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Title:
DRIVE SYSTEM, ELECTRICAL MACHINE SUITABLE FOR USE IN SUCH A DRIVE SYSTEM AND METHOD OF OPERATING AN ELECTRICAL MACHINE IN THE DRIVE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/008440
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a drive system with a drive engine (1), in particular a vehicle internal-combustion engine, and a drive train (27); an electrical machine (26) which can generate a braking and/or driving torque acting on the engine (1) and/or the drive train (27) and/or forms a clutch in the drive train (27); and a control unit which controls the electrical machine in such a way that it reduces fluctuations in torque and/or rpm in the drive train. The invention also concerns the use of an electrical machine (26) in a drive system of this kind. In addition, the invention concerns a method of operating an electrical machine (26) of this kind in a drive system, the change in torque and/or rpm with time in the drive train being controlled, in particular smoothed, in the following stages: a) the torque and/or rpm in the drive train (27), and/or a parameter derived from these parameters, is measured (stage A); b) any torque and/or rpm fluctuations are determined (stage B); c) the electrical machine (26) is controlled so that it reduces the torque and/or rpm fluctuations (stage C).

Inventors:
MASBERG ULLRICH (DE)
PELS THOMAS (DE)
ZEYEN KLAUS-PETER (DE)
GRUENDL ANDREAS (DE)
HOFFMANN BERNHARD (DE)
Application Number:
PCT/DE1996/001664
Publication Date:
March 06, 1997
Filing Date:
August 31, 1996
Export Citation:
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Assignee:
CLOUTH GUMMIWERKE AG (DE)
GRUENDL & HOFFMANN (DE)
MASBERG ULLRICH (DE)
PELS THOMAS (DE)
ZEYEN KLAUS PETER (DE)
GRUENDL ANDREAS (DE)
HOFFMANN BERNHARD (DE)
International Classes:
B60K6/28; B60K6/38; B60K6/387; B60K6/44; B60K6/448; B60K6/48; B60K28/16; B60L7/28; B60L50/15; B60L50/16; B60T1/10; B60W10/06; B60W10/08; B60W10/10; B60W10/18; B60W20/00; B60W30/20; F02B67/04; F02B75/06; F02D17/02; F02D29/02; F02D29/06; F02D41/14; F02D41/36; F02N11/04; F02N11/08; F16F15/129; F16F15/18; H02K7/108; H02K51/00; H02P7/00; H02P29/00; B60K17/22; F16H61/04; (IPC1-7): F02B75/06; H02P7/00
Domestic Patent References:
WO1995002758A11995-01-26
Foreign References:
EP0354790A21990-02-14
DE4423577A11995-08-31
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 335 (M - 856) 27 July 1989 (1989-07-27)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 484 (M - 886) 2 November 1989 (1989-11-02)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Antriebεεyεtem mit wenigεtenε einem Antriebsmotor (1) , insbesondere einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, und einem Antriebsstrang (27) ; wenigstens einer elektrischen Maschine (26) , die den Antriebsmotor (1) und/oder Antriebsstrang (27) mit einem bremsenden und/oder antreibenden Drehmoment beaufschlagen kann und/oder eine Kupp lung im Antriebsεtrang (27) bildet; und wenigεtenε einer Steuerung/Regelung, welche die elektrische Maschine (26) derart steuert/regelt, daß sie antriebsεtrangεeitige Drehmoment und/ oder Drehzahlschwankungen vermindert.
2. Antriebεεystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung/ Regelung derart auεgelegt ist, daß sie bei bzw. nach Lastwechsel, insbesondere durch Torsionen im Antriebs¬ strang (27) , auftretene Schwankungen und/oder Schwingungen des Antriebεdrehmoments und/oder der Antriebsdrehzahl vermindert.
3. Antriebsεyεtem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung/Regelung derart ausgelegt ist, daß sie über wenigstens ein Antriebsrad (7; 8; ll; 12) in den An¬ triebsstrang (27) eingeleitete Drehmoment und/oder Drehzahlschwankungen vermindert.
4. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Steuerung/Regelung derart ausgelegt ist, daß sie zur Verminderung der Drehmoment und/oder Drehzahlschwankungen die bremsend und/oder antreibend wirkende elektriεche Maεchine (26) veranlaßt, mit diesen Schwankungen korrelierte, insbeεondere entge¬ gengerichtete oder gleichgerichtete, Drehmomente in den Antriebsstrang (27) einzuleiten.
