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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 198 10 592
A1 ist ein gattungsgemäßes Antriebssystem,
insbesondere zum Starten einer Brennkraftmaschine und zur Spannungsversorgung
eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeuges, bekannt, wobei
eine elektrische Maschine mit einem axial zu dieser angeordneten
Planetengetriebe wirkverbunden ist, über das die elektrische Maschine
mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist, und wobei die elektrische
Maschine durch Umschalten des Planetengetriebes zwischen einem gegenüber einem
Gehäuse
des Planetengetriebes blockierten Hohlrad einerseits und dem gegenüber einem
umlaufenden Planetenträger
blockierten Hohlrad andererseits zwischen einem Motorbetrieb und
einem Generatorbetrieb umschaltbar ist. Es ist dabei vorgesehen, dass
ein zwischen einem feststehenden Gehäuseteil und dem Hohlrad angeordnetes
mechanisches Schaltmittel über
ein Antriebsmittel in Umfangsrichtung verstellbar ist und in einer
ersten Endstellung das Hohlrad blockiert und in einer zweiten Endstellung
das Hohlrad am Planetenträger
blockiert. Es wird bei diesem Antriebssystem als nachteilig empfunden,
dass die mechanischen Schaltmittel zum Umschalten des Planetengetriebes
sehr komplex und aufwendig gestaltet sind.
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Weiterhin
ist aus der WO 98/40647 A1 ein Antriebssystem bekannt, bei welchem
durch eine Brennkraftmaschine über
eine Kupplung und ein Getriebe ein Antriebsmoment zu Antriebsrädern geleitet werden
kann. Es ist ferner eine Elektromaschine vorgesehen, durch welche
die Brennkraftmaschine angelas sen werden kann und durch welche bei
Drehung der Brennkraftmaschine elektrische Energie erzeugt werden
kann. Die Elektromaschine ist in das Getriebe integriert bzw. drehmomentenübertragungsmäßig an das
Getriebe angekoppelt, wobei ein Ausgangsglied der Elektromaschine
durch verschiedene Drehzahl-Umsetzstufen des Getriebes in hinsichtlich
der Drehmomentübertragungsverhältnisse veränderbarer
Art und Weise mit dem Antriebsaggregat gekoppelt werden kann. Dieser
Aufbau eines Antriebssystems ist relativ komplex und erfordert insbesondere
eine massive Abwandlung herkömmlicher Getriebe,
da im Bereich des Getriebes die Wechselwirkung zwischen der Elektromaschine
und dem Antriebsaggregat bereitgestellt werden muss.
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Ausserdem
offenbart die
DE 33
08 537 C1 eine Linearantriebseinheit mit einem Antriebsmotor, einem
gewindespindelseitig angetriebenen Wandermutter-Gewindespindel-Trieb, dessen Wandermutter in
Axialrichtung fest mit einer axial bewegbaren Antriebsstange verbunden
ist, und mit einem Getriebe zwischen dem Antriebsmotor und dem Wandermutter-Gewindespindel-Trieb.
Das Getriebe weist ausser dem ersten Getriebeweg vom Antriebsmotor
zur Gewindespindel einen zweiten Getriebeweg mit anderem Drehzahlverhältnis vom
Antriebsmotor zur Wandermutter auf. Auf diese Weise lassen sich
besonders niedrige Lineargeschwindigkeiten bzw. hohe Linearabtriebskräfte erzeugen.
Vorzugsweise ist in einem der Getriebewege ein mechanischer Freilauf vorgesehen,
wodurch ein Eilgang in einer der Linearrichtungen entsteht. Das
Getriebe ist auch hier mit Nachteil bezüglich des erforderlichen Bauraumes axial
neben dem Antriebsmotor angeordnet. In dieser Hinsicht ebenso ungünstig ist
die parallele Lage der Antriebs- zur Abtriebswelle.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes und hinsichtlich
dessen Konstruktion vereinfachtes Antriebssystem bereitzustellen,
welches durch wahlweises Umschalten zwischen einem Motorbetrieb
und einem Generatorbetrieb umschaltbar ist und ohne erhebliche bauliche Veränderungen
eines Antriebsstanges in ein Fahrzeug integriert werden kann.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Antriebssystem, welches
zusätzlich die
im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das
Antriebssystem umfasst eine Elektromaschine mit einer Rotoranordnung,
welche mittels einer ein Planetengetriebe aufweisende Getriebeanordnung über ein
zur Drehung koppelbares oder gekoppeltes Ausgangsglied mit einer
Antriebswelle eines Antriebsaggregates wirkverbunden ist. Das Antriebssystem
ist durch wahlweises Umschalten des Planetengetriebes mittels einer
ersten und einer zweiten Kupplungsanordnung zwischen einem Motorbetrieb
und einem Generatorbetrieb umschaltbar, wobei beim Motorbetrieb
die zweite Kupplungsanordnung zur Drehmomentabstützung des Hohlrades an einem
ortsfesten Bauteil durch Blockierung des Hohlrades gegenüber dem
ortsfesten Bauteil aktivierbar ist.
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Das
Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Kupplungsanordnung
eine Freilaufanordnung umfasst, durch welche ein Drehmoment im wesentlichen
nur vom Ausgangsglied zur Rotoranordnung hin übertragbar ist. Dadurch kann gegenüber den
vorbekannten Lösungen
ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau erhalten werden, bei
dem der Ansteueraufwand zum Umschalten von einem Motor- in einen
Generatorbetrieb deutlich minimiert ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Blockierung des Hohlrades elektromagnetisch aktivierbar
ist.
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Um
insbesondere im Anlassbetrieb das zum Anlassen von Brennkraftmaschinen
mit größerem Hubraum
erforderliche Drehmoment zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die
Getriebeanordnung wenigstens eine wahlweise aktivierbare Getriebe-Umsetzstufe
aufweist, bei weicher im aktivierten Zustand derselben ein Drehzahlverhältnis Drehzahl der
Rotoranordnung/Drehzahl des Ausgangsgliedes größer als 1 ist.
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Mit
Vorteil blockiert die aktivierbare zweite Kupplungsanordnung das
Hohlrad formschlüssig oder/und
reibschlüssig
an einem ortsfesten Bauteil.
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Eine
sehr platzsparende Ausgestaltung, welche dennoch zur Übertragung
sehr großer
Drehmomente ohne der Gefahr eines übermäßigen Verschleißes geeignet
ist, kann dadurch erhalten werden, dass die Getriebeanordnung ein
Planetengetriebe umfasst, welches ein mit der Rotoranordnung verbundenes
Sonnenrad, ein Hohlrad, welches wahlweise gegen Drehung festlegbar
ist oder zur Drehung freigegeben ist, und wenigstens ein an einem
Planetenradträger
drehbar getragenes Planetenrad, welches mit dem Sonnenrad und dem
Hohlrad in Drehmomentübertragungsverbindung
steht, wobei der Planetenradträger
das Ausgangsglied bildet oder mit diesem verbunden ist.
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Um
im Drehbetrieb, entweder im Anlassbetrieb oder einem generatorischen
Betrieb oder einem Drehmomentunterstützungsbetrieb, dafür zu sorgen, dass
auftretende Drehungleichförmigkeiten,
entweder im Bereich des Antriebsaggregats oder auch im Bereich der
Elektromaschine, nicht oder nur vermindert auf die jeweils andere
Einheit übertragen
werden, wird vorgeschlagen, dass ein Wechselwirkungsbereich der
Rotoranordnung über
eine Torsionsschwingungsdämpferanordnung
in Verbindung mit dem Sonnenrad steht.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem
ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass die Rotoranordnung die Statoranordnung
radial außen
umgibt.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann dadurch,
dass die Statoranordnung einen Statorträger umfasst, der in einem radial
außen
liegenden Bereich einen Wechselwirkungsbereich der Statoranordnung
trägt,
und der wenigstens einen Teil einer Getriebeanordnung radial außen umgibt,
für eine
sehr platzsparende Bauweise gesorgt werden.
