DE19954544B4 - Kraftfahrzeugantrieb - Google Patents
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Abstract
Kraftfahrzeugantrieb enthaltend einen Fahrantriebsmotor (2); einen Antriebsstrang, welcher zur Verbindung des Fahrantriebsmotors (2) mit den beiden Rädern (10, 18) einer Antriebsachse (8, 16) ein Übersetzungsgetriebe (6) mit variabler Übersetzung und auf der Antriebsachse ein Ausgleichsgetriebe (14) aufweist, welches über Wellenverbindungen (8-1, 8-2; 16-1, 16-2) mit den beiden Fahrzeugrädern antriebsmäßig verbunden ist; zwei elektrische Maschinen (22-1, 22-2), von welchen je eine auf eines der beiden Fahrzeugräder (10, 18) wirkt, die von dem Fahrantriebsmotor (2) antreibbar sind, wobei die elektrischen Maschinen mindestens als Elektromotoren betreibbar sind, wobei die elektrischen Maschinen (22-1, 22-2) getrennt von den Wellenverbindungen (8-1, 8-2; 16-1, 16-2) angeordnet sind, welche das Ausgleichsgetriebe (14) mit den Fahrzeugrädern (10, 18) verbinden, und jede elektrische Maschine über einen eigenen Getriebezug (24-1, 24-2) mit der Wellenverbindung des ihr zugeordneten Fahrzeugrades antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist; wobei in jedem Getriebezug der elektrischen Maschinen (22-1, 22-2) eine schaltbare Kupplung (26) zum An- und Abkuppeln der...
Description
- Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugantrieb.
- Ein Kraftfahrzeugantrieb mit folgenden Merkmalen ist aus der
FR 2 663 591 A1 - Ein Kraftfahrzeugantrieb nach der
DE 30 32 603 C1 enthält an den von einem Brennkraftmotor antreibbaren oder an den nichtantreibbaren Fahrzeugrädern eines Kraftfahrzeuges je einen elektrischen Radnabenmotor. - Der Fahrantriebsmotor kann wie bei der genannten Schrift ein Verbrennungsmotor sein, jedoch können auch beliebige andere Arten von Antriebseinheiten als Fahrantriebsmotor verwendet werden. Elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugen jedoch üblicherweise nicht nur als elektrische Motoren, sondern auch als elektrische Generatoren verwendet, einerseits zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und andererseits zur Erzeugung von elektrischer Energie, wenn das Kraftfahrzeug die elektrische Maschine antreibt, beispielsweise bei Bergabfahrten oder zum Abbremsen des Kraftfahrzeuges durch die elektrische Maschine.
- Aus der
US 5 713 425 ist ein Hybrid-Fahrzeugantrieb bekannt, welcher einen Verbrennungsmotor als Fahrantriebsmotor und eine elektrische Maschine aufweist, die wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist. Der Fahrantriebsmotor ist über ein Gangwechselgetriebe und die elektrische Maschine ist über einen eigenen Getriebezug mit der Antriebsseite eines Ausgleichsgetriebes (Differentialgetriebe) antriebsmäßig verbunden. Das Ausgleichsgetriebe ist auf einer Antriebsachse zwischen zwei Achswellen angeordnet und durch diese Achswellen mit anzutreibenden Fahrzeugrädern verbunden. Die elektrische Motor-Generator-Maschine kann betrieben werden, um den Fahrzeugrädern ein Drehmoment zu liefern, wenn während einer Übersetzungsänderung (eines Gangwechsels) die Drehmomentverbindung im Gangwechselgetriebe und/oder in einer Kupplung zwischen dem Fahrantriebsmotor und dem Gangwechselgetriebe unterbrochen ist. Das Gangwechselgetriebe kann ein Automatikgetriebe sein. Während der Übersetzungsänderung bzw. des Gangwechsels wird das vom Fahrzeugantriebsmotor her ausfallende Antriebsdrehmoment durch ein entsprechendes Drehmoment der elektrischen Maschine ersetzt. Wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, kann die von ihr erzeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher gespeichert werden, beispielsweise in einer Batterie oder in einem Schwungrad. Ein ähnlicher Hybrid-Fahrzeugantrieb ist auch aus derDE 40 05 623 A1 bekannt. - Aus der
