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DE19615742C1 - Kraftfahrzeugantrieb mit Schaltgetriebe - Google Patents

Kraftfahrzeugantrieb mit Schaltgetriebe

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DE19615742C1
DE19615742C1 DE19615742A DE19615742A DE19615742C1 DE 19615742 C1 DE19615742 C1 DE 19615742C1 DE 19615742 A DE19615742 A DE 19615742A DE 19615742 A DE19615742 A DE 19615742A DE 19615742 C1 DE19615742 C1 DE 19615742C1
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vehicle drive
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Antriebsmotor und einem an den Antriebsmotor mechanisch angekoppelten Schaltgetriebe.
Vorteilhaft bei diesem Antriebsprinzip mit Schaltgetriebe ist, daß kostengünstige Schaltgetriebe mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung stehen. Eine Schwierigkeit bei diesen Systemen besteht jedoch in einer gewissen Komfortminderung, die durch die erfor­ derlichen Aufbaubewegungen während eines Getriebeschaltvorganges bedingt ist. Denn bei solchen Antrieben wird während eines Ge­ triebeschaltvorgangs der Kraftfluß vom Antriebsmotor zur Aus­ gangswelle des Schaltgetriebes und damit zum Antriebsstrang des Fahrzeugs unterbrochen. Zudem ist die Automatisierbarkeit der Schaltvorgänge eingeschränkt. Denn beim vollautomatischen Schal­ ten sollten die Schaltvorgänge in sehr kurzer Zeit, z. B. in we­ niger als 0,3 Sekunden, ablaufen, damit die Komfortminderung ge­ ring und die Betriebsphase mit Zugkraftunterbrechung kurz bleibt, was beispielsweise für Überholvorgänge von Bedeutung ist. Bei kurzen Schaltzeiten besteht jedoch die Gefahr, daß merkliche Kraftstöße an den Antriebsrädern durch Umsynchronisie­ ren des Antriebsmotors entstehen, was z. B. bei glatter Fahrbahn problematisch ist. Die kurzen Schaltzeiten erfordern zudem lei­ stungsfähige Aktuatoren für die Kupplungs- und die Schaltungs­ einheit, und die plötzlichen, harten Krafteingriffe belasten den Antriebsstrang.
Aus der Offenlegungsschrift DE 42 02 083 A1 ist ein Hybridan­ trieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine Drehstromma­ schine an die Vorgelegewelle eines Schaltgetriebes angekoppelt ist. Die Drehstrommaschine dient dazu, das bei einem Schaltvor­ gang erforderliche Drehmoment zur Verzögerung bzw. Beschleuni­ gung der Getriebeteile bereit zustellen, um verbesserte Getriebe­ schaltvorgänge durch Verkürzung der unerwünschten Antriebszug­ kraftunterbrechung zu erzielen. Die Drehstrommaschine bildet ei­ ne elektrische Synchronisationshilfe für das Getriebe, das die mechanischen Synchronisationsmittel entlasten oder entbehrlich machen soll.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Kraftfahrzeugantriebs mit Schaltgetriebe zugrunde, bei dem keine hohen kurzzeitigen Antriebszugkraftunterbrechungen während Getriebeschaltvorgängen auftreten.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Kraftfahrzeugantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs I. Bei diesem Antrieb ist eine mechanisch an die Ausgangswelle des Schaltgetriebes gekoppelte elektrische Maschine vorgesehen, die während Betriebsphasen, in denen die Antriebskraftübertragung vom Antriebsmotor zur Schaltgetriebeausgangswelle aufgrund eines Getriebeschaltvorgangs kurzzeitig unterbrochen ist, ein diese Unterbrechung wenigstens teilweise kompensierendes Drehmoment auf die Getriebeausgangswelle ausübt. Die elektrische Maschine stellt somit während den kurzen Getriebeschaltphasen wenigstens teilweise die ansonsten vom Antriebsmotor gelieferte Zugkraft für den Fahrzeugantriebsstrang zur Verfügung. Eine völlige Zug­ kraftunterbrechung wird dadurch vermieden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird die elektrische Maschine in den kurzen Betriebsphasen während Ge­ triebeschaltvorgängen zur Erzeugung des Kompensationsdrehmomen­ tes im thermischen Überlastbetrieb betrieben. Dies ist für der­ artig kurze Betriebsphasen ohne Nachteile möglich, so daß die elektrische Maschine nicht auf eine derartige Dauerleistung aus­ gelegt zu sein braucht und damit in einer kompakten Bauform rea­ lisierbar ist. Beispielsweise kann sie als Kurzschlußläufer-Asyn­ chronmotor ausgelegt sein, der über einen Wechselrichter von einer ebenfalls relativ klein bauenden Hochstrombatterie ange­ trieben wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist vorge­ sehen, die elektrische Maschine so auszulegen, daß sie in Fahr­ zeugbremsphasen als Generator betrieben werden kann, wodurch die Bremswirkung mittels Umwandlung von kinetischer Fahrzeugenergie in elektrische Energie unterstützt werden kann. Die erzeugte elektrische Energie kann in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert oder zum Betrieb elektrischer Verbraucher im Fahr­ zeug genutzt oder an einem Arbeitswiderstand in Wärme umgesetzt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird die elektrische Maschine zudem dazu verwendet, an der Getriebeaus­ gangswelle auftretende Antriebsschwingungen durch Erzeugen ent­ sprechend gegenwirkender Drehmomente auszugleichen.
