DE3419958C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat mit den Merkmalen, die im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben sind. Danach ist außer einer Antriebsmaschi­ ne und einem Gangschaltgetriebe insbesondere ein Schwungradspeicher vorgesehen. Dieser kann im Trak­ tionsbetrieb zum Beschleunigen des Fahrzeuges beitra­ gen, wobei er entladen wird, d. h. Rotationsenergie ab­ gibt. Außerdem kann der Schwungradspeicher zum Ab­ bremsen des Fahrzeugs herangezogen werden, wobei er aufgeladen wird, d. h. Rotationsenergie aufnimmt. Somit kann die Bremsenergie wieder nutzbar gemacht wer­ den. Zur Kraftübertragung vom Schwungradspeicher zur Ausgangswelle oder umgekehrt ist bekanntlich ein stufenlos verstellbarer Drehzahlwandler erforderlich, weil die Drehzahl des Schwungradspeichers beim Entla­ den ständig abnimmt und beim Aufladen ständig zu­ nimmt. Das Antriebsaggregat ist vorzugsweise für Stadtverkehrs-Omnibusse, aber auch für Nahverkehrs- Schienenfahrzeuge vorgesehen.

Stand der Technik

1. Aufsatz "Stufenloses Getriebe für den Daimler- Benz Gyrobus" von S. Hainmüller, 1979 2. DE-PS 6 29 771, 3. DE-PS 30 13 024, 4. DE-PS 26 14 476, 5. US-PS 29 35 899, 6. DE-PS 16 00 191.

Die Erfindung geht aus von einem der Antriebsaggre­ gate, die aus der Durckschrift 1 bekannt geworden sind. Am nächsten kommt die in Bild 2 mit B1 bezeichnete Ausführungsform. Als stufenloser Drehzahlwandler ist dort ein hydrostatisches Getriebe vorgesehen mit einer Einrichtung zum Verstellen des Übersetzungsverhält­ nisses, z. B. in Form einer Verstelleinrichtung für die Exzentrizität des Rotors. Die jeweils gewählte Verstell- Geschwindigkeit oder die Verstellkraft bestimmt (zu­ sammen mit anderen Faktoren) die Höhe des übertrage­ nen Drehmoments und somit die Höhe der Fahrzeug-Be­ schleunigung bzw. -Verzögerung, soweit sie aus einer Drehzahländerung des Schwungradspeichers resultiert. Dabei geht mit jedem Aufladen oder Entladen des Schwungradspeichers ein kontinuierliches Ändern der Übersetzung des hydrostatischen Getriebes einher. Die Verwendung stufenlos verstellbarer hydrostatischer Getriebe ist mit dem Nachteil verbunden, daß derartige Getriebe verhältnismäßig schwer, kompliziert im Auf­ bau und verschleißanfällig sind. In der Regel verursa­ chen sie auch störende Geräusche. Andererseits haben sie den Vorteil, daß man durch einfachen Wechsel der Verstellrichtung der Einrichtung zum Verstellen des Übersetzungsverhältnisses (Übergang von positiver zu negativer Drehmomentübertragung oder umgekehrt) sehr rasch vom Traktions- zum Bremsbetrieb oder um­ gekehrt übergehen kann.

Das bekannte Antriebsaggregat hat außerdem den Vorteil, daß ein hydrostatisches Getriebe mit einem ver­ hältnismäßig kleinen Übersetzungsbereich verwendet werden kann. Denn durch das Vorhandensein des Stu­ fenschaltgetriebes und durch die im Teil d des Patentan­ spruchs 1 beschriebene Steuereinrichtung wird erreicht, daß bei einem Beschleunigungs- oder Bremsvorgang derjenige Übersetzungsbereich des hydrostatischen Getriebes, in dem wirkungsgradgünstige Betriebspunk­ te liegen, mehrmals nacheinander durchfahren werden. Diese im Prinzip recht günstige Methode stellt aber hohe Anforderungen an die Steuerung der Überset­ zungsstelleinrichtung des hydrostatischen Getriebes. Denn jedesmal wenn bei einer Annäherung der Über­ setzung an eine der Grenzen des Übersetzungsberei­ ches ein Umschalten des Gangschaltgetriebes erforder­ lich ist, dann muß auch innerhalb kürzester Zeit eine präzise, dem Stufensprung des Gangschaltgetriebes entsprechende Änderung des Übersetzungsverhältnis­ ses des hydrostatischen Getriebes stattfinden. Gelingt dies nicht, so ist mit jedem Umschalten des Gangschalt­ getriebes ein Drehmomentstoß verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein An­ triebsaggregat mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs zu schaffen, was wie bisher durch Um­ schalten des Gangschaltgetriebes ein mehrmaliges Durchfahren des wirkungsgradgünstigen Betriebsberei­ ches des Drehzahlwandlers gestattet, aber hierbei mit einfacheren Mitteln als bisher ein stoßfreies Umschalten gewährleistet. Außerdem soll es so gestaltet sein, daß für das erforderliche Gangschaltgetriebe ein vorhande­ nes, serienmäßig hergestelltes Getriebe verwendet wer­ den kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es ist zwar schon seit langer Zeit aus der Literatur bekannt (Druckschrift 2), zum Aufladen und zum Entla­ den eines Sprungradspeichers eine hydrodynamische Kupplung zu verwenden; siehe z. B. die Kupplung K mit veränderbarem Füllungsgrad in der Fig. 5 der Druck­ schrift 2. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Übersetzungsbereich der hydrodynamischen Kupplung bei jedem Beschleunigungs- oder Bremsvor­ gang nur ein einziges Mal durchfahren werden kann, so daß jeweils der wirkungsgradgünstige Betriebsbereich nur ein einziges Mal erreicht wird. Mit anderen Worten: Die hydrodynamische Kupplung arbeitet in großen Tei­ len ihres Betriebsbereiches mit sehr hohem Schlupf und deshalb mit hohen Verlusten.