5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die Steuerung/Regelung derart ausgelegt ist, daß sie zur Verminderung der Drehmoment und/oder Drehzahlschwankungen die als Kupplung wirkende elek trische Maschine (26) veranlaßt, mit diesen Schwankun¬ gen korrelierte Kupplungεschlupfwerte bereitzustellen.
6. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die Steuerung/Regelung mit einem Senεor, insbesondere einer Drehmomentmeßnabe, verknüpft ist, die ein antriebsεtrangεeitiges Drehmoment erfassen kann.
7. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Steuerung/Regelung mit einem Sensor verknüpft ist, der eine Drehzahl des Antriebsstranges (27) erfassen kann.
8. Antriebssyεtem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei das Dämpfungsmaß der dämpfend wirkenden elektriεchen Maschine (26) steuerbar/regelbar ist, insbesondere um bei einem Lastwechsel oder einer son¬ stigen Änderung des antriebsstrangεεeitigen Drehmo¬ ments und/oder der Drehzahl einen schnellen Übergang von einem zu einem anderen Drehmoment bzw. Drehzahl¬ niveau ohne, mit höchstens einem oder wenigen Über¬ schwinger(n) im zeitlichen Drehmoment bzw. Drehzahl Verlauf bei zugleich geringer zeitlichmittlerer Be¬ dämpfung zu erzielen.
9. Antriebsεyεtem nach einem der vorhergehenden Anεprü¬ che, wobei die elektriεche Maschine (26) im Anfangsbe reich, mittleren Bereich oder Endbereich des Antriebs εtrangeε (27) , insbesondere im Bereich des wenigstens einen Antriebsradeε (7; 8; 11; 12) , angeordnet ist.
10. Verwendung einer elektrischen Maschine (26) in einem Antriebsεyεtem nach einem der Anεprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Maschine (26) einen Antriebsmotor (1) und/oder Antriebsεtrang (27) mit einem bremεenden und/oder antreibenden Drehmoment beaufεchlagen und/ oder eine Kupplung im Antriebεstrang (27) bilden kann.
11. Verfahren zum Vermindern von antriebsstrangseitigen Drehmoment und/oder Drehzahlschwankungen in einem Antriebssyεtem, inεbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der antriebsεtrangsseitige, zeitliche Drehmoment und/oder DrehzahlVerlauf gesteuert/gere¬ gelt durch die elektrische Maεchine (26) , inεbesondere glättend, beeinflußt wird, mit folgenden Schritten: a) Erfassen des antriebsstrangseitigen Drehmoments und/oder einer Drehzahl des Antriebεstranges (27) und/oder einer aus dieεen Größen abgeleiteten Größe (Schritt A) ; b) Ermitteln der Drehmoment und/oder Drehzahl εchwankungen (Schritt B) ; c) Anεteuern der elektriεchen Maschine (26) , so daß diese die Drehmoment und/oder Drehzahlschwankun gen vermindert, insbeεondere durch Ausüben eines Drehmoments auf den Antriebs¬ εtrang (27) der bremεend und/oder antreibend wirkenden elektrischen Maschine (26) und/ oder Verändern eines Kupplungsschlupfes der als Kupplung wirkenden elektrischen Maschine (26) (Schritt C) .
Description:
Antriebssystem/ elektrische Maschine zur Verwendung in einem Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Antriebssystem

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem An¬ triebsmotor, insbesondere einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, und einem Antriebsstrang. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine zur Verwendung in einem derartigen Antriebssystem. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Maschine in einem solchen Antriebssystem.

In Kraftfahrzeugen treten im Antriebsstrang - dazu zählen insbesondere Antriebs-, Getriebe-, Gelenk-, Achswellen und z.T. auch Kurbelwellen - verschiedene Drehmomentschwankun¬ gen auf. Derartige Drehmomentschwankungen treten auf bei Überlagerung des von einem Antriebsmotor des Kraftfahrzeu- ges abgegebenen Drehmoments mit einem weiteren Drehmoment. Dieses weitere Drehmoment entsteht durch das Antriebssystem des Kraftfahrzeuges selbst und/oder gelangt von außerhalb in das Antriebssystem. Demgemäß ergibt sich ein resultie¬ rendes Drehmoment im Antriebsstrang, welches häufig sog. antriebsstrangseitigen Drehmomentschwankungen unterliegt. Ein Beispiel für ein durch das Antriebssystem selbst ent¬ stehendes Drehmoment sind Lastwechselschwingungen (periodi-

sehe Schwankungen des Drehmoments aufgrund eines Lastwech¬ sels) ; ein Beispiel für von außerhalb in das Antriebssystem gelangende Drehmomente sind Drehmomente, die durch Einwir¬ kungen auf ein Antriebsrad in das Antriebssystem gelangen, z.B. wenn das Fahrzeug über eine Fahrbahnunebenheit fährt.

