DE10003741A1 - Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung dient zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und zur elektrischen Energieversorgung des Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist eine motorisch oder generatorisch betreibbare Elektromaschine und ein Getriebe auf. Das Getriebe weist wenigstens zwei Freiläufe auf, wobei in Abhängigkeit der Drehrichtung der Elektromaschine jeweils ein anderer Freilauf sperrend im Eingriff ist. Das Getriebe weist in Abhängigkeit der Drehrichtung der Elektromaschine jeweils eine andere Übersetzung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einer Starter- Generator-Maschine mit einer variablen Getriebeüber­ setzung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ist aus der DE 197 48 045 A1 bekannt. Die dort beschriebe­ ne Starter-Generator-Maschine weist ein Getriebe, ins­ besondere ein Planetengetriebe auf, welches dafür sorgt, daß die Elektromaschine beim Startvorgang eine ausreichende mechanische Leistung liefert und diese sicher übertragen kann und auch beim Betrieb als Gene­ rator, wenn die Brennkraftmaschine mit höheren Dreh­ zahlen läuft, eine ausreichend hohe elektrische Lei­ stung zu erzeugen vermag. In dem Planetengetriebe kann dazu mittels eines Wählhebels über einen Aktuator die Übersetzung zwischen beispielsweise 1 : 2 und 1 : 5 einge­ stellt werden, wobei eine zusätzliche Leerlaufstellung zur Entkoppelung der Maschine von einem Kraftfahrzeug­ getriebe vorgesehen ist.

Dieser Aufbau erlaubt eine kompakte Lösung einer Elek­ tromaschine mit dem Planetengetriebe, welche aufgrund der verschiedenen möglichen Übersetzungen sowohl als Starter als auch als Generator zu betreiben ist. Durch die Notwendigkeit der Änderung des Übersetzungsver­ hältnisses wird jedoch ein Aktuator nötig, welcher einen erheblichen Aufwand bezüglich seiner Steuerung bzw. Regelung und damit der Steuerung bzw. Regelung des Übersetzungsverhältnisses in dem Planetengetriebe erforderlich macht.

Aus der DE 197 45 997 A1 ist die Anordnung einer elek­ trischen Maschine an einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die elektrische Maschine zum Starten der Brennkraftmaschine als Startermotor arbeitet, und wo­ bei danach umgeschaltet wird, so daß während des Laufs der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine als Generator zur elektrischen Bordnetzversorgung genutzt werden kann. Für die Ankoppelung der elektrischen Ma­ schine an die Brennkraftmaschine wurde eine Kegel­ radverzahnung gewählt, wodurch permanent hohe mechani­ sche Leistungen übertragbar sind.

Der Aufbau weist deshalb jedoch die Nachteile eines außerordentlich hohen Gewichts und eines großen mecha­ nischen Aufwandes bezüglich der Zahnräder und der Ke­ gelradverzahnungen auf. Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, daß der vorhandene Bauraum ver­ gleichsweise groß sein muß, um die senkrecht zueinan­ der angeordneten Achsen der Elektromaschine und der Kurbelwelle konstruktiv sinnvoll anordnen zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun dar­ in, eine möglichst einfache und kostengünstige Vor­ richtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welche gleichzeitig zur elektrischen Energieversorgung des Kraftfahrzeugs ge­ nutzt werden kann, und welche über eine sowohl moto­ risch als auch generatorisch betreibbare Elektroma­ schine verfügt. Dabei soll der erforderliche Steue­ rungs- und Regelungsaufwand sowie die hierfür erfor­ derliche Mechanik minimal sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Durch die beiden Freiläufe, welche jeweils in Abhängigkeit der Richtung des Drehmomentes bzw. der Drehrichtung der Elektromaschine abwechselnd sperrend im Eingriff sind, läßt sich ohne Verwendung eines Ak­ tuators oder dergleichen sicherstellen, daß sich in dem Getriebe in Abhängigkeit der Drehrichtung der Elektromaschine jeweils eine andere Übersetzung ein­ stellt. Damit ist sichergestellt, daß die Elektroma­ schine in ihrem motorischen Betrieb eine andere Über­ setzung gegenüber der Kurbelwelle der Brennkraftma­ schine aufweist, als dies in ihrem generatorischen Betrieb der Fall ist.

Durch den Verzicht auf einen Aktuator, welcher zum Umstellen der Übersetzung entsprechend angesteuert werden müßte, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in sehr robuster, störungsunanfälliger und kostengünsti­ ger Bauweise realisiert werden.

