DE102017213225A1 - Startervorrichtung und Antriebsstrang mit einer Startervorrichtung - Google Patents

Startervorrichtung und Antriebsstrang mit einer Startervorrichtung Download PDF

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internal combustion
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Martin Ruider
Michael Ibele
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ZF Friedrichshafen AG
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    • F16D23/12—Mechanical clutch-actuating mechanisms arranged outside the clutch as such
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    • F16H25/08—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H25/12—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for interconverting rotary motion and reciprocating motion with reciprocation along the axis of rotation, e.g. gearings with helical grooves and automatic reversal or cams
    • F16H25/125—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for interconverting rotary motion and reciprocating motion with reciprocation along the axis of rotation, e.g. gearings with helical grooves and automatic reversal or cams having the cam on an end surface of the rotating element
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Abstract

Es wird eine Startervorrichtung (1) zum Starten eines Verbrennungsmotors (VM) eines Hybridfahrzeuges vorgeschlagen, wobei ein Energiespeicher, ein Schaltelement (KS) zum bedarfsweise Koppeln des Energiespeichers mit dem Verbrennungsmotor (VM) und eine Antriebsvorrichtung (3) zum Antreiben des Energiespeichers und zum Betätigen des Schaltelements (KS) vorgesehen sind. Ferner wird ein Antriebsstrang mit der vorgeschlagenen Startervorrichtung beansprucht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Startervorrichtung zum Starten eines Verbrennungsmotors gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges mit der Startervorrichtung zum Starten bzw. zum Zustarten des Verbrennungsmotors.
  • Aus der Fahrzeugtechnik sind Hybridfahrzeugen hinreichend bekannt. Ein Hybridfahrzeug weist üblicherweise einen Verbrennungsmotor als ersten Antrieb und eine elektrische Maschine als zweiten Antrieb auf, die von einer Batterie mit Energie versorgt wird. Der Verbrennungsmotor und/oder die elektrische Maschine treiben den Abtrieb des Fahrzeuges über ein Getriebe an. Bei verbrennungsmotorischer Fahrt wird die Batterie von der als Generator wirkenden elektrischen Maschine geladen. In anderen Fahrsituationen versorgt die Batterie die elektrische Maschine mit Energie, wodurch Funktionen, wie rein elektrisches Fahren, Segeln oder ein elektrisches Boosten der Verbrennungskraftmaschine, ermöglicht werden. Um diese Funktionen zu realisieren, muss der Verbrennungsmotor im Stand sowie während der rein elektrischen Fahrt gestartet werden können. Bei bekannten Antriebssträngen eines Hybridfahrzeuges wird dieser Startvorgang durch eine Startervorrichtung, wie zum Beispiel einem Riemenstarter oder durch die elektrische Maschine des Hybridfahrzeuges durchgeführt.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei rein elektrischer Fahrt die elektrische Maschine bereits an ihrer Leistungsgrenze betrieben wird, sodass keine Leistungsreserven zum Starten des Verbrennungsmotors vorhanden sind. Bei einer Übererregung der elektrischen Maschine kann dies zu einem Einbruch der Spannungsversorgung und zu einem unerwünschten Ausfall der Elektronik führen. Ferner sind Riemenstarter in nachteiliger Weise konstruktiv aufwändig und benötigen einen erheblichen Bauraum
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Startervorrichtung und einen Antriebsstrang mit der Startereinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, bei dem das Starten bzw. Zustarten des Verbrennungsmotors zuverlässig und kostengünstig sowie bauraumgünstig realisiert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7 gelöst, wobei sich vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen aus den jeweiligen Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
  • Somit wird eine Startervorrichtung und ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges mit der Startervorrichtung zum Starten oder Zustarten eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Zum Realisieren einer zuverlässigen bzw. sicheren und kostengünstigen Startmöglichkeit ist vorgesehen, dass die Startervorrichtung bedarfsweise mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist bzw. parallel zum Antriebsstrang angeordnet ist und zumindest einen Energiespeicher, ein Schaltelement und eine Antriebsvorrichtung zum Versorgung des Energiespeichers und zum Betätigen des Schaltelements umfasst.