Unter Schwankung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Abweichung von einem mittleren Wert verstanden. Dar¬ unter fallen sowohl periodische als auch nichtperiodische, insbesondere einmalige, Abweichungen.

Im allgemeinen führen Drehmomentschwankungen auch zu Dreh¬ zahlschwankungen. Sowohl die Drehmomentschwankungen als auch die Drehzahlschwankungen beeinträchtigen das Kraft- fahrzeug sowie sein Fahrverhalten in verschiedenster Weise. Insbesondere verursachen diese Schwankungen eine Beein¬ trächtigung der Fahrsicherheit, des Fahrkomforts und des Verschleißes von Bauteilen bzw. erfordern aufgrund der erhöhten Verschleißanfälligkeit von schwankend beanspruch- ten Bauteilen eine größere Dimenεionierung dieser Bauteile.

Im einzelnen erfolgt die Beeinträchtigung der Fahrsicher¬ heit dadurch, daß Drehzahlschwankungen im Antriebsstrang zu Geschwindigkeitsschwankungen des Fahrzeugs führen. Diese Geschwindigkeitsschwankungen führen zum "Ruckein" (Längs¬ beschleunigungen und -Verzögerungen) des Fahrzeugs. Dreh¬ momentschwankungen können zum Nicken des Fahrzeugs um seine Querachse führen. Beide Erscheinungen können die Spurstabi¬ lität des Fahrzeuges infolge der mit den Schwankungen ein- hergehenden Kräfte und Momente beeinträchtigen. Insbesonde¬ re können diese Erscheinungen, und zwar vor allem die Ge¬ schwindigkeitsschwankungen zum Schlupf zwischen Antriebs¬ rädern und Fahrbahn (Antriebsschlupf) führen und damit eine sichere Spurführung verhindern.

Viele Fahrer neigen dazu, beim Durchfahren von Kurven "den Fuß vom Gas zu nehmen", also die Treibstoffzufuhr zu dros-

sein bzw. zu unterbinden; der Fahrer glaubt, durch Ge¬ schwindigkeitreduktion sicherer die Kurve durchfahren zu können. Ein derartiger Lastwechsel führt jedoch häufig ebenfalls zu Antriebsschlupf. Dabei kann die Spurführung verloren gehen, wobei das Fahrzeug tangential aus der Kurve getragen wird. Der Fahrer hat also durch Drosseln bzw. Unterbrechen der Treibstoffzufuhr - statt sein Fahrzeug in einen sichereren Zustand zu bringen - eine gefährliche Situation geschaffen.

Die meisten Fahrzeuginsassen empfinden die Erscheinungen "Ruckein", "Wackeln" und "Nicken" des Fahrzeuges störend und daher als Beeinträchtigung des Fahrkomforts.

Die dauernde Beanspruchung von Bauteilen mit wechselnden Kräften bzw. Drehmomenten führt zu vorzeitiger Material¬ ermüdung, z.B. zum Dauerbruch. Dies ist nachteilig, da durch vorzeitigen Verschleiß nicht nur höhere Reparaturko¬ sten entstehen, sondern auch die gesamte Fahrzeugzuverläs- sigkeit leidet. Darüberhinaus ist ein Ausfall von Bauteilen im Antriebsbereich und Antriebsstrang - wegen des damit regelmäßig verbundenen Ausfalls des gesamten Antriebs - ein Sicherheitsrisiko, insbesondere in kritischen Fahrsituatio- nen, z.B. beim Überholen oder Einfahren auf eine stark befahrene Kreuzung.

Schließlich erfordert der mit derartigen Drehmomentschwan¬ kungen einhergehende Verschleiß eine größere Dimensionie¬ rung verschiedener Bauteile im Antriebssystem bzw. An- triebsstrang. Dies verteuert nicht nur das Kraftfahrzeug, sondern erhöht auch sein Gewicht. - Eine Gewichtserhöhung ist zudem wegen höheren TreibstoffVerbrauchs nachteilig.

