DE3842631A1 - Antrieb fuer ein kraftfahrzeug - Google Patents

Antrieb fuer ein kraftfahrzeug

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DE3842631A
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English (en)
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Faust Dipl Ing Hagin
Hans Ing Grad Drewitz
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik gemäß der DE-OS 36 25 141. Darin ist ein Notfahraggregat angegeben, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einer von diesem angetriebenen Hydromaschine, die hydrostatisch über entspre­ chende Druckleitungen mit den Hydromaschinen des Leistungsver­ zweigungsgetriebes zusammenwirkt. Die zusätzliche Hydroma­ schine samt Druckleitungsverbindungen und Betriebssteuerung ist vergleichsweise teuer und beansprucht einen gewissen Bauraum.
Des weiteren wird noch auf folgenden Stand der Technik ver­ wiesen, aus dem die Verwendung eines Elektromotors und eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug als getrennt oder ge­ meinsam auf einen Achsantriebsstrang wirkende Antriebsquellen bekannt ist, nämlich
  • - Verkehr und Technik, 1983, Heft 5, S. 166, 167,
  • - DE-OS 25 10 623,
  • - Verkehr und Technik, 1982, Heft 10, S. 371,
  • - DE-OS 28 02 635,
  • - US-PS 38 61 484.
Keine dieser Veröffentlichungen offenbart jedoch die Verbin­ dung der Antriebsquellen mit einem hydrostatisch-mechani­ schen Leistungsverzweigungsgetriebe so, wie aus der DE-OS 36 25 141 bekannt. Ein solches Leistungsverzweigungsge­ triebe hat in Verbindung mit einem Dieselmotor als Haupt­ fahrmotor seine Eignung für Stadtlinienbusse und andere Kom­ munalfahrzeuge im Rahmen einer öffentlichen Versuchsreihe bestens unter Beweis gestellt (Projekt Hydrobus, Berlin).
Insofern geht die Erfindung von einer Kombination eines elektrischen Hauptfahrmotors, hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes und Hilfsfahraggregates mit Verbrennungsmotor als zukunftsträchtigstem Antrieb aus, der hinsichtlich seiner Einzelheiten im gattungsbildenden Ober­ begriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Es ist dabei Aufgabe der Erfindung, die Schnittstelle zwi­ schen dem Verbrennungsmotor des Hilfsfahraggregates und des Lei­ stungsverzweigungsgetriebes hinsichtlich der leistungsüber­ tragenden Organe dahingehend zu verbessern, daß diesbezüg­ lich weniger Herstellungs- und Montagekosten anfallen, weni­ ger Bauraum benötigt wird und überdies robuste, wenig repa­ raturanfällige und betriebssichere Mittel bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe ist bei der gattungsgemäßen Einrichtung er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungsmotor des Hilfsfahraggregates über eine schaltbare Kupplung sowie ein Transfergetriebe auf die zweite, das kleine Sonnenrad tra­ gende Antriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes wirk­ sam ist.
Diese Art der Kraftübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor des Hilfsaggregates und dem Leistungsverzweigungsgetriebe erlaubt eine äußerst kompakte Bauweise bei praktischer Rea­ lisierung und ist überdies wesentlich kostengünstiger her­ stellbar, praktisch störungsfrei und wartungsfrei benutzbar.
Vorteilhafte Einzelheiten dieser Lösung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand zweier in der Zeichnung in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellter Aus­ führungsbeispiele näher erläutert, wobei in beiden Figuren gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile der Übersicht­ lichkeit wegen mit gleichen Bezugszeichen angezogen sind.
Der Antrieb des Kraftfahrzeuges umfaßt als Hauptbaugruppen einen elektrischen Hauptfahrmotor 1 mit Regler 2, ein hydro­ statisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe 3 mit einem vierwelligen Planetendifferential 4 und zwei Hydroma­ schinen 5, 6, einen eine oder mehrere Achsen 7 des Fahrzeugs antreibenden Achsantriebsstrang 8 und ein Hilfsfahraggregat 9.
Der elektrische Hauptfahrmotor 1 bezieht die benötigte elek­ trische Energie über einen Stromabnehmer 10 aus einer längs der Fahrstrecke verlegten elektrischen Fahrleitung 11 (Ober­ leitung) über zum Regler 2 führende Stromzuleiter 12, 13.