Gemäß einer Weiterbildung nach Anspruch 5 kann die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben und damit als zusätzliche Antriebsquelle eingesetzt werden, wozu die benötigte elektrische Energie von einem Generator geliefert wird, der von einer Abgas­ entspannungsturbine angetrieben wird, wodurch sich der Wirkungs­ grad des Antriebs erhöhen läßt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Kraftfahrzeugantriebs.
Der in der Figur dargestellte, z. B. in einem Automobil verwend­ bar Antrieb beinhaltet in herkömmlicher Weise einen Verbren­ nungsmotor (1), ein eingangsseitig an die Motorwelle angekoppel­ tes Schaltgetriebe (2) und einen Kardanstrang (4) als Antriebs­ strang, der an die Ausgangswelle des Schaltgetriebes (2) ange­ koppelt ist und das Antriebsmoment an die entsprechenden Fahr­ zeugkomponenten, z. B. zwei oder vier Räder eines Automobils, weiterleitet.
An der Ausgangsseite des Schaltgetriebes (2) ist eine elektri­ sche Maschine (3) vorgesehen, die mechanisch mit der Getriebe­ ausgangswelle gekoppelt ist. Elektrisch ist die elektrische Ma­ schine (3) mit einem Wechselrichter (5) verbunden, der seiner­ seits Verbindung mit einem Steuergerät (6), einer Hochstrom­ batterie (7), einem Arbeitswiderstand (8) mit zugeordnetem Kühl­ gebläse (9) und Nutzverbraucheranschlüssen (10) hat, die über eine von der Verbindungsleitung zwischen Wechselrichter (5) und Hochstrombatterie (7) abzweigende Speiseleitung elektrisch ver­ sorgt werden.
Die elektrische Maschine (3) dient primär dazu, in den Be­ triebsphasen, in denen aufgrund eines Getriebeschaltvorgangs kein Antriebsmoment vom Verbrennungsmotor (1) zum Kardanstrang (4) übertragen werden kann, was bei herkömmlichen Antrieben in einer Zugkraftunterbrechung resultiert, das Fehlen dieses Ver­ brennungsmotor-Antriebsmoments wenigstens teilweise zu kompen­ sieren. Dazu ist die elektrische Maschine (3) als drehmoment­ starker Kurzschlußläufer-Asynchronmotor ausgeführt, der in die­ sen kurzen Betriebsphasen im thermischen Überlastbetrieb betrie­ ben wird. Die elektrische Maschine (3) wird dabei gesteuert vom Steuergerät (6) in geeigneter Weise über den Wechselrichter (5) mit Strom aus der Hochstrombatterie (7) gespeist, so daß sie als Elektromotor arbeitend ein Drehmoment auf die Ausgangswelle des Schaltgetriebes (2) und damit auf den Kardanstrang (4) ausübt. Dieses Drehmoment vermag das in dieser Betriebsphase fehlende Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wenigstens teilweise zu erset­ zen. Da die elektrische Maschine (3) hierzu im thermischen Über­ lastbetrieb arbeitet, läßt sich trotz vergleichsweise kleiner Bauform für die elektrische Maschine (3) ein relativ hohes kom­ pensierendes Drehmoment erzielen. Da diese hohe Leistung von der elektrischen Maschine (3) nur für die sehr kurze Zeitdauer der Kraftunterbrechung zwischen Verbrennungsmotor (1) und Kardanstrang (4) während eines Schaltvorgangs im Schaltgetriebe (2) aufgebracht werden muß, ist dieser vorübergehende, thermi­ sche Überlastbetrieb problemlos möglich.
Signifikante Zugkraftunterbrechungen während eines Getriebe­ schaltvorgangs, die z. B. während eines Überholvorgangs besonders störend sind, treten damit bei diesem Antrieb nicht auf. Durch die wenigstens teilweise Kompensation der herkömmlichen Zug­ kraftunterbrechung während eines Getriebeschaltvorgangs werden merkliche Kraftstöße auf den Kardanstrang (4) und damit einher­ gehende Belastungen weitestgehend vermieden oder jedenfalls merklich abgeschwächt. Dabei kann es sich bei dem Schaltgetriebe sowohl um ein handbetätigtes als auch um ein automatisch be­ tätigtes Schaltgetriebe handeln.