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Diese
Bauweise, bei welcher in radialer Staffelung der Statorträger zwischen
dem Wechselwirkungsbereich der Statoranordnung und wenigstens einem
Teil der Getriebeanordnung liegt, kann gleichzeitig durch eine Kühlanordnung,
durch welche der Wechselwirkungsbereich der Statoranordnung und die
Getriebeanordnung gekühlt
werden können,
dafür gesorgt
werden, dass diese beiden Funktionsgruppen Wechselwirkungsbereich
der Statoranordnung und Getriebeanordnung durch eine gemeinsame
Kühlanordnung
gekühlt
werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kühlanordnung
eine Kühlmittelkanalanordnung
in dem Statorträger
umfasst, wobei die Kühlmittelkanalanordnung in
Verbindung mit einer Kühlmittelquelle
bringbar ist oder steht.
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Wie
bereits vorangehend angesprochen, ist durch das Ausgestalten des
erfindungsgemäßen Antriebssystems
mit der mit der Getriebeanordnung zusammengefassten Elektromaschine
eine Positionierung beispielsweise an der Nebenantriebsseite des Antriebsaggregats
unter Beibehalt der Möglichkeit, das
Drehmomentübertragungsverhältnis zu ändern, geschaffen.
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Ferner
ist durch den Einsatz der Getriebeanordnung im Bereich zwischen
der Rotoranordnung und dem Ausgangsglied der Elektromaschine die Möglichkeit
geschaffen, dass bei mit der Antriebswelle gekoppeltem Ausgangsglied
die Rotoranordnung zur Antriebswelle koaxial angeordnet ist. Auch
dies trägt
zu einer sehr kleinen Bauweise bei.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Elektromaschine vorzugsweise im Bereich
eines Statorträgers über eine
elastische Verbindungsanordnung mit einer feststehenden Baugruppe,
vorzugsweise dem Antriebsaggregat, verbunden oder verbindbar ist.
Auf diese Art und Weise wird weiterhin vermieden, dass im Betrieb
auftretende Schwingungen oder Taumelbewegungen im Bereich der Antriebswelle
durch eine sehr starre Ankopplung des erfindungsgemäßen Systems
an eine feststehende Baugruppe im Bereich von Lageranordnungen der
verschiedenen bewegbaren Bauteile zur Beschädigung derselben führen können.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen anhand bevorzugter Ausgestaltungsformen detailliert
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
schematische Längsschnittansicht
eines erfindungsgemäßen Antriebssystems;
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2 eine
Prinzip-Axialansicht des bei dem Antriebssystem gemäß 1 eingesetzten
Planetengetriebes;
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3 eine
Längsschnittansicht
einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems;
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4a)
ein Zeitdiagramm der Drehzahländerung
einer Antriebswelle und der Drehzahländerung einer Rotoranordnung;
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4b)
ein der 4a) zugeordnetes Zeitdiagramm
des Drehmomentenverlaufs einer bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem
eingesetzten Elektromaschine;
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5a)
ein Zeitdiagramm der Drehzahländerung
einer Antriebswelle und der Drehzahländerung einer Rotoranordnung;
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5b)
ein der 5a) zugeordnetes Zeitdiagramm
des Drehmomentenverlaufs einer bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem
eingesetzten Elektromaschine;
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6 die
Abhängigkeit
der maximal erzeugbaren elektrischen Leistung der Elektromaschine
von der Drehzahl einer Antriebswelle und für verschiedene Umsetzverhältnisse
einer Getriebeanordnung;
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7 ein
der 6 entsprechendes Diagramm, in welchem ferner Linien
konstanten Wirkungsgrades für
unterschiedliche Getriebe-Umsetzstufen dargestellt sind.
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Zunächst wird
mit Bezug auf die 1 – 3 der Aufbau
eines erfindungsgemäßen Antriebssystems
beschrieben. Dieses Antriebssystem 10 umfasst als wesentliche
Funktionsgruppen eine Elektromaschine 12, eine Getriebeanordnung 14, wobei
diese Funktionsgruppen mit einem in 3 schematisch
angedeuteten Antriebsaggregat 16, d.h. dessen Antriebswelle 18,
beispielsweise der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, zusammenwirken.
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Die
Elektromaschine 12, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Außenläufermaschine
ist, umfasst eine Rotoranordnung 20 mit einem Rotorträger 22,
der in seinem radial äußeren Bereich
einen Rotorwechselwirkungsbereich 24 trägt. Dieser kann, wie beispielsweise
in 3 dargestellt, mehrere Blechplatten o. dgl. 26 umfassen,
die an ihrer Außenseite
mit dem Rotorträger 22 verbunden sind
und an ihrer Innenseite mehrere Permanentmagnete 28 tragen.
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Die
Elektromaschine 12 umfasst ferner eine allgemein mit 30 bezeichnete
Statoranordnung mit einem Statorträger 32 und einem auf
dem Statorträger 32 radial
außen
getragenen Wechselwirkungsbereich 34 der Statoranordnung 30.
Dieser Wechselwirkungsbereich 34 kann mehrere Spulen 36 umfassen, die
durch eine Leitungsanordnung 38 in an sich bekannter Weise
mit Energie versorgt werden. Wie vorangehend dargestellt, ist vorzugsweise
die Elektromaschine 12 eine permanent erregte Synchronmaschine
mit Außenläuferrotor.
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Die
Rotoranordnung 20, d.h. der Rotorträger 22, kann eine
Torsionsschwingungsdämpferanordnung 40 aufweisen,
wie in 1 schematisch angedeutet, die mehrere in Umfangsrichtung
aufeinander folgende Federn oder Federanordnungen 42 aufweist,
die sich in Umfangsrichtung an zwei Teilen 44, 46 des
Rotorträgers 22 abstützen und
somit eine Umfangsrelativbewegung dieser beiden Teile 44, 46 bezüglich einander
ermöglichen.
Diese zur Bereitstellung einer Schwingungsdämpfungsfunktion vorteilhafte
Ausgestaltung ist jedoch, wie in 3 erkennbar,
nicht unbedingt erforderlich.
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Das
Teil 46 des Rotorträgers 22 ist
in seinem radial inneren Bereich mit einem Sonnenrad 48 der Getriebeanordnung 14,
welche also eine Planetengetriebeanordnung bildet, drehfest verbunden
und ist über
ein Lager 50 am Statorträger 32 drehbar getragen.
Ferner ist an dem Teil 46 des Rotorträgers 22 ein allgemein
mit 52 bezeichneter Planetenradträger über ein Lager 54 drehbar
getragen. Zwischen dem Teil 46 des Rotorträgers 22 und
dem Planetenradträger 52 ist
ferner eine Freilaufanordnung 56 vorgesehen, welche in
einer Drehrichtung eine im wesentlichen freie Drehbarkeit des Planetenradträgers 52 bezüglich des
Rotorträgers 22 und
somit der Rotoranordnung 20 zulässt, in der anderen Relativdrehrichtung
jedoch die beiden Teile oder Baugruppen Rotoranordnung 20 und
Planetenradträger 52 drehfest miteinander
koppelt.
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Der
Planetenradträger 52 ist
ferner über
ein Lager 58 am Statorträger 32 oder einer
damit fest verbundenen Komponente oder Baugruppe drehbar gelagert.
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Der
Planetenradträger 52 trägt eine
Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordneten
Planetenrädern 60,
die radial innen mit dem Sonnenrad 48 kämmen und die radial außen in Kämmeingriff
mit einem Hohlrad 62 stehen. Das Hohlrad 62 ist
innerhalb des vom Statorträger 32 umschlossenen
Raums im wesentlichen schwimmend angeordnet, d.h. kann sich grundsätzlich bezüglich des
Statorträgers 32 frei
drehen. Es ist jedoch eine Kupplungsanordnung 64 vorgesehen,
durch welche das Hohlrad 62 bei Aktivierung derselben wahlweise gegen
Drehung festlegbar ist. In der dargestellten Ausgestaltungsform
ist die Kupplungsanordnung 64 eine elektromagnetisch wirkende
Kupplungsanordnung mit einer erregbaren Spulenanordnung 66,
welcher über
eine Leitung 68 elektrische Energie zugeführt wird.