DE 40 04 330 C2 ist ein Kraftfahrzeugantrieb bekannt, bei welchem die Eingangsseite eines Gangwechselgetriebes wahlweise mit einem Verbrennungsmotor und/oder einer elektrischen Maschine kuppelbar ist. Die elektrische Maschine kann als Anlasser benutzt werden zum Anlassen des Verbrennungsmotors. Ferner kann die elektrische Maschine anstelle des Verbrennungsmotors zum Antrieb des Kraftfahrzeuges verwendet werden. - Aus der
DE 35 42 059 C1 ist ein Hybrid-Kraftfahrzeugantrieb bekannt, bei welchem die beiden Räder einer Antriebsachse von einem Verbrennungsmotor über ein Übersetzungsgetriebe mit variabler Übersetzung angetrieben werden und die Fahrzeugräder einer anderen Antriebsachse von einem oder mehreren elektrischen Maschinen antreibbar sind, welche wahlweise als Elektromotor oder als elektrischer Generator betreibbar sind. - Aus der
DE 41 42 863 A1 ist ein Hybrid-Kraftfahrzeugantrieb bekannt, welcher eine Verbrennungsmotor-Generator-Einheit zur Stromerzeugung für elektrische Maschinen aufweist, welche an einer oder vorzugsweise zwei Antriebsachsen eines Kraftfahrzeuges zum Antrieb von Fahrzeugrädern dieser Antriebsachsen angeordnet sind. - Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, mit nur geringen konstruktiven Änderungen der bekannten Antriebssysteme eine Möglichkeit zu schaffen, durch welche mit elektrischen Maschinen in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien Drehmomentschwankungen auf einfache Weise besser kompensiert werden können, welche bei einem Wechsel des Übersetzungsverhältnisses bzw. bei einem Gangwechsel des Übersetzungsgetriebes (Gangwechselgetriebe oder stufenlos variables Übersetzungsgetriebe) und/oder beim Öffnen einer Hauptkupplung zwischen dem Fahrantriebsmotor und dem Übersetzungsgetriebe entstehen.
- Diese Aufgabe wird durch einen Kraftfahrzeugantrieb mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
- Die Erfindung ermöglicht die Integration eines Elektroantriebes in bestehende Antriebssysteme, ohne daß konstruktive Änderungen des Antriebssystems erforderlich sind.
- Durch die schaltbaren Kupplungen zum An- und Abkuppeln der elektrischen Maschinen kann die Drehzahl der elektrischen Maschinen bereits vor dem Schließen ihrer Kupplungen auf einen für den Schaltvorgang des Übersetzungsgetriebes günstigen Wert gebracht oder einem solchen Wert angenähert werden, bevor dann durch Schließen der Kupplungen das Drehmoment der elektrischen Maschinen in den Antriebsstrang des Fahrantriebsmotors eingebracht wird.
- Ferner können durch eine solche schaltbare Kupplung die Verluste bei unnötig mitlaufenden elektrischen Maschinen z.B. bei Konstantfahrt mit konstanten Übersetzungsverhältnis des Schaltgetriebes durch Öffnen der Kupplung in vorteilhafter Weise vermieden werden.
- Damit sind insbesondere stoßreduzierte bzw. im Idealfall stoßfreie Übersetzungsveränderungen des Übersetzungsgetriebes während des Fahrbetriebes möglich. Die elektrischen Maschinen kompensieren die bei Schaltvorgängen entstehenden Antriebsunterbrechungen oder Drehmomentschwankungen mindestens teilweise. Diese Kompensation erfolgt automatisch in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien (Momente, Drehzahlen, Fahrzeuggeschwindigkeit, -beschleunigung, -verzögerung, Fahrerwunsch etc.) durch eine elektrische Steuereinrichtung.