Aufgrund des sich selbsttätig an die jeweiligen Gege­ benheiten anpassenden Übersetzungsverhältnisses ist man nun in der Lage, die Elektromaschine der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung in der Art zu dimensionieren, daß sie bei annähernd allen Betriebsbedingungen in ihrem oberen Lastbereich und damit bei einem sehr gün­ stigen Wirkungsgrad der Elektromaschine arbeitet.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Er­ findung wird ein herkömmlicher Riementrieb als Verbin­ dung zwischen der Elektromaschine und einer Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine beibehalten. Über das Getriebe wird dabei eine Starteruntersetzung von circa i = 4 bis 6 geliefert. Die Umschaltung zwischen dem Starter-Generator-Betrieb erfolgt dann durch das Um­ kehren der Drehmomente der Elektromaschine und infolge dessen durch den Wechsel von Lösen und Greifen der beiden Freiläufe. Die Erfindung nutzt dabei die Tatsa­ che, daß die Bewegungsrichtung des Riemens und der Kurbelwelle stets die gleiche bleibt, die Lastrichtung sich dabei jedoch umkehrt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungs­ beispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung der Baueinheit aus Getriebe und Elektromaschine in einem Teilschnitt;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Doppelplaneten­ getriebes;

Fig. 3 eine prinzipmäßige Draufsicht auf eine Brenn­ kraftmaschine der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Baueinheit in einer Verwendung als Spanneinrichtung; und

Fig. 5 eine Seitenansicht gemäß der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Baueinheit 1 mit einer Elektroma­ schine 2 und einem Getriebe 3. Die Baueinheit 1 wird dabei durch ein als Riemen 4 ausgebildetes Getriebe­ element mit weiteren Komponenten, zumindest einer Kur­ belwelle 5 einer Brennkraftmaschine 6, welche in Fig. 1 nicht explizit dargestellt sind, verbunden.

Die Baueinheit 1 ist sowohl als Starter- als auch als Generator-Maschine nutzbar. Der Riemen 4 greift dabei direkt auf einem Getriebegehäuse 7 des Getriebes 3 an, welches in einem Teilbereich als Riemenscheibenelement 7a ausgebildet ist. Das Getriebe 3 ist als Planetenge­ triebe ausgebildet, wobei ein Hohlrad 8 des Planeten­ getriebes direkt mit dem Getriebegehäuse 7 verbunden ist. Zwischen einem Sonnenrad 9 und dem Hohlrad 8 des Getriebes befinden sich zwei Planetenräder 10, wobei ein Planetenrad 10a mit dem Hohlrad 8 und ein Plane­ tenrad 10b mit dem Sonnenrad in kämmenden Eingriff steht. Die beiden Planetenräder 10 sind auf einem Dop­ pelplanetenträger 11 angeordnet.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Getriebes 3 als Doppelplanetengetriebe wird später anhand Fig. 2 noch­ mals prinzipmäßig dargestellt werden.

Das Getriebe 3 weist außerdem zwei Freiläufe 12, 13 auf. Im Generatorbetrieb greift dabei der Freilauf 12, wodurch das von dem Riemen 4 angetriebene Getriebge­ häuse 7 einen Läufer 14 der Elektromaschine 2 mit­ dreht. Der andere Freilauf 13 ist in diesem Fall ge­ löst.

Im Starterbetrieb will nun der Doppelplanetenträger 11 mit seinen jeweils zwei Planetenrädern 10 rückwärts laufen. Aufgrund des Freilaufs 13 wird dies jedoch verhindert, da der Freilauf 13 im Starterbetrieb sperrt. Damit kommt das Getriebe 3 zum Tragen, welches eine Starteruntersetzung von beispielsweise i = 5 lie­ fert.

Wenn die grundlegend vorhandene Übersetzung zwischen dem Läufer 14 der Elektromaschine 2 und der Kurbelwel­ le 5 der Brennkraftmaschine 6 im Generatorbetrieb auf­ grund des Riementriebs beispielsweise i = 3 beträgt, dann muß der Läufer 14 bei einer Drehzahl der Kurbel­ welle 5 von n = 6000 1/min auf eine Drehzahl des Läu­ fers 14 von n = 18000 1/min ausgelegt sein. In der Starterfunktion kann dann bei der angenommenen Star­ teruntersetzung des Getriebes von i = 5 die Elektroma­ schine 2 als Starter bei einer Drehzahl von 18000 1/min des Läufers 14 die Kurbelwelle 5 auf eine Dreh­ zahl von n = 1250 1/min hochdrehen.