Bei Erregung der Spulenanordnung 66 wird das Hohlrad 62 axial
auf diese zu angezogen und beispielsweise unter Zwischenlagerung
einer Reibfläche
oder eines Reibbelags 70 o. dgl. dann durch Reibschlüssigkeit
drehfest gehalten. Hier kann ebenso eine Formschlusseingriffsanordnung
an dem Hohlrad 62 bzw. der Kupplungsanordnung 64 oder
einer dabei vorgesehenen Komponente realisiert sein, so dass im
eingerückten
oder aktivierten Zustand der Kupplungsanordnung 64 das
Hohlrad 62 durch Formschluss gegen Drehung gehalten ist.
Auch sei darauf hingewiesen, dass die Kupplungsanordnung 64 beispielsweise
durch hydrulisch betätigbare Stempel
o. dgl. eine drehfeste Halterung des Hohlrads 62 erzielen
kann.
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Ferner
erkennt man, dass die gesamte Baugruppe, gebildet aus Elektromaschine 12 und
Getriebeanordnung 14 im Bereich des Statorträgers 32 in elastischer
Art und Weise an einer feststehenden Baugruppe, beispielsweise dem
Antriebsaggregat 16, festgelegt ist. Dies kann über elastisch
federnde Gummiaufhängungselemente,
Federn oder sonstige Aufhängungselemente 72 erfolgen,
die eine Schwingungsentkopplung dieser Baugruppen 12, 14 vom Antriebsaggregat 16 ermöglichen.
Es kann somit vermieden werden, dass radiale und axiale Schwingungen
der Antriebswelle oder Kurbelwelle 18 in übermäßigem Ausmaß auf diese
Baugruppen 12, 14 übertragen werden. Den Aufhängungselementen 72 kann
ferner eine Reibeinrichtung zugeordnet sein, so dass auftretende
Schwingungen nicht nur abgefangen sondern auch in ihrer Amplitude
gedämpft
werden können.
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Mit
Bezug auf die 3 werden im Folgenden noch einige
vorteilhafte konstruktive Details einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 10 beschrieben.
So erkennt man in 3, dass der Statorträger 32 aus
mehreren Komponenten zusammengesetzt ist. Dies umfasst eine erste
Komponente 74, an deren Außenumfangsbereich ein nutartiges
Kanalsystem gebildet ist, das durch ein ring- oder zylinderartiges
Abdeckelement 76 verschlossen ist, auf dem letztendlich
die Spulen 36 getragen sind. Die Komponente 74 erstreckt
sich an der dem Antriebsaggregat 16 zugewandten Seite der
Spulen 32 radial über
diese hinaus nach außen und
weist in diesem Bereich mehrere Zuleitungskanäle 78 auf, die mit
den nutartigen Kanälen 80 in
Verbindung stehen. In diesem radial äußeren Bereich bildet durch
einen axialen zylindrischen Vorsprung 82 der Statorträger 32 mit
einem sich damit überlappenden
zylindrischen Bereich 84 des Rotorträgers 22 eine Labyrinthdichtung,
so dass das gesamte System gegen den Eintritt von Verunreinigung
geschützt ist.
Der Rotorträger 22 weist
im radial äußeren Bereich
Kühlrippen 86 auf,
kann in diesem Bereich jedoch auch zum Antrieb eines Riemengetriebes
ausgebildet sein, das beispielsweise den Kompressor einer Klimaanlage
o. dgl. antreibt. Dies kann jedoch auch dadurch realisiert werden,
dass mit dem Rotorträger 22 drehfest
eine separate Riemenscheibe verbunden wird. Ferner ist im radial äußeren Bereich
am Statorträger 32 eine
Sensoranordnung 90 vorgesehen, die eine in 2 schematisch
angedeutete Markierung 92, beispielsweise durch eine Mehrzahl
an Vorsprüngen
o. dgl. am Rotorträger 22 gebildet,
abtastet und auf diese Art und Weise Information über die
Drehlage und die Drehgeschwindigkeit der Rotoranordnung 20 erzeugen
kann. Die Information über
die Drehlage ist insbesondere für
die Kommutierung der Statorspulen 36 erforderlich. Da der
Rotorträger 22 nach
radial außen
hin und axial das Gesamtsystem abschließt und somit eine Art Gehäuse dafür bildet,
kann auf das Vorsehen eines zusätzlichen
Gehäuseteils
verzichtet werden, so dass der Kühlluftstrom
besser an das erfindungsgemäße Antriebssystem
herangelangen kann.
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Zur
Kühlung
wird ferner in den Statorträger 32 über die
Kanäle 78 und
das Kanalsystem 80 ein Kühlfluid, beispielsweise Kühlwasser,
geleitet, so dass aufgrund der Anordnung dieses Kanalsystems 78, 80 im
Statorträger 32 in
einem Bereich radial zwischen den Statorspulen 36 und der
Getriebeanordnung 14 das Kühlkanalsystem 78, 80 zum
Kühlen dieser
beiden Funktionsgruppen genutzt werden kann. Es muss nicht ein separates
Kühlsystem
für das
Getriebe 14 und ein separates Kühlsystem für den Wechselwirkungsbereich 34 der
Statoranordnung 30 bereitgestellt werden. Einen wesentlichen Aspekt
hierfür
liefert die Ausgestaltung als Außenläufermaschine, so dass zwischen
dem Wechselwirkungsbereich 34 der Statoranordnung 30 und
der Getriebeanordnung 14 keine Baugruppen der Rotoranordnung 20 liegen
müssen.
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Es
sei noch darauf hingewiesen, dass die Kanäle 78 mit einer Kühlmittelquelle über ein
flexibles Leitungssystem verbunden werden, um die vorangehend beschriebene
elastische Aufhängung
der Elektromaschine 12 zusammen mit der Getriebeanordnung 14 zu
ermöglichen.
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Eine
weitere Komponente 94 des Statorträgers 32 ist mit der
Komponente 74 durch Schraubbolzen o. dgl. fest verbunden
und stützt
radial innen über das
Lager 50 ein das Sonnenrad 48 tragendes oder bildendes
Bauteil 96. Dieses Bauteil 96 kann, wie in 3 erkennbar,
durch Schraubbolzen o. dgl. mit dem Rotorträger 22 fest verbunden
sein. Zwischen den Komponenten 94 und 74 ist ein
ringartiges Blockierelement 98 eingeklemmt, welches einen
Axialbewegungsanschlag für
das Hohlrad 62 bildet. In dem nicht durch die Kupplungsanordnung 64 gegen Drehung
blockierten Zustand kann somit das Hohlrad 62 sich axial
nur geringfügig
von der Kupplungsanordnung 64, d.h. der Spulenanordnung 66,
wegbewegen.
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Der
Planetenradträger 52,
welcher in seinem zentralen Bereich über eine Befestigungsschraube 100 mit
der Antriebswelle oder Kurbelwelle 18 fest verbunden ist,
weist in seinem radial äußeren Bereich
mehrere Lagerungsabschnitte 102 auf, an welchen die Planetenräder 60 mit
jeweiligen Lagerungswellen 104 drehbar getragen sind. An
ihrer anderen axialen Seite sind die Planetenräder 60 mit ihren Lagerungswellen 104 in
einem Lagerungsring 106 drehbar gelagert, der mit dem Planetenradträger 52 in
einem Umfangsbereich jeweils zwischen zwei Planetenrädern 60 durch
Schraubbolzen o. dgl. fest verbunden ist, und der weiterhin durch
ein Lager 108 auf dem Teil 96, welches das Sonnenrad 48 trägt oder bildet,
drehbar abgestützt
ist.
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Das
Antriebssystem, wie es in den 1 – 3 dargestellt
ist, ist derart ausgestaltet, dass es vorzugsweise an der Nebenantriebsseite
N des Antriebsaggregats 16 angebracht werden kann, d.h.
an derjenigen Seite, an welcher das Antriebsaggregat 16 nicht
in Drehantriebsverbindung mit einem beispielsweise eine Kupplung,
ein Getriebe u. dgl. enthaltenden Antriebsstrang steht. Auf diese
Art und Weise kann der in einem Fahrzeug zur Verfügung stehende
Bauraum optimal genutzt werden. Da darüber hinaus die wesentlichen
Baugruppen Elektromaschine 12 und Getriebeanordnung 14 zur
Drehachse A des gesamten Antriebssystems, d.h. insbesondere der
Antriebswelle 18, koaxial positioniert sind, kann auf das
Verbinden über
ein Riemengetriebe o. dgl. verzichtet werden. Auch dies führt zu einer
Verminderung des durch das erfindungsgemäße System eingenommenen Bauraums
und reduziert gleichzeitig den Verschleiß auf ein nicht nennenswertes
Ausmaß, da
derartige Planetengetriebe, wie sie in den 1 – 3 dargestellt
sind, im wesentlichen verschleißfrei arbeiten
können
und ansonsten keine stark verschleißten Baugruppen wie Riemengetriebe
o. dgl. vorgesehen sein müssen.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Antriebssystems
wird im Folgenden insbesondere mit Bezug auf die 2 beschrieben.