Im Stand der Technik ist es bekannt, Lastwechselschwingun- gen durch derartige Steuerung des Verbrennungsmotors ent¬ gegenzuwirken, daß der Übergang bei Lastwechsel (der Über¬ gang von einem Drehmomentniveau auf ein anderes) weicher

wird. Da die Steuerung des Verbrennungsmotors jedoch rela¬ tiv ungenau und träge, sowie die Höhe der Momente des Ver¬ brennungsmotors begrenzt und daher häufig nicht ausreichend ist, ist diese Methode der Verminderung von Drehmoment¬ schwankungen mittels Verbrennungsmotorsteuerung nur bedingt tauglich.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Antriebs¬ system zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel erreicht die Erfindung durch den Gegenstand gemäß Anspruch l. Danach umfaßt das erfindungsgemaße An¬ triebssystem wenigstens einen Antriebsmotor, insbesondere einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, und einen Antriebsstrang; wenigstens eine elektrische Maschine, die den Antriebsmotor und/oder Antriebsstrang mit einem brem¬ senden und/oder antreibenden Drehmoment beaufschlagen kann, und/oder eine Kupplung im Antriebsstrang bildet; und wenig¬ stens eine Steuerung/Regelung, welche die elektrische Ma- schine derart steuert/regelt, daß sie antriebsstrangseitige Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen vermindert.

Ferner erreicht die Erfindung das Ziel durch die Verwendung einer elektrische Maschine in einem derartigen Antriebs- system, wobei die elektrische Maschine einen Antriebsmotor und/oder Antriebsstrang mit einem bremsenden und/oder an¬ treibenden Drehmoment beaufschlagen und/oder eine Kupplung im Antriebsstrang bilden kann (Anspruch 10) .

Schließlich erreicht die Erfindung das Ziel auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektrischen Ma¬ schine in einem derartigen Antriebssystem, wobei der an¬ triebsstrangseitige, zeitliche Drehmoment-Verlauf gesteu¬ ert/geregelt durch die Maschine, insbesondere glättend, beeinflußt wird, mit folgenden Schritten: Erfassen des antriebsstrangseitigen Drehmoments und/oder einer Drehzahl des Antriebsstranges und/oder einer aus diesen Größen abge-

leiteten Größe; Ermitteln der Drehmoment- und/oder Dreh¬ zahlschwankungen; Ansteuern der elektrischen Maschine, so daß diese die Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen vermindert, insbesondere durch Ausüben eines Drehmoments auf den Antriebsstrang der bremsend und/oder antreibend wirkenden elektrischen Maschine und/oder Verändern eines Kupplungsschlupfes der als Kupplung wirkenden elektrischen Maschine (Anspruch 11) .

Grundsätzlich kommt für die Erfindung jegliche Art elek¬ trischer Maschinen - z.B. Gleichstrom-, Wechselstrom-, Drehstromasynchron-, Drehstromsynchron- oder Linearmaschi¬ nen - in Betracht, die ein geeignetes Drehmoment aufbringen können. Besonders günstig ist eine Drehfeldmaschine in Asynchron- oder Synchronbauweise, deren Rotor ein Kurz¬ schlußläufer oder ein Rotor mit ausgeprägten Magnetpolen ist. Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine insbesondere kommutatorlose Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auf- tritt, das vorzugsweise 360° überstreicht. Der Kurzschlu߬ läufer bei der Asynchronmaschine kann z.B. ein hohler Kä¬ figläufer mit Käfigstäben in Axialrichtung sein. Bei ande¬ ren Ausgestaltungen weist der Läufer Wicklungen auf, die über Schleifringe extern kurzgeschlossen werden können. Die ausgeprägten Magnetpole des Rotors bei der Synchronmaschine erreicht man z.B. durch Permanentmagnete oder bevorzugt durch Elektromagnete, die z.B. über Schleifringe mit Erre¬ gerstrom gespeist werden können.

Die elektrische Maschine kann also grundsätzlich jede Art von Maschine für Rotationsbewegungen sein. Insbesondere kann sie als elektrischer Motor und/oder Generator betrie¬ ben werden.

Ein Wechselrichter kann die für die magnetischen Felder benötigten Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewis-

ser Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugen.