- Die Drehmomente in den elektrischen Maschinen können Antriebsmomente (positive Momente) oder Bremsmomente (negative Momente) sein, je nach dem, ob während des Schaltvorganges der Fahrantriebsmotor das Fahrzeug antreibt oder das Fahrzeug den Fahrzeugantriebsmotor antreibt, z. B. bei Bergabfahrten oder beim Ausrollen des Fahrzeuges, wenn der Fahrer das Gaspedal zurücknimmt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Getriebe der elektrischen Maschinen ein einstufiges Stirnradgetriebe.
- Den antreibbaren Fahrzeugrädern sind vorzugsweise mechanisch wirkende Bremsen zugeordnet. Die elektrischen Maschinen können zwar ebenfalls im Generatorbetrieb als Bremsen benutzt werden, jedoch ist diese Bremswirkung umso geringer, je kleiner die Drehzahl der elektrischen Maschinen wird.
- Die Erfindung wird im folgenden mit bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben.
- In den Zeichnungen zeigen:
-
1 schematisch einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung mit Hinterradantrieb und mit einem bei einer Vorderachse angeordneten Fahrantriebsmotor, -
2 schematisch einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung mit Vorderradantrieb und mit einem an der Vorderachse angeordnetem Fahrantriebsmotor, -
3 schematisch einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung mit Hinterradantrieb und mit einem bei der Hinterachse angeordnetem Fahrantriebsmotor, -
4 schematisch einen Kraftfahrzeugantrieb nach der Erfindung mit einer angetriebenen Vorderachse oder Hinterachse eines Kraftfahrzeuges und mit auf Achswellen angeordneten Kupplungen, -
5 ein Drehmoment-Zeit-Diagramm eines Fahrantriebsmotors während des Hochschaltens von einem niedrigeren Gang in einen höheren Gang in einem Gangwechselgetriebe unter Vollast, -
6 ein Drehmoment-Zeit-Diagramm des Drehmoments des Elektroantriebes mit zwei elektrischen Maschinen während des Gangschaltvorganges, -
7 ein Gesamtdrehmoment-Zeit-Diagramm aus den Diagrammen der5 und6 , -
8 einen Signalflußplan für eine elektrische Drehmomentkompensation von Antriebsdrehmomentlücken während Gangwechselvorgängen entsprechend den5 ,6 und7 . - Der in
1 dargestellt Kraftfahrzeugantrieb enthält einen Fahrantriebsmotor2 in Form eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder von anderer Art, ein über eine schaltbare Haupt-Kupplung4 mit ihm verbindbares Übersetzungsgetriebe6 mit variabler Übersetzung, beispielsweise eine Gangwechselgetriebe oder ein Automatikgetriebe, je nahe bei der Achse8 von nicht angetriebenen vorderen Fahrzeugrädern10 . - Der Ausgang des Übersetzungsgetriebes
6 ist über eine Kardanwelle12 mit dem Eingang eines Ausgleichsgetriebes14 oder Differentialgetriebes verbunden, dessen beide Ausgänge über Achswellen16-1 und16-2 einer hinteren Achse16 mit hinteren Fahrzeugrädern18 je antriebsmäßig verbunden sind. - Die vorderen und hinteren Antriebsräder
16 und18 sind mit mechanisch wirkenden Bremsen20 versehen. - Zwei elektrische Maschinen
22-1 und22-2 sind parallel zu den Achswellen16-1 und16-2 der hinteren Achse16 angeordnet. Je eine dieser beiden elektrischen Maschinen22-1 und22-2 ist über einen Getriebezug24-1 bzw.24-2 mit einer der beiden Achswellen16-1 bzw.16-2 antriebsmäßig verbunden bzw. verbindbar. - In jedem dieser Getriebezüge