Es sei zunächst
angenommen, dass im Anlassbetrieb, also in einem Betrieb, in welchem
das erfindungsgemäße System,
insbesondere die Elektromaschine 12, als Starter arbeitet,
durch entsprechende Erregung der Statorspulen 36 und die
dadurch erzeugte magnetische Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld
der Statorspulen 36 und dem Magnetfeld der Rotor-Permanentmagnete 28 die
Rotoranordnung 20 in Richtung eines Pfeils P1 in 2 gedreht
wird. Dies führt dazu,
dass sich auch das mit der Rotoranordnung 20 drehfest verbundene
Sonnenrad 48 in der gleichen Richtung, nämlich der
Richtung des Pfeils P2, dreht. Die Planetenräder 60,
welche mit dem Sonnenrad 48 kämmen, werden dadurch in der
Richtung eines Pfeils P3 zur Drehung angetrieben.
In diesem Startzustand ist das Hohlrad 62 beispielsweise
durch Erregen der Spulenanordnung 64 gegen Drehung festgehalten,
so dass die sich drehenden Planetenräder 60 nicht zur Drehung
des Hohlrads 62 führen
können, sondern
sich aufgrund ihrer induzierten Abrollbewegung in Richtung eines
Pfeils P4 entlang des Innenumfangs des Hohlrads 62 bewegen
werden. Dabei nehmen die Planetenräder 60 den Planetenradträger 52 in
der gleichen Richtung mit, so dass auch die Antriebswelle 18 sich
in der gleichen Richtung wie der Planetenradträger 52 und somit auch
in der gleichen Richtung wie die Rotoranordnung 20 drehen
wird. Die Antriebswelle 18 dreht sich jedoch mit verminderter
Drehzahl entsprechend dem Drehzahl-Umsetzverhältnis dieser Getriebe-Umsetzstufe, die
dann aktiviert ist, wenn die Kupplungsanordnung 64 erregt, d.h.
aktiviert und somit das Hohlrad 62 gegen Drehung blockiert
ist. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist das Drehzahl-Umsetzverhältnis zwischen
der Drehzahl der Rotoranordnung 20 und der Drehzahl des
Planetenradträgers 52,
welcher hier ein Ausgangsglied der Getriebeanordnung 14 und
somit des gesamten Systems 10 bildet, im Bereich von 4. Es
wird somit durch die Verminderung der Drehzahl eine Übersetzung
des Drehmomentes erzielt, so dass das erfindungsgemäße Antriebssystem
sich insbesondere auch zum Starten von größeren Brennkraftmaschinen eignet.
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Ist
die Brennkraftmaschine gestartet, so kann das Erregen der Statorspulen 36 beendet
werden und bei immer noch aktiviert gehaltener Kupplungsanordnung 64 wird
nunmehr über
diese aktivierte Getriebe-Umsetzstufe die Rotoranordnung 20 mit einer
höheren
Drehzahl gedreht, als die Antriebswelle 18. Die Elektromaschine 12 kann
nunmehr als Generator arbeiten, d.h. sie kann kinetische Energie
der Rotoranordnung 20 in elektrische Energie umsetzen und
diese in ein elektrisches System eines Fahrzeugs oder einen Akkumulator
einspeisen.
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Da
derartige elektromechanisch arbeitende Generatoren eine von der
Rotordrehzahl abhängige Effizienz
aufweisen, kann es jedoch erforderlich sein, bei höheren Drehzahlen
der Antriebswelle 18 dafür zu sorgen, dass das zum Startbetrieb
bereitgestellte relativ hohe Drehzahl-Umsetzverhältnis dieser Getriebe-Umsetzstufe,
welche bei aktivierter Kupplungsanordnung 64 eingerichtet
ist, verlassen wird und auf ein niedrigeres Umsetzverhältnis, beispielsweise
ein Umsetzverhältnis
von 1, zurückgegriffen wird.
Dies wird automatisch erreicht, wenn das Aktivieren der Kupplungsanordnung 64 beendet
wird, d.h. das Hohlrad 62 zur Drehung freigegeben wird.
In diesem Zustand, in welchem dann eine Drehmomentenabstützung der
Sonnenräder 48 über das
Hohlrad 62 an dem Statorträger 32 nicht mehr
erfolgt, wird dann, wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 20 mit der
Drehzahl der Antriebswelle 18 übereinstimmt bzw. die Drehzahl
der Antriebswelle 18 höher
werden würde
als die Drehzahl der Rotoranordnung 20, der Freilauf 56 derart
wirksam, dass er nunmehr eine direkte drehfeste Verbindung zwischen
der Rotoranordnung 20, d.h. dem Rotorträger 22, umfassend
das in 3 dargestellte Teil 96, und dem Planetenradträger 52 und
somit der Antriebswelle 18 erzeugt. In diesem Zustand dreht
nunmehr die Rotoranordnung 20 mit der gleichen Drehzahl
wie die Antriebswelle 18.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Getriebeanordnung 14 mit ihren zwei Getriebe-Umsetzstufen,
von welchen eine ein von 1 verschiedenes Drehzahlverhältnis zwischen
der Drehzahl der Rotoranordnung 20 und der Drehzahl des als
Ausgangsglied wirkenden Planetenradträgers 52 bereitstellt
und von welchen eine eine direkte Kopplung zwischen der Rotoranordnung 20 und
der Antriebswelle 18 bereitstellt, wird ein sehr einfacher
und effizient wirkender Aufbau geschaffen. Das Drehzahl-Umsetzverhältnis von
1 ist nämlich
im allgemeinen nur dann erforderlich, wenn ein generatorischer Betrieb
stattfinden soll und somit ein Drehmoment von der Antriebswelle 18 zur
Elektromaschine 12 hin übertragen
werden soll. In diesem Zustand wird jedoch der Freilauf 56 automatisch
wirksam, wenn nicht die Kupplungsanordnung 64 aktiviert
ist. Das heißt,
ohne Aktivierung der Kupplungsanordnung 64 sind keine Maßnahmen
erforderlich, um diesen Drehmomentenfluss von der Antriebswelle 18 zur
Elektromaschine 12 hin bereitzustellen. In der entgegengesetzten
Drehmomentenflussrichtung ist jedoch ein Übersetzungsverhältnis von
1 praktisch nicht erforderlich, da zum Anlassen des Antriebsaggregats 16 vorzugsweise
auf diejenige Getriebe-Umsetzstufe zurückgegriffen
wird, bei welcher das Hohlrad 62 durch Aktivieren der Kupplungsanordnung 64 drehfest
gehalten ist und somit eine Drehmomentenübersetzung stattfindet. Die
Folge ist, dass mit minimalem Ansteueraufwand, nämlich lediglich durch entsprechende
Ansteuerung der Kupplungsanordnung 64, zwischen verschiedenen
Getriebe-Umsetzstufen umgeschaltet werden kann. Es lässt sich
somit der Startbetrieb, eine Hochlaufunterstützung des Antriebsaggregats,
der generatorische Betrieb oder der Motorbremsbetrieb sowie die
Erzeugung eines Unterstützungsmomentes
mit minimalem Schaltaufwand erzeugen.
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Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass anstelle des Freilaufs 56 selbstverständlich auch
eine durch Ansteuerung schaltbare Kupplung vorgesehen sein kann,
was insbesondere dann von Vorteil sein kann, wenn die Elektromaschine 12 beispielsweise bei
kleineren Fahrzeugen als Antriebsaggregat oder als unterstützendes
Antriebsaggregat genutzt werden soll.