Dies ist besonders im Hinblick auf künftige Abgasge­ setze von großer Bedeutung, bei denen eine hohe Be­ feuerungsstartdrehzahl erforderlich ist. Zudem ist der Starter dadurch leise und verschleißarm, so daß er für Start/Stop-Anlagen sehr gut verwendbar ist, da es hier erforderlich wird, eine Brennkraftmaschine während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit des vorge­ gebenen Lastzustandes, z. B. während eines Ampelstops, aus Gründen der Kraftstoffeinsparung anzuhalten und diese bei gewünschter Weiterfahrt umgehend wieder zu starten. Hierbei ist es günstig, wenn die Elektroma­ schine 2 die Starterfunktion sehr leise, unauffällig und ohne größeren Verschleiß zu realisieren vermag.

Fig. 2 zeigt nun in einer stark schematisierten Prin­ zipdarstellung die Funktionsweise eines Doppelplane­ tengetriebes bei dem zwei der Planetenräder 10 auf dem Doppelplanetenträger 11 angeordnet sind, wobei das innere Planetenrad 10b mit der Sonne 9, und wobei das äußere Planetenrad 10a mit dem Hohlrad 8 in kämmenden Eingriff steht.

In Fig. 3 ist in einer prinzipmäßigen Draufsicht auf die Brennkraftmaschine 6 der Riemen 4 dargestellt. Neben dem bereits erwähnten Getriebegehäuse 7 der Bau­ einheit 1 mit seinem als Riemenscheibenelement 7a (hier nicht erkennbar) ausgebildeten Teilstück läuft der Riemen 4 über eine Riemenscheibe 5a der Kurbelwel­ le 5 sowie über zwei weitere Riemenscheiben 15, 16, welche beispielsweise zum Antrieb von weiteren Hilfsaggregaten, wie z. B. einer Wasserpumpe und eines Klimakompressors genutzt werden können.

Die Baueinheit 1 mit dem Getriebe 3 und der Elektroma­ schine 2, welche ebenfalls über den Riemen 4 angetrie­ ben wird bzw. die Kurbelwelle 5 antreibt, ist auf ei­ nem Trägerelement 17 angebracht. Außerdem wird die Baueinheit 1 über ein Spannelement 18 gegenüber dem Trägerelement 17 so gespannt, daß der Riemen 4 jeweils eine Vorspannung aufweist. Der beschriebene Aufbau mit der Baueinheit 1, dem Trägerelement 17 und dem Spann­ element 18 kann also auch als eine Spanneinrichtung 19 verstanden werden.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Aufbau der Spanneinrich­ tung 19 nochmals detaillierter. Dabei wurde für die Baueinheit 1 eine prinzipmäßige Darstellung gewählt, welche von dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ab­ weicht. Das Riemenscheibenelement 7a ist dabei als eine eigenständige Riemenscheibe 7a dargestellt, wel­ che auf einer Rotationsachse 20 der Baueinheit 1 ange­ ordnet ist. Das nachfolgend erläuterte Funktionsprin­ zip ist jedoch von der Art und der Ausführung der Bau­ einheit 1 prinzipiell unabhängig.

In Fig. 4 ist nun eine Achse 21 erkennbar über welche ein Gehäuse 22 der Baueinheit 1, insbesondere der Elektromaschine 2, in dem Trägerelement 17 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt dabei in zwei Armen 17a, 17b des Trägerelements 17. Die Achse 21 der Lagerung des Gehäuses 22 in dem Trägerelement 17 und die Rotati­ onsachse 20 der Baueinheit 1 verlaufen dabei in einem radialen Abstand A parallel zueinander.

Das Spannelement 18 ist in dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel mit einer Feder 18a und einem Dämpf­ ungselement 18b realisiert worden. Damit kann durch die Feder 18a eine entsprechende Kraft zur Erzeugung einer Vorspannung des Riemens 4 aufgebracht werden und die Dämpfung des Dämpfungselements 18b verhindert ein oszilierendes Aufschaukeln der gesamten Spanneinrich­ tung 19 aufgrund von nicht durchgehend konstanten Kraftverhältnissen in dem Riemen 4. Wird nun bei dem Betrieb der Vorrichtung von dem Starterbetrieb in den Generatorbetrieb der Elektromaschine 2 gewechselt, so wird hierbei das bisherige Leertrum des Riemens 4 zum Lasttrum und es müssen relativ hohe Kräfte übertragen werden. Dann erfährt der über die Spanneinrichtung 19 vorgespannte Riemen 4 durch die Lagerung der Bauein­ heit 1 bzw. deren Gehäuse 22 dem Trägerelement 17 eine Erhöhung der Spannung auf den Riemen 4, zusätzlich zu der Spannung des Spannelements 18.

