DE19837115B4

DE19837115B4 - Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19837115B4
Application number: DE19837115A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Großpietsch (FH); Martin Kretzschmar
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-08-17
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: FR2782361B1; JP3292712B2; DE19837115A1; US6294854B1; JP2000085388A; FR2782361A1

Abstract

Antriebsanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, die aufweist
– einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle (3),
– eine als Schwungrad (9) ausgebildete Schwungmasse und
– eine elektrische Maschine (21) mit einem Rotor (25) und mit einem Stator (23), wobei
– der Rotor (25) mittels einer schaltbaren Verriegelungseinrichtung (53, 63, 71, 73, 91) nach Vorgabe an einen Antriebsstrang (2) des Kraftfahrzeuges ankoppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Maschine (21) koaxial zur Kurbelwelle (3) drehbar gelagert angeordnet ist und dass das Schwungrad (9) einen ersten Schwungmasseteil bildet, der permanent mit der Kurbelwelle (3) verbunden ist und der Rotor (25) einen zweiten Schwungmasseteil bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE 43 23 601 A1 ist bereits eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Kupplung und einer elektrischen Maschine bekannt. Der Verbrennungsmotor weist als Ausgangsteil eine Kurbelwelle, die über eine zwischengeschaltete Kupplung mit einer Abtriebswelle, die gleichzeitig Getriebeeingangswelle ist, verbindbar ist. Die Kupplung ist zumindestens teilweise radial innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet, deren Stator fest mit dem Gehäuse des Motors verbunden ist und die einen mit der Abtriebswelle drehfest unter Zwischenschaltung von Torsionsschwingungsdämpfern verbundenen Rotor aufweist. Auch vorgesehene Anpreßplatten der Kupplung können über Torsionsschwingungsdämpfer mit der Abtriebswelle drehfest verbunden sein. Nachteilig ist, dass die Koppelung Rotor-Getriebeeingangswelle abgesehen vom Verdrehwinkel des Torsionsschwingungsdämpfers starr ausgeführt ist und der Elektromotor somit nur auf die Dreh- bzw. Getriebeeingangswelle Einfluß nehmen kann.
Aus der DE 196 18 865 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe angeordnete elektrische Maschine aufweist. Diese elektrische Maschine umfaßt einen mit dem Gehäuse des Motors fest verbundenen Stator und einen mit der Kurbelwelle fest verbundenen Rotor. Mit tels einer zwischen elektrische Maschine und Getriebe angeordneten Reibungskupplung ist der Verbrennungsmotor zur Durchführung eines Schaltvorganges von dem Getriebe abkoppelbar.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass der Rotor bei jeder Beschleunigung des Verbrennungsmotors als Teil der Schwungmasse mitbeschleunigt werden muß, wodurch die maximale Beschleunigung der Kurbelwelle herabgesetzt wird. Dadurch geht eine Trägheit des Antriebsstranges einher.
Mit der mit der JP 05-157141 ist eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt geworden, die als Antriebsaggregat einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle umfasst. Auf der Kurbelwelle ist ein Rad eines Festgetriebes angeordnet, welches mit einem weiteren, dazu achsversetzten Getrieberades in Eingriff steht, welches wiederum mittels einer schaltbaren Kupplung mit einer von einem Elektromotor antreibbaren Schwungmasse in Form eines Schwungrades verbindbar ist. Durch diese Anordnung ist es bedarfsweise in Abhängigkeit von der Betriebsweise des Verbrennungsmotors möglich, das Schwungrad zu- bzw. Abzukoppeln, um somit das an der Kurbelwelle wirkende Trägheitsmoment zu beeinflussen.
Durch das Getriebe und die zur Kurbelwelle versetzte Anordnung der Kupplung, des Schwungrades und des Elektromotors wird dabei ein relativ großer Bauraum beansprucht, welcher üblicherweise im Motorraum eines Fahrzeuges nur sehr knapp bemessen ist. Zudem werden durch die Getriebestufe zusätzliche Geräusche und andere unerwünschte Schwingungen in die Antriebsanordnung eingebracht.
Von dem genannten Stand der Technik ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, eine kompakt bauende und verbesserte Antriebsanordnung zu schaffen, deren Trägheitsverhalten durch eine koppelbare Zusatzmasse beeinflusst werden kann.