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Um
bei der Durchführung
von Schaltvorgängen
zwischen den beiden vorangehend beschriebenen Getriebe-Umsetzstufen
das Auftreten von Schaltstößen zu vermeiden,
was insbesondere dann der Fall sein kann, wenn die Kupplungsanordnung 64 durch
Formschlusswirkung das Hohlrad 62 gegen Drehung festlegt,
kann eine Prozedur durchgeführt werden,
wie sie nachfolgend mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben
wird. Dabei ist in der 4 ein Vorgang dargestellt, bei
welchem zum Zeitpunkt 0 begonnen wird, im Starterbetrieb so wie
vorangehend beschrieben das Antriebsaggregat 16 anzulassen.
In diesem Zustand ist also die Kupplungsanordnung 64 aktiviert,
das Hohlrad 62 ist gegen Drehung festgelegt und es ist
diejenige Getriebe-Umsetzstufe aktiviert, bei welcher ein relativ
hohes Drehzahl-Umsetzverhältnis
zwischen Rotordrehzahl und Planetenradträgerdrehzahl beispielsweise
im Bereich von 4 vorgesehen ist. Bis zum Zeitpunkt t1 die
Leerlaufdrehzahl des Antriebsaggregats im Bereich von 500 Umdrehungen
pro Minute erreicht ist, was durch die Kurve AA in 4a)
erkennbar ist, wird, wie in 4b) erkennbar,
durch das Antriebsaggregat 16 ein Drehmoment erzeugt. Der
positive Drehmomentenbereich in 4b) bedeutet
also den Zustand, in dem an der Rotoranordnung 20 ein Antriebs-Drehmoment durch
entsprechende Bestromung der Statorspulen 36 erzeugt wird.
Zum Zeitpunkt t1 wird dieses Erzeugen eines
Antriebs-Drehmomentes
beendet und die Elektromaschine 12 wird in einen generatorisch
wirkenden Betriebszustand gebracht, bei welchem durch entsprechende
Beschaltung der Statorspulen 36 vermittels einer nicht
dargestellten Leistungselektronik durch die magnetische Wechselwirkung
mit den sich bewegenden Rotor-Permanentmagneten 28 nunmehr
ein Stromfluss in den Wicklungen der Statorspulen 36 induziert
wird und dementsprechend ein Brems-Drehmoment an der Rotoranordnung 20 erzeugt
wird. Aufgrund des eingerichteten Drehzahl-Umsetzverhältnisses
zwischen Rotoranordnung 20 und Antriebswelle 18 bzw.
Planetenradträger 52 dreht
sich bei einer Leerlaufdrehzahl des Antriebsaggregats von etwa 500
Umdrehungen pro Minute die Rotoranordnung 20 mit etwa 2000
Umdrehungen pro Minute. Zum Zeitpunkt t2 betätigt der
Fahrer eines Fahrzeugs ein Gaspedal, so dass nunmehr die Drehzahl
des Antriebsaggregats ansteigt und der Leerlaufdrehzahlbereich verlassen
wird. Entsprechend steigt nunmehr auch die durch die Kurve R wiedergegebene
Drehzahl der Rotoranordnung 20 an, aufgrund des eingerichteten
Drehzahlumsetzverhältnisses
jedoch steiler. Um, wie im Folgenden noch dargelegt, die Elektromaschine 12 im
generatorischen Betrieb mit größtmöglicher
Effizienz arbeiten zu lassen und um weiterhin zu verhindern, dass
die Rotoranordnung 20 in einen Drehzahlbereich gelangt,
in welchem irreversible Beschädigungen
derselben nicht ausgeschlossen werden können, beispielsweise in einen
Drehzahlbereich von mehr als 6000 Umdrehungen pro Minute, wird bei Überschreiten
einer bestimmten Grenzdrehzahl nSchalt von
z.B. 4000 Umdrehungen pro Minute zum Zeitpunkt t3 nunmehr
ein Schaltvorgang ausgelöst,
bei welchem von der Getriebe-Umsetzstufe mit höherem Umsetzverhältnis auf
eine oder die Getriebe-Umsetzstufe mit geringerem Umsetzverhältnis, beispielsweise
die dargestellte oder beschriebene Getriebe-Umsetzstufe mit einem
Umsetzverhältnis
von 1 geschaltet wird. Wird also zum Zeitpunkt t3 die
Schalt- oder Grenzdrehzahl nSchalt erreicht
und überschritten,
was beispielsweise durch eine fortlaufende Erfassung oder Überwachung
der Drehzahl der Antriebswelle 18 bzw. der Drehzahl der
Rotoranordnung 20 erfasst werden kann, so wird durch veränderte Beschaltung der
Statorspulen 36 das an der Rotoranordnung 20 erzeugte
Bremsmoment auf ein kleines Bremsmoment, beispielsweise im Bereich
von 0, zurückgenommen.
Die Folge davon ist, dass zwischen der Rotoranordnung 20 und
dem Planetenradträger 52 nunmehr
im wesentlichen kein Drehmoment mehr übertragen wird und somit auch
das Hohlrad 62 über
die Kupplungsanordnung 64 nunmehr drehmomentenmäßig im wesentlichen
nicht mehr am Statorträger 32 abgestützt ist.
Ist dieser im wesentlichen drehmomentenfreie Zustand zum Zeitpunkt
t4 erreicht, so wird nunmehr das Öffnen oder
Deaktivieren der Kupplungsanordnung 64 induziert, welche
dann zum Zeitpunkt t5 ausgerückt ist.
Zu diesem Zeitpunkt t5 ist also das Hohlrad 62 nicht
mehr gegen Drehung blockiert und der Drehmomentenfluss über diese
Getriebe-Umsetzstufe
ist vollständig
unterbrochen. Dies kann beispielsweise durch den Vergleich der Drehzahl
der Antriebswelle 18 und der Drehzahl der Rotoranordnung 20 erfasst
werden. Ist zum Zeitpunkt t5 die Kupplungsanordnung 64 deaktiviert
und das Hohlrad 62 zur Drehung freigegeben, wobei dieses Freigeben
aufgrund des Fehlens eines zu übertragenden
Drehmomentes auch bei formschlüssig
wirkender Kupplungsanordnung 64 im wesentlichen ruckfrei
erfolgt, so wird nun durch Änderung
der Beschaltung der Statorspulen 36 zum Zeitpunkt t5 begonnen, an der Rotoranordnung 20 wieder
ein erhöhtes
Bremsmoment aufzubauen, welches letztendlich dann zum Zeitpunkt
t6 erreicht ist. Je nach den vorliegenden
Betriebsbedingungen kann hierzu bis zum maximal zulässigen Bremsdrehmoment
gegangen werden, was dann zu einer schnellstmöglichen Verzögerung der
Rotoranordnung 20 führt.
Bei im wesentlichen konstantem Brems-Drehmoment wird zwischen den
Zeitpunkten t6 und t7 die
Drehzahl der Rotoranordnung 20 sich im wesentlichen konstant ändern und
der sich ebenfalls ändernden
Drehzahl des Antriebsaggregats 16, welche hier die bei
der Rotoranordnung 20 einzustellende Solldrehzahl vorgibt,
annähern.
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Aufgrund
der fortwährenden Überwachung der
Drehzahl des Antriebsaggregats 16 und der Drehzahl der
Rotoranordnung 20 kann zum Zeitpunkt t7 erfasst
werden, dass die Differenz zwischen diesen Drehzahlen nunmehr sehr
gering ist, d.h. die Drehzahlabweichung zwischen der Drehzahl der Rotoranordnung 20 und
der Drehzahl des Antriebsaggregats 16 ist nunmehr in einem
Bereich, in welchem grundsätzlich
eine im wesentlichen stoßfreie
Ankopplung der Rotoranordnung 20 an die Antriebswelle 18 über den
Freilauf 56 oder auch ggf. eine schaltbare Kupplung erfolgen
könnte.
