DE4134268A1 - Antriebsanordnung - Google Patents

Antriebsanordnung

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DE4134268A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahr­ zeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von be­ stimmten Betriebszuständen abzuschalten und gegebenenfalls kurz­ fristig wieder anzuwerfen. Während des Stillstands der Brennkraft­ maschine ist über mindestens eine Kupplung eine Auftrennung des Antriebsstrangs erforderlich. Die Funktionen Abschalten und Starten der Brennkraftmaschine sowie die Trennung der Kupplung werden von einer speziellen Einrichtung, insbesondere einem elektronischen Steuergerät überwacht und fahrerunabhängig veranlaßt. In Verbin­ dung mit einem servounterstützten, das heißt halbautomatischen Stufenwechselgetriebe ergibt sich ein relativ günstiger Kraftstoff­ verbrauch, insbesondere bei wechselnden Fahrleistungsanforderungen. Dies nicht zuletzt deshalb, weil bei rollendem Fahrzeug und abge­ stellter Brennkraftmaschine das Getriebe allenfalls im Leerlauf mitläuft und die Reibungsverluste dadurch geringer sind. Die Ver­ wendung automatischer Getriebe, z. B. mit Strömungskupplung zur Erzielung eines größeren Komforts und einer größeren Getriebe­ spreizung kam bisher aufgrund des schlechteren mechanischen Wir­ kungsgrades nicht in Betracht, zumindest nicht bei der üblichen Anordnung im Antriebsstrang Motor - Trennkupplung - Getriebe - Antriebsachse. In diesem Fall muß nämlich das rollende Fahrzeug bei abgestelltem Motor das Getriebe mitbewegen und dessen Rei­ bungsenergie bzw. die Wandlerverluste, mit aufbringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Kraftstoffverbrauch und die Umweltfreundlichkeit der eingangs genannten Antriebsan­ ordnung weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Getriebe als automatisches Getriebe ausgebildet und die Trennkupplung ist dem Getriebe ausgangsseitig nachgeordnet. Das automatische Getriebe ist bereits durch seine interne Steuerung kraftstoffsparend ausleg­ bar bzw. einstellbar. Der Nachteil des schlechteren Wirkungsgrades durch im Inneren des automatischen Getriebes auftretende Verluste wird zumindes bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durch die ausgangsseitig des Getriebes angeordnete Trennkupplung vermieden. Letztere wird zum Abschalten der Brennkraftmaschine geöffnet, so daß das Getriebe von der Antriebsachse getrennt ist. Dabei werden zugleich die verlusterzeugenden Komponenten des Getriebes - z. B. eine in aller Regel vorhandene getriebeabhängige Haupt­ ölpumpe - mit abgeschaltet.
Vorteilhafterweise ist das Getriebe als stufenlos verstellbares Getriebe ausgebildet. Stufenlos verstellbare Getriebe, auch CVT genannt, sind für sich seit längerer Zeit bekannt, z. B. als Kegel­ scheibenumschlingungsgetriebe. Diese weisen den Vorteil einer hohen Spreizung auf. Zugleich ist durch die stufenlose Verstell­ barkeit ein ständiger Betrieb im Verbrauchsoptimum möglich. Die Kombination eines stufenlos verstellbaren Getriebes mit einer nachgeordneten Trennkupplung ist im Prinzip bekannt aus der DE 37 03 759, jedoch nicht in Kombination mit der gattungsgemäßen Antriebsanordnung. In der genannten Schrift geht es vielmehr um die Sicherstellung der Verstellbarkeit des Getriebes bei Verwendung eines trocken laufenden Treibriemens.
Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, daß die Schwungmasse zwischen der Brennkraftmaschine und dem stufenlos verstellbaren Getriebe durch eine weitere Kupplung vom Getriebe abtrennbar ist. Der Anlaß­ vorgang wird so nicht durch die mechanischen Getriebeverluste belastet.
Nach Anspruch 4 ist die Schwungmasse zwischen der Brennkraftmaschi­ ne und dem stufenlos verstellbaren Getriebe durch eine weitere Kupplung auch von der Brennkraftmaschine abtrennbar. Dadurch kann die Schwungmasse unmittelbar für den Anlaßvorgang genutzt werden, indem sie zunächst frei vom Motor auf Drehzahl gebracht und dann der Motor mitgerissen wird.