Die Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Antriebsanordnung mit den im Kennzeichen von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vom Verbrennungsmotor eingeleitete Drehmomentschwingungen sind von der Zündfrequenz bzw. der Drehzahl abhängig. Durch die Maßnahme, daß der Rotor mittels einer schaltbaren Verriegelungseinrichtung an einen durch den Verbrennungsmotor, die Kupplung und die Abtriebswelle gebildeten Antriebsstrang ankoppelbar ist, kann die als Schwungmasse wirksame träge Masse des Antriebsstranges durch An- oder Abkoppelung des Rotors, z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der gewünschten Beschleunigung des Kraftfahrzeuges, variiert werden. Werden aufgrund der Fahrsituation nur geringe Drehmomentschwankungen erwartet, so ist als Schwungmasse zur Dämpfung der Drehmomentschwankungen eine geringe träge Masse ausreichend, wobei aufgrund der als Schwungrad wirksamen geringen trägen Masse und damit bei einem gewünschten Beschleunigungsvorgang zu beschleunigende Masse die Antriebsanordnung und damit das Kraftfahrzeug eine hohe Reaktionsschnelligkeit aufweist. Sind auf grund der Betriebssituation des Kraftfahrzeugs größere Drehmomentschwankungen zu erwarten, so kann durch Schalten der Verriegelungseinrichtung durch Ankoppelung des Rotors an den Antriebsstrang die träge Masse vergrößert werden. Vorzugsweise wird der Rotor durch Ansteuerung der elektrischen Maschine auf die Drehzahl des Antriebsstranges beschleunigt, und bei Drehzahlgleichheit bzw. nahezuher Drehzahlgleichheit an den Antriebsstrang angekoppelt. Ist der Rotor angekoppelt, so kann die Ansteuerung der elektrischen Maschine unterbleiben, womit der Rotor in der Funktion eines passiven Tilgers eingesetzt ist. Erforderlichenfalls kann die elektrische Maschine zur aktiven Schwingungsdämpfung angesteuert werden, indem durch die elektrische Maschine ein der Drehmomentschwankung entgegengesetztes Moment in den Antriebsstrang eingeleitet wird, wie z. B. aus der DE 32 30 607 A oder der EP 437 266 A2 bekannt.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, den Rotor mit dem Schwungrad mittels der Verriegelungseinrichtung zu koppeln. Vorzugsweise ist der Rotor koaxial zu dem dem Verbrennungsmotor zugeordneten Schwungrad angeordnet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt zur Bereitstellung eines hohen Trägheitsmomentes als elektrische Maschine einen Außenläufer vorzusehen, der aufgrund des großen Radiuses ein hohes Trägheitsmoment aufweist. Vorzugsweise ist radial innerhalb der elektrischen Maschine als Kupplung eine Kompaktkupplung angeordnet. Es können auch andere Kupplungen, wie z. B. Lamellenkupplungen oder verschleißnachstellende Kupplungen, vorgesehen sein. Diese Antriebsanordnung ist besonders kompakt und insbesondere für den Einsatz in Pkw-Kraftfahrzeugen geeignet, bei denen der Bauraum besonders knapp ist. Für den Einsatz in Nutzkraftwagen kann es vorteilhaft sein, eine Reibungskupplung mit einem großen Durchmesser, über die ein hohes Moment übertragbar ist, einzusetzen. In Nutzkraftwagen steht im allgemeinen mehr Bauraum zu Verfügung, so daß eine parallele Anordnung von elektrischer Maschine und Kupplung möglich ist.
Als vorteilhafte Ausführungsform hat sich herausgestellt, eine Torsionsschwingungsdämpfung vorzusehen, unter deren Zwischenschaltung der Rotor an den Antriebsstrang ankoppelbar ist. Diese Torsionsschwingungsdämpfung kann z. B. ein Federelement oder auch Elastikdämpfer und zugeordnete Anschläge, umfassen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Verstellmechanismus vorzusehen, durch die Relativlage von Rotor und dem Bauteil mit dem der Rotor koppelbar ist, verstellbar ist. Durch Verstellung der Relativlage von Rotor und dem zugeordneten Bauteil des Antriebsstranges ist die Wirk samkeit bzw. der Arbeitspunkt des Torsionsschwingungsdämpfers einstellbar. Dadurch kann im angekoppelten Zustand des Rotors die Torsionsschwingungsdämpfung auf die zu erwartenden Schwingungen abgestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Kupplung mittels eines rotatorisch betätigbaren Ausrückers versehen ist, der mit der elektrischen Maschine in Wirkverbindung bringbar ist. Für ein Ausrücken der Kupplung ist die erforderliche rotatorische Bewegung durch Ansteuerung der elektrischen Maschine einleitbar. Somit kann zum einen die elektrische Maschine zur aktiven und passiven Schwingungsdämpfung, insbesondere in Betriebssituationen in denen mit einer starken Schwingung zu rechnen ist, eingesetzt werden und zur Betätigung der Kupplung vorgesehen sein. Vorzugsweise wird das vom Verbrennungsmotor eingeleitete Moment vor dem Ausrücken der Kupplung reduziert. Damit geht auch eine Reduzierung der Drehmomentschwingungen einher, so daß auf eine Dämpfung der Drehmomentschwingungen mittels der elektrischen Maschine verzichtet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Rotor mittels einer Verriegelungseinrichtung an die Abtriebswelle ankoppelbar ist. Dadurch kann die Abtriebswelle, die gleichzeitig vorzugsweise Getriebeeingangswelle ist, mittels