Die elektrische Maschine kann insbesondere auf zwei unter- schiedliche Weisen eingebaut sein und damit unterschiedlich wirken:

1. Einerseits kann die elektrische Maschine mit ihrem Stator drehfest mit einem nicht drehbaren Teil ver- bunden sein, z.B. mit dem Motorgehäuse, dem Getriebe¬ gehäuse oder dem Chassis. Der Rotor der elektrischen Maschine ist entweder mit dem Antriebsstrang verbunden bzw. Teil des Antriebsstranges oder ist direkt mit der Kurbelwelle verbunden bzw. Teil des Antriebsmotors.

2. Andererseits kann die elektrische Maschine als Kupp¬ lung wirken, indem der Antriebsstrang, z.B. die Trieb¬ welle, oder auch die Kurbelwelle durch die Maschine unterbrochen wird. Durch die Unterbrechung entstehen zwei Abschnitte im Antriebsεtrang, wobei der eine

Abschnitt mit dem Rotor und der andere Abschnitt mit dem Stator verbunden ist. Erzeugt die elektrische Maschine ein geeignetes Drehmoment erhält man eine quasi starre Kopplung beider Wellenabschnitte. Eine zusätzliche, mechanische Kopplung erreicht eine mecha¬ nische Verriegelung dieser Verbindung. Erzeugt die elektrische Maschine ein anderes, insbesondere ein vom Antriebsmotordrehmoment abweichendes Drehmoment, stellt sich sog. "Kupplungsschlupf" ein, d.h. beide Wellenabschnitte laufen mit unterschiedlicher Drehzahl weiter. - Die Stromversorgung der Statorwicklung er¬ folgt bei dieser Alternative bevorzugt über Schleif¬ ringe.

Diese beiden unterschiedlichen Einbauweisen der elektri¬ schen Maschine werden nachfolgend begrifflich voneinander unterschieden. Die erste Einbauweise wird als "elektrische

Maschine mit feststehendem Stator", die zweite als "elek¬ trische Maschine mit Kupplungsfunktion" bezeichnet.

Die Variante elektrische Maschine mit feststehendem Stator kann ein bremsendes oder antreibendes Drehmoment auf den Antriebstrang, z.B. die Antriebswelle, oder den An¬ triebsmotor, z.B. die Kurbelwelle, aufbringen, ohne daß die Verbindung zwischen Antriebsmotor und Antriebsrädern von der elektrischen Maschine zu unterbrechen wäre. Die elek- trische Maschine mit feststehendem Stator addiert daher ein (positives oder negatives) Drehmoment auf den Antriebs¬ strang bzw. auf den Antriebsmotor. Die elektrische Maschine wirkt daher parallel mit dem Antriebsmotor auf die An¬ triebsräder.

Die elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion hingegen ist vom Prinzip eine mechanische Reihenschaltung des Antriebs¬ motors und der elektrischen Maschine. Diese Variante er¬ laubt es, eine Momentenübertragung im Antriebsstrang zu unterbinden bzw. zu vermindern, indem die elektrische Ma¬ schine Schlupf zuläßt, so daß "Stator" und Rotor mit unter¬ schiedlichen Drehzahlen laufen. Die elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion ist daher im wesentlichen ein passi¬ ves Element, da sie prinzipiell das auf die Antriebsräder des Fahrzeuges ausgeübte Drehmoment nicht erhöhen kann. Al¬ lerdings gilt diese Aussage nur bei trägheitslosen System¬ elementen. Im allgemeinen jedoch stellen die einzelnen An¬ triebssystemteile träge Massen dar, so daß zumindest kurz¬ zeitig eine elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion ein auf die Antriebsräder wirkendes Drehmoment erzeugen kann.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem weist eine Steuerung oder eine Regelung auf. Beim Betreiben des Antriebssystem mit einer Steuerung ist eine genaue Kenntnis des Verhaltens des (gesamten) Antriebssystems notwendig, um geeignete Steuergesetze bereit zu εtellen. Um jedoch auch den Einfluß unvorhersehbarer Störungen und Parameteränderungen auszu-

schalten, ist ein Regelkreis, also eine Regelung, notwen¬ dig. Mit einer Regelung läßt sich i.a. Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen präziser entgegenwirken.