Die Druckschrift 5 beschreibt ein Antriebsaggregat mit einer Antriebsmaschine, einem Gangschaltgetriebe und einem Schwungradspeicher, worin die Kraftüber­ tragung vom Schwungradspeicher zur Ausgangswelle über eine hydrodynamische Kupplung und über das ge­ nannte Gangschaltgetriebe stattfindet. In umgekehrter Richtung findet die Kraftübertragung von der Aus­ gangswelle über das Gangschaltgetriebe und über die hydrodynamische Kupplung zurück in den Schwung­ radspeicher statt. Das von der hydrodynamischen Kupplung übertragene Drehmoment ist durch Ändern des Kupplungs-Füllungsgrades einstellbar. Theoretisch ist es zwar bei diesem bekannten Antriebsaggregat möglich, beispielsweise während einer Traktions-Phase unter Entnahme von Rotationsenergie aus dem Schwungradspeicher, durch Umschalten des Gang­ schaltgetriebes den wirkungsradgünstigen Bereich der hydrodynamischen Kupplung mehrmals zu durchfahren. Nähere Einzelheiten hierüber sind jedoch in der Druck­ schrift 5 nicht offenbart.

Bei einem anderen bekannten Antriebsaggregat (Druckschrift 3) sind zwei hydrodynamische Kupplun­ gen vorgesehen, nämlich eine Ladekupplung und eine Entladekupplung. Der Betriebsbereich der Entlade­ kupplung ist durch zwei Maßnahmen verhältnismäßig klein gehalten. Zum einen wird der Entladevorgang erst oberhalb einer bestimmten Mindestdrehzahl der Aus­ gangswelle (etwa bei 50% der maximalen Drehzahl der Ausgangswelle) in Gang gesetzt. Zum anderen ist dort das Schaltgetriebe ein rein hydrodynamisches Getriebe, in dem die Drehmomentübertragung (im gesamten Fahrgeschwindigkeitsbereich) stets über einen Dreh­ momentwandler stattfindet. Somit erfolgt auch das Übertragen der aus dem Schwungradspeicher entnom­ menen Rotationsenergie nacheinander über die genann­ te Entladekupplung und einen hydrodynamischen Dreh­ momentwandler, wobei der letztere den überwiegenden Teil der notwendigen stufenlosen Wandlung des Dreh­ zahlverhältnisses zwischen dem Schwungradspeicher und der Ausgangswelle übernimmt. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist darin zu sehen, daß die hydrodynami­ schen Drehmomentwandler naturgemäß nicht in der Lage sind, Bremsmoment von der Ausgangswelle rück­ wärts in Richtung zum Schwungradspeicher zu übertra­ gen. Man benötigt deshalb dort zusätzlich die schon genannte Ladekupplung, welche die Ausgangswelle über Zahnräder (unter Umgehung der hydrodynami­ schen Wandler) mit dem Schwungradspeicher verbin­ det. Der insgesamt dort erforderliche Aufwand lohnt sich nur, wenn das hydrodynamische Getriebe, wie zum Beispiel in Schienenfahrzeugen, ohnehin vorhanden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsaggregat ist nun - wie beim Gegenstand der Druckschrift 5 - nur eine einzige schlupffähige Kupplung (vorzugsweise hy­ drodynamische Kupplung) vorgesehen. Trotzdem wird ein guter durchschnittlicher Wirkungsgrad erzielt; denn die Erfindung macht von dem aus der Druckschrift 1 bekannten Gedanken Gebrauch, vom gesamten Über­ setzungsbereich des Drehzahlwandlers, d. h. nunmehr der Schlupfkupplung, nur einen verhältnismäßig kleinen Teil zu nutzen; d. h. man läßt die Schlupfkupplung im­ mer nur in einem Betriebsbereich mit kleinen Schlupf- Werten arbeiten und läßt sie diesen Betriebsbereich mehrmals nacheinander durchfahren. Die in diesem Zu­ sammenhang erforderliche und oben schon erwähnte Steuereinrichtung (siehe Teil d des Anspruchs 1) kann hierbei mit viel geringerem Aufwand als bei dem An­ triebsaggregat gemäß Druckschrift 1 das Umschalten des Gangschaltgetriebes auslösen, wenn der Kupp­ lungsschlupf seine unteren Grenzen erreicht hat. Denn einer solchen Schlupfkupplung kann ohne weiteres eine plötzliche Erhöhung des Schlupfes aufgezwungen wer­ den. Im Falle einer hydrodynamischen Kupplung be­ steht zwar die Möglichkeit, daß aus einer plötzlichen Schlupferhöhung eine stoßartige Erhöhung des übertra­ genen Drehmoments resultiert. Jedoch kann man diese Gefahr mit einfachen Mitteln beseitigen, indem bekann­ te Maßnahmen (z. B. gemäß Druckschrift 4) zur selbsttä­ tigen raschen Teil-Entleerung der Kupplung vorgese­ hen werden.