Ansteuerung der elektrischen Maschine beschleunigt werden. Die Möglichkeit der Beschleunigung bzw. Verzögerung der Abtriebswelle mittels der elektrischen Maschine ist insbesondere zur aktiven Synchronisierung während eines Schaltvorganges vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Einrichtung vorgesehen, in Abhängigkeit von deren Schaltstellung der Rotor mit dem Ausrücker oder mit der Abtriebswelle koppelbar ist. Ist der Rotor durch die Wähleinrichtung mit dem Ausrücker verbunden, so ist die Kupplung mittels Ansteuerung der elektrischen Maschine betätigbar. Ist dahingegen der Rotor an die Abtriebswelle über die Wähleinrichtung angekoppelt, so kann eine aktive Synchronisierung sowie eine Schwingungsdämpfung durch die elektrische Maschine bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Stator mittels eines Lagers verdrehbar gegenüber einem karosseriefesten Bauteil gelagert ist, wobei dem Stator eine Arretiereinrichtung zugeordnet ist, durch die eine Relativverdrehung unterbindbar ist. Aufgrund der Impulserhaltung wirkenden Kraft wird der Stator bei gelöster Arretiereinrichtung in einer zur Drehbewegung des Rotors entgegengesetz ten Richtung beschleunigt. Durch diese Auslenkung des Stators wird gleichmäßig die Bewegung des Rotors gedämpft.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Stator mit dem rotatorisch betätigbaren Ausrücker zu koppeln, so daß die für eine Betätigung der Kupplung erforderliche rotatorische Bewegung durch Ansteuerung der elektrischen Maschine aufgrund der wirkenden Rückstellkraft bei gelöster Arretiereinrichtung durch die elektrische Maschine einleitbar ist. Vorzugsweise kann durch erneutes Schalten der Arretiereinrichtung die Kupplung auch im ausgerückten Zustand bzw. der Stator in der entsprechenden Position arretiert werden. Für ein Einrücken der Kupplung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zunächst die für das Ausrücken der Kupplung bereitgestellte Rückstellkraft, wiederum einzuleiten und in diesem Zustand die Arretiereinrichtung zu lösen um anschließend für ein Einrücken der Kupplung die wirkende Rückstellkraft zu reduzieren.
Der rotatorisch betätigbare Ausrücker kann vorteilhafterweise so ausgeführt sein, daß er in der ausgerückten Position arretierbar ist oder selbsthemmend und somit eine anderweitige Nutzung des Elektromotors, z. B. für den Synchronisiervorgang bei geöffneter Kupplung, zuläßt.
Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 schematische Darstellung einer Verbrennungsmotor-Elektromaschinen-Kombination mit integrierter Kupplung;
2 schematische Darstellung der Elektromaschinen-Einheit mit integrierter Kupplung und schematisch dargestellten Kopplungseinrichtungen;
3 Elektromaschinen-Kupplungseinheit.
In 1 ist eine Verbrennungsmotor-Elektromaschinen-Kombination 1 dargestellt, wobei nur die Kurbelwelle 3 des Verbrennungsmotors schematisch dargestellt ist. Diese Kurbelwelle 3 ist fest mit einem Schwungrad 9 verbunden. Dieses Schwungrad 9 ist Teil einer Kompaktkupplung 7, die koaxial von einem Stator 23 der elektrischen Maschi ne 21 umgeben ist. Diese Kompaktkupplung 7 weist eine mit einem Torsionsschwingungsdämpfer 13 versehene Kupplungsscheibe 11 auf. Diese Kupplungsscheibe 11 ist axial zwischen dem Schwungrad 9 und einer Anpreßplatte 15 angeordnet, die mit einer zugeordneten Membranfeder 17 in Wirkverbindung steht. Zur Betätigung der Kompaktkupplung 7 ist ein koaxial zur Getriebeeingangswelle 27 angeordneter Ausrücker 19 vorgesehen. Der diese Kupplung 7 koaxial umgebende Stator 23 ist ortsfest angeordnet und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Es kann auch vorgesehen sein, den Stator 23 fest mit dem Getriebegehäuse zu verbinden. Der Stator 23 wird koaxial von einem zugeordneten Rotor 25 umgeben. Somit handelt es sich bei dieser elektrischen Maschine 21 um einen Außenläufer 22. Der Rotor ist fest mit dem Schwungrad 9 bzw. der Druckplatte 10 der Kompaktkupplung 7 verbunden. Aufgrund der radial außen liegenden Anordnung des Rotors 25 weist derselbe aufgrund des großen Radiuses ein hohes Massenträgheitsmoment auf. Durch die feste Verbindung (1) mit dem Schwungrad 9 bzw. der Druckplatte 10 ist der Rotor 25 Teil der Schwungradmasse, sofern der Elektromotor nicht angesteuert wird. Durch Ansteuerung des Elektromotors ist durch denselben ein den Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors entgegengerichtetes Moment bereitstellbar. Die Drehschwingungen des Verbrennungsmotors werden aktiv gedämpft. Die dargestellte elektrische Maschine 21 kann auch als Generator betrieben werden. Bei Generatorbetrieb wird ein Teil des vom Verbrennungsmotor eingeleiteten Momentes mittels des Generators in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann in einem nicht dargestellten Zwischenspeicher wie einer Fahrzeugbatterie oder einem Kondensator zwischengespeichert werden. Es kann auch vorgesehen sein, die elektrische Energie direkt in ein vorgesehenes Bordnetz einzuspeisen. Mittels dieser elektrischen Energie werden die im Fahrzeug vorgesehenen elektrischen Verbraucher betrieben.