Die Steuerung oder Regelung gibt der elektrischen Maschine ein Signal, das sie veranlaßt, ein bestimmtes Drehmoment zu erzeugen. Dieses Drehmoment wirkt im Fall der elektrischen Maschine mit feststehendem Stator als bremsendes oder an¬ treibendes Drehmoment auf den Antriebsstrang. Im Fall der elektrischen Maschine mit Kupplungsfunktion sorgt das Dreh¬ moment für Kupplungsschlupf. Die Steuerung bzw. Regelung kann auf diese Weise antriebsstrangseitige Drehmoment¬ oder Drehzahlschwankungen vermindern oder ganz beseitigen.

Die Erfindung erzielt insbesondere die folgenden Vorteile: verminderte oder beseitigte antriebsstrangsseitige Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen; erhöhte Fahrsicherheit durch Vermeiden plötzlich auf¬ tretender Drehmomente im Antrieb; - erhöhter Fahrkomfort durch Beseitigen von Ruckein und Wackeln des Fahrzeugs; geringerer Verschleiß;

Bauteile können kleiner dimensioniert werden - dadurch Gewichtsersparnis; - erhöhte FahrZeugzuverlässigkeit; verminderte Reparaturkosten; geringere Unfallgefahr durch Schäden im Antriebεsystem des Fahrzeugs.

Vorzugsweise ist die Steuerung bzw. Regelung derart ausge¬ legt, daß sie bei bzw. nach Lastwechseln, insbesondere durch Torsionen im Antriebsstrang auftretende Schwankungen und/oder Schwingungen des Antriebsdrehmoments vermindert (Anspruch 2) . Derartige Lastwechsel können beim plötzlichen Beschleunigen auftreten, aber auch beim Unterbrechen bzw. abrupten Drosseln der Treibεtoffzufuhr. Ebenso führt eine Änderung der Steigung der Fahrbahn zu einem Lastwechsel.

Diese Lastwechsel führen dazu, daß der Antriebsstrang, insbesondere die Antriebswelle, infolge von - mit den Laεt- wechseln einhergehender - Drehmomentenänderungen tordiert oder - mit anderen Worten - wie eine Torsionsfeder "aufge- zogen" wird.

Eine derartige Torsion im Antriebsstrang führt dazu, daß der Antriebsstrang zunächst Torsionsenergie aufnimmt. Da¬ durch überträgt sich ein vom Antriebsmotor erzeugtes Dreh- moment nicht vollständig auf die Antriebsräder. Das vom An¬ triebsmotor erzeugte Drehmoment wird daher - entsprechend der aufgenommenen Torsionsenergie - vermindert. Die im Antriebsstrang gespeicherte Torsionsenergie übt dann auf die Antriebsräder und/oder den Antriebsmotor ein Drehmoment aus. Der Antriebsstrang bildet auf diese Weise ein aus zwei Energiespeichern - je einer für Rotations- und Torsions¬ energie - bestehendes schwingungsfähiges System. Dieses System kann beide Energieformen, nämlich Rotations- und Torsionsenergie, ineinander überführen. Aufgrund dieser Eigenschaft kann es im Antriebsstrang zu Torsionsschwin- gungen kommen. Diese Torsionsschwingungen äußern sich ei¬ nerseits durch Schwankungen der Drehzahl im Antriebsstrang, andererseits auch durch Schwankungen des antriebsstrang¬ seitigen Drehmoments.

Das Antriebssystem ist in der Lage, diese Schwankungen zu dämpfen, und zwar kann die Dämpfung mehr oder weniger stark erfolgen. Bei schwacher Dämpfung werden die Schwankungen lediglich reduziert. Der grundsätzliche Effekt von Über- schwingern im zeitlichen Verlauf des Drehmoments und/oder der Drehzahl bleibt jedoch erhalten. Bei starker Dämpfung weiεt der zeitliche Verlauf des Drehmoments und/oder der Drehzahl überhaupt keine Überschwinger auf. Die starke Dämpfung reduziert die maximale Beschleunigung des Fahr- zeugs und ergibt daher ein ruhiges Fahrverhalten. Es kommt weder zu abrupten Beschleunigungen des Fahrzeuges noch zu

"Ruckein". Man erhält eine komfortbetonte Fahrcharakteri¬ stik.

Eine andere Art der Dämpfung besteht darin, nach erfolgtem Lastwechsel ("Gasgeben") ein erstes Überschwingen im zeit¬ lichen Verlauf des Drehmoment auszunutzen und erst dann die Schwingung zu dämpfen. Die Beschleunigung im Augenblick des Lastwechsels ist dann sehr groß, was zu einer sportlichen Fahrcharakteristik führt.