Ein weiterer wesentlicher Schritt zum Brauchbar-Machen der erfindungsgemäß vorgesehenen Schlupf­ kupplung besteht im folgenden: Gemäß Teil f des An­ spruchs 1 ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, daß sie jeweils beim Übergang in den Traktionsbetrieb (bzw. beim Übergang in den Bremsbetrieb) durch Wahl eines geeigneten Übersetzungsverhältnisses im Schalt­ getriebe selbsttätig die Drehzahl der jeweils in Kraft­ flußrichtung ersten Kupplungshälfte auf einen Betrag einstellt, der größer ist als die Drehzahl der anderen Kupplungshälfte. Hierdurch wird gewährleistet, daß in­ nerhalb des Drehzahlbereiches des Schwungradspei­ chers jederzeit ein Ladevorgang (Bremsbetrieb) oder ein Entladevorgang (Traktionsbetrieb) eingeleitet wer­ den kann und daß genauso jederzeit vom Traktions­ zum Bremsbetrieb (oder umgekehrt) gewechselt wer­ den kann, ohne daß der Fahrer den jeweils erforderli­ chen Gang durch eigenes Zutun einschalten muß.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfol­ gend anhand der Zeichnung beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Antriebsaggregat.

Die Fig. 2 ist ein zu der Fig. 1 gehörendes Diagramm, worin die Drehzahlen n der wesentlichen Aggregat-Tei­ le über der Fahrgeschwindigkeit v aufgetragen sind.

Die Fig. 3 ist ein Diagramm mit unterschiedlichen Schwungrad-Drehzahl-Kurven.

In Fig. 1 treibt ein Brennkraftmotor 10 die Eingangs­ welle 11 eines Lastschaltgetriebes 12, z. B. eines Sechs­ gang-Getriebes, das eine Ausgangswelle 13 hat. Ein Schwungrad 14 ist an einer Welle 15 befestigt, mit dem auch das eine Schaufelrad 21 einer hydrodynamischen Kupplung 20 verbunden ist. Das andere Schaufelrad 22 ist über eine Welle 16 an ein Ritzel 17 gekoppelt; dieses kämmt mit einem Zahnrad 18, das mit der Eingangswel­ le 11 verbunden ist. Mit dem zuerst genannten Schaufel­ rad 21 rotiert eine Schale 23.

In die Kupplung 20 mündet eine Fülleitung 24, 24 a zum Zuführen einer Arbeitsflüssigkeit. Diese wird mit­ tels einer Pumpe 25 aus einem Flüssigkeitsbehälter 26 entnommen und über ein Mengensteuerventil 27 zuge­ führt. Das Ventil 27 ist mittels einer beispielsweise elek­ trischen Stelleinrichtung 28 verstellbar. Es kann zweck­ mäßig als Stromteilerventil ausgebildet sein, wie symbo­ lisch dargestellt; d. h. der über die Leitung 24 zugeführte Flüssigkeitsstrom gelangt teils über die Leitung 24 a in die Kupplung 20, teils über die Leitung 24 b zurück in den Behälter 26, wobei das Mengenverhältnis zwischen den Teilströmen beliebig eingestellt werden kann.

Die Kupplungsschale 23 hat mehrere ständig offene, gedrosselte Entleeröffnungen (in der Zeichnung nicht dargestellt). Durch diese kann ständig eine gewisse Ar­ beitsflüssigkeitsmenge aus dem Inneren der Kupplung entweichen, entweder direkt in den Flüssigkeitsbehälter 26 oder in ein feststehendes Kupplungsgehäuse 20 a. In diesem Fall ist an das Gehäuse 20 a eine Entleerleitung 29 angeschlossen, die in den Flüssigkeitsbehälter 26 mündet. Die Elemente 24 bis 29 dienen zum Verändern des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung 20.

Der Füllungsgrad bestimmt bekanntlich das bei ei­ nem bestimmten Drehzahlverhältnis (Schlupf) übertra­ gene Drehmoment. Vorzugsweise verwendet man eine Kupplung ähnlich Druckschrift 4. Diese bekannte Kupplung kann durch selbsttätiges Entleeren über eine zusätzliche Entleeröffnung das Kupplungs-Moment be­ grenzen. Dies ist wichtig vor allem während des Brems­ betriebs, d. h. beim Aufladen des Schwungrades 14, wenn das Lastschaltgetriebe 12 von einem Gang in den nächsten umgeschaltet wird. Deshalb wird man, ent­ sprechend der Lehre der Druckschrift 4 die Schale 23 an demjenigen Schaufelrad 21 befestigen, welches über die Welle 15 mit dem Schwungradspeicher 14 gekoppelt ist.

Der Motor 10 hat einen Laststeller 19 (z. B. an der Einspritzpumpe im Falle eines Dieselmotors). Eine Steu­ erzentrale 30 ist über die Steuerleitungen 31 bis 36 mit dem Lastschaltgetriebe 12 verbunden. Hierdurch kann die Steuerzentrale im Lastschaltgetriebe einen der sechs Gänge einlegen oder das Lastschaltgetriebe in den Leerlauf schalten. Eine weitere Steuerleitung 39 führt von der Steuerzentrale 30 zum Laststeller 19 des Motors 10. An den Wellen 15, 16 und 13 befinden sich Drehzahlmesser 41, 42 bzw. 43, von denen je eine Meß­ leitung 46, 47 bzw. 48 in die Steuerzentrale 30 führt. Mit einem Gaspedal 51 und mit einem Bremspedal 52 kann der Fahrer über Steuerleitungen 56 bzw. 57 die Höhe der gewünschten Beschleunigung bzw. Verzögerung in die Steuerzentrale eingeben. Außerdem ist ein Schalter 53 vorgesehen, mit dem ein Befehl zum Aufladen des Schwungradspeichers 14 mit Hilfe des Motors 10 gege­ ben werden kann.