Zum Starten des Fahrzeuges kann vorgesehen sein, die elektrische Maschine 21 als Motor zu betreiben und vorzugsweise bei ausgerückter Kupplung 7 oder Getriebe in Leerlaufstellung das Schwungrad 9 auf die erforderliche Anlaßdrehzahl zu beschleunigen. Auch kann vorgesehen sein bei geöffneter Kupplung 7 und eingelegtem Gang, vorzugsweise Anfahrgang oder Rückwärtsgang, ein Ankriechen bzw. Kriechen des Fahrzeuges durch alleinigen Antrieb durch den Elektromotor bereitzustellen. Der Rückwärtsgang kann beispielsweise auch ausschließlich elektrisch erfolgen, so daß auf die entsprechenden Zahnräder und die zugeordnete Schalteinrichtung im Getriebe verzichtet werden kann, sofern die elektrische Maschine mit der Abtriebswelle 27 koppelbar ist. Weitere mögliche Kopplungen von Elektromaschine und Kupplung werden anhand von 2 beschrieben.
In 2 sind verschiedene Kopplungsmöglichkeiten der elektrischen Maschine 21 mit dem Antriebsstrang und alternativ dem Ausrücken 19 dargestellt. Die Anordnung von elektrischer Maschine 21, Kupplung 7 und Verbrennungsmotor entspricht der anhand von 1 bereits beschriebenen Anordnung. Es ist wiederum eine radial innerhalb der elektrischen Maschine angeordnete Kompaktkupplung 7 vorgesehen. Der Rotor 25 der elektrischen Maschine 21 ist drehbar mittels eines Lagers 29 auf dem Schwungrad 9 gelagert. Mittels einer Verriegelungseinrichtung 53 ist eine feste Verbindung von Rotor 25 und Schwungrad 9 schaltbar. Bei geöffneter Verriegelungseinrichtung 51 ist die elektrische Maschine von dem Antriebsstrang abgekoppelt. Zum Zuschalten der elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, zunächst den Rotor 25 durch Ansteuerung als elektrische Maschine 21 auf die Drehzahl des Schwungrades 9 zu beschleunigen und anschließend durch Schalten der Verriegelungseinrichtung 53 anzukoppeln. Diese mögliche Ankoppelung von elektrischer Maschine und Schwungrad 9 des Verbrennungsmotores ist mit Bezugszeichen (1), (2) gekennzeichnet.
Bei geschlossener Verriegelung 53 sind folgende Betriebsarten denkbar. Zum einen kann der Momentenfluß vom Verbrennungsmotor zur elektrischen Maschine 21 erfolgen, wobei die Schwungmasse des Verbrennungsmotors durch den Rotor vergrößert wird. Gleichzeitig kann die elektrische Maschine 21 bedarfsweise im Generatorbetrieb laufen. Ist die Kupplung 5, 7 geöffnet und wird die elektrische Maschine 21 zur Bereitstellung bzw. Einleitung eines Momentes bei geöffneter Kupplung angesteuert, so liegt Anlasserbetrieb vor. Bei geschlossener Kupplung unterstützt der Elektromotor das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors.
Bei Ankoppelung des Rotors 25 der elektrischen Maschine 21 über die mit (3), (4) gekennzeichnete Kopplung sind zusätzlich zu einer Verriegelungseinrichtung 63, durch die eine Koppelung des Rotors an das Schwungrad 9 schaltbar ist, Federelemente 57 zur Torsionsschwingungsdämpfung vorgesehen, denen jeweils ein einen möglichen Verdrehwinkel begrenzender Anschlag 59 zugeordnet ist. Es ist eine Einrichtung 61 zur Einstellung einer gewünschten Wirksamkeit der Federkonstante der Federelemente 57 vor gesehen. Durch die vorgesehenen Anschläge 59 wird verhindert, daß die Federelemente 57 während des Betriebes auf die der maximalen Spannenergie zugeordnete Position kompremiert werden. Diese Anschläge 59 sind zur Schonung der Federelemente 57 vorgesehen und werden vorzugsweise im Normalbetrieb nicht wirksam. Für den Anlasserbetrieb wird durch entsprechende Ansteuerung des Stators 23 die elektrische Maschine 21 als Elektromotor betrieben. Durch Strombeaufschlagung des Stators wird der Rotor 25 beschleunigt, wodurch die Federelemente 57 mit Kraft beaufschlagt werden und sind die Federelemente mit einem Mindestmoment beaufschlagt, so wird das Drehmoment des Rotors 25 vollständig auf das Schwungrad 9 übertragen. Durch entsprechende Ansteuerung des Stators 23 wird sowohl der Rotor 25 als auch das Schwungrad 9 beschleunigt. Bei erreichter, für einen Startvorgang des Verbrennungsmotors erforderlichen Mindestdrehzahl wird der Verbrennungsmotor in bekannter Weise gestartet. Im Folgenden kann das vom Verbrennungsmotor eingeleitete Moment zum einen für die Beschleunigung des Schwungrades 9 und zum anderen für die Beschleunigung des Kraftfahrzeuges genutzt werden. In Abhängigkeit von der Ansteuerung des Stators 23 kann die elektrische Maschine 21 als Elektromotor oder als Generator betrieben werden. Im folgenden können Torsionsschwingungen sowohl durch die elektrische Maschine, durch aktive Schwingungsdämpfung als auch durch den Torsionsschwingungsdämpfer 65, der die Federelemente 57 und die Reibeinrichtung 61 umfaßt, gedämpft werden.