Neben der oben beschriebenen, primären Funktion der elektrischen Maschine (3) zur kurzzeitigen Zugkraftunterbrechungskompensation erfüllt sie in vorteilhafter Weise weitere Funktionen in anderen Betriebsphasen. So kann die elektrische Maschine (3) während Bremsvorgängen auf Generatorbetrieb umgeschaltet werden, um eine zusätzliche Bremswirkung durch Umwandlung von kinetischer Ener­ gie des Kardanstrangs (4) in elektrische Energie bereitzustel­ len. Die dadurch erzeugte elektrische Energie wird über den Wechselrichter (5) in die Hochstrombatterie (7) eingespeichert und, soweit erforderlich, den Nutzverbraucheranschlüssen (10) zugeführt. Liegt darüber hinaus noch überschüssige elektrische Energie vor, kann diese über den Wechselrichter (5) an den Ar­ beitswiderstand (8) weitergeleitet und dort in Wärme umgesetzt werden, wobei der Arbeitswiderstand (8) mit dem Lüfter (9) ge­ kühlt wird. Bei entsprechender Auslegung kann hierdurch die Wir­ belstrombremse eines Nutzfahrzeugs ersetzt werden. Es versteht sich, daß die erzeugte Wärme bei Bedarf genutzt werden kann, z. B. zur Aufheizung eines Fahrzeuginnenraums.
In einer weiteren Funktion dient die elektrische Maschine (3) zum Ausgleich von Antriebsschwingungen, die vom Verbrennungsmo­ tor (1) oder vom Kardanstrang (4) her auf die Getriebeausgangs­ welle einwirken. Dazu wird die elektrische Maschine (3) als Elektromotor betrieben, der in passender Weise das schwingungs­ ausgleichende Drehmoment erzeugt. Dies ist insbesondere bei An­ fahrvorgängen sinnvoll.
In einer weiteren Funktion für Betriebsphasen mit hohem An­ triebsleistungsbedarf wird die elektrische Maschine (3) parallel zum Verbrennungsmotor (1) als Antriebsmotor eingesetzt, wie dies beispielsweise von Hybridantrieben geläufig ist. Vorzugsweise bezieht die elektrische Maschine (3) in dieser Funktion den da­ für erforderlichen Strom von einem nicht gezeigten Generator, der von einer nicht gezeigten Abgasentspannungsturbine angetrie­ ben wird. Dadurch kann die Energie des Verbrennungsmotorabgases zur Bereitstellung eines Zusatzdrehmomentes auf den Kardanstrang (4) durch die elektrische Maschine (3) zusätzlich zum Antriebs­ moment des Verbrennungsmotors (1) genutzt werden. Selbstver­ ständlich kann die Speisung der elektrischen Maschine (3) in dieser Betriebsart je nach Anwendungsfall auch anderweitig er folgen, z. B. mittels einer Batterie mit ausreichender Speicher­ kapazität.

Claims (6)

1. Kraftfahrzeugantrieb, mit
  • - einem Antriebsmotor (1) und
  • - einem an den Antriebsmotor mechanisch angekoppelten Schaltge­ triebe (2),
gekennzeichnet durch
  • - eine mechanisch an die Ausgangswelle des Schaltgetriebes (2) angekoppelte elektrische Maschine (3), die während Be­ triebsphasen, in denen die Antriebskraftübertragung vom An­ triebsmotor (1) zur Schaltgetriebeausgangswelle aufgrund ei­ nes Getriebeschaltvorgangs kurzzeitig unterbrochen ist, ein diese Unterbrechung wenigstens teilweise kompensierendes Drehmoment auf die Getriebeausgangswelle ausübt.
2. Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) zur kurzzeitigen Ausübung des kom­ pensierenden Drehmomentes auf die Schaltgetriebeausgangswelle im thermischen Überlastbetrieb betrieben wird.
3. Kraftfahrzeugantrieb nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) in Fahrzeugbremsphasen als Genera­ tor betrieben wird, dessen elektrische Energie in einem Speicher (7) gespeichert und/oder zu Nutzverbraucheranschlüssen (10) wei­ tergeleitet und/oder in einem Arbeitswiderstand (8) in Wärme um­ gewandelt wird.
4. Kraftfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) bei im Fahrbetrieb auftretenden An­ triebsschwingungen ein diese Schwingungen ausgleichendes Drehmo­ ment auf die Schaltgetriebeausgangswelle ausübt.
5. Kraftfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (3) als Elektroantriebsmotor betreibbar ist, dem die elektrische Energie von einem Generator zugeführt wird, der von einer Abgasentspannungsturbine angetrieben wird.
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