DE4102882A1 - Antriebseinrichtung eines fahrzeuges - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung eines Fahrzeuges. Üblicherweise
kommt in einem Fahrzeug ein Antriebsstrang zur Anwendung, bestehend aus
einer Brennkraftmaschine mit Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe und dazwi
schen angeordneter Kupplung. Die Nebenaggregate wie Lüfter, Wasserpumpe,
Lichtmaschine, Kompressor etc. werden üblicherweise direkt vom Motor aus über
Zahn- oder Keilriemen angetrieben. Es ist aber auch schon bekannt, die Nebenag
gregate hydrostatisch anzutreiben.
Herkömmlichen Antriebssträngen wie vorerwähnt haftet der Nachteil einer ge
wissen Umweltbelastung aufgrund ihrer Schadstoffemission sowie in der Regel
eines zu hohen Kraftstoffverbrauches an. Verschiedentlich wurden auch schon
Bemühungen unternommen, diese Probleme mit Bremsenenergierückgewin
nungseinrichtungen und Hybridantrieben in den Griff zubekommen. Die bekann
ten Lösungen konnten bislang jedoch nicht voll befriedigen. So ist beispielsweise
in der DE-Fachzeitschrift "Garage + Transport, 9403 Goldach, Nr. 7/1988, Seiten
24 bis 26" ein Experimentalfahrzeug von VW offenbart, das einen Einwellen-
Hybridantrieb besitzt. Letzterer besteht aus einem Verbrennungsmotor und je
nachfolgend einer Kupplung, einer gleichzeitig als Schwungscheibe dienenden
sowie als Motor bzw. als Generator betreibbaren Elektromaschine, einer weite
ren Kupplung und einem herkömmlichen Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe.
Hierbei erfolgt die Stillegung der Brennkraftmaschine beim Fahrzeughalt. Ein An
fahren des Fahrzeugs erfolgt mit der motorisch betriebenen Elektromaschine ge
folgt von einer späteren Wiederanlassung des Verbrennungsmotors bei weiterer
Beschleunigung durch die Schließung der zwischen Verbrennungsmotor und
Elektromaschine gegebenen Kupplung. Falls nach dem Anfahren nur eine Wei
terfahrt mit geringer Geschwindigkeit bzw. geringem Leistungsbedarf notwen
dig ist, so wird dies ausschließlich mit der motorisch betriebenen Elektromaschine
realisiert, wobei während der Getriebeschaltungen die zweite zwischen Elektro
maschine und Getriebe gegebene Kupplung geöffnet wird. Dieser bekannte Hy
bridantrieb erweist sich jedoch aufgrund seiner Konfiguration insofern als nach
teilig, als die Elektromaschine im Antriebsstrag stets verlusterzeugend mitge
schleppt werden muß. Außerdem erschwert die als Teil der Elektromaschine fun
gierende Schwungscheibe aufgrund ihrer Trägheit die einzelnen Gangschaltun
gen. Darüber hinaus erscheint der gesamte Hybridantrieb als sehr aufwendige
und wegen der Linienanordnung der Aggregate sehr lang bauende Konstrukti
on, für die in vielen Einsatzfällen kein Einbauraum vorhanden ist.
Alternativ zu diesem Experimentalfahrzeug von VW ist von Audi ein anderes Ex
perimentalfahrzeug, der "Audi-Duo" bekannt geworden, bei dem der Verbren
nungsmotor mit Kupplung und herkömmlichem Klauen- bzw. Synchronschaltge
triebe auf die eine Achse des Fahrzeugs und eine Elektromaschine direkt auf die
andere Achse des Fahrzeugs wirkt. Auch diese Lösung hat verschiedene Nachteile.
Die elektromotorisch angetriebene Achse bewirkt bei abgeschaltetem Elektro
motor und Antrieb der anderen Achse über den Verbrennungsmotor ständig
Schleppverluste. Dadurch, daß beide Achsen Antriebsachsen sind und daher ge
triebetechnisch entsprechend ausgelegt werden müssen, ergibt sich ein erhöhter
Bauaufwand. Beim rein elektromotorischen Betrieb des Fahrzeugs ergibt sich auf
grund der Charakteristik des verwendeten Elektromotors eine relativ geringe
Zugkraft, die aus Sicht praktischer Einsatzfälle kaum befriedigen kann. Außer
dem ist keine Bremsenergierückgewinnung während des Brennkraftmaschinen
betriebes bei abgeschaltetem Elektromotor möglich. Schließlich ist auch keine
Wiederanlassung der z. B. bei einem Fahrzeughalt abgestellten Verbrennungsma
schine durch die Elektromaschine möglich.
Ein anderes Hybrid-Konzept wird bei der Lösung nach der DE-OS 23 45 018 ver
folgt. Der dortige Hybridantrieb eines Fahrzeuges, z. B. Oberleitungsbus, besteht
aus einem Wärmemotor und einem Elektromotor, die wahlweise oder gemein
sam über ein Getriebe auf einen Achsantriebsstrang wirken. Als Getriebe ist ein
Automatikgetriebe mit einem hydrokinetischen Wandler vorgesehen. Die beiden
Motoren sind mit dem Getriebe über eine spezielle Transmissionsvorrichtung
kuppelbar, die räumlich vor dem Getriebe angeordnet ist und aus einem mehr
oder weniger komplizierten Getriebezug mit Kupplung bzw. Bremseinrichtung
besteht. Der Einbau dieser Transmissionseinrichtung in den Bereich zwischen
Wärmekraftmaschine und Getriebe führt ersichtlicherweise zu einer relativ lan
gen Bauweise, für die nicht in jedem Fahrzeug Platz vorhanden ist. Außerdem ist
mit der besagten Transmission ein relativ hoher Getriebekonstruktionsaufwand
verbunden. Des weiteren sind Automatikgetriebe auch nicht für jeden Einsatzfall
geeignet, so daß diese Lösung in verschiedenen Fahrzeugen von vornherein aus
scheidet.
Die Nebenaggregate sind bei diesen Experimentalfahrzeugen offensichtlich in
üblicher Weise, also direkt mechanisch von der Brennkraftmaschine aus angetrie
ben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug zu
schaffen, die auf einem herkömmlichen Antriebsstrang der eingangs genannten
Art basierend mit geringstmöglichem Aufwand an Um- bzw. Ausbaumaßnahmen
einen vorteilhaften Anschluß und Betrieb der Nebenaggregate und einer etwai
ge vorhandenen Arbeitshydraulik sowie gegebenenfalls einer Elektromaschine
und/oder eines Energiespeicherschwungrades zum Erhalt eines Hybridantriebes
mit Bremsenergierückgewinnung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinrichtung mit der im
Anspruch 1 angegebenen Merkmalskombination gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. kombinatorische Weiterbildungen dieser
Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen, genügt es, einen herkömmlichen
Antriebsstrang mit Wärmekraftmaschine und Klauen- bzw. Synchronschaltgetrie
be und dazwischen angeordneter Kupplung zu verwenden und eine Transmission
vorzusehen, die mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden ist, aber schon
ohnehin getriebeintern vorhandene Getriebeglieder einschließt und nur durch
einfache, extern des Getriebes gegebene Teile - im Minimum ein Gehäuse mit
einer Achse und einem Zahnrad darauf - ergänzt werden muß. An diese externen
Transmissionsteile, vorzugsweise die besagte Achse, können dann problemlos
eine wenigstens eine Pumpe aufweisende Druckölfördereinrichtung, die Teil
einer hydrostatischen Antriebseinrichtung für die Nebenaggregate ist, und jeder
zeit auch eine Elektromaschine und/oder ein Energiespeicherschwungrad ange
schlossen werden. In letzterem Fall wäre somit auf einfache Weise ein Hybridan
trieb realisierbar, der einen alternativen oder gemeinsamen Antrieb des Fahr
zeugs, aber auch der Nebenaggregate und die Versorgung einer Arbeitshydraulik
mit Drucköl durch die Wärmekraftmaschine und die Elektromaschine sowie eine
Bremsenergierückgewinnung mittels letzterer oder des Energiespeicherschwung
rades ermöglicht. In Verbindung mit den zugehörigen Steuer- und Regelorganen
läßt sich somit ein bestens an die verschiedensten Fahrsituationen angepaßter
Fahrbetrieb realisieren. Ein solcher Hybridantrieb läßt zudem die verschiedensten
Ausbaustufen im Hinblick auf eine Teil- oder Vollautomatisierung des Fahrbetrie
bes zu. So ist es bei einer Teilautomatisierung denkbar, daß im Fahrzeug auf das
bisherige Kupplungspedal und die zugehörige Hebelage verzichtet werden kann
für den Fall, daß der Kupplung ein entsprechendes elektrohydraulisches bzw.