Ein Regler 60 dient zum Einstellen des von der Kupp­ lung 20 übertragenen Drehmoments. Hierzu ist von der Meßleitung 46 eine Leitung 46 a abgezweigt und an den Eingang einer Differenziereinrichtung 61 angeschlos­ sen. Deren Ausgang liefert ein Meßsignal, das der jewei­ ligen Drehbeschleunigung bzw. Drehverzögerung des Schwungradspeichers 14 entspricht. Dieses Meßsignal wird über die Leitung 46 b als Ist-Wert dem Regler 60 zugeführt. Dieser Ist-Wert entspricht mit hoher Genau­ igkeit dem augenblicklich von der Kupplung 20 übertra­ genen Drehmoment. Der Regler 60 vergleicht diesen lst-Wert mit einem Soll-Wert, der über die Leitung 62 zugeführt wird, die an den Ausgang eines Oder-Gliedes 63 angeschlossen ist. An dessen Eingangsseite sind drei von der Steuerzentrale 30 kommende Leitungen 56 a, 57 a und 58 a angeschlossen. Die Steuerzentrale 30 liefert über die Leitung 56 a einen Soll-Wert, der dem am Gas­ pedal 51 eingestellten Beschleunigungswunsch ent­ spricht und über die Leitung 57 a einen anderen Soll-Wert, der dem am Bremspedal 52 eingestellten Verzö­ gerungswunsch entspricht. Der schließlich über die Lei­ tung 58 a zugeführte Soll-Wert ist in der Steuerzentrale 30 fest eingestellt und nur dann wirksam, wenn das Auf­ laden des Schwungradspeichers durch den Motor be­ fohlen ist. Wenn der Regler 60 feststellt, daß die vergli­ chenen Werte (Ist-Wert und Soll-Wert) voneinander ab­ weichen, dann bewirkt er über die Leitung 38 ein ent­ sprechendes Verstellen des Ventils 27 und hierdurch eine Änderung des Kupplungsfüllungsgrades, so daß sich das Kupplungsmoment an den jeweils eingestellten Sollwert angleicht.

In Fig. 2 zeigt die Kurve a das Abnehmen der Schwungrad-Drehzahl beim Beschleunigen des Fahr­ zeugs, beispielsweise zwischen 0 und 40 km/h. Darüber bleibt die Schwungraddrehzahl ungefähr konstant, auf ihrem kleinstmöglichen Wert n ₁. Die Kurve b zeigt das Ansteigen der Schwungrad-Drehzahl während eines Bremsvorganges, beispielsweise im Fahrgeschwindig­ keitsbereich zwischen 60 und etwa 10 km/h. Darunter wird bis zum Stillstand mechanisch gebremst, wobei die Schwungrad-Drehzahl wenigstens angenähert ihren maximalen Wert n ₂ beibehält. Die Zickzack-Linie c zeigt den Verlauf der Motordrehzahl (Drehzahl der Ein­ gangswelle 11) während eines Beschleunigungsvorgan­ ges, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ge­ triebeübersetzungen im Getriebe 12. Die entsprechen­ den Drehzahlen der Welle 16 (Zickzack-Linie d) betra­ gen beispielsweise das Vierfache der Motordrehzahlen, entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Zahnrä­ der 18, 17 (Hochgang). Die beim Bremsbetrieb (Aufla­ den des Schwungradspeichers 14) auftretenden Dreh­ zahlen der Welle 16 sind durch die Zickzack-Linie e dargestellt. Der entsprechende Drehzahlverlauf der Eingangswelle 11, reduziert im Verhältnis der Überset­ zung des Hochgangs 17, 18, ist durch die Zickzack-Linie f dargestellt.

Aufladen des Schwungradspeichers 14 bei stillstehendem Fahrzeug

Wie schon erwähnt, wird im allgemeinen vor dem Anfahren des Fahrzeuges der Schwungradspeicher 14 mit Hilfe des Motors 10 aufgeladen, ausgelöst durch den Taster 53 (Fig. 1). Die Steuerzentrale 30 hält hierbei das Lastschaltgetriebe 12 im Leerlauf, steuert den Motor 10 auf Vollast und führt dem Regler 60 über die Leitungen 58 a und 62 einen Soll-Wert zu. Hierdurch löst der Reg­ ler 60 das teilweise Füllen der Kupplung 20 aus, so daß das Hochfahren des Schwungradspeichers beginnt. Mit zunehmender Schwungrad-Drehzahl verringert sich der Kupplungsschlupf. Damit dennoch das von der Kupp­ lung übertragene Drehmoment wenigstens angenähert konstant bleibt, erhöht der Regler 60 den Füllungsgrad der Kupplung allmählich. Beim Erreichen der maxima­ len Schwungraddrehzahl stellt die Steuerzentrale den Motor 10 auf Leerlauf und den Sollwert in der Leitung 58 a auf Null, so daß der Regler 60 das Entleeren der Kupplung 20 auslöst.

