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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug
und insbesondere eine hydraulische Pumpe für das Getriebe, die durch einen
Elektromotor und eine Kraftmaschine angetrieben wird.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Derzeitige
Automatikgetriebe, die hydraulisch betätigte Kupplungen und Bremsen
zur Steuerung der Getriebe aufweisen, verwenden eine hydraulische
Pumpe zum Druckbeaufschlagen und Pumpen von Flüssigkeit zu den Steuerelementen.
In der Regel wird die Pumpe über
eine mechanische Kupplung direkt von einer Kraftmaschine angetrieben.
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Solche
Pumpen können
allgemein in Konstantpumpen (FDPs, FDP – fixed displacement Pumps)
und Verstellpumpen (VDPs, VDP – variable displacement
Pumps) unterteilt werden. Konstantpumpen liefern ein konstantes
Flüssigkeitsvolumen pro
Umdrehung und das Gesamtvolumen pro Zeiteinheit ist direkt proportional
zu ihrer Geschwindigkeit. Konstantpumpen erzeugen einen Durchfluss, der
bei minimaler Drehzahl der Kraftmaschine auf Grundlage eines erforderlichen
Systemdurchflusses eingestellt wird. Infolgedessen muss bei höheren Drehzahlen
ein überschüssiger Flüssigkeitsfluss
zu einem Ölsumpf
zurückgeführt oder
zum Pumpeneinlass rückgeführt werden.
Der überschüssige Fluss verringert
den betrieblichen Wirkungsgrad des Getriebes.
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Die
Flüssigkeitsverdrängung pro
Umdrehung einer Verstellpumpe kann zur Förderung eines variablen Stroms,
das heißt
des Flüssigkeitsvolumens pro
Zeiteinheit, zum Beispiel Liter pro Minute, bei einer konstanten
Geschwindigkeit, eingestellt werden.
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Bei
Kraftfahrzeuganwendungen in der Regel verwendete Verstellpumpen
sind verstellbare Flügelzellenpumpen,
deren Verdrängung
durch ein Steuersystem eingestellt wird, wenn Flüssigkeitsstromanforderungen
erfüllt werden.
Ein durch die Pumpe erzeugter überschüssiger Fluss
wird zur Betätigung
der Pumpensteuerung verwendet, die die Exzentrizität eines
Steuerrings bezüglich
der Flügel
einstellt.
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Solche
Steuermechanismen weisen eine begrenzte Fähigkeit auf, Durchfluss einzustellen.
Diese Begrenzung wird bei maximaler Getriebedrehzahl realisiert,
bei der die Exzentrizität
nicht weiter verringert werden kann, die Pumpe aber noch einen Fluss in Überschuss
zu den Anforderungen des Getriebesystems liefert. Der überschüssige Fluss
wird unter diesen Bedingungen an den Sumpf abgelassen, wodurch der
mechanische Wirkungsgrad und die Kraftstoffökonomie des Fahrzeugs negativ
beeinflusst werden.
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Änderungen
des Durchflusses aufgrund von transienten Zuständen, wie zum Beispiel Gangwechsel
oder Druckänderungen,
können
in Millisekunden auftreten, jedoch kann die Reaktionsverzögerung eines
VDP-Einstellmechanismus der Änderung
der Durchflussanforderung nicht entsprechen. Infolgedessen müssen die
VDPs überdimensioniert
werden, um transiente Durchflussanforderungen zu bewältigen.
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Ein
ideales Pumpsystem, das einen Elektromotor mit variabler Geschwindigkeitssteuerung
und eine Pumpe verwendet, ist bei einem Automatikgetriebe, das über einen
breiten Betriebszustandsbereich, einschließlich Kaltstarts, die ein hohes
Drehmoment erfordern, arbeitet, nicht praktisch. Die hohen Drehmomente
bei Niedertemperaturbetrieb würden
eine hohe Stromversorgung erfordern.