24-1 und24-2 ist vorzugsweise eine schaltbare Kupplung26 enthalten zum An- und Abkuppeln der elektrischen Maschinen22-1 und22-2 . - Die Kupplung
26 ist vorzugsweise entweder entsprechend1 zwischen der betreffenden elektrischen Maschine22-1 oder22-2 und dem Getriebe ihres Getriebezuges24-1 bzw.24-2 angeordnet oder entsprechend4 zwischen einem Zahnrad32 dieser Getriebezüge24-1 bzw.24-2 und der zugehörigen Achswelle16-1 bzw.16-2 angeordnet. - Das Getriebe der Getriebezüge
24-1 und24-2 besteht vorzugsweise nur aus je einem axial zur elektrischen Maschine22-1 bzw.22-2 angeordneten stirnverzahnten Zahnrad30 und einem damit in Eingriff stehenden, koaxial auf der zugehörigen Achswelle16-1 bzw.16-2 angeordneten stirnverzahnten weiteren Zahnrad32 . - Eine elektrische, vorzugsweise Mikroprozessoren enthaltende, Steuereinrichtung
34 ist zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschinen22-1 und22-2 in Abhängigkeit von Übersetzungswechselvorgängen oder Gangwechselvorgängen im variablen Übersetzungsgetriebe6 in der Weise ausgebildet, daß bei Übersetzungswechselvorgängen bzw. Gangwechselvorgängen in diesem Übersetzungsgetriebe6 oder in der Haupt-Kupplung4 entstehende Antriebsunterbrechungen oder entstehende unerwünschte Drehmomentänderungen in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien durch Drehmomente der elektrischen Maschinen22-1 und22-2 mindestens teilweise ausgeglichen werden. Die Drehmomente der elektrischen Maschinen22-1 und22-2 können hierbei positiv sein, d. h. ein die Fahrzeugräder18 antreibendes Moment erzeugen, oder negativ sein, d. h. ein die Fahrzeugräder18 bremsendes Moment erzeugen, in Abhängigkeit von den genannten vorbestimmten Kriterien. Zu diesen gehören insbesondere Signale, welche der Steuereinrichtung34 anzeigen, ob ein Hochschalt- oder ein Runterschaltvorgang stattfindet, ob hierbei das Fahrzeug beschleunigt oder verzögert werden soll, was durch die Stellung des Gaspedals des Fahrantriebsmotors2 detektierbar ist, oder ob das Fahrzeug bergauf oder bergab fährt, insbesondere also, ob das Fahrzeug in Abhängigkeit vom Wunsch des Fahrers oder von einem Tempomat (Geschwindigkeitssteuereinrichtung) beschleunigt oder verzögert oder kontinuierlich gefahren werden soll. Normalerweise wird bei Bergauffahrten bei Übersetzungswechseln im Übersetzungsgetriebe6 von den elektrischen Maschinen22-1 und22-2 ein Antriebsdrehmoment erzeugt werden müssen, um ein Abfallen der Fahrzeuggeschwindigkeit zu verhindern. Bei Bergabfahrten und zum Bremsen wird während einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Übersetzungsgetriebes von den elektrischen Maschinen22-1 und22-2 häufig ein Bremsmoment erzeugt werden müssen, um ein Beschleunigen des Kraftfahrzeuges zu verhindern. Hierbei sind meßtechnisch zu erfassende Kriterien normalerweise auch die Eingangsdrehzahl und Ausgangsdrehzahl des Übersetzungsgetriebes6 und/oder dort meßbare Drehmomente. Stellvertretend für solche Meßstellen sind in1 zwei Sensoren36 und38 der Steuereinrichtung34 schematisch dargestellt, welches Drehzahl und/oder Drehmomentsensoren sein können. Die Steuereinrichtung34 kann Drehmomente und Drehzahlen des Fahrantriebsmotors2 auch ohne solche Sensoren anhand einer in ihr enthaltenen Steuerelektronik zur Steuerung des Fahrantriebsmotors2 entnehmen. - In den anderen