Es ist auch eine weitere Anbindung des Elektromotors 21 an die Kompaktkupplung 7, insbesondere an das Schwungrad 9 bzw. an den Ausrücker 19 vorgesehen, wie z. B. mit den Bezugszeichen (6) bis (8) in 2 gekennzeichnet. Der Rotor 25 ist über eine Verriegelungseinrichtung 71 mit dem Schwungrad 9 und dem Ausrücker 19 verbindbar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 25 über Zwischenschaltung eines Federelementes 67 mit dem Ausrücker 19 verbunden und über eine Anschläge 69 aufweisende Verbindungsstrecke, die parallel zu dem Federelement 67 angeordnet ist, durch Anfahren der Anschlagposition mit dem Schwungrad 9 verbindbar. Durch Vorsehen eines rotatorisch betätigbaren Ausrückers 19 kann durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 die Kupplung 7 betätigt werden. Die elektrische Maschine 21 kann als Anlasser betrieben werden. Zum Anlassen des Motors wird der Stator 23 zur Beschleunigung des Rotors in einer ersten Drehrichtung angetrieben. Das Federelement 67 wird durch den Rotor 25 mit Kraft beaufschlagt, wodurch es zu einer Änderung der Relativposition von Schwungrad 9 und Rotor 25 kommt. Die von der Feder weitergeleitete Kraft verdreht den Ausrücker 19 und die Kupplung 7 wird automatisch ausgerückt. Bei fortwährendem Antrieb des Rotors 25 in diese Drehrichtung wird ein geringer weiterer Toleranzweg durchfahren und nach Erreichen des Anschlages das Schwungrad 9 beschleunigt. Der weitere Anlaßvorgang unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen nicht, so daß hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, so kann durch Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 in vorbestimmter Weise eine Veränderung der relativen Lage von Schwungrad 9 und Rotor 25 und damit ein Einrücken der Kupplung 7 gezielt angesteuert werden. Die Federelemente 67 werden dabei entlastet.
Für die Momentenübertragung bei laufendem Motor im Generatorbetrieb oder bei gemeinsamer Erzeugung des Antriebsmomentes durch Elektrommotor und Verbrennungsmotor ist die Verriegelungseinrichtung 71 oder 73 zu öffnen und die alternativ vorgesehene gedämpfte oder ungedämpfte Momentenübertragungsstrecke (1)–(2) oder (3)–(4) mittels der Verriegelungseinrichtung 63 bzw. alternativ 53 zu schließen, wie in 2a–2c gezeigt.
Insbesondere kann auch vorgesehen sein, daß der Rotor 25 über eine Verriegelungseinrichtung 73 mit dem Ausrücker 19 verbindbar ist, siehe 2, 2a–2c mit (5) oder (6) gekennzeichnet. Ist die elektrische Maschine ausschließlich mittels solch einer Anordnung (5) ankoppelbar, so ist die elektrische Maschine lediglich zur Betätigung des Ausrückers vorgesehen.
Bei Verwendung der Kuppl- und Anlaßstrecke gemäß 2c ist mittels der Übertragungsstrecken (6), (7), die über die Verriegelungseinrichtung 71 anwählbar sind, ein Anlaßvorgang unter reduzierter Anzahl von Schaltungen von Verriegelungseinrichtungen 71, 63, 53 möglich. Für einen Anlaßvorgang wird zunächst die Verriegelungseinrichtung 63 oder 53 (2a) geöffnet. Die Verriegelungseinrichtung 71 ist geschlossen. Durch Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 wird zunächst ausgekuppelt und bei fortwährendem Antrieb die Kupplungswelle 3 mittels der elektrischen Maschine 21 beschleunigt und somit der Verbrennungsmotor gestartet. Anschließend wird die Verriegelungseinrichtung 71 geöffnet und die Verriegelungseinrichtung 53 oder 63 wieder geschlossen. wohingegen für ein Starten des Kraftfahrzeuges bei der Ausführung gemäß 2b die Verriegelungseinrichtung 53 oder 63 zu öffnen und die Verriegelungseinrichtung 73 zu schließen ist. Die Kupplung 7 wird durch Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 ausgerückt und in eine stabile Lage gebracht bzw. im ausgekuppeltem Zustand z. B. mittels einer in 5 gezeigten Arretiereinrichtung 95 fixiert. Anschließend wird 73 geöffnet und 53 oder 63 geschlossen und der Verbrennungsmotor durch Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 angelassen. Im folgenden sind entsprechend den zuvor beschriebenen Verriegelungseinrichtungen 53 oder 63 und 73 für ein Schließen der Kupplung zu betätigen um dann anschließend nochmals die Verriegelungseinrichtung 53 oder 63 und 73 zu betätigen und um die elektrische Maschine 21 wieder an das dem Verbrennungsmotor zugeordnete Schwungrad 9 auszukoppeln.