Bevorzugt ist die Steuerung bzw. Regelung derart ausgelegt, daß sie über wenigstens ein Antriebsrad in den Antriebs- εtrang eingeleitete Drehmomentschwankungen vermindert (An¬ spruch 3) . Das Antriebssystem wirkt daher nicht nur Dreh- momentschwankungen entgegen, die innerhalb des Antriebs¬ stranges z.B. durch Lastwechsel auftreten, sondern auch Drehmomentschwankungen, die durch ein von außerhalb des Antriebsstranges eingeleitetes Drehmoment verursacht wer¬ den. Insbesondere können "äußere Momentenschübe" derartige Drehmomentschwankungen verursachen.

Beiεpielsweise kann ein Schlagloch in der Fahrbahn Ursache eines äußeren Momentenschubes sein. Schlaglöcher haben verschiedene Effekte:

Ein erster Effekt ist, daß sich beim Durchfahren eines Schlaglochs (mit nur einem Antreibsrad) der vom Rad zurück¬ gelegte Weg verlängert. Dabei verändert das Fahrzeug selbst jedoch seine Geschwindigkeit aufgrund seiner großen trägen Masse nicht oder nur unwesentlich. Das Rad, welches das Schlagloch durchrollt, erfährt eine momentane Beschleuni¬ gung. Diese Beschleunigung führt zu einem Drehmoment in der Antriebswelle und damit zu einem Momentenschub, der gewis¬ sermaßen von der Straße stammt. Bei Ausfahrt aus dem Schlagloch wird das Rad wieder auf seine Drehzahl vor Durchfahren des Schlaglochs abgebremst. Es erfährt dabei eine negative Beschleunigung.

Ein zweiter Effekt ist, daß beim Durchfahren eines Schlag¬ lochs die Radachse eine Winkelbewegung ausführt. Diese Win¬ kelbewegung kann jedoch, insbesondere bei Kardangelenken, zu einem Drehmoment auf die Antriebswelle führen. Z.B. kann eine Winkeländerung der durch das Kardangelenk verbundene- nen Wellenabschnitte zu einer Drehung wenigstens einer der beiden Wellenabschnitte führen. Dadurch wird ebenfalls ein kurzzeitiges Drehmoment (Momentenεchub) im Antriebsstrang erzeugt.

Ein anderer von außerhalb des Antriebsstranges eingeleite¬ ter Momentenschub tritt beim Wechsel des Straßenbelages auf. Inεbesondere kann εich der Antriebsschlupf bei Ände¬ rung des Reibbeiwertes des Straßenbelages, z.B. beim Über- gang von Schnee auf festen Belag, schlagartig ändern. Die schlagartige Antriebsschlupfänderung führt zu einem Momen¬ tenschub, und zwar beim Übergang Schnee/fester Belag zu einem den Antriebsstrang bremsenden Momentenschub.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann auch diese von dem Straßenbelag erzeugten "äußeren Momentenschübe" vermindern oder ganz beseitigen, indem sie die elektrische Maschine gegen ein Gehäuse (z.B. vom Motor, Getriebe) abstützt oder indem die elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion Kupp- lungsschlupf zuläßt.

Besonders bevorzugt ist die Steuerung bzw. Regelung derart ausgelegt, daß sie zur Verminderung der Drehmoment- und/- oder Drehzahlschwankungen die bremsend und/oder antreibend wirkende elektrische Maschine veranlaßt, mit diesen Schwan¬ kungen korrelierte, insbesondere entgegengerichtete oder gleichgerichtete, Drehmomente in den Antriebsstrang einzu¬ leiten (Anspruch 4) . Bei dieser Variante erzeugt die elek¬ trische Maschine in der Einbauweise "elektrische Maschine mit feststehendem Stator" in Abhängigkeit der Schwankungen ein auf den Antriebsstrang wirkendes, antreibendes oder bremsendes Drehmoment, und zwar kann dieses Drehmoment den

Schwankungen entweder entgegengerichtet oder gleichgerich¬ tet sein.