Ist zum Zeitpunkt t7 der Zustand erreicht,
in welchem die Drehzahl der Rotoranordnung 20 mit der Drehzahl
des Antriebsaggregats 16 bis auf eine minimale Abweichung übereinstimmt,
so wird das Erzeugen des Brems-Drehmomentes
an der Rotoranordnung 20 beendet, so dass nunmehr letztendlich
wieder ein im wesentlichen drehmomentübertragungsfreier Zustand erreicht
wird. Hier wird jedoch erfindungsgemäß zusätzlich der Drehzahlgradient
des Antriebsaggregats 16 überwacht. Ändert sich die Drehzahl des
Antriebsaggregats 16 nur relativ langsam, so kann davon
ausgegangen werden, dass auch bei einem spontan einsetzenden Freilauf 56 oder
bei einer spontan eingreifenden Kupplung aufgrund der relativ geringen
Drehzahldifferenz oder der sich langsam ändernden Drehzahl des Antriebsaggregats 16 im
wesentlichen kein Schaltstoß erzeugt wird.
Ist jedoch die Drehzahländerung
des Antriebsaggregats 16 relativ hoch, beispielsweise in
einem Bereich von mehr als ... Umdrehungen/min2,
so würde
das abrupte Einsetzen des Freilaufs 56 oder das Einrücken einer
möglicherweise
formschlüssig
wirkenden Kupplung zu einer schlagartigen Drehzahlerhöhung bei
der Rotoranordnung 20 und somit zu einem sich im Fahrzeug
unangenehm merkbar machenden Schaltstoß führen. Erfindungsgemäß wird daher
in diesem Zustand, in dem die Drehzahländerung des Antriebsaggregats über dem
Schwellenwert liegt, zum Zeitpunkt t8 damit
begonnen, die Drehzahländerung
der Rotoranordnung 20 an die Drehzahländerung des Antriebsaggregats 16 anzupassen. Da
zuvor die Rotoranordnung 20 in einem Abbremszustand war,
muss daher zur Anpassung an eine sich erhöhende Drehzahl des Antriebsaggregats 16 nunmehr,
wie in 4b) erkennbar, ab dem Zeitpunkt
t8 ein Antriebs-Drehmoment an der Rotoranordnung 20 erzeugt
werden, um diese nunmehr zu beschleunigen und deren Drehzahländerung
an die Drehzahländerung
des Antriebs aggregates anzupassen. Dies dauert bis zu einem Zeitpunkt
t9 an, in welchem dann sowohl eine im wesentlichen
vollständige Übereinstimmung
zwischen der Drehzahl der Antriebswelle 18 und der Drehzahl
der Rotoranordnung 20 und dem Drehzahlgradienten der Antriebswelle 18 und dem
Drehzahlgradienten der Rotoranordnung 20 vorliegt. Es wird
daher bei Einsatz einer steuerbaren Kupplung beginnend mit dem Zeitpunkt
t9 diese eingerückt und somit begonnen, die
Drehmomentverbindung zwischen dem Planetenradträger 52 und der Rotoranordnung 20 herzustellen.
Bei Einsatz eines Freilaufs 56 wird dieser dann, wenn die
Drehzahlübereinstimmung
erzielt ist, automatisch wirksam, so dass dann ab dem Zeitpunkt
t10 der vollständige Kraftschluss zwischen
der Antriebswelle 18 und der Rotoranordnung 20 hergestellt
ist, wobei nunmehr jedoch das niedrigere Umsetzverhältnis von
1 vorliegt. Ab dem Zeitpunkt t10 drehen
sich daher die Rotoranordnung 20 und die Antriebswelle 18 mit
der gleichen Drehzahl und die Rotoranordnung 20 bzw. die
Elektromaschine 12 kann nunmehr wieder zur Erzeugung elektrischer
Energie genutzt werden.
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In
diesem Zustand, welcher ab dem Zeitpunkt t10 vorliegt
und eine Drehmomentübertragungsverbindung
von der Antriebswelle 18 über den Planetenradträger 52 und
den Freilauf 56 zur Rotoranordnung 20 vorsieht,
wird ein weiterer vorteilhafter Effekt des Einsatzes eines Freilaufs 56 spürbar. Bei
auftretenden Drehschwingungen im Bereich der Antriebswelle 18 werden
diese nur in ihrem bezüglich
der Rotoranordnung 20 beschleunigenden Halbwellenbereich
auf die Rotoranordnung 20 übertragen, sobald jedoch die
Drehschwingung in den verzögernden Halbwellenbereich übergeht,
entkoppelt die Freilaufanordnung 56. Dies führt dazu,
dass im Bereich der Elektromaschine 12 derartige Drehschwingungen nur
vermindert spürbar
sind und somit ebenso Leistungsschwankungen in vermindertem Ausmaß auftreten
werden.
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Ein
Schaltvorgang, bei welchem aufgrund einer Abnahme der Drehzahl des
Antriebsaggregats von einer Getriebe-Umsetzstufe mit geringerem Drehzahl-Umsetzverhältnis zu
einer Getriebe-Umsetzstufe mit höherem
Drehzahl-Umsetzverhältnis geschaltet
wird, ist in den 5a) und 5b)
dargestellt. Es sei hier angenommen, dass zum Zeitpunkt t2 die Drehzahl des Antriebsaggregats 16 unter
den Schwellenwert nSchalt von beispielsweise
etwa 1500 Umdrehungen pro Minute absinkt. Man erkennt, dass damit
auch das erzeugte Brems-Drehmoment und somit auch die erzeugte elektrische
Leistung der Elektromaschine 12 absinkt. Ist seit dem Erreichen und Überschreiten,
im vorliegenden Falle Überschreiten
im negativen Sinne, ein Zeitintervall Δt vergangen, so wird zum Zeitpunkt
t3 begonnen, das zwischen dem Antriebsaggregat 16 und
der Rotoranordnung 20 übertragene
Drehmoment zu senken. Auch hier wird, wie man in 5b)
erkennt, durch entsprechende Beschaltung der Statorspulen 36 das
aufgenommene oder an der Rotoranordnung 20 erzeugte Bremsmoment
gesenkt. Zum Zeitpunkt t4 ist wieder ein
Zustand erreicht, in welchem aufgrund der Tatsache, dass zwischen
der Antriebswelle 18 und der Rotoranordnung 20 im
wesentlichen kein Drehmoment mehr übertragen wird, die zu diesem
Zeitpunkt wirksame Kupplungsanordnung, beispielsweise der Freilauf 56,
lastfrei ist. Bei Einsatz einer steuerbaren Kupplung wird diese
nun geöffnet
und ist zum Zeitpunkt t5 in einem ausgerückten Zustand,
so dass ab diesem Zeitpunkt eine Drehmomentübertragungsverbindung zwischen
der Antriebswelle 18 und der Rotoranordnung 20 nicht
besteht. Auch dieses Trennen kann wieder durch Überwachung der Drehzahl der Antriebswelle 18 und
der Drehzahl der Rotoranordnung 20 erfasst werden. Zwischen
dem Zeitpunkt t5 und einem Zeitpunkt t6 wird an der Rotoranordnung 20 ein
Antriebs-Drehmoment
durch Bestromung der Statorspulen 36 erzeugt, so dass nunmehr
ab dem Zeitpunkt t6 die Drehzahl der Rotoranordnung 20, wiedergegeben
durch die Kurve R in 5a), sich entsprechend dem erzeugten
Antriebs-Drehmoment zu erhöhen
beginnt.
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Aus
den 4a) und 5a) erkennt
man, dass die jeweiligen Grenzdrehzahlen oder Schaltdrehzahlen nSchalt zum Auslösen eines Umschaltvorgangs
in der Getriebeanordnung bei ansteigender Drehzahl des Antriebsaggregats 16 und
bei abfallender Drehzahl des Antriebsaggregats 16 sich
unterscheiden können,
um hier einen Hystereseeffekt vorzusehen. Beispielsweise kann die
bei abfallender Drehzahl des Antriebsaggregats 16 herangezogene
Grenzdrehzahl nSchalt höher sein als die bei ansteigender
Drehzahl des Antriebsaggregats 16 herangezogene Grenzdrehzahl
nSchalt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass bei Einsatz des in den Figuren dargestellten
Freilaufs 56 ab dem Zeitpunkt t4 bereits
ein Antriebs-Drehmoment an der Rotoranordnung 20 erzeugt
wird, so dass diese beschleunigt und der Freilauf 56 aufgrund
der Tatsache, dass sich die Drehzahl der Rotoranordnung 20 bezüglich der
Drehzahl des Antriebsaggregats 16 erhöht, automatisch in einen nicht
drehmomentübertragenden
Zustand schaltet.