Dies erfolgt, da das Gehäuse 22 ein Reaktionsmoment auf den sich um die Rotationsachse 20 aktiv bewegenden Rotor der Elektromaschine 2 erfährt. Durch die Lage­ rung mittels der Achse 21 des Gehäuses 22 der Elektro­ maschine 2 bzw. der Baueinheit 1 in dem Trägerelement 17 wird erreicht, daß sich dieses Reaktionsmoment auf die anlaufende Elektromaschine 2 bzw. deren Gehäuse 22 in der Art auswirkt, daß es zu einer Erhöhung der Spannung in dem Riemen 4 kommt. Die Spannung steigt mit dem Drehmoment der Elektromaschine 2.

Der Riemen 4 wird dabei aber lediglich während der Funktion der Elektromaschine 2 als Starter auf diese hohe Vorspannung gebracht. Im Generatorbetrieb der Elektromaschine 2 wirkt die Gehäusereaktion in die Gegenrichtung und somit dem Spannelement 18 entgegen. Der Betrag dieses Moments ist aber wesentlich gerin­ ger.

Alternativ dazu kann die Konstruktion auch so gestal­ tet werden, daß die Selbstspannung des Riemens auf­ grund Gehäusereaktion bei beiden Drehmomentrichtungen wirkt.

Alternativ dazu könnte auch ein ansteuerbares, akti­ ves, von der obigen Beschreibung völlig verschiedenes Spannelement eingesetzt werden, welches in Abhängig­ keit des Betriebszustands der Elektromaschine 2, also wenn diese entweder als Generator oder als Starter eingesetzt wird, die Spannung in dem Riemen 4 entspre­ chend erhöht. Ein solches Spannelement könnte z. B. eine über einem Hydraulik- oder Pneumatikzylinder oder einen elektrischen Stellmotor aktiv angesteuerte Spannrolle sein.

Die prinzipiell auch denkbare Lösung, die Spannung in dem Riemen 4 grundsätzlich während des gesamten Be­ triebs auf einem so hohen Niveau zu halten, daß dies auch für die Starterfunktion der Elektromaschine 2 ausreichend sein würde, würde zu einer Beeinträchti­ gung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer des Riemens 4 führen sowie zu einer Überdimensionierung der Aggre­ gatelager und wäre somit prinzipiell denkbar, jedoch nicht unbedingt anzustreben.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und zur elektrischen Energie­ versorgung des Kraftfahrzeugs mit einer motorisch oder generatorisch betreibbaren Elektromaschine, mit einem Getriebe, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (3) wenigstens zwei Freiläufe (12, 13) aufweist, wobei in Abhängigkeit von der Drehrich­ tung der Elektromaschine (2) jeweils ein anderer Freilauf (12, 13) sperrend im Eingriff ist, und wo­ bei das Getriebe (3) in Abhängigkeit von der Dreh­ richtung der Elektromaschine (2) jeweils eine an­ dere Übersetzung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (3) als Planetengetriebe mit Doppel­ planetensätzen (10) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (3) und die Elektromaschine (2) eine Baueinheit (1) bilden, wobei diese Baueinheit (1) über ein direktes Koppelelement mit einer Kurbel­ welle (5) der Brennkraftmaschine (16) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (3) und die Elektromaschine (2) eine Baueinheit (1) bilden, wobei diese Baueinheit (1) über ein Getriebeelement (Riemen 4) mit der Kur­ belwelle (5) der Brennkraftmaschine (6) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebeelement (Riemen 4) als Riementrieb mit einem nachgeschalteten Zahnradgetriebe ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Riementrieb mit einem das Hohlrad (8) des Pla­ netengetriebes (3) aufweisenden Getriebegehäuse (7) in Eingriff steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Riemen (4) des Riementriebs über eine Spann­ einrichtung (19) spannbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (19) ein Trägerelement (17), die Baueinheit (1) aus der Elektromaschine (2) und dem Getriebe (3) sowie ein Spannelement (18) auf­ weist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (1) aus der Elektromaschine (2) und dem Getriebe (3) auf dem Trägerelement (17) dreh­ beweglich gelagert ist, wobei das Spannelement (18) durch welches der Riemen (4) vorgespannt ist, zwischen dem Trägerelement (17) und der Baueinheit (1) aus der Elektromaschine (2) und dem Getriebe (3) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lagerung der Baueinheit (1) aus der Elektroma­ schine (2) und dem Getriebe (3) in dem Trägerele­ ment (17) in einem radialen Abstand (A) von der Rotationsachse (20) der Elektromaschine (2) zu dem Trägerelement (17) hin in der Art ausgeführt ist,
daß das beim motorischen Betrieb der Elektroma­ schine (2) auftretende Reaktionsmoment eines Ge­ häuses (22) der Elektromaschine (2) und/oder des Getriebes (3) den Riemen (4) zusätzlich zu dem den Riemen (4) vorspannenden Spannelement (18) spannt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (19) ein aktiv ansteuerbares Spannelement aufweist.