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Eine
ideale Pumpe, das heißt
eine Pumpe, die ein Minimum an Energie verbraucht, sollte einen stufenlos
verstellbaren Durchfluss in Abhängigkeit von
der Durchflussanforderung des Systems aufweisen, die als der Momentanflüssigkeitsdurchfluss
definiert wird, der dazu erforderlich ist, Hydrauliksystemfunktionen,
wie zum Beispiel Kühlung,
Kupplungsbetätigungen,
Schmierung, Leckagen, aber nicht darauf beschränkt, zu erfüllen. Die Durchflussanforderung des
Systems kann weiterhin in stationäre und transiente Anforderungen
unterteilt werden. Die Durchflussanforderung hängt im Allgemeinen von der
Flüssigkeitstemperatur,
der Viskosität,
dem Kreisdruck und anderen Betriebsbedingungen ab. Die Durchflussanforderung
des Getriebesystems ist von dem Pumpenförderstrom unabhängig.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Antriebssystem für
ein Kraftfahrzeuggetriebe enthält
eine hydraulische Pumpe, die eine Welle enthält, eine Kraftmaschine, einen
Startergenerator, der mit der Welle verbunden ist, und einen Antriebsmechanismus
zum Übertragen
von Drehmoment von der Kraftmaschine auf die Welle und zum Verstärken von
durch den Startergenerator erzeugtem Drehmoment und zum Übertragen
des verstärkten
Drehmoments auf die Kraftmaschine.
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Das
System kann mit einem herkömmlichen Getriebe
verwendet werden, das durch einen Benzin- oder Dieselmotor angetrieben
wird, und macht einen getrennten, riemengetriebenen Drehstromgenerator und
Starter durch Verwendung einer innen gekapselten Einheit überflüssig, die
drei Funktionen erfüllt: Pumpen,
Erzeugen und Start der Kraftmaschine, und innen gekapselt ist. Das
System kann zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden,
wodurch ein riemengetriebener außen angebrachter Generator überflüssig wird.
Wenn zum Antrieb der Pumpe kein elektrischer Strom verwendet wird,
dann könnte die
Einheit dazu verwendet werden, den Energiefluss umzukehren und die
Batterie aufzuladen.
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Das
System verringert das Gewicht und verbessert den Wirkungsgrad der
Kraftmaschine. Die elektrische Pumpe verbessert die Kraftstoffökonomie durch
(a) enge Anpassung von Getriebedurchflussanforderung und Pumpenförderstrom
und (b) Aufrechterhaltung von Hydraulikdruck und Getriebefunktion,
wenn die Kraftmaschine nicht in Betrieb ist, wodurch eine Ausschaltstrategie
für die
Kraftmaschine gestattet wird, wenn das Fahrzeug angehalten wird.
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Das
Antriebssystem kann als eine Vorrichtung zum Start der Kraftmaschine
verwendet werden, die einen extern montierten Starter überflüssig macht.
Um Kraftmaschinenstartfunktionen zu ermöglichen, steuern neue hydraulische
und elektronische Aktoranordnungen prädikativ die Getriebedurchflussanforderung
und den Pumpenförderstrom.
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Der
Anwendungsbereich der bevorzugten Ausführungsform geht aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung, den Ansprüchen
und den Zeichnungen hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung
und die speziellen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung zeigen, jedoch nur der Veranschaulichung dienen. Verschiedene Änderungen
und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen
werden für
den Fachmann offensichtlich.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Durch
Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
wird die Erfindung besser verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schemadiagramm eines hydraulischen Getriebesystem, das eine Pumpe,
einen Elektromotor und Steuerungen zeigt;
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2 ein
Schemadiagramm, das eine Verbindung zwischen dem Primärrad und
der Riemenscheibe von 1 zeigt;
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3 ein
Schemadiagramm, das die Pumpe, den Motor und alternative Stromwege
zum Antrieb der Pumpe zeigt; und
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4 ein
Schemadiagramm, das eine Verstellpumpe und ein Ventil zeigt, das
Pumpenförderstrom
regelt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Nunmehr
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wird in den 1–4 ein
System 10 dargestellt, das eine Getriebepumpe und verwandte
Steuerungen zeigt. Das System 10 enthält eine verstellbare Flügelzellenpumpe 12,
deren Verdrängung
durch ein hydraulisches Ventil und einen Elektromagneten 14 mit
variabler Kraft gesteuert wird. Die Pumpe 12 wird mit Flüssigkeit
auf Getriebeleitungsdruck versorgt, dessen Höhe durch ein unabhängiges Steuersystem
gesteuert wird, das ein Hauptregelventil 16 (4),
das durch Fluss von der Pumpe 12 gespeist wird, und einen
(nicht gezeigten) Leitungsdrucksteuerelektromagneten enthält.