  • Auf diese Weise wird eine parallel zum Verbrennungsmotor geschaltete Startervorrichtung vorzugsweise zwischen dem Verbrennungsmotor und der Anfahrkupplung realisiert und durch den bedarfsweise koppelbaren Energiespeicher beispielsweise als Schwungmasse oder Trägheit ergibt sich der Vorteil, dass nur das Startmoment zum Starten des Verbrennungsmotors aufgebracht bzw. übertragen werden muss und nicht die komplette Belastung bei voller hybridischer Fahrt, wie dies bei herkömmlichen seriellen Startersystemen erforderlich ist. Ferner wird durch die Antriebsvorrichtung, die sowohl den Energiespeicher antreibt und zum anderen das Schaltelement betätigt eine kostengünstige und bauraumgünstige Lösung realisiert. Mit der vorgeschlagenen Startervorrichtung kann zudem auch der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Antriebsstranges deutlich gesteigert werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass eine erste Drehrichtung der Antriebsvorrichtung zum Antrieb des zum Beispiel als rotierende Schwungmasse ausgeführten Energiespeichers und eine zweite Drehrichtung der Antriebsvorrichtung zum Betätigen des Schaltelements vorgesehen ist. Demzufolge wird die Antriebsvorrichtung der Startervorrichtung doppelt genutzt, nämlich zum einen zum Realisieren der Koppelung zwischen Startervorrichtung bzw. Energiespeieher und Verbrennungsmotor sowie zum anderen zum Antrieb des Energiespeichers bzw. der Schwungmasse, um das notwendige Startmoment aufbringen zu können. Der Reibschluss zwischen dem Energiespeicher bzw. der Schwungmasse und dem Verbrennungsmotor wird vorzugsweise in zwei vorbestimmten Fahrsituationen realisiert. Zum einen, wenn der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abgekoppelt wird, um ein elektrisches Fahren zu ermöglichen. In dieser Situation wird die Schwungmasse über die reibschlüssige Verbindung von dem auslaufenden Verbrennungsmotor beschleunigt. Demzufolge wird die Energie des auslaufenden Verbrennungsmotors wiederverwendet. Zum anderen wird die Koppelung des Energiespeichers mit dem Verbrennungsmotor hergestellt, wenn der Verbrennungsmotor gestartet werden soll. Hier wird die Energie der sich drehenden Schwungmasse genutzt, um den Verbrennungsmotor zu starten. Die Energie des Verbrennungsmotors reicht jedoch lediglich dazu aus, die Schwungmasse initial zu beschleunigen. Bei einer ausdauernden elektrischen Fahrt wird deshalb der Energiespeicher bzw. die Schwungmasse über die elektrische Antriebsvorrichtung beschleunigt. Mit besonderem Vorteil ist für diese beiden Funktionen der Antriebsvorrichtung lediglich ein gering dimensionierter Elektromotor bei der erfindungsgemäßen Startervorrichtung erforderlich.
  • Das Ausnutzen der beiden Drehrichtungen der Antriebsvorrichtung für unterschiedliche Funktionen, nämlich einerseits zum Betätigen des Schaltelements und andererseits zum Antrieb des Energiespeichers bzw. der Schwungmasse wird gemäß einer nächsten Weiterbildung konstruktiv bei der Startervorrichtung dadurch realisiert, dass die Antriebsvorrichtung mit einer Freilaufwelle verbunden ist, der ein erster Freilauf und ein zweiter Freilauf zugeordnet ist, die gegenläufig ausgeführt sind. Dies bedeutet, dass in jede Drehrichtung der Freilaufwelle jeweils nur jeweils ein Abtrieb der Freiläufe aktiviert ist. Demzufolge überträgt immer nur einer der Freiläufe ein Drehmoment.
  • Zum Betätigen des Schaltelements über die Antriebsvorrichtung ist es erforderlich, die Drehbewegung der Antriebsvorrichtung in eine Axialbewegung umzusetzen. Bei der vorgeschlagenen Startervorrichtung wird dies durch eine der Freilaufwelle zugeordnete Kurvenscheibe oder dergleichen realisiert, die über einen der Freiläufe angetrieben wird. Durch die Drehbewegung der Kurvenscheibe wird eine Axialbewegung erzeugt, sodass eine der Stirnseiten der Kurvenscheibe in Reibschluss mit einer Kupplungsscheibe des Schaltelements gebracht wird, um eine Verbindung des Schwungrades mit dem Verbrennungsmotor zu erzeugen.
