Zur Analyse der Struktur von Vorgelegegetrieben wurde eine einfache grafische Form der Darstellung entwickelt, mit der sich anhand der Verschaltung der Getriebefreiheitsgrade die mit einem Radsatz erzielbare Gangzahl einfach ermitteln lässt. Die Suche nach einer Struktur, welche gleichzeitig die Funktion der elektrischen Zugkraftunterstützung und eine möglichst große Anzahl von Gängen für Verbrennungsmotor und Elektromotor bei geringer mechanischer Komplexität bietet, führte zur Entwicklung des Kombigetriebes". Diese Getriebestruktur verbindet Verbrennungsmotor und Rad über eine Kombination aus ein- und zweistufigem Getriebe. Der Elektromotor wird dabei hinter der ersten Stufe des zweistufigen Teils angebunden. Durch die Multiplikation von Übersetzungen im zweistufigen Teil ergibt sich bei geringem mechanischem Aufwand eine große Anzahl von Gängen. Der zusätzliche einstufige Teil wird genutzt, wenn der Leistungsfluss im zweistufigen Teil für Gangwechsel unterbrochen werden muss. Auf diese Weise bleibt bei jedem Schaltvorgang einer der beiden Motoren mit dem Rad verbunden, wodurch Phasen ohne Zugkraft vermieden werden. Aus der Struktur des "Kombigetriebes" wurde unter Beachtung von Randbedingungen hinsichtlich des Bauraums und der Verteilung der Massenträgheitsmomente ein Getrieberadsatz entwickelt, der mit nur drei Hauptwellen und vier Schaltelementen (Synchronisierungen) für den Front-Quer-Einbau geeignet ist und insgesamt acht Vorwärtsgänge und zwei Rückwärtsgänge für den Verbrennungsmotor sowie drei Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang für den Elektromotor bereitstellt. Aufgrund der Mehrfachverwendung verschiedener Verzahnungen innerhalb des Radsatzes ergeben sich Abhängigkeiten bei der Übersetzungswahl, die mit Hilfe eines speziell entwickelten Diagrammtyps visualisiert wurden. Dadurch konnten die mit dem Radsatz möglichen Varianten der Gangabstufung systematisch analysiert und bezüglich ihrer Vor- und Nachteile verglichen werden. Für die weitere Umsetzung wurde eine Variante ausgewählt, mit der sich für den Verbrennungsmotor sieben sauber abgestufte Vorwärtsgänge zuzüglich eines verlängerten 1. Gangs ergeben. Die ersten sechs Gänge sind dabei progressiv gestuft, der 7. Gang ist als Schongang unterdrehend ausgelegt. Eine ebenfalls mögliche Variante mit acht sauber gestuften Vorwärtsgängen für den Verbrennungsmotor wurde nicht umgesetzt, da sie eine ungünstige Abstufung der Elektromotor-Gänge zur Folge hat. Neben der elektrischen Zugkraftunterstützung können mit dem Radsatz auch alle Betriebsmodi eines Vollhybrid-Fahrzeugs wie Start/Stopp, Boosten, Rekuperation und rein elektrisches Fahren umgesetzt werden. Für das elektrische Fahren ist eine Höchstgeschwindigkeit von 70 km/h vorgesehen. Höhere Geschwindigkeiten sind möglich, erfordern aber einen Gangwechsel des Elektromotors, was bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor zwangsläufig eine unerwünschte Zugkraftunterbrechung zur Folge hat. Als Zusatzfunktion ist der Antrieb eines konventionellen Klimakompressors durch den Elektromotor möglich, so dass auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor eine Klimatisierung des Fahrzeugs möglich ist. Zur Simulation der zu erwartenden Fahrleistungen, des Kraftstoffverbrauchs und der Schaltabläufe wurde in der Softwareumgebung GT-DRIVE" ein vereinfachtes Modell des Europahybrid- Antriebsstrangs inklusive einer realitätsnahen Nachbildung des Getriebes aufgebaut. Da in mehreren Veröffentlichungen eine negative Fahrzeuglängsbeschleunigung während der Gangwechsel als Kernursache für die schlechte Subjektivbewertung des Schaltkomforts von ASGs genannt wird 13/ /19/ /307, wurde zunächst die Funktion der elektrischen Zugkraftunterstützung untersucht. Durch die Unterstützung mit einem Elektromotor von 47 kW Spitzenleistung konnte erreicht werden, dass im komfortrelevanten Bereich niedriger Geschwindigkeiten während aller Gangwechsel eine positive Beschleunigung erhalten bleibt. In der Simulation des NEFZ wurde für das Europahybrid-Fahrzeug mit "SGT"- Verbrennungsmotor und 7H-AMT eine Verbrauchsreduktion von 34,3% gegenüber dem konventionell angetriebenen Basisfahrzeug (Ford Focus ST) ermittelt und damit die Zielvorgabe des Projekts von 30% erreicht.
