einem Antriebsmotor, der in Wirkverbindung mit dem Differentialgetriebe steht und mit einem in Wirkverbindung mit dem Differentialgetriebe stehenden, Energie ansammelnden Schwungrad, in den durch Beschleunigung seiner Drehgeschwindigkeit Energie von Zeit zu Zeit gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a. die Ausgangswelle (24),der Antriebsmotor (12) und das Schwungrad (34) jeweils mit einem der Elemente (18, 20, 28) des Differentialgetriebes (16) verbunden sind, und daß

b. Antriebsleistung zum Antrieb der Kraftfahrzeugräder geliefert wird, indem dar Antriebsmotor das zweite

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Element (18) des Differentialgetriebes (16) antreibt, wenn das Schwungrad rotiert, so daß Antriebsmotor (12) und Schwungrad (34) gleichzeitig die Ausgangswelle (24) über das Differentialgetriebe antreiben, wobei die Geschwindigkeit der Kraftfahrzeugräder unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades variiert oder konstant bleiben kann, und wobei die Ausgangswelle (24) angetrieben wird, indem das Antriebsdrehmoment, das auf das zweite Element des Differentialgetriebes durch den Antriebsmotor ausgeübt wird, variabel einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad über einen Drehmomentwandler (88, 88') angetrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der in dem Schwungrad (34) gespeicherten Energie Energie ist, die aus dem Abbremsen der Kraftfahrzeugräder erhalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorher Tollenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bremskraft auf die Ausgangswelle (24) ausgeübt wird, indem eine Bremskraft gegenüber der Drehung des zweiten Elementes des Differentialgetriebes zum Antreiben des Schwungrades ausgeübt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad zur Unterstützung des Antriebsmotors während der Beschleunigung verwendet wird.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (12) mit dem Differentialgetriebe über ein stufenloses Getriebe (64, 64') verbunden ist, welches seinerseits über eine Kupplung (66, 66') mit dem zweiten Element (74, 74') des Differentialgetriebes verbunden ist.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe ein Kegelraddifferentialgetriebe ist, und daß das erste, zweite und dritte Element (20, 22; 18; 28) des Differentialgetriebes der Kegelradträger bzw. die beiden Differentialseitenräder sind.
8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differential ein internes/externes Planetenradgetriebe ist, und daß das erste, zweite und dritte Element jeweils ein Planetenradträger (106), ein Hohlrad (104) und ein Sonnenrad (108) sind.
9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmotor mit dem Differentialgetriebe über einen Planetenradträger (106) verbunden ist, welcher Planetenräder (110) stützt, die mit einem mit dem Antriebsmotor verbundenen Hohlrad (104) und einem Sonnenrad (108) kämmen, wobei das Sonnenrad (108) mit dem zweiten Element des Differentials verbunden ist, und daß der Planetenradträger einen freien Schaft der Ausgangswelle , die durch das Differentialgetriebe hindurchragt, umgibt.
10. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bremse (32') zwischen dem Antriebsmotor und dem zweiten Element des Differentialgetriebes, um eine Bremskraft auf dieses auszuüben, so daß in Folge das dritte Element das Schwungrad antreibt.