Anfahren

Der Befehl zum Anfahren wird durch das Gaspedal 51 der Steuerzentrale 30 zugeführt. Diese bewirkt über die Leitung 31 das Einschalten des ersten Ganges im Ge­ triebe 12 und gibt über die Leitungen 56 a und 62 einen der Gaspedal-Stellung entsprechenden Sollwert an den Regler 60. Dieser bewirkt wieder über die Leitung 38 das teilweise Füllen der Kupplung 20 und steuert die Zunahme des Füllungsgrades der Kupplung abhängig von der Höhe des Beschleunigungswunsches. Im allge­ meinen wird die Drehzahl der Welle 16 bis zum Errei­ chen des Synchronlaufes des ersten Ganges des Schalt­ getriebes 12 auf demjenigen Wert gehalten, welcher der Leerlaufdrehzahl des Motors 10 entspricht (horizontale Linien d _o bzw. c _o in Fig. 2). Abweichend hiervon kann aber auch schon während des Synchronisierens des er­ sten Ganges ein Ansteigen dieser Drehzahl durch stär­ keres Erhöhen des Kupplungsfüllungsgrades erfolgen.

Weiteres Beschleunigen

Nach dem Erreichen des Synchronlaufes des ersten Ganges im Getriebe 12 wird die Höhe der Beschleuni­ gung des Fahrzeuges weiterhin durch die Stellung des Gaspedals 51 bestimmt. Der Regler 60 steuert dement­ sprechend die Zunahme des Kupplungsfüllungsgrades. Die Füllung des Motors 10 wird durch den Fahrer (oder durch die Steuerzentrale 30) nur in dem jeweils nötigen Maße erhöht, z. B. wenn ein erhöhter Fahrwiderstand dies erforderlich macht. Die Drehzahlen der Wellen 11 und 16 erhöhen sich nun entlang der dem ersten Gang zugeordneten Diagonalen c ₁ bzw. d₁. Die Schwungrad­ drehzahl nimmt ab, wie schon erwähnt, entlang der Kur­ ve a. Wenn sich die beiden Drehzahlwerte a und d ₁ einander weitgehend angenähert haben, z. B. beim Schlupf in der Kupplung 20 von nur noch ungefähr 3% (Mindestschlupf), dann befiehlt die Steuerzentrale 30 das Umschalten des Getriebes 12 in den zweiten Gang. Hierdurch sinken die Drehzahlen der Wellen 11 und 16 entlang von annähernd vertikalen Linien auf die Diago­ nale c ₂ bzw. d₂ des zweiten Ganges. Der Regler 60 steu­ ert gleichzeitig ein Zurücknehmen des Füllungsgrades in der Kupplung 20 derart, daß das Kupplungsmoment trotz des plötzlich vergrößerten Schlupfes wie bisher der Gaspedalstellung (d. h. dem Beschleunigungs­ wunsch) entspricht. Es erfolgt wieder ein Anstieg der Drehzahlen der Wellen 16 und 11 wie beim Betrieb im ersten Gang. Das beschriebene Spiel wiederholt sich bis schließlich der sechste Gang eingelegt ist.

Antrieb durch den Motor allein

Wenn beim Beschleunigen im sechsten Gang die Kupplung 20 erneut den Mindestschlupf erreicht hat, dann ist ein weiteres Entladen des Schwungradspeichers 14 nicht mehr möglich. Die Steuerzentrale 30 steuert nun den Sollwert in der Leitung 56 a auf Null, so daß der Regler 60 die Kupplung 20 entleert. Wenn weiterhin Beschleunigen befohlen wird, dann erhöht die Steuer­ zentrale 30 die Motorfüllung. Nun wird das Fahrzeug allein durch den Motor 10 beschleunigt oder auf einer konstanten Fahrgeschwindigkeit gehalten. Die Schwungraddrehzahl bleibt hierbei annähernd gleich (abgesehen von einer Drehzahlminderung infolge der üblichen geringfügigen Verluste). Die Drehzahl der Welle 16 steigt nun auf Werte oberhalb der Schwung­ raddrehzahl, entlang der Diagonalen d ₆ des sechsten Ganges.

Bremsen

Wird z. B. bei der Fahrgeschwindigkeit 60 km/h ein Bremsbefehl erteilt, so leitet die Steuerzentrale die am Bremshebel 52 eingestellte Höhe der gewünschten Ver­ zögerung als Sollwert über die Leitungen 57 a und 62 an den Regler 60. Dieser löst wieder das Füllen der Kupp­ lung 20 aus, so daß der Schwungradspeicher 14 aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs aufgeladen wird. Der Füllungsgrad der Kupplung wird hierbei wieder durch den Regler 60 laufend erhöht. Der Regler steuert die Zunahme des Füllungsgrades derart, daß die Drehbe­ schleunigung des Schwungrades 14 das gewünschte Bremsmoment erzeugt. Bei eingeschaltetem sechsten Gang nimmt die Drehzahl der Welle 16 entlang der Diagonalen e ₆ ab, bis der Kupplungsschlupf wieder den Mindestwert erreicht. Hierdurch wird das Zurückschal­ ten des Getriebes 12 in den fünften Gang ausgelöst, wodurch die Drehzahlen der Wellen 11 und 16 entlang einer ungefähr vertikalen Linie ansteigen. Hierbei ver­ ringert der Regler 60 den Füllungsgrad der Kupplung entsprechend dem Anstieg des Schlupfes, und das Spiel beginnt von neuem. Das Aufladen des Schwungradspei­ chers 14 (und das hieraus resultierende Abbremsen des Fahrzeugs) ist beendet, wenn bei eingeschaltetem er­ sten Gang der Mindestschlupf in der Kupplung 20 er­ reicht ist. In diesem Betriebspunkt steuert die Steuer­ zentrale 30 den Sollwert in der Leitung 57 a auf Null, so daß der Regler 60 die Kupplung 20 entleert. Das Fahr­ zeug wird nun bei Bedarf vollends mit den Reibungs­ bremsen zum Stillstand gebracht.