elektropneumatisches Schaltorgan zugeordnet wird, das den Befehlen einer
dann vorzusehenden Steuereinrichtung gehorcht. Ebenso kann in dieser und
einer weiteren Ausbaustufe auch auf den herkömmlichen Gangschalthebel und
die zugehörige Hebelage verzichtet werden. Die einzelnen Gänge des Getriebes
werden dann über elektrohydraulische oder elektropneumatische Stellorgane
geschaltet, deren Betätigung ebenfalls von der besagten Steuereinrichtung aus
gelöst wird. Anstelle des herkömmlichen Gangschalthebels kann dann ein einfa
ches Vorwahlorgan mit Stellungen für Vorwärtsbetrieb, Neutral und Rückwärts
betrieb verwendet werden. Auf diese Weise läßt sich mit verhältnismäßig einfa
chen Mitteln und geringem Kostenaufwand ein Fahrzeug mit Hybridantrieb
schaffen, das höchsten Anforderungen genügt. Im Stadtbetrieb oder in Zonen
mit hohem Fußgängeranteil läßt sich das Fahrzeug allein über den Elektromotor
betreiben, die Zuschaltung der Wärmekraftmaschine ist durch Anlassung dersel
ben über den Elektromotor jederzeit möglich. In weniger emissionsgefährdeten
Gebieten, z. B. auf Landstraßen und Autobahnen, ist das Fahrzeug allein mit der
Wärmekraftmaschine betreibbar. Bei Bremsungen kann die anfallende Brems
energie über die dann als Generator arbeitende Elektromaschine in elektrische,
in der Batterie abzuspeichernde Energie und/oder durch Antrieb des Schwungra
des, z. B. über eine schleifende Kupplung, in potentielle Speicherenergie umge
wandelt werden. Mit Vorteil läßt sich auch die Synchronisierung der Gänge im
Getriebe beim Schalten über die entsprechend im Plus-Minus-Verfahren dreh
zahlgeregelte Elektromaschine bewerkstelligen.
Aufgrund der einfachen Anschlußmöglichkeit einer oder mehrerer Pumpen am
externen Teil der Transmission sind dem Anwender hinsichtlich der weiteren Aus
gestaltung des hydrostatischen Antriebs für die Nebenaggregate praktisch keine
Grenzen gesetzt. Sowohl die Ausgestaltung des Systems als auch die Anordnung
der Nebenaggregate ist äußerst variabel möglich. Dies trifft in gleicher Weise für
den Fall zu, falls es sich bei dem Fahrzeug beispielsweise um ein Müllsammelfahr
zeug, einen Kipperlastwagen, einen Lastkraftwagen mit Hubplattform, ein Feuer
wehrfahrzeug mit ausfahrbarer Leiter usw., also ein Fahrzeug handelt, das eine
Arbeitshydraulik zum Heben, Senken, Pressen, Bewegen der betreffenden Ar
beitsgerätschaft aufweist. Die Arbeitshydraulik kann dann entweder über ein als
Nebenaggregat mechanisch wie die anderen Nebenaggregate von einem Hydro
statmotor her angetriebenes Pumpenaggregat oder aus der zum Hydrostatmotor
führenden Druckölzuleitung mit Druckmittel versorgt werden.
Im Fall des Hybridantriebes läßt sich die Antriebsenergie für den Antrieb der Ne
benaggregate und der Arbeitshydraulik auch allein von der Elektromaschine be
reitstellen, was erheblich zur Schadstoffausstoßminderung während des Zeitrau
mes der Betätigung der zugehörigen Arbeitsgerätschaft beiträgt.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus dem Inhalt der
nachfolgenden Beschreibung. Nachstehend ist die Erfindung anhand mehrerer in
Fig. 1 bis 8 der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläu
tert. In den Figuren sind des besseren Verständnisses wegen gleiche bzw. einan
der entsprechende Teile mit gleichem Bezugszeichen angezogen.
Die Antriebseinrichtung des Fahrzeuges basiert auf einem Antriebsstrang, der
eine Wärmekraftmaschine 1, ein Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe 2 und da
zwischen eine Kupplung KM umfaßt. Diese Antriebsstrangkomponenten sind
vorzugsweise unmittelbar ohne Zwischenschaltung weiterer Teile in Reihe zu
sammengebaut.
Bei der Wärmekraftmaschine 1 kann es sich um einen Diesel- oder Ottomotor,
einen Heißgas- oder Stirlingmotor, eine Gasturbine oder dergleichen handeln.
Das Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe 2 (nachfolgend nur Getriebe genannt)
hat den für eine solche Getriebeart üblichen Aufbau, der jedoch je nach Anzahl
der zu schaltenden Gänge unterschiedlich sein kann. Für Pkw′s beispielsweise
kommen regelmäßig Getriebe mit vier, fünf oder sechs Vorwärtsgängen und ei
nem Rückwärtsgang (dieser Fall ist in der Zeichnung dargestellt) zur Anwendung,
während bei Nutzfahrzeugen in der Regel Getriebe mit einer höheren Anzahl
von schaltbaren Gängen, auch solche mit Splitgangschaltungen zur Anwendung
kommen.
Die Kupplung KM ist einerseits mit der Welle 6 der Wärmekraftmaschine 1, ande
rerseits mit der Eingangswelle 7 des Getriebes 2 verbunden. Auf der in das Gehäu
se 8 des Getriebes 2 hineinführenden Eingangswelle 7 sitzt ein Ritzel 9, das vor
zugsweise der Übersetzung des höchsten schaltbaren Ganges (6. Gang) zugehört
und über eine schaltbare Synchronklauenkupplung 10 mit der zur Eingangswelle
7 axial fluchtenden Ausgangswelle 11 des Getriebes 2 in bzw. außer Wirkverbin
dung bringbar ist. Auf der Ausgangswelle 11 sind innerhalb des Gehäuses 8 je
weils frei drehbar die den Übersetzungen der restlichen Gänge (1. bis 5. Gang)
einschließlich eines Rückwärtsganges (R) zugehörigen Ritzel 12, 13, 14, 15, 16, 17
angeordnet, die ebenfalls über die Synchronklauenkupplung 10 bzw. weitere
schaltbare Synchronklauenkupplungen 18, 19, 20 in bzw. außer Wirkverbindung
mit der Ausgangswelle 11 bringbar sind. Jedes der Ritzel 9 und 12 bis 16, jenes
(17) für den Rückwärtsgang über ein weiteres Untersetzungsritzel 21, kämmt mit
einem die jeweilige Übersetzung im jeweiligen Gang festlegenden auf, einer
achsparallelen Nebenwelle 22 des Getriebes 2 sitzenden Ritzel 23 (mit 9), 24 (mit
12), 25 (mit 13), 26 (mit 14), 27 (mit 15), 28 (mit 16) und 29 (über 21 mit 17). An der
Ausgangswelle 11 des Getriebes 2 ist ein zur anzutreibenden Achse 34 des Fahr
zeugs führender Triebwellenstrang 35 angeschlossen.
Die Antriebseinrichtung umfaßt in Kombination mit dem vorerwähnten Antriebs
strang 1, KM, 2 eine mit der Eingangswelle 7 des Getriebes 2 verbundene Trans
mission, die einerseits getriebe (2)-intern ohnehin vorhandene Teile einschließt
und andererseits extern des Getriebes 2 gegebene Teile umfaßt.
Die besagte Transmission ist vorzugsweise durch das auf der Eingangswelle 7 sit
zende Ritzel 9 und das mit diesem kämmende, auf der Nebenwelle 22 sitzende
Ritzel 23 (getriebeinterne Teile) und des weiteren durch wenigstens ein weiteres,
außerhalb des Getriebes 2 in einem am Gehäuse 8 des letzteren angeflanschten
Gehäuses 30 auf einer darin gelagerten Achse 31 sitzendes Ritzel 32 gebildet. Falls
andere Übersetzungsverhältnisse notwendig sind, können anstelle des einzigen
Ritzels 32 auch zwei oder mehrere miteinander kämmende Ritzel, gegebenenfalls
auch einen Winkelabtrieb bildend, den externen Teil der Transmission bilden.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Kombinationsmerkmal ist am exter
nen Teil der besagten Transmission wenigstens eine Pumpe P bzw. P1, P2 einer
Druckölfördereinrichtung DFA, die Teile einer hydrostatischen bzw. hydrostatisch
mechanischen Antriebseinrichtung für Nebenaggregate NA und eine gegebe
nenfalls vorhandene Arbeitshydraulik AH ist, und gegebenenfalls eine Elektro
maschine 4 und/oder ein Energiespeicherschwungrad ESR angeschlossen.