  • Die vorgeschlagene Startervorrichtung wird bevorzugt bei einem ebenfalls von der Erfindung beanspruchten Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges eingesetzt. Eine konstruktiv einfache und bauraumsparende Lösung sieht vor, dass die Startervorrichtung in einem Getriebegehäuse des Hybridfahrzeuges untergebracht ist. Vorzugsweise in der Kupplungsglocke des Getriebegehäuses, also an der dem Verbrennungsmotor zugewandten Antriebsseite des Getriebegehäuses.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Startervorrichtung;
    • 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante des Antriebsstranges mit einer alternativen Anordnung der Startervorrichtung;
    • 3 eine geschnittene Teilansicht des Antriebsstranges gemäß 1;
    • 4 eine schematische Schnitteinsicht der Startervorrichtung mit einer von einer Antriebsvorrichtung angetriebenen Freilaufwelle mit einem ersten Freilauf und einem zweiten Freilauf;
    • 5 eine schematische dreidimensionale Ansicht der Antriebsvorrichtung der Startervorrichtung mit einer Kurvenscheibe
    • 6 und 6A schematische Einzelteilansichten der Kurvenscheibe;
    • 7 eine schematische Draufsicht auf die Startervorrichtung; und
    • 8 eine schematische Schnittansicht der Startervorrichtung.
  • In den 1 bis 8 sind verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Startervorrichtung und eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges mit der Startervorrichtung 1 beispielhaft dargestellt.
  • Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten ist vorgesehen, dass die Startervorrichtung 1 zum Starten des Verbrennungsmotors VM parallel zum Antriebsstrang angeordnet bzw. schaltbar ist und einen als rotierende Schwungmasse 2 aufgeführten Energiespeicher, ein Schaltelement KS und eine Antriebsvorrichtung 3 zum Antreiben der Schwungmasse 2 und zum Betätigen des Schaltelements KS umfasst.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsvariante des Antriebsstranges gezeigt, bei der die Startervorrichtung 1 hinter dem Verbrennungsmotor VM und vor einem als Zweimassenschwungrad ZMS ausgeführten Schwingungsdämpfer angeordnet ist. In 2 ist eine zweite Ausführungsvariante dargestellt, bei der die Startervorrichtung 1 hinter dem Verbrennungsmotor VM und dem Zweimassenschwungrad ZMS im Antriebsstrang des Hybridfahrzeuges angeordnet ist.
  • Unabhängig von den Ausführungsvarianten ist die Startervorrichtung 1 antriebsseitig in einem Getriebegehäuse 4 des Hybridfahrzeuges, insbesondere in der Kupplungsglocke 4A des Getriebegehäuses 4 angeordnet und befindet sich vor der Anfahrkupplung K0 und der elektrischen Maschine EM des Hybridfahrzeuges. Die Schwungmasse 2 der Startervorrichtung 1 kann entweder direkt oder indirekt mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors VM über das Schaltelement KS verbunden werden, um das Startmoment von der Schwungmasse 2 zum Starten bzw. Zustarten des Verbrennungsmotors VM zu übertragen.
  • Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist als Antriebsvorrichtung 3 ein nur das Startmoment aufbringender und somit klein dimensionierter Elektromotor vorgesehen, der mit einer Freilaufwelle 5 verbunden ist. Die Freilaufwelle 5 weist einen ersten Freilauf 6 und einen zweiten Freilauf 7 auf. Demzufolge wird eine erste Drehrichtung der Freilaufwelle bzw. der Antriebsvorrichtung 3 über den ersten Freilauf 6 zum Antrieb des als rotierende Schwungmasse 2 ausgeführten Energiespeichers verwendet, während eine zweite Drehrichtung der Freilaufwelle 5 über den zweiten Freilauf 7 zum Betätigen des Schaltelements KS genutzt wird. Der erste Freilauf 6 und der zweite Freilauf 7 sind gegenläufig ausgeführt. Demzufolge wird der Abtrieb des ersten Freilaufes 6 dazu verwendet, die Schwungmasse 2 anzutreiben, während der Abtrieb des zweiten Freilaufes 7 dazu verwendet wird, die Kurvenscheibe 8 anzutreiben und somit die reibschlüssige Verbindung durch das Schließen des Schaltelements KS herzustellen, wobei der Abtrieb des zweiten Freilaufes 7 in entgegengesetzte Drehrichtung bezogen auf den Abtrieb des ersten Freilaufes 6 wirkt. Dadurch kann der Motor bzw. die Antriebsvorrichtung 3 zwei Funktionen übernehmen, da eine erste Drehrichtung der Antriebsvorrichtung 3 die Schwungmasse 2 beschleunigt und eine zweite Drehrichtung der Antriebsvorrichtung 3 die Kurvenscheibe 8 betätigt.
  • In 4 ist eine Detailansicht der Freilaufwelle 5 mit dem ersten Freilauf 6 und dem zweiten Freilauf 7 dargestellt. Über den ersten Freilauf 6 wird mittels einer Verzahnung die Schwungmasse 2 über die Antriebsvorrichtung 3 beschleunigt, während der zweite Freilauf 7 die Kurvenscheibe 8 antreibt, deren Drehbewegung in eine Axialbewegung zum Betätigen einer Kupplungsscheibe über eine Anpressplatte 13 des Schaltelements KS entgegen ein als Membranfeder 14 ausgeführten Rückstellelement umsetzbar ist.
  • In 5 ist die Antriebsvorrichtung 3 mit der Kurvenscheibe 8 detaillierter dargestellt. Bei dieser Darstellung ist eine alternative Antriebsmöglichkeit der Kurvenscheibe 8 dargestellt, bei der die Antriebsvorrichtung 3 über einen Schneckentrieb im Bereich des zweiten Freilaufes 7 die Kurvenscheibe 8 in Rotation versetzt. Im Gegensatz dazu wird bei der Ausführung gemäß 4 die Kurvenscheibe 8 durch eine Verzahnung im Inneren angetrieben. Unabhängig von der jeweils vorgesehenen Antriebsmöglichkeit weist die Kurvenscheibe 8 an der dem Schaltelement KS abgewandten Stirnseite Kulissenbahnen 9, 10 zum Umsetzen der Drehbewegung in eine Axialbewegung auf. Die Kulissenbahnen 9, 10 laufen jeweils über den halben Umfang der Kurvenscheibe 8. In der nicht betätigten Ausgangsstellung des Schaltelements KS sind dem Anfang der jeweiligen Kulissenbahn 9, 10 ein gehäusefester Stößel 11, 12 zugeordnet. Der gehäusefeste Stößel 11, 12 wälzt sich bei der Drehbewegung der Kurvenscheibe 8 entlang der Kulissenbahnen 9, 10 ab, sodass die Drehung der Kurvenscheibe 8 je nach Steigerung der Kulissenbahnen 9, 10 in eine Axialbewegung umgesetzt wird, um die dem Schaltelement KS zugewandte Stirnseite gegen die Kupplungsscheibe des Schaltelements KS zu pressen. Dadurch wird ein Reibschluss erzeugt, um die Schwungmasse 2 mit dem Verbrennungsmotor VM zu koppeln.
  • In den 7 und 8 sind weitere Detailansichten der Startervorrichtung 1 mit der Kurvenscheibe 8 und dem Schaltelement KS zum Erzeugen des Reibschlusses zwischen der Schwungmasse 2 und dem Verbrennungsmotor VM dargestellt. 7 zeigt eine Draufsicht auf die schematische Ansicht und 8 zeigt einen schematischen Schnitt.
  • Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Antriebsstrang wird mit der erfindungsgemäßen Startervorrichtung 1 aufgrund der Parallelschaltung kein ständiges Beschleunigen und Bremsen der Schwungmasse 2 realisiert, sodass sich insgesamt die Trägheit im Antriebsstrang verringert. Ferner kann die Schwungmasse 2 vom auslaufenden Verbrennungsmotor VM bei Start der elektrischen Fahrt beschleunigt werden und somit die restliche Energie des Verbrennungsmotors VM genutzt werden. Anschließend kann durch einen geringen Energieeintrag der Antriebsvorrichtung 3 die gewünschte Drehgeschwindigkeit der Schwungmasse 2 gehalten werden, die dem Startmoment für den Start bzw. Zustart des Verbrennungsmotors VM entspricht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Startervorrichtung
    2
    Schwungmasse
    3
    Antriebsvorrichtung
    4
    Getriebegehäuse
    4A
    Kupplungsglocke
    5
    Freilaufwelle
    6
    erster Freilauf
    7
    zweiter Freilauf
    8
    Kurvenscheibe
    9
    Kulissenbahn
    10
    Kulissenbahn
    11
    gehäusefester Stößel
    12
    gehäusefester Stößel
    13
    Anpressplatte
    14
    Membranfeder als Rückstellelement das Schaltelements KS
    VM
    Verbrennungsmotor als erster Antrieb des Hybridfahrzeuges
    EM
    elektrische Maschine als zweiter Antrieb des Hybridfahrzeuges
    K0
    Anfahrkupplung
    KS
    Schaltelement zum Verbinden von Schwungmasse und Verbrennungsmotor
    ZMS
    Zweimassenschwungrad als Schwingungsdämpfer

Claims (10)

  1. Startervorrichtung (1) zum Starten eines Verbrennungsmotors (VM) eines Hybridfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher, ein Schaltelement (KS) zum bedarfsweise Koppeln des Energiespeichers mit dem Verbrennungsmotor (VM) und eine Antriebsvorrichtung (3) zum Antreiben des Energiespeichers und zum Betätigen des Schaltelements (KS) vorgesehen sind.
  2. Startervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Drehrichtung der Antriebsvorrichtung (3) zum Antrieb des als rotierende Schwungmasse (2) ausgeführten Energiespeichers und eine zweite Drehrichtung der Antriebsvorrichtung (3) zum Betätigen des Schaltelements (KS) vorgesehen ist.
  3. Startervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (3) mit einer Freilaufwelle (5) verbunden ist, der ein erster Freilauf (6) und ein zweiter Freilauf (7) zugeordnet ist, die gegenläufig ausgeführt sind.
  4. Startervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Antriebsvorrichtung (3) angetriebene Freilaufwelle (5) über den ersten Freilauf (6) mit dem Energiespeicher und über den zweiten Freilauf (7) mit dem Schaltelement (KS) gekoppelt ist.
  5. Startervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den zweiten Freilauf (7) eine Kurvenscheibe (8) antreibbar ist, deren Drehbewegung in eine Axialbewegung zum Betätigen einer Kupplungsscheibe des Schaltelements (KS) umsetzbar ist.
  6. Startervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kurvenscheibe (8) an der dem Schaltelement (KS) abgewandten Stirnseite (9) eine erste Kulissenbahn (9) und eine zweite Kulissenbahn (10) aufweist, denen jeweils ein gehäusefester Stößel (11, 12) zugeordnet ist, um die Drehbewegung der Kurvenscheibe (8) in eine Axialbewegung zum reibschlüssigen Verbinden mit der Kupplungsscheibe des Schaltelements (KS) umzusetzen.
  7. Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges mit einer Startervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  8. Antriebsstrang nach Einspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors (VM) der Energiespeicher der Startervorrichtung (1) mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors (VM) zum Übertragen der rotatorischen Energie koppelbar ist, wobei der Energiespeicher über die Antriebsvorrichtung (3) nach dem Entkoppeln des Energiespeichers von der Antriebswelle des Verbrennungsmotors (VM) antreibbar ist.
  9. Antriebsstrang nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Startervorrichtung (1) antriebsseitig in einer Kupplungsglocke (4A) eines Getriebegehäuses (4) des Hybridfahrzeuges angeordnet ist.
  10. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher der Startervorrichtung (1) direkt oder indirekt mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors (VM) koppelbar ist.
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