Das als Kernstück der Antriebseinrichtung dienende und wegen seines erwiesenermaßen günstigen Wirkungsgrades verwendete Leistungsverzweigungsgetriebe 3 hat eine als erste Antriebs­ welle fungierende Eingangswelle 14, eine zweite Antriebswel­ le 15, eine Nebenwelle 16, an der die Hydromaschine 5 mit ihrer Welle angeschlossen ist, eine weitere Nebenwelle 17, an der die Hydromaschine 6 mit ihrer Welle angeschlossen ist, und eine Ausgangswelle 18, an der der Achsantriebsstrang 8 angeschlossen ist. Der durch das Planetendifferential 4 ge­ bildete mechanische Teil des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 umfaßt ein fest mit der Eingangswelle 14 verbundenes gro­ ßes Sonnenrad 19, ein fest an der zweiten Antriebswelle 15 angeordnetes kleines Sonnenrad 20, zwei Reihen Planetenrä­ der 21, 22, einen mit der Getriebe-Ausgangswelle 18 fest verbunden Steg 23 mit Außenverzahnung 24 und ein Hohlrad 25. Letzteres hat eine Innenverzahnung 26, mit der die Planeten­ räder 22 kämmen, und eine Außenverzahnung 27, mit dem ein Zahnrad 28 kämmt, das fest auf der Nebenwelle 16 sitzt und so die Antriebsverbindung zwischen Hydromaschine 5 und Planetendifferential 4 herstellt. Die Hydromaschine 5 ist ebenso wie die Hydromaschine 6 in beiden Drehrichtungen als Motor oder Pumpe betreibbar und mit letzterer über hydrauli­ sche Druckleitungen 29, 30 unter Zwischenschaltung eines Steuerblockes 31 verbunden. Auf der zweiten, als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 15 sitzt fest ein Zahnrad 32, mit dem ein drehbar, aber axial gesichert, auf der Nebenwel­ le 17 gelagertes Zahnrad 33 kämmt. Außerdem ist auf der Ne­ benwelle 17 ein weiteres Zahnrad 34 drehbar, aber axial ge­ sichert angeordnet, das mit der Außenverzahnung 24 am Steg 23 in Eingriff steht. Mit 35 ist das drehfest, aber axial auf der Nebenwelle 17 verschiebbare Schaltorgan einer Wechsel­ schaltkupplung WSK bezeichnet, mit dem nach Verschiebung aus neutraler 0-Stellung in der einen Schaltstellung a das Zahn­ rad 34, in der anderen Schaltstellung c dagegen das andere Zahnrad 33 drehfest mit der Nebenwelle 17 gekuppelt werden kann. In der zwischen beiden Schaltstellungen a, c liegenden 0-Stellung ist keines der beiden Zahnräder 33, 34 mit der Nebenwelle 17 verbunden.
Die Drehzahl der Ausgangswelle 18 des Leistungsverzweigungs­ getriebes 3 summiert sich aus den Drehzahlen des großen Son­ nenrades 19 und des Hohlrades 25, welche die Umlaufgeschwin­ digkeit der Planetenräder 21, 22 bzw. des Steges 23 festlegen. Die Hydromaschine 5 bewirkt durch ihre Drehzahl und Drehrichtung über die Verzahnung 27, 28 die Drehzahl und Drehrichtung des Hohlrades 25.
Dabei ergibt sich für das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 folgende Wirkung.
Für den Fall, daß das Fahrzeug aus dem Stand oder aus Langsam­ bzw. Kriechgangfahrt heraus beschleunigt werden soll, arbeitet die Hydromaschine 5 in einem ersten Betriebsbereich des Lei­ stungsverzweigungsgetriebes 3 (nAusgang 18 : nEingang 14 50%) bei einer Drehrichtung des Hohlrades 25 umgekehrt zur Dreh­ richtung des großen Sonnenrades 19 als Pumpe und liefert die umgesetzte Leistung über die Druckleitungen 29, 30 an die Hydromaschine 6. Diese arbeitet in diesem Fall als Motor und treibt die Nebenwelle 17 an. Das Schaltorgan 35 der Wechsel­ schaltkupplung WSK befindet sich in Schaltstellung a, in der das Zahnrad 34 mit der Nebenwelle 17 gekuppelt und damit Leistung über den Steg 23 auf die Ausgangswelle 18 übertrag­ bar ist.