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Das
Laufrad 20 der Pumpe 12 ist durch eine Kupplung
mechanisch mit dem Laufrad 22 (3) eines
Elektromotor-Generators 24 verbunden. Des Weiteren ist
das Pumpenlaufrad 20 über
eine Freilaufkupplung (Freilauf) 28 mit einer Riemenscheibe 26 verbunden.
Ein Antriebsmechanismus 30 enthält eine Kette oder einen Riemen 31,
die bzw. der mit den Riemenscheiben 26, 32 in
Eingriff steht.
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Die
Riemenscheibe 32 ist an einer Eingangswelle 34 befestigt,
die mit dem Primärrad 36 eines
hydrokinetischen Drehmomentwandlers 38 verbunden ist. Der
Drehmomentwandler 38 enthält ein beschaufeltes Primärrad 36,
das kontinuierlich antreibbar mit der Kraftmaschine 70 verbunden
ist, ein beschaufeltes Turbinenrad, das durch die Primärradschaufeln verlassende
Flüssigkeit
angetrieben wird und mit der Eingangswelle 34 antriebsverbunden
ist, und ein beschaufeltes Leitrad, das in einem Strömungsweg
zwischen dem Primärrad
und der Turbine angeordnet ist. Die Pumpe 12 läuft, während die
Kraftmaschine 70 läuft.
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2 zeigt
eine Leitradwelle 18, an der das Leitrad des Drehmomentwandlers 38 befestigt
und gegen Drehung an einem Gehäuse 42 festgelegt
ist. Das Turbinenrad des Drehmomentwandlers 38 ist über eine
Getriebeeingangswelle 43 mit einer Vorwärtskupplung 45 antriebsverbunden.
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Der
Stator 40 der Pumpe 12 ist gegen Drehung am Getriebegehäuse 42 festgelegt.
Die Spule 44 des Elektromotor-Generators 24 ist
in dem Stator 40 integriert.
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Ein
wahlweise elektrisch aktiviertes Startmodul 46, das in 3 gezeigt
wird, enthält
eine Schieberadkupplung 50, die durch einen Elektromagneten 52 betätigt wird
und gestattet, dass Drehmoment mit einer variablen Höhe durch
einen Untersetzungs-Drehmomentverstärkungs-Antriebsmechanismus 54 übertragen
wird, der Drehmoment von dem Elektromotor 24 auf die Eingangswelle 34 überträgt, wenn
die Schieberadkupplung 50 eingerückt ist. Ein elektronisch gesteuertes
Servostromventil 60 (oder ein Magnet- und Regelventil 16)
sind in einem Schmierkreislauf 62 installiert, der einen
Kühler 64 enthält, in dem
Wärme von
der Getriebeflüssigkeit auf
die umgebende Atmosphäre übertragen
wird. Das Servostromventil 60 (oder ein Magnet- und Regelventil 16)
werden an einer an dem Gehäuse 42 befestigten
Stütznabe 65 abgestützt und
sind daran befestigt.
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Das
Getriebesystem 10 ist zum Betrieb in vier Betriebsmodi
konfiguriert.
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Das
Getriebesystem 10 kann in einem Pumpmodus betrieben werden,
in dem Drehmoment durch einen Kraftweg übertragen wird, der eine Kraftmaschine 70,
den Drehmomentwandler 36, die Welle 34, den Riemenantriebsmechanismus 30,
die Freilaufkupplung 28 und den Pumpenrotor 20 enthält. Bei Betrieb
im Pumpmodus ist der Elektromotor-Generator 24 elektronisch deaktiviert
und die Pumpe 12 wird durch die Kraftmaschine 70 angetrieben.
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Das
Getriebesystem 10 kann so betrieben werden, dass die Pumpe 12 bei
Start der Kraftmaschine oder bei geringer Drehzahl der Kraftmaschine nur
durch den Elektromotor 24 angetrieben wird. In diesem Modus
treibt der Elektromotor-Generator 24 die Pumpe 12 mit
einer höheren
Drehzahl an als die Drehzahl der Eingangswelle 34; deshalb überholt
die Freilaufkupplung 28 und das Untersetzungsgetriebe 54 überträgt kein
Drehmoment. Die Kraftmaschine 70 wird durch einen Startermotor 66 durch
einen Anlasszahnkranz 67 und ein Schwungrad 68 angelassen.
Die Pumpenverdrängung
wird so eingestellt, dass sie dem erwarteten Pumpendrehmoment und dem
erforderlichen Getriebedurchfluss entspricht.