In 2d ist eine gegenüber 2c vereinfachte Ausführungsvariante gezeigt. Der Rotor 25 ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer, der ein Federelement 65 und Anschläge 59 sowie eine Verstelleinrichtung 61 umfaßt, über ein nachgeschaltetes Federelement 67 mit dem der Kompaktkupplung zugeordneten Ausrücker 19 verbunden und über Anschläge 69 mit der Schwungmasse 9 des Verbrennungsmotors verbindbar. Den Anschlägen 69 und dem Federelement 67 ist eine Verriegelungseinrichtung 72 parallel geschaltet, durch die die Wirkverbindung zum Ausrücker frei schaltbar ist und durch die bei geschlossener Verriegelungseinrichtung die Kupplungsposition arretiert ist. Im folgenden wird die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispieles kurz beschrieben. Für einen Startvorgang ist die Verriegelungseinrichtung 72 zunächst geöffnet. Die elektrische Maschine 22 wird als Elektromotor angesteuert, so daß der Ausrücker über das Federelement 67 zur Betätigung der Kompaktkupplung 7 in die ausgerückte Betätigungsstellung betätigt wird. Bei ausgerückter Reibungskupplung und fortwährenden Antrieb gehen die Anschläge 69 in Anlageposition und die Schwungmasse des Verbrennungsmotors wird beschleunigt. Mit Erreichen der Mindestdrehzahl wird der Verbrennungsmotor gestartet. Ist der Verbrennungsmotor in Betrieb, so wird der Elektromotor mit verminderter Leistung angesteuert, so daß aus der resultierenden auf den Ausrücker 19 wirkenden Relativbewegung ein Einrücken der Reibungskupplung resultiert. Bei eingerückter Reibungskupplung wird die Verriegelungseinrichtung 72 geschlossen, wodurch die Betätigungsstellung der Kupplung arretiert ist. Im Folgenden kann die elektrische Maschine 22 als Generator angesteuert werden, wobei der Rotor durch den Verbrennungsmotor über die Torsionsschwingungsdämpfung mit Federele ment 65 und Anschläge 69 angetrieben wird. Es kann auch vorgesehen sein, die elektrische Maschine zur aktiven Schwingungsdämpfung anzusteuern.
Im Folgenden wird auf die in der unteren Bildhälfte von 2 dargestellte Anbindungsmöglichkeiten der elektrischen Maschine 21 an die Abtriebswelle 27, die gleichzeitig die Getriebeeingangswelle 28 ist, näher eingegangen, wie in den 3, 4a, 4b im einzelnen aufgeschlüsselt ist.
Der Rotor 25 ist über eine Wähleinrichtung 93 an die Getriebewelle direkt, mit (13b) gekennzeichnet, oder über eine Verriegelungseinrichtung 91, (13a) gekennzeichnet, mit der Getriebeeingangswelle 28 koppelbar. Diese Anbindung ist mit (11) gekennzeichnet. In Abhängigkeit von der Wähleinrichtung 93 kann der Rotor 25 auch wie bereits zuvor beschrieben an den Ausrücker 19, mit (14) gekennzeichnet, angekoppelt werden. Dies würde der mit (5) im oberen Abschnitt der 2 dargestellten Anbindung entsprechen. Weiterhin ist eine Anbindung des Rotors 25 über die mit (16) gekennzeichnete Anbindung, die Federelemente 79 und Anschläge 89 aufweist, direkt oder indirekt über die Verriegelungseinrichtung 91 an die Getriebeeingangswelle 28 ankoppelbar, wie in 4b gezeigt. In Abhängigkeit von der Wähleinrichtung 93 ist der Rotor 25 über die Einheit, bestehend aus Federelementen 79 mit Anschlägen 89, auch mit dem Ausrücker 19 koppelbar. Bei Ankoppelung an die Getriebeeingangswelle 28 ist das Fahrzeug bei geöffneter Kupplung 7 durch den Elektromotor 21 antreibbar. Dies kann insbesondere bei gewünschten niedrigen Fahrgeschwindigkeiten wie z. B. bei einem Kriechen des Fahrzeuges vorteilhaft sein. Auch kann die elektrische Maschine 21 zur Ansteuerung einer aktiven Synchronisierung des Getriebes angesteuert werden. Ist die Leerlaufposition im Getriebe angewählt und die Kupplung geschlossen, so kann durch Ansteuerung der elektrischen Maschine als Motor bei geschlossener Kupplung 7 der Elektromotor als Anlasser genutzt werden. Ist die elektrische Maschine 21 an den Ausrücker 19, mit (15) bezeichnet, angekoppelt, so kann mittels der elektrischen Maschine ein Ein- und Ausrücken der Kupplung gesteuert werden.
Bei dieser dargestellten Anbindung des Rotors an die Getriebewelle 27 sind Drehmomentschwankungen zum einen durch die träge Masse des Rotors 25 dämpfbar und die elektrische Maschine 21 kann zur aktiven Dämpfung von Drehmomentschwankungen angesteuert werden. Es kann auch vorgesehen sein, durch Schalten der verschiedenen Verriegelungselemente 53, 63, 71, 91 oder 93 in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Fahrzeuges eine der zuvor beschriebenen Anbindungsmöglichkeiten durch Schaltung des entsprechenden Verriegelungselementes zu wählen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl eine mit einer Torsionsschwingungsdämpfung, mit (10) bezeichnet, als auch ohne Torsionsschwingungsdämpfung ausgerüstete Kupplungsscheibe, mit (9) gekennzeichnet, dargestellt.