Mit größer werdender Drehzahl der Ausgangswelle 18 ergibt sich ein Betriebspunkt, bei dem der Hydrowandler 5 zumindest annähernd stillsteht und die in das Leistungsverzweigungsge­ triebe 3 eingespeiste Antriebsleistung praktisch rein mecha­ nisch vom Planetendifferential 4 übertragen wird. In dieser Situation erfolgt, sofern das Fahrzeug weiter beschleunigt wer­ den soll, der Übergang in einen zweiten Betriebsbereich des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 (nAusgang 18 : nEiingang 14 50%) durch Umschaltung des Schaltorganes 35 der Wechselschalt­ kupplung in Schaltposition c, worauf die Hydromaschine 6 dann über die Nebenwelle 17, das daran angekuppelte Zahn­ rad 33 und das mit diesem kämmende Zahnrad 32 mit der zwei­ ten Antriebswelle 15 antriebsmäßig verbunden ist.
Die Hydromaschine 5 arbeitet in diesem zweiten Betriebs­ reich, bei gleicher Drehrichtung des Hohlrades 25 und des großen Sonnenrades 19 wie vorher, als Motor, der seine An­ triebsleistung von der jetzt als Pumpe arbeitenden Hydroma­ schine 6 über die Druckleitungen 29, 30 zugeführt bekommt. Die Hydromaschine 6 erhält demnach ihre Antriebsleistung von der Eingangswelle 14 her über das große Sonnenrad 19, die miteinander satzweise (21, 22) verbundenen Planetenräder 21, 22, das kleine Sonnenrad 20 und die zweite Antriebswelle 15, den geschlossenen Getriebezug 32, 33 und die Nebenwelle 17 zugeführt.
Die dem Leistungsverzweigungsgetriebe 3 zugeführte Antriebs­ leistung wird im normalen Fahrbetrieb vom elektrischen Hauptfahrmotor 1 über eine Einrichtung 36, bei der es sich um einen Freilauf oder eine schaltbare Kupplung handeln kann, an die Eingangswelle 14 abgegeben.
Bei Bedarf kann jedoch auch das Hilfsfahraggregat 9 zur Lei­ stungsabgabe aktiviert werden.
Das Hilfsfahraggregat 9 umfaßt generell einen Verbrennungs­ motor 37, der über eine schaltbare Kupplung 38 (Fig. 1), ge­ gebenenfalls zusammen mit einem in einem Gehäuse 39 unterge­ brachten Schwungrad 40 über eine weitere schaltbare Kupplung 41 auf eine Welle 42 wirkt, die mit der Eingangswelle 43 eines aus Zahnrädern 44, 45 bestehenden Transfergetriebes 46 gekoppelt ist. Das Transfergetriebe 46 ist in einem Gehäuse 47 untergebracht und mit seinem Zahnrad 45 am Zahnrad 33 des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 angeschlossen, das via Zahnrad 32 mit der das kleine Sonnenrad 20 tragenden zweiten Antriebswelle 15 verbunden ist. Mit 48 ist die Brennstoffzu­ meßeinrichtung und mit 49 der Anlasser des Verbrennungsmo­ tors 37 bezeichnet.
Im Fall von Fig. 1 ist der Verbrennungsmotor 37 des Hilfs­ fahraggregates 9 nach seinem Starten (mittels des Anlassers 49) und Schließen der vorher offenen Kupplung 38 allein auf die das kleine Sonnenrad tragende zweite Antriebswelle 15 des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 wirksam.
Im Fall von Fig. 2 dagegen ist der Verbrennungsmotor 37 des Hilfsfahraggregates 9 nach dessen Starten (mittels des Anlas­ sers 49) und Schließen der Kupplung 38 mit dem Schwungrad 40 verbunden und wirkt dann nach Schließen der Kupplung 41 zu­ sammen mit letzteren auf die das kleine Sonnenrad 20 tragen­ de zweite Antriebswelle 15 des Leistungsverzweigungsgetrie­ bes 3 ein.