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Das
Getriebesystem 10 kann weiterhin im Pumpenmodus betrieben
werden, in dem der Motor-Generator 24 als ein elektrischer
Generator arbeitet. Die Pumpe wird durch die Kraftmaschine 70 durch
den Kraftweg angetrieben, der den Drehmomentwandler 36,
die Welle 34, den Riemenantriebsmechanismus 30,
die Freilaufkupplung 28 und die Pumpenrotorwelle 78 enthält. Durch
den Generator 24 erzeugter elektrischer Strom wird zu dem
Ladesystem des Fahrzeugs geleitet, wodurch ein alternatives Verfahren
zum Wiederaufladen der Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Dieser
Betriebsmodus beseitigt das Erfordernis eines getrennten Drehstromgenerators.
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Das
Getriebesystem 10 kann in einem Startmodus betrieben werden,
um die Kraftmaschine 70 anzulassen, wobei das durch den
Motor-Generator 24 erzeugte Drehmoment verwendet wird,
wenn das Startmodul 46 der Kraftmaschine elektrisch betätigt wird
und bewirkt wird, dass die elektrische Maschine 24 als
Motor betrieben wird. Die Freilaufkupplung 28 ist gesperrt.
Das Motordrehmoment wird durch den sich im Startmodul 46 befindenden
Drehmomentverstärkungsantriebsmechanismus 54 verstärkt, und das
verstärkte
Drehmoment wird bei Start der Kraftmaschine durch den Riemenantriebsmechanismus 30 und
die Kupplung 50 auf die Kraftmaschine 70 übertragen.
Das Servostromventil 60 wird dazu verwendet, den von der
Pumpe 16 erforderten Durchfluss zeitweise auf ein Minimum
zu reduzieren. Der Pumpendurchflusssteuerelektromagnet 74 wird
dazu verwendet, das Pumpendrehmoment und den Durchfluss zu optimieren,
um einen minimalen erforderlichen hydraulischen Systemdruck bereitzustellen.
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Der
Getriebemechanismus 54 enthält ein erstes Ritzel 76,
das an der Rotorwelle 78 befestigt ist, ein erstes Zahnrad 80,
das mit dem Ritzel 76 kämmt
und an einer Vorgelegewelle 82 befestigt ist, ein zweites
Ritzel 84, das an der Vorgelegewelle 82 befestigt
ist, und ein zweites Zahnrad 86, das mit dem Ritzel 84 kämmt und
durch die Schieberadkupplung 50 lösbar mit der Riemenscheibe 26 verbunden ist.
Der Mechanismus 54 verstärkt das von dem Motor-Generator 24 auf
die Riemenscheibe 26 übertragene
Drehmoment und verringert das von der Riemenscheibe 26 auf
den Motor-Generator 24 übertragene
Drehmoment.
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Das
System 10 kann im Stromerzeugungsmodus für begrenzte
Nutzbremsung betrieben werden, wenn eine Batterie mit zusätzlicher
Kapazität verwendet
wird, um eine begrenzte Unterstützung
für das
Drehmoment der Kraftmaschine zwecks Beschleunigung des Fahrzeugs
bereitzustellen. Dieser Nutzbrems-Betriebsmodus ist nur bei elektronischer Steuerung,
die Druckrückkopplungssteuerung
umfasst, möglich.
Eine Bremsung kann nur erfolgen, wenn die Drehzahl der Kraftmaschine
größer als
eine kritische Drehzahl für
Durchflussanforderung, das heißt
größer als
ca. 1300 U/min, ist und dann auf Elektroantrieb oder Kraftmaschinenantrieb
mit einer gewissen transienten Kühlerflussverringerung
geschaltet wird. Im Nutzbremsmodus ist die Freilaufkupplung 28 eingeschaltet.
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Es
wird nunmehr auf die 1 und 3 Bezug
genommen, wobei die hydraulische verstellbare Flügelzellenpumpe 12 dem
Getriebesystem 90 einen Flüssigkeitsstrom zuführt. Die
Pumpe 12 wird von einem Ölsumpf 92 durch einen
Filter 94 mit Flüssigkeit
versorgt. Die äußeren Spitzen
der Flügel 100 halten
mit dem Ring 96 Kontakt. Die Verdrängung der Pumpe 12 ändert sich
als Reaktion auf das Schwenken eines Rings 96 um einen
Drehzapfen 98 bezüglich
des Pumpenrotors 20. Eine Feder 102 neigt dazu,
die Pumpenverdrängung
zu vergrößern, und Rückkopplungsdruck
im Leitungsdruck 104 neigt dazu, die Pumpenverdrängung zu
verringern.