Vorzugsweise ist die Pumpe P (siehe Fig. 1 bis 4) bzw. sind die Pumpen P1, P2 (sie
he Fig. 8) der Druckölfördereinrichtung DFA außerhalb des Gehäuses 30 am einen
Ende der Welle 31 angeschlossen. An deren anderem Ende kann dann (wie aus
Fig. 2, 3 und 4 ersichtlich) direkt, oder wie dargestellt über eine Triebwelle 33, die
Elektromaschine 4 und/oder (wie aus Fig. 2 ersichtlich) das Energiespeicher
schwungrad ESR angeschlossen werden.
Fig. 1 zeigt den einfachsten Fall der erfindungsgemäßen Lösung mit dem besag
ten Antriebsstrang 1, KM, 2, der Transmission 9, 23, 32, 31 und einem bedarfsopti
mierten Antrieb von Nebenaggregaten NA.
Bei diesen Nebenaggregaten NA handelt es sich - wie aus Fig. 5 ersichtlich - um
die Batterie B, den letztere speisenden Generator G, ein fahrzeuginternes Druck
luftsystem DS, den/die zur Versorgung des letzteren dienende(n) Druckluftvor
ratsbehälter DV, den letztere(n) speisenden Kompressor K, ein Kühleraggregat C,
den zugehörigen Lüfter L, eine im Kühlmittelkreislauf der Wärmekraftmaschine 1
wirkende Kühlmittel(Wasser)-Pumpe W, einen zu dessen Regelung dienenden
Thermostat Th. Falls nicht die Lösung gemäß Fig. 3 oder 4 angewandt wird, käme
als Teil der Nebenaggregate NA (wie aus Fig. 6 ersichtlich) auch eine Arbeitshy
draulik AH sowie die diese mit Drucköl versorgende(n) Pumpe(n) PAH in Frage.
Eine solche Arbeitshydraulik AH kommt zum Beispiel in einem Müllsammelfahr
zeug, Kipper-Lastkraftwagen, Lastkraftwagen mit Hubplattform oder anderen
Hubverladeeinrichtungen, Feuerwehrfahrzeug mit ausfahrbarer Leiter usw., also
einem Fahrzeug zur Anwendung, das diese Arbeitshydraulik AH mit zugehöri
gem Pumpenaggregat PAH für Heben, Senken, Pressen und dergleichen benötigt.
Ein weiteres Nebenaggregat kann ein Klimakompressor sein, sofern das Fahrzeug
über eine Klimaanlage verfügt.
Die Nebenaggregate NA sind (wie aus Fig. 5, 6, 7 ersichtlich) mechanisch von ei
nem einzigen Hydrostatmotor HM ausgehend antreibbar, und zwar jeweils ein
zeln oder gruppenweise über entsprechende mechanische Verbindungen bzw.
Transmissionen, welche z. B. durch Riementriebe 71, 72, 73, 74 (Fig. 5)
und 75 (Fig. 6), gegebenenfalls - wie dargestellt - unter Zwischenschaltung einer
Nebenwelle 76. Dabei sind zumindest einige der Nebenaggregate NA durch
schaltbare Kupplungen KA, KL in bzw. außer Wirkverbindung mit dem hydrostat
motorseitigen Antriebsstrang bringbar und abhängig von einer Regelung nach
Bedarf zu- und abschaltbar bzw. an- und abkoppelbar.
Der Hydrostatmotor HM wird von der hinsichtlich Förderdruck und/oder
-volumen regelbaren Druckölversorgungseinrichtung DFA mit einem durch
die/deren Pumpe(n) P bzw. P1, P2 aus einem Vorratstank 77 geförderten Drucköl
gespeist.
In den Fällen gemäß Fig. 1 bis 4 weist die Druckölfördereinrichtung DFA eine stu
fenlos verstellbare Pumpe P beispielsweise der Axialkolbenbauart auf, deren För
derstrom Q über eine Druckölzuleitung 78 dem Hydrostatmotor HM - diesen an
treibend - zugeführt wird und dann in eine ausgangs des letzteren angeschlosse
ne Druckölrücklaufleitung 79 gelangt. Dabei kann der Hydrostatmotor HM, um
kurzfristigen Überlastungen desselben bei extrem hohem Leistungsbedarf der
angetriebenen Nebenaggregate NA vorzubeugen, durch eine dessen eingangs
seitige Druckölzuleitung 78 und die ausgangsseitige Druckölrücklaufleitung 79
verbindende Bypaß-Leitung 80 mit Druckbegrenzungs- und/oder Kurzschlußven
til 81 überbrückt sein. Die Druckölrücklaufleitung 79 mündet an ihrem Ende über
einen Filter 82 gehend wieder in den Vorratstank 77 aus.
Anstelle der verstellbaren Pumpe P kann die Druckölfördereinrichtung DFA aber
auch (wie aus Fig. 8 ersichtlich) zwei Konstantpumpen P1, P2 aufweisen, deren
Förderströme Q1, Q2 hinsichtlich Druck und Volumen geregelt über Leitungswe
ge 78/1, 78/2, 78, 83, 84, 85 alternativ oder gemeinsam entweder über den Hy
drostatmotor HM - diesen dann antreibend - oder unter Umgehung des letzteren
- falls dieser nicht angetrieben werden soll - in die Druckölrücklaufleitung 79 ein
leitbar sind. Die beiden Konstantpumpen P1, P2 können auf eine unterschiedliche
Förderleistung Q1, Q2, z. B. Q1 = Q2/2 ausgelegt sein.
Grundsätzlich ist die Gesamt-Förderleistung Q = Q1+Q2 der beiden Konstant
pumpen P1, P2 ebenso wie die Maximalförderleistung der Pumpe P gemäß Fig. 1
bis 4 auf den gleichzeitigen durchschnittlichen Leistungsbedarf aller vom Hydro
statmotor HM anzutreibenden Nebenaggregate NA zuzüglich einer gewissen Lei
stungsreserve ausgelegt.
Die Förderströme Q1, Q2 der beiden Konstantpumpen P1, P2 werden über aus
gangs jeweils anschließende Druckleitungszweige 78/1, 78/2 mit eingebauten, nur
in Förderrichtung durchlässigen Rückschlagventilen 86, 87 und die anschließende
gemeinsame Druckölzuleitung 78 dem Hydrostatmotor HM und von diesem oder
über die jeweils vom strömungsmäßig vor einem Rückschlagventil 86, 87 gegebe
nen Teil eines Druckleitungszweiges 78/1, 78/2 abzweigenden Druckleitungszwei
ge 83, 84, die mittels zweier Magnetventile oder (wie in Fig. 8 dargestellt) eines
4/2-Wege-Magnetventiles 88 (Fig. 8), das vier Schaltstellungen einnehmen kann,
beide oder alternativ absperrbar sowie alternativ oder gemeinsam auf Durchlaß
schaltbar sind, der ausgangs des Hydrostatmotors HM anschließenden Drucköl-
Rückaufleitung 79 zugeführt. Wenn sich das 4/2-Wege-Magnetventil 88 in einer
Schaltstellung befindet, in der beide Druckleitungszweige 83, 84 durchgeschaltet
sind, dann erhält der Hydrostatmotor HM kein Drucköl zugeführt, die beiden För
derströme Q1 und Q2 werden unter Umgehung des letzteren direkt in die
Druckölrücklaufleitung 79 eingeleitet. Wenn dagegen das 4/2-Wege
Magnetventil 88 sich in einer Schaltstellung befindet, in der die Leitung 84 abge
sperrt, die Leitung 83 dagegen offen ist, dann wird nur der Förderstrom Q1 der
Konstantpumpe P1 direkt der Druckölrücklaufleitung 79 zugeführt, wohingegen
der Hydrostatmotor HM, um die Nebenaggregate NA des Fahrzeuges mit ent
sprechender Leistung antreiben zu können, mit dem Förderstrom Q2 der Kon
stantpumpe P2 gespeist wird, der dann ausgangs des Hydrostatmotors HM eben
falls in die Druckölrücklaufleitung 79 eingespeist wird. Wenn dagegen das
4/2-Wege-Magnetventil 88 sich in einer Schaltstellung befindet, in der die Leitung 83
abgesperrt, die Leitung 84 dagegen offen ist, dann wird nur der Förderstrom Q2
der Konstantpumpe P2 direkt der Druckölrücklaufleitung 79 zugeführt, wohinge
gen der Hydrostatmotor HM, um die Nebenaggregate NA des Fahrzeugs mit ent
sprechend niedrigerer Leistung antreiben zu können, nur mit dem Förderstrom
Q1 der Konstantpumpe P1 gespeist wird, der dann ausgangs des Hydrostatmotors
HM ebenfalls in die Druckölrücklaufleitung 79 eingespeist wird. Wenn dagegen
beide Druckleitungszweige 83, 84 durch das in entsprechende Schaltstellung ge
schaltete 4/2-Wege-Magnetventil 88 abgesperrt sind, dann werden beide Förder
ströme Q1, Q2 zusammen dem Hydrostatmotor HM für Antrieb der Nebenaggre
gate NA mit maximaler Leistung und dann ausgangs des letzteren der Drucköl
rückaufleitung 79 zugeführt.