Das Schwungrad 40 wird in bestimmten Betriebsphasen auf ein bestimmtes Maß aufgeladen, beispielsweise 80% seines maximalen Energieinhaltes. Dieses Aufladen erfolgt im Normalfahrbetrieb bei abgekuppeltem Verbrennungsmotor 37 (offene Kupplung 38) vom Leistungsverzweigungsgetriebe 3 her. Die Bereitstellung der diesbezüglichen Leistung erfolgt bei Konstantfahrt bzw. ungebremster Fahrt durch den elektrischen Hauptfahrmotor 1, beim Bremsen dagegen durch den Achsantriebsstrang 8 von der Achse 7 her. In letzterem Fall wird das Schwungrad 40 bis auf seinen maximalen Energieinhalt aufgeladen.
Das Hilfsfahraggregat 9 kann für einen ausschließlichen Not­ fahrbetrieb ausgelegt sein. In diesem Fall wäre dessen Ver­ brennungsmotor 37 auf eine Leistung kleiner als jene des elek­ trischen Hauptfahrmotors 1 ausgelegt, derart, daß das Fahr­ zeug beispielsweise nach Stromausfall in der Fahrleitung 11 oder einem Defekt des Hauptfahrmotors 1 allein mittels des Hilfsfahraggregates 9 mit normaler innerörtlich üblicher bzw. zulässiger Geschwindigkeit betreibbar ist.
Alternativ wird man aus Kostengründen jedoch jene Lösung an­ streben, bei der der elektrische Hauptfahrmotor 1 und der Verbrennungsmotor 37 des Hilfsfahraggregates hinsichtlich ihrer Einzelleistungen und hinsichtlich der Summe dieser Einzelleistungen auf die zum Fahrbetrieb benötigte Spitzen­ leistung ausgelegt sind. Das heißt, im Fall der Benötigung einer solchen Spitzenleistung, beispielsweise an Steigungen oder zum raschen Beschleunigen, wird der dann über die Maxi­ malleistung des elektrischen Hauptfahrmotors 1 hinaus erfor­ derliche Leistungsmehrbedarf vom dann antriebsmäßig zuzu­ schaltenden Verbrennungsmotor 37, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Schwungrad 40 des Hilfsaggregates 9, gedeckt.
Zur Regelung und Steuerung aller Fahrbetriebszustände ist eine elektronische Betriebsregel- und -steuereinrichtung 50 vorgesehen. An diese sind eine Reihe von die Drehzahlen der Wellen 14, 15, 16, 17, 18 und des Hauptfahrmotors 1, gege­ benenfalls des Schwungrades 40, erfassender und meldender Sensoren 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, außerdem der Regler 2 des elektrischen Hauptfahrmotors 1, die Verstelleinrichtun­ gen der Hydromaschinen 5, 6, die Steuereinrichtung 31, die Kupplungen WSK (35), 38, 41, die Brennstoffzumeßeinrichtung 48 und der Anlasser 49 des Verbrennungsmotors 37, die Weggeber 58 des Fahrpedals, 59 des Betriebsbremspedals, 60 des Feststell­ bremsorganes, der Betriebsartenwahlschalter 61 und ein Pro­ grammwahlschalter 62, gegebenenfalls weitere, aber nicht dargestellte Bauteile angeschlossen. Diese Einrichtung 50 umfaßt eine Ein- und Ausgangsperipherie mit Signalwandlungs­ schaltungen, einen Mikroprozessor, Daten- und Programmspei­ cher und Ausgangssignalverstärker.
Im Normalfahrbetrieb steuert und regelt die Einrichtung 50 abhängig von über die Organe 58, 59, 60, 61, 62 eingeleite­ tem Fahrerwunsch per Programm dem Betrieb, d.h. die Lei­ stungsabgabe des elektrischen Hauptfahrmotors 1 durch Aus­ gabe entsprechender Befehle an den Regler 2.
Die Einrichtung 50 zeichnet auch für die Aufladung des Schwungrades 40 und die Einstellung der Übersetzungsverhältnis­ se im Leistungsverzweigungsgetriebe 3 durch Ausgabe entspre­ chender Schaltbefehle an die Kupplung 41 sowie die Steuer­ einrichtung 31 und die Verstelleinrichtungen der Hydroma­ schinen 5, 6 verantwortlich.