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Durch
das angelegte Antriebs-Drehmoment bewegt sich nunmehr die Drehzahl
der Rotoranordnung 20 in Richtung auf eine Solldrehzahl
zu, welche beispielsweise dadurch erhalten werden kann, dass die
Drehzahl des Antriebsaggregats 16 mit dem Drehzahl-Umsetzverhältnis multipliziert
wird, das bei der folgend einzurichtenden Getriebe-Umsetzstufe vorliegt.
Hat also, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel das Antriebsaggregat 16 den
Zustand mit einer Drehzahl von etwa 700 Umdrehungen pro Minute erreicht
und ist das Drehzahl-Umsetzverhältnis
der einzurichtenden Getriebe-Umsetzstufe im Bereich von 4, so ergibt
sich dann eine Solldrehzahl für
die Rotoranordnung 20 im Bereich von 2800 Umdrehungen pro
Minute. Zu dieser Solldrehzahl wird zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 die Drehzahl
der Rotoranordnung 20 hin bewegt. Zum Zeitpunkt t7 hat die Drehzahl der Rotoranordnung 20 einen
Wert angenommen, der relativ nahe bei der Soll-Rotordrehzahl liegt,
d.h. die Abweichung zwischen diesen beiden Drehzahlen ist nun nur
noch gering. Es wird daher ab dem Zeitpunkt t7 das
Erzeugen eines Antriebs-Drehmomentes bei der Rotoranordnung 20 beendet,
so dass aufgrund der vorhandenen Reibeffekte zum Zeitpunkt t8 die Drehzahl der Rotoranordnung 20 nahezu
der Drehzahl des Antriebsaggregats 16 entspricht. Auch
hier kann wieder die Änderung
der Drehzahl des Antriebsaggregats 16 beobachtet werden,
und wenn die Änderung
wieder einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat, kann, wie
vorangehend bereits beschrieben, zwischen den Zeitpunkten t8 und t9 durch Anlegen
eines entsprechenden Antriebs-Drehmomentes oder ggf. auch eines Brems-Drehmomentes
an die Rotoranordnung 20 eine Übereinstimmung zwischen der
Drehzahländerung
des Antriebsaggregats 16 und der Drehzahländerung
der Rotoranordnung 20 erzeugt werden. Ist dies der Fall,
so wird ab dem Zeitpunkt t9 die Kupplungsanordnung 64 bestromt,
d.h. aktiviert, um nunmehr das Hohlrad 62 ohne die Erzeugung
jeglichen Schaltstoßes
drehfest zu legen und die Getriebe-Umsetzstufe zu aktivieren, bei
welcher beispielsweise ein Drehzahl-Umsetzverhältnis von 4 vorliegt. Ab dem
Zeitpunkt t10 liegt dann wieder die kraftschlüssige und
drehmomentübertragende
Verbindung zwischen der Antriebswelle 18 und der Rotoranordnung 20 der
Elektromaschine 12 vor.
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Durch
die vorangehend beschriebenen Schaltprozeduren kann also erreicht
werden, dass beim Umschalten zwischen verschiedenen Getriebe-Umsetzstufen
mit unterschiedlichen Drehzahl-Umsetzverhältnissen auch bei Einsatz formschlüssig wirkender
Kupplungsanordnungen das Auftreten von Schaltstößen vermieden werden kann. Es
ist dabei unerheblich, ob eine der Getriebe-Umsetzstufen ein Drehzahl-Umsetzverhältnis von
1 aufweist, wie dies vorangehend dargestellt wurde. Auch Schaltvorgänge zwischen
Getriebe-Umsetzstufen, welche von 1 unterschiedliche Drehzahl-Umsetzverhältnisse
aufweisen, können
so wie vorangehend beschrieben durchgeführt werden. Auch ist es möglich, mehrstufige
oder mehrgängige
Getriebe einzusetzen, bei welchen zwischen drei Getriebe-Umsetzstufen ausgewählt werden
kann, wobei dann beispielsweise aufeinander folgend zwei Hochschaltvorgänge oder
zwei Herunterschaltvorgänge
so wie vorangehend beschrieben durchgeführt werden können. Ebenso
kann auf die vorangehend beschriebene Art und Weise in eine Getriebe-Umsetzstufe
geschaltet werden, deren Drehzahl-Umsetzverhältnis kleiner als 1 ist.
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Wie
insbesondere mit Bezug auf den Schaltvorgang der 5 beschrieben,
kann es vorteilhaft sein, ab dem Erreichen oder Über- bzw. Unterschreiten der
Schaltdrehzahl nSchalt eine vorbestimmte
Zeit Δt
abzuwarten, bis mit der Einleitung des Schaltvorganges begonnen
wird. Es kann auf diese Art und Weise vermieden werden, dass eine
nur kurzzeitige Änderung
der Drehzahl des Antriebsaggregats 16 bzw. ein nur kurzzeitiges
Erreichen und Über- bzw. Unterschreiten
der Schaltdrehzahl nSchalt zu einem unnötigen Schaltvorgang
führt,
welcher durch einen beispielsweise unmittelbar folgenden Drehzahlanstieg
oder Drehzahlabfall der Drehzahl des Antriebsaggregates wieder aufgehoben
oder rückgängig gemacht
werden müsste.
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Die 6 und 7 veranschaulichen,
warum insbesondere im generatorischen Betrieb der Elektromaschine 12 es
vorteilhaft ist, das Drehzahl-Umsetzverhältnis zu wechseln. So erkennt
man in 6 den Verlauf der durch die Elektromaschine 12 maximal
erzeugbaren elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl nk der Antriebswelle 18. Für ein Drehzahl-Umsetzverhältnis von
x, beispielsweise 1, ergibt sich ein allmählicher Anstieg, welcher einen
Maximalwert erreicht, worauf wieder ein allmählicher Abfall erfolgt. Ist
die Drehzahl höher übersetzt,
d.h. dreht die Rotoranordnung 20 mit diesbezüglich erhöhter Drehzahl,
was durch die Kurve I > x repräsentiert
ist, so ist diese Kurve gestaucht, so dass bereits bei deutlich
geringerer Drehzahl der Antriebswelle 18 die maximal erreichbare
Leistung vorliegt. Es ist daher vorteilhaft, dann, wenn ein Schaltvorgang
im Hinblick auf die maximal erzielbare elektrische Leistung im generatorischen
Betrieb durchgeführt
werden soll, die Schaltdrehzahl nSchalt am Schnittpunkt
der für
die beiden Drehzahl-Umsetzverhältnisse
vorliegenden Maximal-Leistungskurven zu wählen. Wird die Schaltdrehzahl
nSchalt überschritten, so
wird die Getriebe-Umsetzstufe mit geringerem Drehzahl-Umsetzverhältnis gewählt, wird
die Schaltdrehzahl nSchalt nicht überschritten
bzw. unterschritten, so bleibt bzw. wird die Getriebe-Umsetzstufe mit höherem Drehzahl-Umsetzverhältnis gewählt.
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Die 7 stellt
ferner noch Linien oder Bereiche konstanten Wirkungsgrades η dar. Dabei
sind die Linien a, b der Leistungskurve für das höhere Drehzahl-Umsetzverhältnis zugeordnet,
und die Linien c, d sind der Leistungskurve für das niedrigere Drehzahl-Umsetzverhältnis zugeordnet.
Ferner bezeichnen die Linien a und c, welche eine größere Fläche umschließen, Linien
eines konstanten, jedoch geringeren Wirkungsgrades η, und die
Linien b und d bezeichnen Linien oder Bereiche eines konstanten, jedoch
höheren
Wirkungsgrades η.
In einem Zustand, in welchem von der Elektromaschine 12 nicht die
maximal mögliche
Leistung gefordert wird, beispielsweise weil auch ein mit elektrischer
Energie zu speisendes System keine hohe Leistungsanforderung stellt,
sondern in welchem die Elektromaschine 12 in einem mittleren
Leistungsbereich arbeitet, ist es vorteilhaft, die Schaltdrehzahl
nicht mit Hinblick auf die maximal mögliche Leistung auszuwählen, sondern
mit Hinblick auf den optimalen Wirkungsgrad der Elektromaschine
auszuwählen.