Die Schwungmasse ist vorteilhafterweise als über einen elektrischen Anlasser antreibbares Schwungrad oder als Rotor einer elektri­ schen Maschine ausgebildet. Im letzteren Fall ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise. Bei stärkerer Auslegung der elektri­ schen Maschine ist in Verbindung mit der zuletzt beschriebenen Kupplung auch ein Hybridbetrieb des Fahrzeugs möglich.
Von besonderem Vorteil ist es, der elektrischen Maschine eine Kontrolleinrichtung zuzuordnen, die zwischen Generator- und Motor­ betrieb umsteuert sowie die Energieaufnahme oder -abgabe zu einem elektrischen Energiespeicher regelt. Auf diese Weise kann das Fahrzeug im Schubbetrieb über die als Generator laufende elektri­ sche Maschine Energie zurückgewinnen.
Gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 ist ein bekanntes halbautomati­ sches Getriebe, d. h. ein Handschaltgetriebe mit automatischer Trennkupplung vorgesehen, bei dem letztere getriebeausgangsseitig angeordnet ist. Auch hier werden bei abgeschalteter Brennkraft­ maschine im Getriebe auftretende Verluste von der Antriebsachse ferngehalten und so der Kraftstoffverbrauch bei wechselnden Fahr­ leistungsanforderungen optimiert.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den anschließenden Unteransprü­ chen - auch in Kombination mit dem unabhängigen Anspruch 12 - zu entnehmen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe, einer nachgeord­ neten Kupplung und einem vorgeordneten Schwungrad mit Anlasser,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung ähnlich der in Fig. 1, jedoch mit einer durch zusätzli­ che Kupplungen abtrennbaren elektrischen Maschine zwischen dem stufenlos verstellbaren Getriebe und der Brennkraftma­ schine.
Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung weist gemäß Fig. 1 einen als Brennkraftmaschine ausgebildeten Motor 10, ein als Umschlin­ gungsgetriebe 11 ausgebildetes stufenlos verstellbares Getriebe sowie zumindest eine angetriebene Achse 12 auf. Zwischen einer Kurbelwelle 13 und einer Getriebeeingangswelle 14 ist als Schwung­ masse ein Schwungrad 15 mit den genannten Wellen vorzugsweise starr verbunden. Ein Anlasser 16 treibt das Schwungrad 15 im Be­ darfsfalle über ein Ritzel 17 an. Der Anlasser 16 bezieht elektri­ sche Energie aus einem als Batterie 18 ausgebildeten elektrischen Energiespeicher. Mit 19 ist eine von der Batterie 18 abgehende Starkstromleitung bezeichnet.
Das Getriebe 11 weist ein eingangsseitiges Kegelscheibenpaar 20 - auf der Getriebeeingangswelle 14 - sowie ein ausgangsseitiges Kegelscheibenpaar 21 auf. Letzteres ist mit einer als Hohlwelle auf der Antriebsachse 12 sitzenden Getriebeausgangswelle 22 ver­ bunden. Diese geht über in ein Planetenwendegetriebe 23, von wo aus die Antriebsenergie über ein Ausgleichsgetriebe 24 auf die Antriebsachse 12 übertragen wird.
Zwischen dem Kegelscheibenpaar 21 und dem Planetengetriebe 23 ist eine über eine Hilfsenergie betätigbare hydraulische Kupplung K1 angeordnet.
Soweit für das Umschlingungsgetriebe 11 und die Kupplung K1 eine Ölversorgung erforderlich ist, erfolgt diese über eine Hauptöl­ pumpe 25, welche vorzugsweise durch die Getriebeeingangswelle 14 angetrieben wird.
Mit 26 ist ein hydraulisches Steuergerät bezeichnet, welches unter anderem als Betätigungseinrichtung für die Kupplung K1 wirkt. Weiterhin erfolgt über das Steuergerät 26 eine Verstellung der Kegelscheibenpaare 20, 21. Zur Ansteuerung der drei genannten Elemente K1, 20, 21 erforderliche Hydraulikleitungen sind nicht gezeichnet, jedoch symbolisch durch die drei vom Steuergerät 26 abgehenden Pfeile 27 dargestellt. Eine hydraulische Verbindung zwischen der Hauptölpumpe 25 und dem Steuergerät 26 ist mit 28 bezeichnet. Die Funktionen des hydraulischen Steuergeräts 26 wer­ den ausgelöst durch ein elektronisches Steuergerät 29, das auch alle übrigen Funktionen der Antriebsanordnung steuert. Eine Signal­ leitung zwischen dem elektrischen Steuergerät 29 und dem hydrauli­ schen Steuergerät 26 ist als 30 bezeichnet. Weitere elektrische Leitungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht abgebildet, sondern lediglich als eingehende Pfeile 31 angedeutet.