In 3 sind weitere Ausführungsvarianten dargestellt, die im Folgenden näher erläutert werden.
Bevor auf die Funktionsweise eingegangen wird, wird zuvor der Aufbau nochmals kurz beschrieben. Die Kurbelwelle 3 ist fest mit dem Schwungrad 9 bzw. der Druckplatte 10 verbunden. Dem Schwungrad 9 ist die Anpreßplatte 15 zugeordnet, wobei axial zwischen der Anpreßplatte 15 und dem Schwungrad 9 die Kupplungsscheibe 11 angeordnet ist. Diese Kupplungsscheibe 11 ist drehfest mit der Getriebeeingangswelle 28 verbunden. Es kann eine mit einer Torsionsschwingungsdämpfung 13 versehene Kupplungsscheibe 11 vorgesehen sein, wie mit (10) gekennzeichnet. Es kann auch eine einfache Ausführung einer Kupplungsscheibe 11, wie mit (9) bezeichnet, vorgesehen sein. Die Druckplatte 15 wird mittels der Membranfeder 17 mit Kraft beaufschlagt, die ihrerseits zum Ausrücken der Kupplung 7 durch den Ausrücker 19 an dem der Druckplatte entgegengesetztem Ende mit Kraft beaufschlagt wird. Bei dieser in der oberen Bildhälfte von 3 dargestellten Kupplung handelt es sich um eine Kompaktkupplung 7. In Anwendungsfällen, in denen der axiale Bauraum nicht knapp ist, wie z. B. bei einem Einsatz im NKW-Bereich, kann eine herkömmliche Kupplung 5 vorgesehen sein, wie in 3 in der unteren Bildhälfte dargestellt. Zunächst wird der in der oberen Bildhälfte von 3 dargestellte Aufbau näher beschrieben. Koaxial zur Kupplung ist der Stator 23 angeordnet, der mittels Lager 39 drehbar gelagert ist. Der Stator ist über ein Federelement 33 und über eine Verriegelung 41 mit dem Ausrücker 19 verbunden, wie mit Bezugszeichen (17) gekennzeichnet. Parallel zum Federelement 33 ist ein Anschlag 35 und eine Arretiereinrichtung 37, die jeweils auch parallel zueinander angeordnet sind, angeordnet. Auf das toleranzausgleichende Federelement kann ggf. auch verzichtet werden. Durch Schalten der Arretiereinrichtung 37 ist eine ortsfeste Lagerung des Stators gewährleistet. Durch Freigabe der Arretiereinrichtung 37 wird die zum Ausrücken der Kupplung erforderliche Betätigungskraft durch Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 und Ausnutzung der Rückstellkraft des Stators aufgrund der Impulsschaltung bereitgestellt. Zur Betätigung der Kupplung muß die Verriegelung 41 geschlossen sein. Der Rotor 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel fest mit der Schwungmasse gekoppelt.
Im Folgenden wird der in der unteren Bildhälfte von 3 dargestellte Aufbau näher beschrieben. Die elektrische Maschine 21 bestehend aus Stator 23 und Rotor 25, wobei der Stator ortsfest mit dem Getriebe verbunden ist und der Rotor 25, einen Außenläufer 22 bildend, radial außen angeordnet ist. Diese elektrische Maschine 21 ist in axialer Richtung parallel zur Kupplung 5 angeordnet. Die Koppelung von Rotor 25 mit der Getriebeeingangswelle 28 bzw. dem Ausrücker 19 entspricht den bereits anhand von 2 beschriebenen Koppelungsmöglichkeiten, so daß hier auf eine nähere Beschreibung verzichtet wird. Es können jedoch auch die anhand von 2 in der oberen Bildhälfte beschriebenen Koppelungen bei der axial parallelen Anordnung von Kupplung und elektrischer Maschine 21 vorgesehen sein.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Arretierungseinrichtung 95 zur Fixierung der Kupplung in einem Betätigungszustand, insbesondere der der ausgerückten Position entsprechenden Position, dargestellt. Diese Arretiereinrichtung 95 weist ein Rastelement 97 auf, das mit Erreichen der gewünschten Betätigungsposition in eine zugeordnete Ausnehmung 99 einrastet.
In 6a–c ist ein Ausführungsbeispiel einer als Verriegelungseinrichtung vorsehbaren Schalteinrichtung 101 dargestellt. Wie in 6a dargestellt, wird bei Ansteuerung der elektrischen Maschine 21 in Zugrichtung zur Beschleunigung ein Drehmoment des Schwungrades 9 auf dasselbe übertragen. Die Schalteinrichtung 101 ist geöffnet.
Ein Umschalten von Zugrichtung, was einem Starter- und Aktuatorbetrieb entspricht, bei dem von der elektrischen Maschine 21 ein Moment in den Antriebsstrang eingeleitet wird, in den Schubbetrieb, bei dem die elektrische Maschine 21 als Generator betrieben wird, ist in 6b dargestellt. Ein Anschlagelement 102 der Fixiereinrichtung 103 wird zur Arretierung, insbesondere des Anschlages 105, angesteuert, wie in 6b dargestellt. Aufgrund des Schubbetriebes ist die Kraftrichtung umgekehrt, wodurch ein zu den Anschlägen 105 und 107 parallel angeordnetes Federelement 109 auseinanderge zogen wird. Der Anschlag 105 rastet, wie in 6c gezeigt, ein und die elektrische Maschine ist als Generator betreibbar.