Der vorbeschriebene Antrieb der Nebenaggregate NA eignet sich auch hervorra
gend zu einer günstigen Druckölversorgung der Servolenkung des Fahrzeuges,
wobei diese unter Verzicht auf eine bisher notwendige Lenkhilfepumpe durch
leitungsmäßige An- bzw. Einbindung von deren Organen in die ausgangs des Hy
drostatmotors HM gegebene Druckölrücklaufleitung 79 erfolgt. Dieser Fall ist im
Detail in Fig. 7 dagestellt und in Fig. 8 nur angedeutet. Dies bedeutet, unabhän
gig von der jeweiligen Ausgestaltung der Druckversorgungseinrichtung DFA er
halten die leitungsmäßig an der Druckölrücklaufleitung 79 an- bzw. in diese ein
gebundenen Organe 90 (Strombegrenzungsventil), 91 (Druckbegrenzungsventil),
Vi (lenkradseitig betätigbares Lenkventil), LB1 und LB2 (Lenkbegrenzungsventile)
der Servolenkung SL immer den Druckölförderstrom Q zu deren Betrieb zuge
führt. In Verbindung mit der Drossel 93 ist dabei durch das Strombegrenzungs
ventil 90 der Servolenkung SL der für die Lenkhilfe jeweils notwendige Druckmit
telstrom einstellbar, überschüssiges Drucköl wird über den Leitungszweig 92/8
zum Vorratstank 77 rückgeleitet. Mittels des Druckbegrenzungsventils 91 der
Servolenkung SL wird der für die jeweilige Lenkhilfe maximal zulässige Druck ein
gestellt, abgesteuertes Drucköl wird über den Leitungszweig 92/1 unter Durch
strömung des Ölfilters 82 zum Vorratstank 77 rückgeleitet. Mittels des Lenkven
tils VL der Servolenkung SL ist in je einer der beiden von der mittleren Kurzschluß
bzw. Umlaufstellung verschiedenen Schaltstellungen Drucköl aus der Leitung 92
über Leitungszweig 92/2 bzw. 92/3 je einem der beiden Druckräume 94 bzw. 95
des Arbeitszylinders 96 der Servolenkung SL zuführbar, während der andere der
beiden Druckräume 95 bzw. 94 über den jeweiligen Leitungszweig 92/3 bzw. 92/2
und den Leitungszweig 92/4 ausgangs des Lenkventils VL, der in den Leitungs
zweig 92/1 einmündet, entlastbar bzw. entladbar ist, so daß mittels des im Ar
beitszylinder 96 wirkenden, die Druckräume 94, 95 voneinander trennenden Kol
bens 97 über die daran angeschlossene Kolbenstange auf die Lenkung des Kraft
fahrzeuges hydraulisch unterstützend eingewirkt werden kann. Die beiden, ein
gangsseitig über je einen Leitungszweig 92/5 bzw. 92/6 an je einem der beiden
Leitungszweige 92/2 bzw. 92/3 und ausgangsseitig über einen gemeinsamen Ent
lastungsleitungszweig 92/7 angeschlossenen, je eine Absperrstellung und eine
Durchlaßstellung ermöglichenden Lenkbegrenzungsventile LB1 bzw. LB2 bewir
ken, wenn in Durchlaßstellung geschaltet, eine Entlastung des jeweils angeschlos
senen Leitungszweiges 92/2 bzw. 93/3 und damit eine Beendigung eines hydrauli
schen Lenkunterstützungsvorganges in der einen oder anderen Richtung.
Auf die vorbeschriebene Weise ist eine optimale Druckölversorgung der Servo
lenkung SL sichergestellt.
Um darüber hinaus auch einen bedarfsoptimierten Betrieb der Nebenaggregate
NA zu erzielen, ist eine entsprechende Lastzu- bzw. Lastabschaltung bzw. ein ge
regelter Betrieb oder eine An- und Abkopplung derselben vom hydrostatmotori
schen Triebstrang anzustreben.
So ist es beispielsweise (wie aus Fig. 5 bis 7 ersichtlich) möglich, im Antriebsstrang
71, 76, 72 des Lüfters Leine schaltbare Kupplung KL vorzusehen, mit der der Lüf
ter L nur bei entsprechendem Bedarf an den Antriebsstrang anschließbar, anson
sten jedoch von letzteren abgekoppelt ist. Die Kühlmittelpumpe W kann hinsicht
lich ihres Fördervolumens durch einen thermostatischen Regelkreis oder durch
mechanische Vorkehrungen im Antriebsstrang geregelt werden. Der Druckluft-
Kompressor K kann mittels eines Schaltventiles 98 durch Umschaltung des letzte
ren auf Ablaß in Atmosphäre mit Minimalförderleistung betrieben oder durch
Vorsehen einer schaltbaren Kupplung von seinem Antriebsstrang 71, 76, 74 ge
trennt werden. Ebenso kann der die Batterie B speisende Generator G über eine
Schalteinrichtung 99 abgeschaltet oder mittels einer schaltbaren Kupplung von
seinem Antriebsstrang 71, 76, 74 getrennt werden. Die Pumpe(n) PAH gemäß Fig.
6, 7 ist/sind durch schaltbare Kupplung(en) KA vom Antriebsstrang 71, 76, 75
trennbar bzw. nur bei Bedarf an diesem anschließbar oder es ist/sind die Saugsei
te(n) und Druckseite(n) derselben kurzschließbar. In gleicher Weise wäre auch ein
Klima-Kompressor (falls eine Klimaanlage vorhanden ist) zu- bzw. abschaltbar
bzw. an- und abkoppelbar.
Zur Regelung des dem Hydrostatmotor HM und gegebenenfalls der Servolen
kung SL zuführbaren Druckölstromes Q durch entsprechende Schaltung des Ma
gentventiles 88 bzw. anstelle dessen tretender Magnetventile sowie zur Erzielung
eines bedarfsoptimierten Betriebes der anzutreibenden Nebenaggregate NA ist
vorzugsweise eine elektronische Steuereinheit 100 vorgesehen, die einen Mikro
prozessor, Daten- und Programmspeicher sowie eine entsprechende Ein- und
Ausgabeperipherie aufweist und auf der Basis eingespeicherter Werte bzw.
Kennfelddaten anhand sensormäßig erfaßter und zugeführter Istwertdaten wie
np (Eingangsdrehzahl der Pumpenwelle = Drehzahl Achse 31), PQ1, PQ2 (Druck
der Volumenströme in Leitungszweigen 78/1,83 bzw. 78/2, 84), PS(Steuerdruck
Servolenkung SL), PQ (Gesamtdruck des Volumenstromes in Leitung 78), PE (Druck
des Volumenstromes in der Druckölrücklaufleitung 79), ABat (Ladungszustand
Batterie B), PL (Druck im Druckluftvorratsbehälter DV), TW (Temperatur im Kühl
mittelkreislauf der Wärmekraftmaschine 1), PA (Arbeitsdruck für Arbeitshydrau
lik AH) und dergleichen mehr (soweit notwendig für Regelung), die notwendigen
Regelmaßnahmen errechnet und entsprechende Regel- bzw. Schaltbefehle an die
angeschlossenen Organe bzw. Aggregate ausgibt. Dabei kann gegebenenfalls
durch eine Prioritätenregelung hinsichtlich der Notwendigkeit zu betreibender
Nebenaggregate NA ein schleppverlustarmer Antrieb derselben erreicht werden.
Anstelle der Druckölversorgung der Arbeitshydraulik AH durch Antrieb eines
Pumpenaggregates PAH mechanisch vom Hydrostatmotor HM aus (gemäß Fig.
6 und 7) kann auch eine in den Fig. 3 und 4 aufgezeigte Lösung verwendet sein.
Hierbei ist zur Druckölversorgung der Arbeitshydraulik AH des Fahrzeugs in die
von der Druckölversorgungseinrichtung DFA ausgehende und zum Hydrostatmo
tor HM führende Druckölzuleitung 78 ein 3/3-Wege-Magnetventil 101 eingebaut.