In Fig. 2 wurde angenommen, daß gleichbleibende Beschleunigung bzw. Verzögerung befohlen wird, wes­ halb die Kurven a und b stetig gekrümmt sind. Es ver­ steht sich, daß auch andere Verläufe dieser Kurven möglich sind, wenn z. B. während eines Bremsvorganges das Bremspedal 52 verstellt wird. Naturgemäß hängt der Verlauf der Kurven auch von der Höhe der Schwungmasse des Schwungradspeichers 14 ab.

Weiterhin versteht es sich, daß ein Aufladen des Spei­ chers 14 (Bremsvorgang) bei zahlreichen beliebigen Fahrgeschwindigkeiten eingeleitet werden kann, z. B. bei Höchstgeschwindigkeit, wobei die den Anstieg der Schwungrad-Drehzahl darstellende Bremskurve b′ im Punkt M beginnt. Genauso kann ein Bremsvorgang un­ mittelbar nach einem Beschleunigungsvorgang eingelei­ tet werden, so z. B. auch schon, bevor das Schwungrad seine Minimal-Drehzahl n ₁ erreicht hat. Siehe z. B. Be­ ginn der Bremskurve b′′ im Punkt N. In diesem Falle schaltet die Steuereinrichtung 30 (gemäß Merkmal g des Anspruchs 1) zu Beginn des Bremsvorgangs das Getrie­ be 12 unmittelbar in den vierten Gang, damit die Dreh­ zahl der Welle 16 (Diagonale e ₄) größer ist als die Schwungrad-Drehzahl.

Beim bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel er­ geben sich im Bremsbetrieb (d. h. beim Aufladen des Speichers) verhältnismäßig hohe Drehzahlen für den Motor 10 und die Welle 11, wie dies die Zickzacklinie f zeigt. Um den Motor 10 vor diesen hohen Drehzahlen zu schützen, kann zwischen Motor 10 und Zahnrad 18 eine Schaltkupplung 50 oder ein Freilauf angeordnet werden. Hierdurch kann der Motor beim Bremsen ab­ geschaltet werden, wodurch Kraftstoffverbrauch und Schleppverluste verringert werden. Auch kann man bei Bedarf allein mit dem Schwungrad, also ohne Motor anfahren; d. h. der Motor wird erst dann wieder einge­ schaltet, wenn das Fahrzeug die Haltestelle verlassen hat. In diesem Fall braucht das Getriebe 12 nicht (wie oben angenommen) einen schlupffähigen ersten Gang zu haben, z. B. mit einem Drehmomentwandler. Viel­ mehr übernimmt hier die Kupplung 20 die Funktion des Anfahr-Getriebegliedes, indem sie das ganze Aggregat einschließlich der Wellen 11 und 16 aus dem Stillstand hochfährt.

Umgekehrt kann aber auch vorgesehen werden, daß mit dem Motor 10 allein angefahren wird, insbesondere wenn - wie schon erwähnt - das Lastschaltgetriebe 12 ein Anfahr-Getriebeglied (Wandler, schlupffähige Kupplung od. dgl.) aufweist.

Anstelle oder zusätzlich zu der Schaltkupplung 50 kann zwischen der Kupplung 20 und dem Lastschaltge­ triebe 12 ein zusätzliches Zwei-Gang-Schaltgetriebe 40 vorgesehen werden, das durch die Steuerzentrale 30 über die Leitungen 44 und 45 gesteuert wird. In Fig. 1 ist angenommen, daß die Hochgangzahnräder 17, 18 (die eine Übersetzung von z. B. 1 : 4 zwischen den Wellen 11 und 16 herstellen) beibehalten werden. In diesem Fall kann in dem zusätzlichen Getriebe 40 der eine Gang (Direktgang) die Übersetzung 1 : 1 und der andere Gang (Schnellgang) die Übersetzung 1 : 1,5 haben, so daß eine Gesamt-Übersetzung von 1 : 6 entsteht. Die gleiche Wirkung kann aber auch dadurch erzielt wer­ den, daß der Hochgang 17/18 und das Zweigang-Ge­ triebe 40 zu einem einzigen Getriebe (zweistufiges Hochganggetriebe) vereinigt werden.