1: Verbrennungsmotor-elektrische Maschinen-Kombination
2: Antriebsstrang
3: Kurbelwelle
5: Kupplung
7: Kompaktkupplung
9: Schwungrad
10: Druckplatte
11: Kupplungsscheibe
13: Torsionsschwingungsdämpfer
15: Anpreßplatte
17: Membranfeder
19: Ausrücker
21: elektrische Maschine
22: Außenläufer
23: Stator
25: Rotor
27: Abtriebswelle
28: Getriebeeingangswelle
29: Lager
33: Federelement
35: Anschlag
37: Arretiereinrichtung
39: Lager
41: Verriegelung
53: Verriegelungseinrichtung
55: Torsionsschwingungsdämpfer
57: Federelement
59: Anschlag
61: Einrichtung
63: Verriegelungseinrichtung
65: Torsionsschwingungsdämpfer
67: Federelement
69: Anschlag
71: Verriegelungseinrichtung
72: Verriegelungseinrichtung
73: Verriegelungseinrichtung
79: Federelement
89: Anschlag
91: Verriegelungseinrichtung
93: Wählvorrichtung
95: Arretiereinrichtung
97: Rastelement
99: Vertiefung
101: Schalteinrichtung
102: Anschlagelement
103: Fixiereinrichtung
105: Anschlag
107: Anschlag
109: Federelement

Claims

Antriebsanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, die aufweist – einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle (3), – eine als Schwungrad (9) ausgebildete Schwungmasse und – eine elektrische Maschine (21) mit einem Rotor (25) und mit einem Stator (23), wobei – der Rotor (25) mittels einer schaltbaren Verriegelungseinrichtung (53, 63, 71, 73, 91) nach Vorgabe an einen Antriebsstrang (2) des Kraftfahrzeuges ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (21) koaxial zur Kurbelwelle (3) drehbar gelagert angeordnet ist und dass das Schwungrad (9) einen ersten Schwungmasseteil bildet, der permanent mit der Kurbelwelle (3) verbunden ist und der Rotor (25) einen zweiten Schwungmasseteil bildet.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (2) eine mittels eines Ausrückers (19) betätigbare Kupplung (7) zur Übertragung eines Fahrzeug-Antriebsmomentes aufweist, wobei das Schwungrad (9) als Teil der Kupplung (7) ausgebildet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (53, 63) mit dem Rotor (25) einerseits und mit dem Schwungrad (9) andererseits in Wirkverbindung steht.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (25) unter Zwischenschaltung eines Torsionsschwingungsdämpfers (55) an den Antriebsstrang (2) ankoppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsschwingungsdämpfer (55) zumindestens ein Federelement (57) und zugeordnete Anschläge aufweist, wobei der Arbeitspunkt des Federelementes (57) im angekoppelten Zustand durch Veränderung der Relativlage von Rotor (25) und dem mit diesem verbundenen Bauteil (9) des Antriebsstranges vorzugsweise vorbestimmbar einstellbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (7) zumindestens teilweise radial innerhalb der elektrischen Maschine (21) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (25) der elektrischen Maschine (21) mittels eines Schaltmechanismus (67, 69, 71; 73, 93) zur Betätigung der Kupplung (7) an den Ausrü cker (19) angekoppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausrücker (19) zur rotatorischen Betätigung ausgebildet ist, wobei die für ein Ausrücken der Kupplung (7) erforderliche rotatorische Bewegung durch Ansteuerung der elektrischen Maschine (21) einleitbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (23) mittels eines Lagers (29) verdrehbar gegenüber einem karosseriefesten Bauteil gelagert ist und dass dem Stator (23) zur Unterbindung einer Relativverdrehung eine Arretierungseinrichtung (37) zugeordnet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei gelöster Arretierungseinrichtung (37) unter Ausnutzung der Rückstellkraft, die für ein Ausrücken der Kupplung (7) erforderliche rotatorische Bewegung mittels der elektrischen Maschine (21) einleitbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antriebsstrang (2) eine Abtriebswelle (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (25) mittels einer Verriegelungseinrichtung (91) an die Abtriebswelle (27) ankoppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wähleinrichtung (93) vorgesehen ist, in Abhängigkeit von deren Schaltstellung der Rotor (25) mit dem Ausrücker (19) oder mit der Abtriebswelle (27) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtriebswelle (27) als Getriebeeingangswelle (27) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (21) bei geöffneter Kupplung (7) zur Bereitstellung einer aktiven Synchronisation bei einem Schaltvorgang mittels einer Verriegelungseinrichtung (91) an die Abtriebswelle (27) ankoppelbar ist.
Antriebsanordnung nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (25) der elektrische Maschine (21) zur Verminderung der trägen Masse während eines Schaltvorganges von dem Antriebsstrang (2), insbesondere mittels der Verriegelungseinrichtung (91) von der Abtriebswelle, abkoppelbar ist.