Das elektronische Steuergerät 29 dient insbesondere dem selbsttä­ tigen An- und Abschalten des Motors 10 in Abhängigkeit vom Fahr- bzw. Betriebszustand des Fahrzeugs. So wird beispielsweise im Schubbetrieb mit unbelastetem Motor 10 zunächst die Kupplung K1 geöffnet und zugleich der Motor 10 abgestellt. Sobald wieder ein Drehmoment ab­ verlangt wird, z. B. durch Betätigen eines nicht gezeigten Fahrpedals, wird der Motor 10 mit Hilfe des Anlassers 16 in Gang gesetzt und die Kupplung K1 geschlossen. Das Übersetzungsverhältnis im Getriebe 11 wird automatisch durch Verstellung der Kegelscheibenpaare 20, 21 in Abhängigkeit von der Motorlast und gegebenenfalls weiterer Parameter, wie z. B. der Geschwindigkeit und der Motordrehzahl beeinflußt. Dazu gehört auch eine Anpassung derart, daß beim Schlie­ ßen der Kupplung K1 ein möglichst geringer Drehzahlunterschied auf der Getriebeausgangswelle 22 überwunden werden muß.
Bei abgeschaltetem Motor 10 steht ebenfalls die Hauptölpumpe 25, wel­ che den zur Verstellung der Kegelscheibenpaare 20, 21 und der Kupp­ lung erforderlichen Druck liefert. Um auch in diesem Zustand einen ausreichenden Öldruck zu gewährleisten, ist eine über einen Elektro­ motor 32 angetriebene Zusatzölpumpe 33 vorgesehen. Diese ist über eine Leitung 34 mit der Hydraulikleitung 28 verbunden. Sobald der Druck im hydraulischen System unter ein bestimmtes Minimum abgesunken ist, läuft die Zusatzölpumpe 33 an. Da bei abgeschaltetem Motor grundsätzliche keine Verstellung des Umschlingungsgetriebes 11 erforderlich ist, allenfalls kurz vor dem Schließen der Kupplung K1, kann die Zusatzölpumpe 33 klein dimensioniert werden.
Eine Betätigung der Kupplung K1 beim Anlaßvorgang erfolgt mit Zeitverzug oder in Abhängigkeit von einem Schwellwert des Druc­ kes im hydraulischen System.
Anstelle oder zusätzlich zur Zusatzpumpe 33 kann, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Öldruckspeicher 35 vorgesehen sein, der über eine Leitung 36 mit dem hydraulischen System (Leitungen 28, 34) in Verbindung steht. Der Öldruckspeicher 35 ermöglicht vor dem Anlas­ sen der Brennkraftmaschine die Abgabe eines Öldruckstoßes in das hydraulische System zur Betätigung etwaiger Schaltglieder, Kupp­ lungen oder dgl. Den Pumpen 25, 33 nachgeordnete Rückschlagven­ tile sowie ein dem Öldruckspeicher 35 zugeordnetes Steuerventil sind nicht mit abgebildet, gleichwohl vorzugsweise vorhanden.
Fig. 2 zeigt weiterhin eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Es ist nämlich anstelle des Schwungrades eine elektri­ sche Maschine 37 zwischen dem Motor 10 und der Getriebeeingangswel­ le 14 angeordnet. Ein Rotor 38 der elektrischen Maschine ist zugleich als Schwungmasse ausgebildet und motorseitig durch eine Kupplung K2 sowie getriebeseitig durch eine Kupplung K3 vom Antriebsstrang trennbar. Ein Stator der elektrischen Maschine ist mit der Ziffer 39 bezeichnet. Vorzugsweise ist mit der elektrischen Maschine 37 sowohl ein Motor- als auch ein Generatorbetrieb möglich. Zur Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebszuständen und zur Steu­ erung des elektrischen Energieflusses ist eine Kontrolleinrichtung 40 in der elektrischen Leitung 19 zur Batterie 18 vorgesehen.