Dies sei in der 7 anhand der Soll-Leistung PS veranschaulicht. Wird ausgehend von einem
Zustand mit geringer Drehzahl nk der Antriebswelle 18 mit
derartiger Leistungsanforderung die Elektromaschine 12 betrieben, so
befindet sie sich zunächst
innerhalb des Bereichs a für
das höhere
Drehzahl-Umsetzverhältnis, jedoch außerhalb
des Bereichs c für
das geringere Drehzahl-Umsetzverhältnis, wobei hier noch unterstellt sei,
dass die Linien a und c den gleichen Wirkungsgrad η bezeichnen
und ebenso die Linien b und d Linien gleichen Wirkungsgrades sind.
Wird die Drehzahl der Antriebswelle 18 dann erhöht, so nähert man sich
zunehmend einem Schnittpunkt zwischen den Linien a und c an. Bei Überschreiten
dieses Schnittpunktes wird nun der Bereich a des höheren Drehzahl-Umsetzverhältnisses
verlassen, so dass bei Beibehalten des höheren Drehzahl-Umsetzverhältnisses
ein Abfall des Wirkungsgrades n auftreten würde. Gleichzeitig tritt jedoch
beim niedrigeren Drehzahl-Umsetzverhältnis durch Eintreten in den durch
die Linie c umrandeten Bereich eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf.
Es wird daher dann, wenn dem Wirkungsgrad der Elektromaschine 12 Vorrang gegeben
werden soll, d.h. für
eine bestimmte Leistungsanforderung diese mit optimalem Wirkungsgrad betrieben
werden soll, vorteilhaft, die Schaltdrehzahl nSchalt nicht
als konstanten Wert auszuwählen,
sondern für
einen jeweiligen Betriebszustand, beispielsweise für eine jeweilige
Leistungsanforderung derart zu definieren, dass ein Schaltvorgang
dann stattfinden wird, wenn durch Veränderung der Drehzahl der Antriebswelle 18 bei
einem der Drehzahl-Umsetzverhältnisse
eine Erhöhung
des Wirkungsgrades und beim anderen eine Verringerung auftreten
würde.
Für die
Auswahl der in 6 dargestellten Schaltstrategie
in Abhängigkeit
von der maximal erzielbaren elektrischen Leistung und der in 7 dargestellten Schaltstrategie,
bei welcher die Schaltdrehzahl für
einen jeweiligen Betriebszustand, beispielsweise eine jeweilige
Leistungsanforderung, hinsichtlich der Optimierung des Wirkungsgrades
ausgewählt
wird, kann, wie vorangehend bereits angesprochen, die Höhe der Leistungsanforderung
herangezogen werden. Bei hoher Leistungsanforderung, beispielsweise
im Bereich von über
60 % der maximal möglichen
elektrischen Leistung bei Generatorbetrieb, kann die Schaltdrehzahl
gemäß 6 ausgewählt werden, bei
geringerer Leistungsanforderung kann die Schaltdrehzahl gemäß 7 ausgewählt werden.
Ist die Leistungsanforderung nur minimal, beispielsweise unter 30
% der maximal möglichen
elektrischen Leistung im Generatorbetrieb, so kann derart vorgegangen
werden, dass grundsätzlich
nur einmal, so wie in 4a) dargestellt, beim Anlassen
des Fahrzeugs und beim Verlassen der Leerlaufdrehzahl ein Schaltvorgang
bei Überschreiten
der Schaltdrehzahl nSchalt durchgeführt wird,
dann jedoch die Getriebe-Umsetzstufe beibehalten wird, unabhängig davon,
wie sich die Drehzahl des Antriebsaggregats ändert. Auf diese Art und Weise
kann durch Minimierung der vorzunehmenden Schaltvorgänge der
Fahrkomfort verbessert werden und die Belastung der Getriebeanordnung
minimiert werden.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die Drehzahl der Rotoranordnung 20 sich
einem kritischen Bereich annähert,
die Kraftkopplung zwischen der Antriebswelle 18 und der
Rotoranordnung 20 unterbrochen wird, beispielsweise durch Ausrücken einer
anstelle des Freilaufs 56 eingefügten Kupplungsanordnung. Ein
nachfolgend vorzunehmendes Wiedereinkuppeln kann so wie vorangehend
beschrieben erfolgen. Auch kann ein derartiges Trennen der Drehmomentenübertragung
bei Überschreiten
eines vorgegebenen Drehzahlgradienten erfolgen.
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Durch
die vorliegende Erfindung ist ein Antriebssystem mit einer Elektromaschine
und einer Getriebeanordnung bereitgestellt, bei welchem das Durchführen sanfter
Schaltvorgänge
im Bereich der Getriebeanordnung ohne das Schleifenlassen einer Reibungskupplung
und somit einem relativ großen Verschleiß vorgenommen
werden kann. Der erfindungsgemäße Aufbau
ist sehr einfach und somit relativ robust und kostengünstig. In
verschiedenen Betriebssituationen bietet der Einsatz des Freilaufs 56 neben
der Tatsache, dass auf das Ansteuern einer zusätzlichen Kupplung verzichtet
werden kann, besondere Vorteile. Dies ist insbesondere ein Zustand, bei
dem, wie vorangehend beschrieben, Drehschwingungen auftreten, oder
beispielsweise ein Zustand, in welchem bei Durchführung von
Schaltvorgängen in
einem Fahrzeuggetriebe bei Zwischengasgeben oder bei starkem Abbremsen
des Fahrzeugs oder des Antriebsaggregats spontan sich eine niedrigere Drehzahl
auf der Seite der Antriebswelle 18 als auf der Seite der
Rotoranordnung 20 einstellt. Die Rotoranordnung 20 kann
sich dann zunächst
im wesentlichen frei drehen, so dass auch bei sich langsamer drehender
Antriebswelle 18 weiterhin elektrische Energie mit relativ
hoher Effizienz erzeugt werden kann. Könnte eine spontane Drehzahländerung
der Antriebswelle 18 beim Freigeben der Rotoranordnung 20 zu
einem Schaltstoß führen, so
kann bei Einsatz einer schaltbaren Kupplung so wie vorangehend beschrieben
vorgegangen werden. Bei dem erfindungsgemäßen System, bei welchem grundsätzlich zum Anlassen
eines Antriebsaggregats auf eine Getriebe-Umsetzstufe mit höherem Drehzahl-Umsetzverhältnis zugegriffen
wird, kann die Anzahl der in der Getriebeanordnung durchzuführenden
Schaltvorgänge
weiter vermindert werden, wenn beispielsweise beim Wiederstart eines
betriebswarmen Antriebsaggregats sofort auf eine Getriebe-Umsetzstufe
zugegriffen wird, die ein geringeres Drehzahl-Umsetzverhältnis aufweist. In diesem Zustand
ist das zum Starten des Antriebsaggregats erforderliche Antriebsmoment
im allgemeinen geringer, so dass auch eine derartige Getriebe-Umsetzstufe
verwendet werden kann. Auch kann bei überhitzter Elektromaschine
im motorischen, also antreibenden Betrieb derselben, beispielsweise
bei einem Startvorgang, beim Liefern eines Unterstützungsdrehmomentes
oder bei der aktiven Schwingungsdämpfung mit einem geringeren
Drehzahl-Umsetzverhältnis,
beispielsweise in einem Verhältnis
von 1 gearbeitet werden.
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Ferner
sei noch darauf hingewiesen, dass die zwischen dem Ausgangsglied,
d.h. dem Planetenradträger 52,
und der Rotoranordnung 20 wirksame Kupplungsanordnung im
dargestellten Ausgestaltungsbeispiel die Freilaufanordnung 56,
nicht direkt zwischen diesen beiden Komponenten oder Baugruppen
wirken muss. Es können
weitere zwischengeschaltete Komponenten oder Baugruppen vorgesehen
sein, insbesondere kann ein weiterer Getriebezug vorgesehen sein,
so dass auch bei wirksamer Kupplungsanordnung, d.h. bei wirksamer
Freilaufanordnung 56 oder andersartiger Kupplungsanordnung,
ein von 1 unterschiedliches Drehzahl-Umsetzverhältnis vorgesehen ist.