Wirkung des Zwei-Gang-Schaltgetriebes 40

Beim Beschleunigen befindet sich das Getriebe 40 im Direktgang (Übersetzung 1 : 1), so daß kein Unterschied gegenüber vorher zu verzeichnen ist. Nun sei angenom­ men, ein Bremsvorgang beginne wieder (wie oben im Abschnitt "Bremsen") bei v = 60 km/h und bei der mini­ malen Schwungraddrehzahl n ₁. Das Zusatzgetriebe 40 befindet sich zunächst noch im Direktgang, so daß die Drehzahl der Welle 16 (wie oben) entlang der Diagona­ len e ₆ abnimmt und die Drehzahl der Welle 11 entlang der Diagonalen f ₆. Hat der Kupplungsschlupf wieder den Mindestwert erreicht (bei etwa 57 km/h), so wird nunmehr nicht das Lastschaltgetriebe 12, sondern das Zusatzgetriebe 40 umgeschaltet, in den obengenannten Schnellgang. Es ist angenommen, der Stufensprung im Zusatzgetriebe 40 sei gleich dem Stufensprung im Last­ schaltgetriebe 12. Deshalb verändert sich nun die Dreh­ zahl der Welle 16 genauso entlang der Zickzacklinie wie in dem Beispiel ohne Zusatzgetriebe. Die Drehzahl der Welle 11 verringert sich dagegen weiterhin entlang der Diagonalen f ₆. Erst wenn der Kupplungsschlupf zum zweiten Mal den Mindestwert erreicht (bei etwa 42 km/h), wird das Lastschaltgetriebe 12 vom sechsten Gang in den fünften Gang umgeschaltet; das Zusatzgetriebe 40 bleibt im Schnellgang. Danach läuft der Bremsvorgang genauso ab wie im ersten Beispiel. Man sieht aber, daß die Drehzahl der Welle 11 nunmehr entlang einer viel niedrigeren Zickzacklinie f′ (strichpunktiert) verläuft. Diese niedrigeren Drehzahlen sind einerseits in der Re­ gel für alle üblichen Motoren zulässig und andererseits auch für das Lastschaltgetriebe 12 günstiger, weil in diesem weniger Verluste und Geräusche verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß im unteren Fahrge­ schwindigkeitsbereich sowohl beim Entladen als auch beim Aufladen des Speichers 14 ein zusätzlicher Gang zur Verfügung steht (in Fig. 2 nicht dargestellt).

Abweichend von Fig. 1 kann das zusätzliche Schalt­ getriebe 40 nicht zwischen Kupplung 20 und Hochgang 17, 18, sondern zwischen Kupplung 20 und dem Schwungrad 14 angeordnet werden. Andere Variations­ möglichkeiten bestehen darin, daß die Wellen 11 und 16 durch ein Winkelgetriebe verbunden werden können und somit zueinander nicht parallel, sondern unter ei­ nem bestimmten Winkel angeordnet sind, oder darin, daß man das Schwungrad 14, die Kupplung 20 und das Hochganggetriebe koaxial zur Welle 11 anordnet.

Die Fig. 3 zeigt eine wichtige Möglichkeit zur weite­ ren Ausgestaltung der Erfindung. Dargestellt sind dort mehrere verschiedene Kurven, die der Kurve a der Fig. 2 entsprechen und das Abnehmen der Schwungrad- Drehzahl n _s beim Beschleunigen des Fahrzeugs zeigen. Wesentlich ist, daß alle diese Kurven bei einer bestimm­ ten Fahrgeschwindigkeit (z. B. 60 km/h), die wenig unter der Höchstgeschwindigkeit liegt, die minimale Schwungrad-Drehzahl n ₁ erreichen. D. h. sie treffen sich alle in einem fixen Endpunkt, gleichgültig in welchem Ausgangspunkt der Beschleunigungs-Vorgang beginnt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Steuerzentrale 30 den Sollwert, den sie in die Leitung 56 a abgibt, nach unterschiedlichen Funktionen mit zunehmender Fahr­ geschwindigkeit v variiert. Die jeweilige Funktion wird entsprechend dem Ausgangspunkt ausgewählt.

Vorausgesetzt ist hier, daß das Schwungrad beim Be­ schleunigen stets gemeinsam mit dem Motor arbeitet. Wenn die derart gesteuerte Schwungrad-Drehverzöge­ rung zu klein ist, um die vom Gaspedal 51 befohlene Fahrzeug-Beschleunigung aufzubringen, so erhöht die Steuerzentrale 30 die Füllung des Motors 10, so daß dieser das fehlende Beschleunigungsmoment erzeugt.

Durch eine solche Regelung wird gewährleistet, daß das Schwungrad bei allen Beschleunigungsvorgängen über nahezu den gesamten Fahrgeschwindigkeits-Be­ reich mitbenutzt werden kann; d. h. Motor und Schwungrad werden gleichmäßiger belastet als bei dem zuerst beschriebenen Beispiel, bei dem das Schwungrad oft schon bei etwa der halben Fahrgeschwindigkeit die Minimal-Drehzahl erreicht, so daß der Motor allein wei­ ter beschleunigen muß.

Der Vorteil der beschriebenen Regelung besteht dar­ in, daß ein schwächerer Motor verwendet werden kann, und daß das Umschalten auf alleinigen Motor-Betrieb viel seltener und bei einer ziemlich hohen Fahrge­ schwindigkeit stattfindet. Ein etwaiger Umschalt-Stoß ist somit seltener und weniger unangenehm.

Gemäß Fig. 1 hat die Kupplung 20 nur einen einzigen torusförmigen Arbeitsraum. Dabei ist angenommen, die Kupplung 20 habe achsparallele Schaufeln, so daß sie in beiden Kraftflußrichtungen gleich hohe Leistung über­ tragen kann. Abweichend hiervon kann bei Bedarf eine Doppelkupplung mit zwei Arbeitsräumen und mit schräggestellten Schaufeln (entsprechend DE-PS 16 00 191) vorgesehen werden. Hierdurch wird die über­ tragbare Leistung wesentlich erhöht.