Das hydraulische Steuergerät 26 in der Fig. 2 übernimmt zusätz­ lich die Verstellung der Kupplungen K2 und K3. Entsprechend sind am Steuergerät fünf Pfeile 41 gezeichnet.
Je nach Auslegung der elektrischen Maschine 37 sind verschiedene Betriebsarten möglich. Eine Lösung - im folgenden als 2a bezeich­ net - sieht vor, daß die elektrische Maschine 37 zum Anlassen des Motors 10 und zur Stromerzeugung im Schubbetrieb genutzt wird. Das Anlassen wird erleichtert durch Öffnen der Kupplungen K2 und K3, so daß der Rotor 38 zunächst bis in einen drehmomentgünstigen Drehzahlbereich hochlaufen kann. Zugleich erfolgt eine Speicherung der kinetischen Energie in der Schwungmasse Rotor. Schließlich wird die Kupplung K2 geschlossen und die Kurbelwelle 13 mitgeris­ sen. Bei dieser Ausführungsform kann die elektrische Maschine 37 besonders klein ausgelegt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Kupplungen K2 und K3 durch ein gemeinsames Stell­ glied betätigt werden können, wobei vor dem Schließen der Kupplung K3 stets die Kupplung K2 geschlossen wird.
In einer weiteren Ausführungsform (2b) ist die elektrische Ma­ schine 37 so stark ausgelegt, daß sie das Fahrzeug mit geringer Geschwindigkeit allein bewegen kann - sogenannter Hybrid-Betrieb. In diesem Fall ist eine logisch getrennte Betätigung der Kupplun­ gen K2 und K3 vorzusehen.
Ein Wegfall der Kupplung 3 ermöglicht eine weitere Ausführungsform (2c, nicht gezeigt). Auch hier ist ein Motor- und Generatorbetrieb möglich. Zugleich kann über die elektrische Maschine 37 in bestimm­ ten Betriebszuständen die Getriebeeingangswelle 14 und damit die Hauptölpumpe 25 angetrieben werden. Beim Anlassen ist zusätzlich der mechanische Widerstand des Getriebes 11 zu überwinden. Die elektrische Maschine 37 ist deshalb entsprechend größer zu dimen­ sionieren.
Eine weitere nicht gezeigte Ausführungsform (2d) ergibt sich durch eine Antriebsanordnung gemäß Fig. 2, jedoch ohne die Kupplung K2. Auch hier ist ein Motor- und Generatorbetrieb möglich. Jedoch muß die elektrische Maschine 37 so ausgelegt sein, daß sie den Motor 10 aus dem Stillstand heraus zum Anlassen hochdrehen kann.
Ebenfalls nicht gezeichnet ist eine Ausführungsform entsprechend den zuvor beschriebenen Beispielen 2a-2d, jedoch ohne elektrische Maschine, sondern mit einem über einen Anlasser antreibbaren Schwung­ rad.
Insbesondere in Verbindung mit den Kupplungen K2 und K3 (wie in 2a, 2b) kann so beim kurzfristigen Abstellen des Motors die Ro­ tationsenergie des Schwungrades gespeichert und zum wieder Anlassen genutzt werden.
In allen Ausführungsformen ergibt sich durch das Öffnen der Kupp­ lung K1 im Schubbetrieb zunächst ein Fahrzeugzustand, bei dem die Fahrzeugbewegung durch die mechanischen Verluste im Getriebe nicht gebremst wird. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bzw. mit der elektrischen Maschine 37 ist vorgesehen, daß eine Abbremsung des Fahrzeugs zunächst durch Schließen der Kupplung K1 und durch Umsteuerung der elektrischen Maschine 37 in einen Generatorbetrieb erfolgt. Erst wenn diese Art der Verzögerung nicht mehr ausreicht, wird auf die üblicherweise vorhandenen Fahrzeugbremsen zurück­ gegriffen.
Grundsätzlich ist auch eine Ausführung ohne Zusatzölpumpe 33 und ohne Öldruckspeicher 35 möglich. Es muß dann lediglich beim Anlas­ sen der Aufbau eines ausreichenden hydraulischen Druckes abge­ wartet werden. So ist beispielsweise eine Anordnung gemäß Fig. 2, jedoch ohne die Kupplung K3 und ohne die Zusatzölpumpe 33 und den Öldruckspeicher 35 vorteilhaft. In diesem Fall muß während des Anlassens zunächst ein Druckaufbau durch die Hauptölpumpe 25 abgewartet werden, bevor die Kupplung K1 - auf ein entsprechendes Drucksignal hin - betätigt wird.