Dabei ist in dessen erster Schaltstellung nur die Druckölzuleitung 78 auf Durchlaß
geschaltet, während in dessen zweiter Schaltstellung die Druckölzuleitung 78 auf
Durchlaß geschaltet und ventilintern an letzter eine zur Arbeitshydraulik AH füh
rende Druckölzuleitung 102 angeschlossen ist, sowie in dessen dritter Schaltstel
lung die Druckölzuleitung 78 zum Hydrostatmotor HM hin abgesperrt und ventil
intern an der Druckölzuleitung 102 angeschlossen ist. In eine mit der Druckölrück
laufleitung 79 verbundene Druckölrückleitung 103 der Arbeitshydraulik AH ist
eine regelbare Drossel 104 eingebaut. Diese ist durch eine mit dem nach dem
3/3-Wege-Magnetventil 101 gegebenen Teil der Druckölzuleitung 78 verbundene
Bypaß-Leitung 105 mit zu letzterer hin durchlässigem Rückschlagventil 106 um
gehbar.
Ferner ist eine elektronische Steuereinrichtung 107 vorgesehen, die den Betrieb
der Arbeitshydraulik AH, die Schaltung des 3/3-Wege-Magnetventils 101 sowie
die Einstellung der Drossel 104 steuert und außerdem mit der Steuereinheit 100
für den Betrieb der Nebenaggregate NA in Kommunikationsverbindung steht.
Die Steuereinrichtung 107 arbeitet auf Befehle hin, die vom Fahrer oder einer Be
dienungsperson mittels eines Befehlsgebers 108 in sie eingeleitet werden. Es be
steht grundsätzlich die Möglichkeit, daß die Steuereinrichtung 107 auch Aufga
ben der Steuereinheit 100 übernimmt oder beide Steuer- und Regeleinheiten
100, 107 in einer einzigen elektronischen Steuereinheit zusammengefaßt sind,
die deren Regel- und Steuerfunktionen in sich vereinigt erfüllt.
Unabhängig von der Art des hydrostatischen Antriebs der Nebenaggregate NA,
der Druckölversorgungseinrichtung DFA und der Druckölversorgung einer Ar
beitshydraulik (soweit letztere vorhanden) kann der Antriebsstrang 1, KM, 2 in
Verbindung mit der Transmission 9, 23, 32, 31 auch zu einem Hybridantrieb mit
Bremsenergierückgewinnung ausgebaut werden. Dabei wird die als Motor oder
als Generator betreibbare Elektromaschine 4 mit ihrer Welle 5 direkt oder über
eine Triebwelle 33 mit dem Getriebe (2)-externen Teil der Transmission 9, 23, 32,
31 verbunden, insbesondere an der Achse 31 angeschlossen. Die Elektromaschi
ne 4 steht mit einer Batterie 3 in Verbindung, die in diesem Fall nicht Teil der Ne
benaggregate NA des Fahrzeuges ist, demzufolge auch nicht am Triebstrang des
Hydrostatmotors HM hängt. In den Triebstrang 33 zur Elektromaschine 4
und/oder dem anstelle letzterer bzw. zusätzlich hierzu vorhandenen Energiespei
cherschwungrad ESR ist eine schaltbare Kupplung KE und/oder ein torsionsdämp
fendes Glied und/oder eine momentenbegrenzende Kupplung eingebaut. Zwi
schen dem Energiespeicherschwungrad ESR (falls vorhanden) und der Elektroma
schine 4 ist ebenfalls eine schaltbare Kupplung KS eingebaut. Bei letzterer kann
es sich um eine hydrodynamische Kupplung mit einstellbarem Kraftübertra
gungsgrad handeln. Dies begünstigt die Verwendung des Energiespeicher
schwungrades ESR insofern, weil dieses bei oder nach einem Fahrzeugstop nach
Abschalten der Wärmekraftmaschine 1 durch die Elektromaschine 4 beschleunigt
werden kann und dann diese Energie zum Anwerfen der Wärmekraftmaschine 1
herangezogen werden kann.
Hierdurch ist ein Betrieb des Fahrzeugs alternativ oder gemeinsam durch Wärme
kraftmaschine 1 und Elektromaschine 4 möglich, gleiches gilt für den Antrieb der
Nebenaggregate NA und der Arbeitshydraulik AH.
Mit 37 ist eine Regeleinrichtung bezeichnet, die den Betrieb der Elektromaschi
ne 4 hinsichtlich Abschalten und Anlassen sowie Drehzahleinstellung für Motor
und Generatorbetrieb und insbesondere auch für eine Synchronisierung des Ge
triebes 2 während der Gangschaltung und aufgrund der vom Fahrer mit Fahrpe
dal und Bremspedal ausgelösten Vorgaben entsprechend regelt.
In Fig. 2 ist der Hybridantrieb in einer Ausbaustufe gezeigt, die im Vergleich zu
einem herkömmlichen Fahrzeug einen geringstmöglichen Umbauaufwand des
selben erfordert. Mit 38 ist ein Kupplungspedal bezeichnet, bei dessen Betäti
gung die Kupplung KM über ein Gestänge 39 betätigbar und von einem Sensor
40 über Leitung 57 der Regeleinrichtung 37 ein entsprechendes Signal zuführbar
ist. Mit 41 ist ein Fahrpedal bezeichnet, dessen Betätigung von einem Sensor 42
erfaßt und als elektrisches Signal über Leitung 43 einer vorzugsweise elektroni
schen Betriebsregeleinrichtung 44 der Wärmekraftmaschine 1 sowie über Leitung
45 der Regeleinrichtung 37 zugeführt wird. Mit 46 ist ein Bremspedal bezeichnet,
bei dessen von einem Sensor 47 erfaßter Betätigung ein entsprechendes Signal
über Leitung 48 der Betriebssteuereinrichtung 44 und über eine Leitung 49 der
Regeleinrichtung 37 zugeführt wird. Mit 50 ist der Gangschalthebel bezeichnet,
mit dem über ein Gestänge 51 die einzelnen Gänge des Getriebes 2 schaltbar sind.
Zur Erfassung jeder Gangschaltung ist dem Gangschalthebel 50 ein Schaltsignal
geber 54 zugeordnet, der die jeweilige Schalthebelbetätigung in ein repräsenta
tives elektrisches Signal umsetzt, welches über Leitung 55 der Regeleinrichtung
37 und über Leitung 56 der Betriebssteuereinrichtung 44 zugeführt wird. Mit 52
ist ein Betriebsartenwahlschalter bezeichnet, der drei Stellungen einnehmen
kann, nämlich M = Wärmekraftmaschinenbetrieb, ME = Wärmekraftmaschinen
und Elektromaschinenbetrieb, E = Elektromaschinenbetrieb, welche Einstellun
gen von einem Stellungsgeber 53 über Leitung 70 der Betriebssteuereinrichtung
44 und über Leitung 61 der Regeleinrichtung 37 signalisiert werden. Die Regel
einrichtung erhält außerdem Signale nM (= Wärmekraftmaschinendrehzahl), n1
(= Drehzahl Eingangswelle 7), n2 (= Drehzahl Ausgangswelle 11), nE (Dreh
zahl Elektromaschinenwelle 5), U (= Spannung Batterie 3), t (Gasungstempera
tur Batterie 3). Außerdem übernimmt die Regeleinrichtung 37 das Betätigen der
Kupplung KE und gegebenenfalls KS.
Aufgrund dieser Einrichtungen lassen sich folgende Betriebsweisen des Fahr
zeugs realisieren:
- 1. Betriebsartenwahlschalter 52 in Stellung M: Nur die Wärmekraftmaschine 1 sorgt für einen Vortrieb des Fahrzeugs, welche Betriebsart vorzugsweise au ßerhalb von Ortschaften, auf Landstraßen und Autobahnen bzw. in nicht bzw. weniger emissionsgefährdeten Gebieten anzuwenden ist. Die Elektro maschine 4 wird dabei, solang ein Laden der Batterie 3 erforderlich ist, über den Getriebezug 7, 9, 23, 32, 31, 33, als Generator betrieben, dann abgeschal tet und durch Öffnung der Kupplung KE von besagtem Antriebsstrang ge trennt.
- 2. Betriebsartenwahlschalter 52 in Stellung ME: Die Wärmekraftmaschine 1 und die als Motor betriebene Elektromaschine 4 sorgen gemeinsam für einen Vor trieb des Fahrzeugs, welche Betriebsart insbesondere zum Anfahren und Be schleunigen unter erschwerten Bedingungen, z. B. am Berg oder in schwieri gem Gelände, anzuwenden ist.