A new hybrid transmission has been developed within the scope of work of the project "Europa-Hybrid: Innovativer PKW-Hybrid antrieb für Europa" funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi). The transmission is based on automated manual transmission (AMT) technology and combines the low mechanical complexity and high efficiency of AMTs with electric torque support for all combustion engine gear shifts in order to significantly increase shift quality. Electric torque support is provided by the electric motor of the hybrid system, which is also used to deliver full hybrid functionality including all electric driving. As an additional feature, the electric motor can be used to drive a conventional air-conditioning compressor during phases in which the combustion engine is not running. The innovative transmission structure combines single- and dual-range architectures. The dual-range part is used to generate a maximum number of gear ratios with minimum mechanical complexity. The single-range part is active when gear changes take place in the dual-range part thus avoiding an interruption of the power flow to the wheels. Based on this structure, a transmission with three main shafts and only four shift actuators has been developed for transverse installation. The layout provides eight forward ratios and two reverse ratios for the combustion engine as well as three forward ratios and one reverse ratio for the electric motor. The transmission prototype has been designed for a demonstrator vehicle based on a Ford Focus ST and will be mated to a 1.8 litre prototype combustion engine with 160 kW of power and 320 Nm of torque. With a dry mass of 59 kg and an installation length of just 356 mm, the transmission is on par with 6-speed manual transmissions of the same torque range despite its higher number of gear ratios. To actuate the shift forks and single dry clutch, an on-demand electro-hydraulic system is used. In order to analyze gear changes and to predict performance and fuel consumption of the demonstrator vehicle, a simulation model has been set up using the software "GT-DRIVE". Especially in the relevant low speed area, negative vehicle acceleration during gear changes can be effectively avoided by support from the electric motor with its peak power of 70 kW. Compared to the Ford Focus ST reference vehicle with 6-speed manual transmission, the hybrid powertrain is expected to reduce NEDC fuel consumption by 34.3%. The prototype hardware of the transmission has successfully completed bench testing. Mechanical efficiency is comparable to a state-of the-art 7-speed dry DCT and to different 6-speed manual transmissions previously measured at FEV. After the load tests showed no signs of unusual wear, the transmission was installed into the demonstrator vehicle. As of June 2010, the vehicle testing is about to begin.
Entwicklung eines automatisierten Schaltgetriebes mit elektrischer Zugkraftunterstützung und voller Hybridfunktionalität
2011
127 Seiten, 90 Bilder, 15 Tabellen, 59 Quellen
Theses
German
mechanisches Schaltgetriebe , automatisches Getriebe , Hybridantrieb , Schaltvorgang , Radsatz , Hauptwelle , Schaltelement , Synchronisierung , Achtganggetriebe , Getriebeübersetzung , Elektromotor , Verbrennungsmotor , Zugkraftunterbrechung , Optimierungsverfahren , mathematische Modellierung , Simulation , Software
ÖLVERSORGUNG EINES AUTOMATGETRIEBES ODER AUTOMATISIERTEN SCHALTGETRIEBES, IN EINEM ANTRIEBSSTRANG
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