Bezugszeichenliste
10 Motor
11 Umschlingungsgetriebe
12 Antriebsachse
13 Kurbelwelle
14 Getriebeeingangswelle
15 Schwungrad
16 Anlasser
17 Ritzel
18 Batterie
19 Leitung
20 Kegelscheibenpaar
21 Kegelscheibenpaar
22 Getriebeausgangswelle
23 Planetengetriebe
24 Ausgangsgetriebe
25 Hauptölpumpe
26 Hydraulisches Steuergerät
27 Pfeile
28 Leitung
29 Elektrisches Steuergerät
30 Signalleitung
31 Pfeile
32 Elektromotor
33 Zusatzölpumpe
34 Leitung
35 Öldruckspeicher
36 Leitung
37 Elektrische Maschine
38 Rotor
39 Stator
40 Kontrolleinrichtung
41 Pfeile K1, K2, K3 Kupplungen

Claims (12)

1. Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraft­ maschine, einem nachgeschalteten Getriebe und zumindest einer angetriebenen Achse und mit einer Einrichtung zum fahrzustands­ abhängigen Abschalten und Wiederanlassen der Brennkraftmaschine in Verbindung mit einer zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe vorgesehenen Schwungmasse sowie zum Ansteuern einer Betätigungs­ einrichtung für eine Trennkupplung, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe als automatisches Getriebe ausgebildet ist und daß die Trennkupplung (K1) ausgangsseitig des Getriebes angeordnet ist.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe als stufenlos verstellbares Getriebe (11) ausgebildet ist.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse zwischen der Brennkraftmaschine (10) und dem Getriebe (11) durch eine weitere Kupplung (K3) vom Getriebe (11) abtrennbar ist.
4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse zwischen der Brennkraft­ maschine (10) und dem Getriebe (11) durch eine weitere Kupplung (K2) von der Brennkraftmaschine (10) abtrennbar ist.
5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwungmasse zwischen der Brennkraft­ maschine (10) und dem Getriebe (11) im wesentlichen ein Schwung­ rad (15) vorgesehen ist, das über einen insbesondere elektri­ schen Anlasser (16) antreibbar ist.
6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Brennkraftmaschine (10) und dem Getriebe (11) eine elektrische Maschine (37) mit einem Rotor (38) als Schwungmasse und einem Stator (39) vorgesehen ist.
7. Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Maschine (37) eine Kontrolleinrichtung (40) zugeordnet ist zur Umsteuerung zwischen Generator- und Motorbetrieb und zur Regelung der Energieaufnahme oder -abgabe zu einem elektrischen Energiespeicher (18).
8. Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (37) zugleich als Antriebsaggregat für das Fahrzeug ausgelegt ist.
9. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ölversorgung der insbesondere hydraulisch betätigbaren Kupplungen (K1 und/oder K2 und/oder K3), des Ge­ triebes (11) und gegebenenfalls weiterer Aggregate oder Stell­ glieder - auch nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine (10) - neben einer getriebeabhängigen Hauptölpumpe (25) eine weitere, insbesondere elektrisch betriebene Zusatzölpumpe (33) vorgesehen ist.
10. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ölversorgung der Kupplungen (K1 und/oder K2 und/oder K3), des Getriebes (11) und gegebenenfalls weiterer Aggregate oder Stellglieder - auch nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine - ein Öldruckspeicher (35) vorgesehen ist.
11. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsachse (12) als Planetenschalt­ achse mit integriertem Wendegetriebe (23) ausgebildet ist.
12. Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraft­ maschine, einem nachgeschalteten Handschaltgetriebe mit auto­ matischer Trennkupplung, zumindest einer angetriebenen Achse und mit einer Einrichtung zum fahrzustandsabhängigen Abschal­ ten und Wiederanlassen der Brennkraftmaschine in Verbindung mit einer zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe vorgesehenen Schwungmasse sowie zum Ansteuern einer Betätigungseinrichtung für die Trennkupplung, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn­ kupplung ausgangsseitig des Getriebes angeordnet ist.
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