- 3. Betriebsartenwahlschalter 52 in Stellung E: Die als Motor betriebene Elektro maschine 4 sorgt allein für den Vortrieb des Fahrzeugs. Diese Betriebsart ist insbesondere in innerörtlichen, emissionsgefährdeten Bereichen anzuwen den.
In allen Stellungen des Betriebsartenwahlschalters 52 wird die Elektromaschine 4
außerdem bei jedem Schaltvorgang des Getriebes 2 von der Regeleinrichtung 37
im Plus/Minus-Verfahren derart drehzahlgeregelt, daß im Getriebe 2 eine Syn
chronisierung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle 7 bzw. 11 im Sinne kürzest
möglicher Gangwechsel erfolgt. Darüber hinaus wird unabhängig von der Stel
lung des Betriebsartenwahlschalters 52 beim Bremsen des Fahrzeuges die Elek
tromaschine 4 als Generator geschaltet betrieben und/oder das Energiespeicher
schwungrad ESR durch Schließen der Kupplung KS zugeschaltet, um die über das
Getriebe 2 und den Triebstrang 32, 31, 33 zugeführte Bremsenergie in Ladeener
gie für die Batterie 3 bzw. das Energiespeicherschwungrad ESR umzusetzen.
Der Fahrer hat mithin bei der Lösung gemäß Fig. 2 die volle Befehlsgewalt über
die jeweilige Betriebsart M, ME oder E. Diese Befehlsgewalt ist ihm auch bei der
Lösung gemäß Fig. 3 an die Hand gegeben, jedoch stellt diese Ausführungsvari
ante eine höhere Ausbaustufe für teilautomatisierten Betrieb des Hybridantrie
bes dar. In dieser Ausführungsform entfallen gegenüber der Lösung gemäß Fig. 2
das Kupplungspedal 38 samt zugehörigem Gestänge 39, Sensor 40 und Leitung 57
sowie der herkömmliche Schalthebel 50 samt zugehörigem Gestänge 51, Sensor
54 und Leitungen 55, 56. Der Ganghebel 50 ist ersetzt durch ein Vorwahlorgan
58, das vom Fahrer in die Stellungen V für Vorwärtsfahrt, N für Neutralstellung
und R für Rückwartsfahrt gebracht werden kann. Zur Betriebssteuerung des Fahr
zeugs ist in diesem Fall ein fahrzeuginterner Bordcomputer 59 vorgesehen, der
die Einrichtung 44 gemäß Fig. 2 ersetzt und den üblichen Aufbau mit Ein- und
Ausgabeeinheiten, Daten- und Programmspeichern sowie Microprozessor auf
weist. In den Datenspeichern des Bordcomputers 59 sind Kennfelddaten der Wär
mekraftmaschine 1 sowie Betriebsdaten der Elektromaschine 4 sowohl für Motor
als auch Generatorbetrieb eingespeichert. Dem Bordcomputer 59 werden eine
Reihe von Ist-Werten zur programmäßigen Verarbeitung zugeführt, von denen
nur die im vorliegenden Fall interessierenden näher dargestellt sind. Es sind dies
die Drehzahlen nM der Wärmekraftmaschinenwelle 6, die Drehzahl n1 der Getrie
beeingangswelle 7, die Drehzahl n2 der Getriebeausgangswelle 11, die Drehzahl
nE der Elektromaschinenwelle 5 und ein Rückmeldesignal von der Regeleinrich
tung 37. Aufgrund der programmäßigen Verarbeitung dieser Ist-Zustände im
Vergleich mit den eingespeicherten Daten werden vom Bordcomputer 59 ent
sprechende Signale an die angeschlossenen Aggregate ausgegeben, nämlich EP
für die Wärmekraftmaschinen-Steuerung, KM für die elektrohydraulische oder
elektropneumatische Betätigung der Kupplung KM, KE für die elektrische oder
elektro-pneumatische oder elektro-hydraulische Betätigung der Kupplung KE,
ferner Signale für die Schaltung der einzelnen Gänge des Getriebes 2 mittels elek
trohydraulischer oder elektropneumatischer Stellorgane, sowie für den Betrieb
der Regeleinrichtung 37, welch letztere in diesem Fall ausschließlich für die Dreh
zahlregelung der Elektromaschine 4 und/oder des Energiespeicherschwungrades
ESR sowie für den Lade- und Entladebetrieb der Batterie 3 und/oder des Energie
speicherschwungrades ESR dient. Der Bordcomputer 59 erhält außerdem vom
Sensor 42 die Betätigung und Stellung des Fahrpedals 41, vom Sensor 47 die Betä
tigung des Bremspedals 46, von einem Stellungsgeber 60 die Einstellung des Vor
wahlschalters 58 und vom Stellungsgeber 53 die Einstellung des Betriebsarten
wahlschalters 52 signalisiert.
Aus Sicht des Fahrers bedeutet die Lösung gemaß Fig. 3, daß für ihn das Schalten
der Kupplung KM und das Schalten der Gänge des Getriebes 2 hinfällig wird,
denn die Betätigung dieser Organe sowie der Kupplung KE und gegebenenfalls
KS wird vom Bordcomputer 59 aus gesteuert. Der Fahrer hat im Fall gemäß Fig. 3
lediglich die Fahrtrichtung mit dem Vorwahlschalter 52 vorzuwählen den Be
triebsartenwahlschalter 58 in entsprechende Stellung zu bringen und dann den
Fahrbetrieb über das Fahrpedal 41 und das Bremspedal 46 vorzusteuern. Die Re
gelung des Fahrbetriebes übernimmt der Bordcomputer 59 durch Ausgabe ent
sprechender Befehle an die Wärmekraftmaschine 1, die Elektromaschine 4 so
wohl für Motor- als auch Generatorbetrieb und gegebenenfalls das Energiespei
cherschwungrad ESR über die Regeleinrichtung 37, die Stellorgane der Kupplun
gen KE, KM und gegebenenfalls KS sowie die Stellorgane zur Schaltung der Gän
ge des Getriebes 2. Aufgrund der programmäßigen Steuerung durch den Bord
computer 59 ergibt sich ersichtlicherweise gegenüber der Lösung von Fig. 2 eine
wesentlich besser auf den Fahrbetrieb und dessen jeweilige Erfordernisse abge
stimmte Einflußnahme auf die einzelnen Komponenten des Hybridantriebes. Die
Funktionsweise der Wärmekraftmaschine 1 und/oder der Elektromaschine 4
und/oder des Energiespeicherschwungrades ESR in den einzelnen vorgewählten
Stellungen M, ME, E des Betriebsartenwahlschalters 52 ist in diesem Zusammen
hang gleich wie in Verbindung mit Fig. 2 bereits beschrieben.
Es besteht demgegenüber auch die Möglichkeit, in einer höchsten Ausbaustufe
gemäß Fig. 4 einen vollautomatisierten Betrieb des Fahrzeugs mit einem solchen
Hybridantriebssystem zu erreichen. Es entfällt dann auch die Vorwahlnotwendig
keit des Fahrers hinsichtlich der Betriebsarten M, EM, E und damit auch der dies
bezügliche Betriebsartenwahlschalter 52. Das Betriebsmanagement der Wärme
kraftmaschine 1 und der Elektromaschine 4 sowohl im Motor als auch im Genera
torbetrieb, des Energiespeicherschwungrades ESR (falls vorhanden), der Kupplun
gen KE, KM und gegebenenfalls KS sowie der Schaltung der Gänge des Getriebes
2 erfolgt vollautomatisch in bestmöglicher Abstimmung aufeinander durch den
Bordcomputer 59, der aufgrund dieses höchstmöglichen Automatisierungsgrades
mit einer größeren Anzahl von Daten und auch entsprechend anderen Rechen
progammen als jener gemäß Fig. 3 ausgestattet ist. Der Fahrer hat in diesem Fall
nur noch die Vorwahlmöglichkeit der Fahrtrichtung mittels des Vorwahlschalters
58 und eine Einflußnahmemöglichkeit auf den Fahrbetrieb über das Fahrpedal 41
und das Bremspedal 46, das weitere regelt der Bordcomputer 59 im Sinne eines
fahrsituationsspezifischen Wechselspiels zwischen Wärmemaschinenbetrieb
und/oder Elektromaschinenbetrieb, Getriebe- und Kupplungsschaltungen, Nutz
bremsung mit Bremsenergierückgewinnung, Maschinenabschaltung und -
Wiederanlassung (Wärmekraftmaschinenanwerfen über motorisch betriebene
Elektromaschine 4) sowie Ladung der Batterie 3 bzw. des Energiespeicher
schwungrades ESR auch im Wärmekraftmaschinenbetrieb mit im Ergebnis mini
malen Emissions- oder Verbrauchswerten seitens der Wärmekraftmaschine 1.