2 ,3 und4 sind Teile, die Teilen von1 entsprechen mit gleichen Bezugszahlen versehen. Sie haben die gleiche Funktion. Im folgenden werden deshalb nur noch Abweichungen von1 beschrieben. - Der Unterschied in
2 besteht darin, daß es sich nicht um einen Hinterradantrieb, sondern um einen Vorderradantrieb handelt. - Der Unterschied von
3 zu1 besteht lediglich darin, daß der Fahrantriebsmotor2 und das Übersetzungsgetriebe6 nahe bei der angetriebenen Hinterachse16 angeordnet sind und dadurch die Kardanwelle12 von1 entfällt. -
4 ist eine Teilansicht eines Kraftfahrzeugantriebes, wobei nur die angetriebene Achse dargestellt ist, welches die vordere Achse8 mit den Achswellen8-1 und8-2 sein kann und in4 lediglich als Beispiel die hintere Achse16 ist. Der Unterschied zu1 besteht darin, daß die schaltbaren Kupplungen26 nicht zwischen den elektrischen Maschinen22-1 und22-2 und den Zahnrädern30 ,32 ihres Getriebezuges24-1 bzw.24-2 angeordnet sind, sondern zwischen der betreffenden Achswelle16-1 und16-2 (oder8-1 und8-2 ) und dem darauf angeordneten Zahnrad32 , um diese beiden Teile miteinander zu kuppeln. Die Ausführungsform von4 mit auf den Achswellen angeordneten Kupplungen32 ist auch für die Ausführungsformen von3 und nach2 verwendbar. -
5 zeigt, wie das Antriebsdrehmoment MV des Fahrantriebsmotors2 beim Öffnen der Haupt-Kupplung4 und/oder bei einer Zugkraftunterbrechung im Übersetzungsgetriebe6 während eines Gangschaltvorganges beim Hochschalten unter Vollast zwischen den Zeitpunkten A und B abfällt. -
6 zeigt ein von den elektrischen Maschinen22-1 und22-2 gemeinsam aufbringbares elektrisches Drehmoment ME im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten A und B, während der Haupt-Fahrantriebsstrang des Fahrantriebsmotors2 unterbrochen ist. -
7 zeigt das Gesamtdrehmoment MG von Fahrantriebsmotor2 und den elektrischen Maschinen22-1 und22-2 vor, zwischen und nach den Zeitpunkten A und B. - In dem in
8 gezeigten Signalflußplan der Steuereinrichtung34 sind folgende Kriterien, Funktionen und Teile dargestellt: Eine Steuerung51 des Fahrantriebsmotors2 (Verbrennungsmotor oder Turbine oder andere Art), welche über Sensoren52 Betriebsdaten des Fahrantriebsmotors2 erhält und aktuelle Betriebswerte53 , insbesondere das aktuelle Drehmoment des Antriebsmotors2 , einem Rechner54 zuführt. Eine Getriebesteuerung55 erhält von Sensoren56 Zustandsinformationen über das Übersetzungsgetriebe6 , beispielsweise Eingangsdrehzahlen, Ausgangsdrehzahlen, Drehmomente hierzu, Schaltzustände von Übersetzungsschaltelementen usw., und gibt in Abhängigkeit hiervon Informationen über die aktuelle Getriebegangstufe und über die vorbereitete sowie durchgeführte zukünftige Getriebestufe bei57 an den Rechner54 . Eine Gaspedaleinrichtung58 , vorzugsweise eine mit einem Sensor59 zur berührungslosen Übermittlung der Gaspedalstellung an die Steuereinrichtung34 , gibt den Antriebsdrehmoment-Wunsch des Fahrzeugfahrers bei60 ebenfalls an den Rechner54 . - Der Rechner