Eine weitere Variante zu Fig. 1 ist die folgende An­ ordnung: Man sieht zwischen dem Schwungrad 14 und der Getriebe-Eingangswelle 11 zwei zueinander paral­ lele Antriebsstränge vor, die im Bereich der Welle 11 durch ein Hochgang-Sammelgetriebe aneinanderge­ koppelt sind, das ein Drehzahlverhältnis von z. B. 1 : 1,5 (entsprechend etwa dem Stufensprung des Schaltgetrie­ bes 12) zwischen den beiden Antriebssträngen herstellt. Sodann ist in jedem Antriebsstrang eine hydrodynami­ sche Kupplung mit nur einem einzigen Arbeitsraum und mit derart schräggestellten Schaufeln vorgesehen, daß die volle Leistung beim Aufladen des Speichers über die eine und beim Entladen des Speichers über die andere Kupplung übertragen werden kann. Hierdurch wird es überflüssig, daß das Hochgang-Getriebe zwei schaltba­ re Gänge aufweist (wie im Fall des Getriebes 40 der Fig. 1). Statt dessen wird einfach nur durch Entleeren der einen und gleichzeitiges Füllen der anderen Kupplung vom Direktgang in den Schnellgang (oder umgekehrt) umgeschaltet.

Claims (9)

1. Fahrzeug-Antriebsaggregat, insbesondere für Nahverkehrsfahrzeuge, mit den folgenden Merk­ malen:

• a) eine Antriebsmaschine (10) ist mit einem unter Last schaltbaren Gangschaltgetriebe (12) verbunden, das eine Eingangswelle (11) und eine Ausgangswelle (13) aufweist;
• b) die Eingangswelle (11) des Gangschaltge­ triebes ist über einen Knotenpunkt (17, 18) und über einen stufenlosen Drehzahlwandler (20) mit einem Schwungradspeicher (14) verbun­ den, wobei das vom Drehzahlwandler über­ tragbare Drehmoment einstellbar ist;
• c) das Antriebsaggregat ist derart steuerbar, daß es Rotationsenergie übertragen kann im Traktionsbetrieb vom Schwungradspeicher (14) zur Ausgangswelle (13) ("positive Kraft­ flußrichtung") und im Bremsbetrieb von der Ausgangswelle (13) zum Schwungradspeicher (14) ("negative Kraftflußrichtung");
• d) eine Steuereinrichtung (30) löst beim Annä­ hern der Übersetzung des Drehzahlwandlers (20) an eine Grenze seines Übersetzungsberei­ ches ein Umschalten des Gangschaltgetriebes (12) aus, derart daß die Übersetzung des Dreh­ zahlwandler (20) innerhalb des Übersetzungs­ bereiches verbleibt;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• e) der Drehzahlwandler (20) ist als eine schlupffähige Kupplung ausgebildet;
• f) die Steuereinrichtung (30) ist derart ausge­ bildet, daß sie im Schaltgetriebe denjenigen Gang wählt, in dem der Schlupf der Kupplung (20) möglichst klein ist und in dem
  • f1) beim Befehl "Traktion" die Drehzahl der - bezüglich der positiven Kraftfluß­ richtung - ersten Kupplungshälfte (21) größer ist als die Drehzahl der anderen Kupplungshälfte (22) und
  • f2) beim Befehl "Bremsen" die Drehzahl der - bezüglich der negativen Kraftfluß­ richtung - ersten Kupplungshälfte (22) größer ist als die Drehzahl der anderen Kupplungshälfte (21),
  • f3) wobei jeder Wechsel vom Traktions­ zum Bremsbetrieb oder umgekehrt das Umschalten einer zwischen der Abtriebs­ welle (13) und dem Schwungradspeicher (14) vorgesehenen Schaltgetriebeanord­ nung (12 oder 40) auslöst.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Antriebsmaschine (10) und dem Knotenpunkt (17, 18) eine Trennvor­ richtung (50) angeordnet ist, die beim Bremsbetrieb die Antriebsmaschine (10) vom Gangschaltgetriebe (12) löst.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (10) auch beim Anfahren des Fahrzeugs vom Gangschaltge­ triebe (12) lösbar ist.

4. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (60) laufend die Drehzahl-Änderung des Schwungrad­ speichers (14) mit dem gewünschten Beschleuni­ gungs- bzw. Bremsmoment vergleicht und die Fül­ lungsgrad-Zunahme in der Kupplung (20) derart steuert, daß sich die verglichenen Werte aneinan­ der angleichen.

5. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ richtung (30) beim Erreichen der minimalen Schwungrad-Drehzahl (Traktionsbetrieb) bzw. beim Erreichen der maximalen Schwungrad-Dreh­ zahl (Bremsbetrieb) die Kupplung (20) entleert.

6. Antriebsaggregat nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) zu­ sammen mit dem Entleeren der Kupplung (20) das Hochfahren des Motors (10) bzw. das Zuschalten einer zusätzlichen Bremseinrichtung auslöst.

7. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kupplung (20) und dem Schaltgetriebe (12) ein Zwei-Gang-Schaltgetriebe (40) vorgesehen ist.

8. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kupplung (20) und dem Schwungradspeicher (14) ein Zwei-Gang-Schaltgetriebe vorgesehen ist.