Aufgrund dieses extrem hohen Automatisierungsgrades ist es auch erforderlich,
daß der Bordcomputer 59 gemäß Fig. 4 mit einer größeren Anzahl unterschied
lichster Ist-Wert-Daten gespeist wird, die ihm einen besseren Rückschluß auf den
Betrieb der Wärmekraftmaschine 1 und den erforderlichen Leistungsbedarf am
Antriebsstrang des Fahrzeugs ermöglichen.
Aufgrund der ihm zugeführten Daten initiiert der Bordcomputer einen gemein
samen Betrieb der Wärmekraftmaschine 1 und der Elektromaschine 4 als Motor,
gegebenenfalls auch eine Entladung des Energiespeicherschwungrades ESR in
unteren Getriebegängen dann, wenn dies zum Anfahren und Beschleunigen oder
zur Langsamfahrt in schwierigem Gelände notwendig ist. Ein Wechsel auf alleini
gen motorischen Betrieb der Elektromaschine 4 ebenfalls in unteren Gängen des
Getriebes 2 wird bei Erreichen einer bestimmten unteren Fahrgeschwindigkeits
schwelle initiiert und bleibt bis zu einer bestimmten festgelegten oberen Ge
schwindigkeitsschwelle aufrecht erhalten. Dieser Geschwindigkeitsbereich ist ein
Indiz für einen Fahrbetrieb in innerörtlichen bzw. emissionsgefährdeten Berei
chen. Bei Überschreiten der besagten oberen Fahrgeschwindigkeitsschwelle wird
ein Wechsel in den ausschließlichen Betrieb der Wärmekraftmaschine 1 initiiert,
wobei das Anwerfen der Wärmekraftmaschine 1 über die Elektromaschine 4 er
folgt, welche nach erfolgter und als erfolgreich erkannter Anlassung abgeschal
tet wird. Das Abschalten der Elektromaschine 4 unterbleibt jedoch, wenn ein La
den der Batterie 3 notwendig ist. In diesem Fall wird die Elektromaschine als Ge
nerator geschaltet und von der Wärmekraftmaschine 1 her über die besagte
Transmission angetrieben. Der Betrieb der Elektromaschine 4 als Generator von
der Wärmekraftmaschine 1 her erfolgt grundsätzlich immer dann, wenn dem
Bordcomputer 59 ein Absinken der Batteriespannung unter einen zulässigen
Grenzwert signalisiert wird. Außerdem wird die Gasungstemperatur t der Batte
rie 3 als Regelungskriterium herangezogen. Ein Generatorbetrieb der Elektroma
schine 4 wird außerdem bei jedem Bremsvorgang oder dann ausgelöst, falls das
zusätzlich vorhandene Energiespeicherschwungrad ESR hinreichend geladen ist,
um die anfallende Bremsenergie in eine entsprechende Ladung der Batterie 3
umzusetzen. Zur Synchronisierung der Schaltung der einzelnen Gänge wird zu
nächst ein Öffnen der Kupplung KM initiiert, dann durch entsprechende Rege
lung der Elektromaschinen-Drehzahl Synchronität zwischen Eingangs- und Aus
gangswelle 7 bzw. 11 des Getriebes 2 hergestellt, dann bei Synchronität kurzzei
tig die Kupplung KE geöffnet bzw. die Elektromaschine 4 kurzzeitig abgeschal
tet. Auf diese Weise läßt sich eine Gangschaltung mit einer extrem kurzen Zug
kraftunterbrechung realisieren.
Mit besonderem Vorteil ermöglicht eine solche wie vorbeschriebene Hybridan
triebseinrichtung generell einen Betrieb der Arbeitshydraulik AH in vielen Fällen
ausschließlich durch Leistungsabgabe der Elektromaschine 4 bei entkuppelter,
ganz abgeschalteter oder nur im Leerlauf bzw. unteren Lastbereich betriebener
Wärmekraftmaschine 1. Die Wärmekraftmaschine 1 wird jedoch nur solang zur
Unterstützung der Elektromaschine 4 herangezogen, als dies für den Betrieb der
Arbeitshydraulik AH erforderlich ist. Rein statistisch gesehen ergibt sich somit je
denfalls eine erhebliche Reduzierung der Abgasemissionen gegenüber rein wär
mekraftmaschinenmäßig angetriebener Arbeitshydraulik AH.
Wie aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich, besteht über eine fahrzeugseitige und mit der
Batterie 3 verbundene Steckdose 62 die Möglichkeit, die Batterie 3 des Fahrzeugs
aus dem öffentlichen Stromnetz über eine geeignete Ladeeinrichtung aufzula
den, so daß auch nach einem längeren Fahrzeughalt bzw. einer längeren Abstell
pause die Batterie 3 einen für den anfänglichen Betrieb der Elektromaschine 4
ausreichenden Ladezustand hat.
Generell trägt eine solche Hybridantriebseinrichtung aufgrund des möglichen rei
nen Elektromaschinenbetriebes des Fahrzeuges in erheblichem Maße zur Redu
zierung der Umweltbelastung aufgrund entsprechender Kraftstoffverbrauchsre
duzierung und Schadstoffemissionsreduzierung der Wärmekraftmaschine 1 bei.
Claims (18)
1. Antriebseinrichtung eines Fahrzeuges, gekennzeichnet durch die Kombina
tion folgender Merkmale, nämlich
- a) eines herkömmlichen Antriebsstranges, umfassend eine Wärmekraftma schine (1) mit Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe (2) und dazwischen angeordneter Kupplung (KM), mit
- b) einer mit der Eingangswelle (7) des Getriebes (2) verbundenen Transmis sion (9, 23, 31, 32), die einerseits getriebeintern vorhandene Teile (9, 23) einschließt und andererseits extern des Getriebes (2) gegebene Teile (31, 32) umfaßt, wobei
- c) am externen Teil der Transmission (9, 23, 32, 31) wenigstens eine Pumpe (P; P1, P2) einer Druckölfördereinrichtung (DFA), die Teil einer hydrosta tischen Antriebseinrichtung für Nebenaggregate (NA) und eine gegebe nenfalls vorhandene Arbeitshydraulik (AH) ist, und gegebenenfalls eine Elektromaschine (4) und/oder ein Energiespeicherschwungrad (ESR) an geschlossen ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, wobei auf der Eingangswelle (7) des
Getriebes (2) ein vorzugsweise der Übersetzung des höchsten schaltbaren
Ganges zugehöriges Ritzel (9) sitzt, das über eine schaltbare Synchronklau
enkupplung (10) mit der zur Eingangswelle (7) axial fluchtenden Ausgangs
welle (11) des Getriebes (2) in bzw. außer Wirkverbindung bringbar ist, wo
bei auf der Ausgangswelle (11) jeweils frei drehbar die den Übersetzungen
der restlichen Gänge einschließlich des Rückwärtsganges zugehörigen Rit
zel (12, 13, 14, 15, 16, 17) angeordnet sind, die ebenfalls über schaltbare
Synchronklauenkupplungen (10, 18,19,20) in bzw. außer Wirkverbindung
mit der Ausgangswelle (11) bringbar sind, und wobei jedes der Ritzel (9, 12,
13, 14, 15, 16, 17), jenes (17) für den Rückwärtsgang (R) gegebenenfalls über
ein weiteres Untersetzungsritzel (21), mit einem die jeweilige Übersetzung
im jeweiligen Gang festlegenden, auf einer achsparallelen Nebenwelle (22)
des Getriebes (2) sitzenden Ritzel (23, 24, 25, 26, 27, 28, 29) kämmt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Transmission durch das auf der Eingangswelle (7)
sitzende Ritzel (9), das mit diesem kämmende, auf der Nebenwelle (22) sit
zende Ritzel (23) und wenigstens ein weiteres, außerhalb des Getriebes (2)
in einem angeflanschten Gehäuse (30) auf einer darin gelagerten Achse (31)
sitzendes Ritzel (32) gebildet ist, wobei außerhalb des Gehäuses (30) am
einen Ende der Achse (31) die Pumpe(n) (P; P1, P2) der Druckölfördereinrich
tung (DFA) und am anderen Ende der Achse (31) gegebenenfalls direkt oder
über eine Triebwelle (33) die Elektromaschine (4) und/oder das Energiespei
cherschwungrad (ESR) angeschlossen ist.
3. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die als Motor oder als Generator betreibbare, mit einer Batte
rie (3) verbundene Elektromaschine (4) - falls vorhanden - zusammen mit der
Wärmekraftmaschine (1) eine Hybridantriebseinheit bildet und alternativ
zur oder gemeinsam mit letzterer betreibbar ist, wobei die Elektromaschi
ne (4) zumindest in bestimmten Betriebsbereichen des Fahrbetriebes über
die Transmission (33, 31, 32, 23, 9) mit der Eingangswelle (7) des Getrie
bes (2) verbunden ist.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Zuordnung
einer Regeleinrichtung (37), welche letztere den Betrieb der Elektromaschi
ne (4) hinsichtlich Abschalten und Anlassen und Drehzahleinstellung für
Motor- und Generatorbetrieb sowie für Synchronisierung des Getriebes (2)
während der Gangschaltung und aufgrund der fahrerseitigen Vorgaben
hinsichtlich Fahrpedal- und Bremspedalbetätigung entsprechend regelt.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Antriebstrang (33) zur Elektromaschine (4) und/oder dem Energiespeicher
schwungrad (ESR) eine schaltbare Kupplung (KE) und/oder ein torsions
dämpfendes Glied und/oder eine momentenbegrenzende Kupplung einge
baut ist, und daß zwischen dem Energiespeicherschwungrad (ESR) - falls vor
handen - und der Elektromaschine (4) ebenfalls eine schaltbare Kupp
lung (KS) eingebaut ist.
6. Antriebseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 5, gekennzeichnet
durch die Zuordnung einer systemeigenen elektronischen Betriebssteuer
einrichtung (Bordcomputer bzw. Fahrzeugrechner 59), die den Betrieb der
Wärmekraftmaschine (1) und der Elektromaschine (4) - letztere über die Re
geleinrichtung (37) - sowie - falls vorhanden - des Energiespeicherschwung
rades (ESR) regelt, für teilautomatisierten Betrieb zumindest auch das Schal
ten der Kupplung (KM) und - soweit vorhanden - der Kupplungen (KE, KS),
für vollautomatischen Betrieb auch das Schalten der Gänge über elektro
pneumatische bzw. -hydraulische Schaltorgane steuert, per Programm
durch Vergleich von erfaßten Istwerten mit eingespeicherten Sollwer
ten/Kennfelddaten und auf Vorgaben des Fahrers durch Betätigung von
Fahrpedal (41), Bremspedal (46) sowie einer Einstellung anderer Wahlorga
ne hin.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Druckölfördereinrichtung (DFA) eine stufenlos verstellba
re Pumpe (P) beispielsweise der Axialkolbenbauart aufweist, deren Förder
strom (Q) über eine Druckölzuleitung (78) einem Hydrostatmotor (HM) - die
sen antreibend - zugeführt wird und dann in eine ausgangs des letzteren
angeschlossene Druckölrücklaufleitung (79) gelangt.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Druckölfördereinrichtung (DFA) zwei Konstantpumpen
(P1, P2) aufweist, deren Förderströme (Q1, Q2) hinsichtlich Druck und/oder
Volumen geregelt über Leitungswege (78, 78/1, 78/2, 83, 84) und Ventilein
richtungen (86,87,88) alternativ oder gemeinsam entweder über einen Hy
drostatmotor (HM) - diesen antreibend - oder unter Umgehung des Hydro
statmotors (HM) - falls dieser nicht angetrieben werden soll - in eine
Druckölrücklaufleitung (79) einleitbar sind.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Hydrostatmotor (HM) durch eine dessen eingangsseitige
Druckölzuleitung (78) und die ausgangsseitige Druckölrücklaufleitung (79)
verbindende Bypaß-Leitung (80) mit Druckbegrenzungs- und/oder Kurz
schlußventil (81) überbrückt ist.
10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß an der Triebwelle des Hydrostatmotors (HM) die einzeln oder
gruppenweise mechanisch von diesem anzutreibenden Nebenaggregate
(NA), wie Lüfter (L), Kompressor (K), Wasserpumpe (W) und dergleichen,
beispielsweise über Riementransmissionen, gegebenenfalls unter Zwischen
schaltung einer Nebenwelle (22), angeschlossen sind, daß zumindest einige
der Nebenaggregate (NA) durch schaltbare Kupplungen (KL, KA) in bzw. au
ßer Wirkverbindung mit dem Antriebsstrang bringbar sind, und daß die Ne
benaggregate (NA) gegebenenfalls abhängig von einer Regelung (100)
nach Bedarf zu- und abschaltbar bzw. an- und abkuppelbar sind.
11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß - unter Verzicht der Lenkhilfepumpe - die Druckölversorgung
der Servolenkung (SL) durch leitungsmäßige An-bzw. Einbindung von deren
Organen in die ausgangs des Hydrostatmotors (HM) gegebene Druckölrück
laufleitung (79) erfolgt.
12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Rege
lung des Druckölförderstromes (Q), die zusätzlich zur Drehzahloptimierung
der vom Hydrostatmotor (HM) angetriebenen Nebenaggregate (NA) und ge
gebenenfalls auch deren Zu- und Abschaltung eine Mindestölfördermenge
entsprechend der ersetzten, abgeregelten Lenkhilfepumpe bewirkt.
13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bei
den Konstantpumpen (P1, P2) gegebenenfalls auf eine unterschiedliche För
derleistung (Q1, Q2), z. B. Q1 = Q2/2, ausgelegt sind, jedoch deren Gesamt
förderleistung Q = Q1+Q2 grundsätzlich auf den gleichzeitigen durch
schnittlichen Leistungsbedarf aller vom Hydrostatmotor (HM) anzutreiben
den Nebenaggregate (NA) zuzüglich einer gewissen Leistungsreserve ausge
legt ist.
14. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Förderströme (Q1, Q2) der beiden Konstantpumpen (P1, P2) über ausgangs
seitige Druckleitungszweige (78/1, 78/2) mit nur in Förderrichtung durchläs
sigen Rückschlagventilen (86, 87) und eine anschließende gemeinsame
Druckölzuleitung (78) dem Hydrostatmotor (HM) und von diesem oder über
jeweils vom strömungsmäßig vor dem Rückschlagventil (86, 87) gegebenen
Teil eines Druckleitungszweiges (78/1, 78/2) abgehende Druckleitungszwei
ge (83, 84), die mittels eines Magnetventils (88) beide oder alternativ ab
sperrbar sowie alternativ oder gemeinsam auf Durchlaß schaltbar sind, der
ausgangs des Hydrostatmotors (HM) anschließenden Druckölrücklauflei
tung (79) zurührbar sind.
15. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Druckölversorgung einer Arbeitshydraulik (AH) des Fahr
zeugs in die zum Hydrostatmotor (HM) führende Druckölzuleitung (78) ein
3/3-Wege-Magnetventil (101) eingeschaltet ist, wobei in dessen erster
Schaltstellung nur die Druckölzuleitung (78) auf Durchlaß geschaltet ist, in
dessen zweiter Schaltstellung die Druckölzuleitung (78) auf Durchlaß ge
schaltet und an letztere ventilintern eine zur Arbeitshydraulik (AH) hinfüh
rende Druckölzuleitung (102) angeschlossen ist, und in dessen dritter Schalt
stellung die Druckölzuleitung (78) zum Hydrostatmotor (HM) hin abgesperrt
und ventilintern an der Druckölzuleitung (102) angeschlossen ist.
16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in die
mit der ausgangs des Hydrostatmotors (HM) abgehenden Druckölrücklauf
leitung (79) verbundene Druckölrückleitung (103) der Arbeitshydraulik (AH)
eine regelbare Drossel (104) eingebaut ist, die durch eine mit dem nach dem
3/3-Wege-Magnetventil (101) gegebenen Teil der Druckölzuleitung (78) ver
bundene Bypaß-Leitung (105) mit Rückschlagventil (106) umgehbar ist.
17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Steuer
einrichtung (107), die den Betrieb der Arbeitshydraulik (AH), die Schaltung
des 3/3-Wege-Magnetventils (101) sowie die Einstellung der Drossel (104)
steuert und außerdem mit der Regel- und Steuereinrichtung (100) für den
Betrieb der Nebenaggregate (NA) in Kommunikationsverbindung steht.
18. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des dem Hydrostatmo
tor (HM) zurückzuführenden Druckölstromes Q und eines bedarfsoptimier
ten Antriebes der Nebenaggregate (NA) sowie deren Zu- und Abschaltung
bzw. An- und Abkupplung und gegebenenfalls einer genügenden Drucköl
versorgung der Organe der Servolenkung (SL) eine elektronische Regel
und Steuereinrichtung (100) mit Mikroprozessor, Daten- und Programm
speichern sowie entsprechender Ein- und Ausgabeperipherie vorgesehen
ist.
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