54 berechnet anhand der genannten Kriterien und Informationen das Differenzmoment zwischen dem vom Fahrer gewünschten Moment und dem aktuellen Moment des Fahrantriebsmotors2 . Dieses Differenzmoment kann positiv oder negativ sein, je nach dem, ob der Fahrantriebsmotor das Fahrzeug antreibt oder ob er vom Fahrzeug angetrieben wird. Der Rechner54 gibt in Abhängigkeit vom Rechenergebnis entsprechende Signale61 an einen Steuerungsteil62 der elektrischen Maschinen22-1 und22-2 , welchem außerdem über Sensoren63 und64 der jeweils aktuelle Drehzahl- und/oder Drehmomentzustand der elektrischen Maschinen mitgeteilt wird. Ferner kann vorgesehen sein, daß dem Steuerungsteil62 Daten65 mitgeteilt werden, die Auskunft über den Zustand eines Energiespeichers (z. B. Batterie oder Brennstoffzelle)66 geben, welcher den für den Betrieb der elektrischen Maschinen als Elektromotor erforderlichen Strom liefert und welcher gegebenenfalls von den elektrischen Maschinen wieder aufgeladen wird, wenn diese als Generator betrieben werden. In Abhängigkeit hiervon steuert der Steuerungsteil62 die beiden elektrischen Maschinen22-1 und22-2 .
Claims (3)
- Kraftfahrzeugantrieb enthaltend einen Fahrantriebsmotor (
2 ); einen Antriebsstrang, welcher zur Verbindung des Fahrantriebsmotors (2 ) mit den beiden Rädern (10 ,18 ) einer Antriebsachse (8 ,16 ) ein Übersetzungsgetriebe (6 ) mit variabler Übersetzung und auf der Antriebsachse ein Ausgleichsgetriebe (14 ) aufweist, welches über Wellenverbindungen (8-1 ,8-2 ;16-1 ,16-2 ) mit den beiden Fahrzeugrädern antriebsmäßig verbunden ist; zwei elektrische Maschinen (22-1 ,22-2 ), von welchen je eine auf eines der beiden Fahrzeugräder (10 ,18 ) wirkt, die von dem Fahrantriebsmotor (2 ) antreibbar sind, wobei die elektrischen Maschinen mindestens als Elektromotoren betreibbar sind, wobei die elektrischen Maschinen (22-1 ,22-2 ) getrennt von den Wellenverbindungen (8-1 ,8-2 ;16-1 ,16-2 ) angeordnet sind, welche das Ausgleichsgetriebe (14 ) mit den Fahrzeugrädern (10 ,18 ) verbinden, und jede elektrische Maschine über einen eigenen Getriebezug (24-1 ,24-2 ) mit der Wellenverbindung des ihr zugeordneten Fahrzeugrades antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist; wobei in jedem Getriebezug der elektrischen Maschinen (22-1 ,22-2 ) eine schaltbare Kupplung (26 ) zum An- und Abkuppeln der elektrischen Maschinen vorgesehen ist und außerdem eine elektrische Steuereinrichtung (34 ) vorgesehen ist zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschinen (22-1 ,22-2 ) in Abhängigkeit von Übersetzungswechselvorgängen des Übersetzungsgetriebes (6 ) in der Weise, daß während Übersetzungswechselvorgängen im Antriebsstrang entstehende Antriebsunterbrechungen oder Drehmomentänderungen in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien durch in den elektrischen Maschinen erzeugte Drehmomente mindestens teilweise ausgeglichen werden. - Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe von jedem Getriebezug der elektrischen Maschinen ein einstufiges Stirnradgetriebe (
30 ,32 ) ist. - Kraftfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den antreibbaren Fahrzeugrädern (
10 ,18 ) mechanisch wirkende Bremsen (20 ) zugeordnet sind.
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