Die Einrichtung 50 ist auch für die Inbetriebnahme des Hilfs­ fahraggregates 9 verantwortlich, wofür entsprechende Signale an den Anlasser 49 und die Brennstoffzumeßeinrichtung 48 des Verbrennungsmotors 37 sowie die Kupplung 38 ausgegeben wer­ den. Für den Betrieb des Verbrennungsmotors 37 kann die Ein­ richtung 50 beispielsweise auf eingespeicherte Sollwerte und Kennlinien eines abgasoptimierten und/oder kraftstoffver­ brauchsoptimierten Drehzahl-Leistungs-Kennfeldes des Verbren­ nungsmotors 37 zurückgreifen und errechnet auf der Basis der von Sensoren gelieferten Istwerte und den Fahrerwunsch si­ gnalisierenden Daten die notwendige Einstellung der Brenn­ stoffzumeßeinrichtung 48 sowie der Hydromaschinen 5, 6.
Die Einrichtung 50 übernimmt somit nach Aktivierung des Hilfsfahraggregates 9 das gesamte Management des dann wirksamen Antriebsstranges, im Fall der leistungsmäßigen Zuschaltung zum Hauptfahrmotor auch die diesbezügliche Abstimmung der von beiden Motoren 1, 37 dann gemeinsam abgebbaren Leistun­ gen.

Claims (3)

1. Antrieb für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Stadtlinien­ bus, mit
  • - einem elektrischen Hauptfahrmotor (1), der die benötig­ te Energie über einen Stromabnehmer (10) von einer Fahrleitung (11) zugeführt bekommt,
  • - einem hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungs­ getriebe (3), das zwei Hydromaschinen (5, 6) und ein vierwelliges Planetendifferential (4) umfaßt, wobei auf eine erste, ein großes Sonnenrad (19) tragende Antriebs­ welle (14) der elektrische Hauptfahrmotor (1) wirkt, eine zweite Antriebswelle (15) ein kleines Sonnenrad (20) trägt, eine Abtriebswelle (18) mit dem Achsantriebs­ strang (8) des Fahrzeugs verbunden ist und die erste Hydromaschine (5) über eine Nebenwelle (16) auf eine von Antriebs- und Abtriebswellen verschiedene Welle (25) wirkt, die zweite Hydromaschine (6) dagegen in einem ersten Betriebsbereich auf die Abtriebswelle (18) und in einem zweiten Betriebsbereich auf das kleine Sonnen­ rad (20) wirkt und die diesbezügliche Umschaltung über eine Schaltkupplung (WSK, 35) erfolgt, und
  • - einem Hilfsfahraggregat (9), das als Antriebsquelle ei­ nen Verbrennungsmotor (37) aufweist, der bei Bedarf ak­ tivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (37) des Hilfsfahraggregates (9) nach seiner Aktivierung über eine schaltbare Kupplung (38) sowie ein Transfergetriebe (46) auf die zweite, das kleine Sonnenrad (20) tragende An­ triebswelle (15) des Leistungsverzweigungsgetriebes (3) wirksam ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfahraggregat (9) als weiteres Teil ein Schwungrad (40) umfaßt, das mittels einer zugehörigen Kupplung (41) in den Antriebsstrang (42) zwischen Trans­ fergetriebe (46) und Verbrennungsmotor (37) einschaltbar ist und im Normalfahrbetrieb bei abgekuppeltem, abge­ schaltetem Verbrennungsmotor (37) vom Leistungsverzwei­ gungsgetriebe (3) her ladbar ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Hauptfahrmotor (1) und der Verbren­ nungsmotor (37) des Hilfsfahraggregates (9) in der Summe ihrer Leistungen auf die benötigte Spitzenleistung ausge­ legt sind, dergestalt, daß im Fall einer Benötigung die­ ser Spitzenleistung der dann über die Maximalleistung des elektrischen Hauptfahrmotors (1) hinaus erforderliche Leistungsmehrbedarf vom dann zugeschalteten Verbrennungs­ motor (37), gegebenenfalls in Verbindung mit dem Schwung­ rad (40), gedeckt wird.
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