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Ein
elektronisch gesteuerter Elektromagnet 106 mit variabler
Kraft und ein Druckregelventil 108 regeln die Höhe des Drucks
in der Leitung 104.
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Druck
in der Leitung 110 von einem elektronisch gesteuerten Elektromagneten
mit variabler Kraft wird einem Hauptregelverstärkungsventil 112 zugeführt. Leitungsdruck
wird dem Hauptregelventil 16 zugeführt.
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Gemäß den Vorschriften
der Patentstatuten ist die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die alternativen Ausführungsformen
auch anders als besonders dargestellt und beschrieben ausgeübt werden
können.
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Ein
erfindungsgemäßes System,
das Druckfluid für
ein Kraftfahrzeuggetriebe erzeugt und umfasst Folgendes:
eine
hydraulische Pumpe;
eine Kraftmaschine;
einen Startergenerator,
der mit der Pumpe antriebsverbunden ist;
eine erste Riemenscheibe,
die mit der Kraftmaschine antriebsverbunden ist;
eine zweite
Riemenscheibe, die mit dem Startergenerator antriebsverbunden ist;
ein
Antriebsglied, das die erste und die zweite Riemenscheibe in Eingriff
nimmt.
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Bevorzugt
umfasst dieses System weiterhin eine Kupplung, die eine Freilaufantriebsverbindung zwischen
dem Startergenerator und der zweiten Riemenscheibe herstellt.
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Weiter
bevorzugt umfasst das System einen Drehmomentwandler, der mit der
Kraftmaschine und der ersten Riemenscheibe antriebsverbunden ist.
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Weiter
bevorzugt umfasst das System:
ein Getriebe, das ein erstes
Ritzel, das an dem Startergenerator befestigt ist, ein erstes Zahnrad,
das mit dem ersten Ritzel kämmt
und an einer Vorgelegewelle befestigt ist, ein zweites Ritzel, das
an der Vorgelegewelle befestigt ist, und ein zweites Zahnrad, das mit
dem zweiten Ritzel kämmt,
enthält;
eine Kupplung zur trennbaren Verbindung des zweiten Zahnrads und
der zweiten Riemenscheibe.
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Weiter
bevorzugt umfasst das System Folgendes:
ein Untersetzungsgetriebe,
das mit der zweiten Riemenscheibe antriebsverbunden ist, um durch
den Startergenerator erzeugtes Drehmoment zu verstärken und
das verstärkte
Drehmoment durch den Antriebsriemen oder die Antriebskette und die
erste Riemenscheibe auf die Kraftmaschine zu übertragen.
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Insbesondere
umfasst ein erfindungsgemäßes System,
das Druckfluid für
ein Kraftfahrzeuggetriebe erzeugt und Folgendes:
eine hydraulische
Pumpe;
eine Kraftmaschine;
einen Startergenerator, der
mit der Pumpe antriebsverbunden ist;
ein Untersetzungsgetriebe
zur Verstärkung
von durch den Startergenerator erzeugtem Drehmoment und Übertragung
des verstärkten
Drehmoments auf die Kraftmaschine.
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Dabei
kann zusätzlich
mittels einer Kupplung eine Freilaufantriebsverbindung zwischen
dem Startergenerator und der Kraftmaschine erfolgen.
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Insbesondere
kann das System einen Drehmomentwandler umfassen, der mit der Kraftmaschine,
der Pumpe und dem Startergenerator antriebsverbunden ist.
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Bevorzugt
kann wobei das Untersetzungsgetriebe Folgendes enthalten: ein erstes
Ritzel, das an dem Startergenerator befestigt ist, ein erstes Zahnrad,
das mit dem ersten Ritzel kämmt
und an einer Vorgelegewelle befestigt ist, ein zweites Ritzel, das an
der Vorgelegewelle befestigt ist, und ein zweites Zahnrad, das mit
dem zweiten Ritzel kämmt.
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Dabei
kann bevorzugt eine Kupplung zur trennbaren Verbindung des zweiten
Zahnrads und der Kraftmaschine vorgesehen sein.