Andererseitε entlastet die elektrische Maschine den An- triebsstrang durch Aufbringen eineε gleichgerichteten Dreh¬ momentes im Bereich zwischen der elektrischen Maschine und dem Ort, an dem daε die Schwankung verurεachende Moment einwirkt, z.B. an einem Antriebεrad. Durch Aufbringen eines entgegengerichteten Drehmoments wird der Antriebsεtrang im anderen Bereich, jenseits der elektrischen Maschine, z.B. zwischen elektrischer Maschine und Antriebsmotor entlastet.

Vorzugsweise ist die Steuerung/Regelung derart ausgelegt, daß sie zur Verminderung der Drehmoment- und/oder Drehzahl- Schwankungen die als Kupplung wirkende elektrische Maschine veranlaßt, mit diesen Schwankungen korrelierte Kupplungs¬ schlupfwerte bereitzustellen (Anspruch 5) . Diese Variante erlaubt es, mittels Regulierung des Schlupfes (Unterschied zwischen den Drehgeschwindigkeiten) zwischen Stator und Rotor - also des sog. Kupplungsschlupfes - das vom An¬ triebsstrang zu übertragene Drehmoment zu variieren. Geht man vom Modell eines trägheitslosen Antriebssystems, ins¬ besondere trägheitsloεem Antriebεstrang und Antriebsmotor, aus, kann dieεe Variante das zu übertragene Drehmoment nur reduzieren, aber nicht erhöhen. Dieses Modell entspricht jedoch nicht exakt der Realität. In Wirklichkeit weisen alle Element des Antriebssystems, insbesondere der An¬ triebsstrang und der Antriebsmotor, träge Massen auf. Daher kann sich die elektrische Maεchine gegen die träge Maεsen abstützen und ein Drehmoment auf die mit Rotor und Stator verbundenen Wellenabschnitte aufbringen. Damit kann die elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion das zu übertra¬ gene Drehmoment auch erhöhen. Tritt eine Überhöhung des antriebsεtrangεεeitigen Drehmomentes auf, kann die elek- trische Maschine durch Erhöhen des Kupplungsschlupfes das zu übertragene Drehmoment vermindern. Tritt ein Einbruch des antriebsstrangsseitigen Drehmomentes auf, kann die

elektrische Maschine - unter Berücksichtigung der trägen Massen des Antriebεεyεtems - (zumindest kurzfristig) ein zusätzliches Drehmoment erzeugen. Mittels beider Maßnahmen - einzeln oder in Kombination - kann die elektrische Ma- schine den zeitlichen Verlauf des antriebsstrangseitigen Drehmoment-Verlaufs glätten.

Vorzugsweise wird die Steuerung bzw. Regelung mit einem Sensor, insbesondere einer Drehmomentmeßnabe verknüpft, die ein antriebsstrangseitigeε Drehmoment erfassen kann (An¬ spruch 6) . Mittels eines Sensors erfaßt die Steuerung bzw. Regelung eine geeignete Größe, aus der sie Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen im Antriebsstrang ermitteln kann. Der Sensor kann eine Drehmomentmeßnabe, ein Magnetoe- lastischer Lastmeßbolzen oder ein Sensor beruhend auf dem Wirbelstrom-Prinzip, z.B. ein Wirbelstrom-Torsionssensor, sein. Diese Sensoren können innerhalb des Antriebsstrangs, aber auch innerhalb des Antriebsmotors, insbesondere in/an der Kurbelwelle, untergebracht sein.

Besonders bevorzugt ist die Steuerung bzw. Regelung mit einem Sensor verknüpft, der eine Drehzahl des Antriebs¬ strangs erfassen kann (Anspruch 7) . Die gemessene Drehzahl ist entweder die Drehzahl der Antriebs-, Getriebe-, Gelenk- oder Kurbelwellen oder einer oder mehrerer Achswellen. Die Steuerung bzw. Regelung kann auch mehrere dieser Drehzahlen erfaεεen und als Steuer- bzw. Regelsignal für die elektri¬ sche Maschine verwenden. Diese Drehzahlen werden vorzugs¬ weiεe mit induktiven Sensoren und/oder Hallsensoren erfaßt.

Das Messen der Drehzahl des Antriebsstranges ist ebenfalls von Bedeutung, da Schwankungen dieser Drehzahl das Fahr¬ verhalten beeinträchtigen. Die Steuerung ermittelt mit dem Sensor die Drehzahl und daraus die Drehzahlschwankung, um dann durch Aufbringen eines geeigneten Drehmomentes bzw. eines geeigneten Kupplungsschlupfes einen gleichmäßigen Drehzahl-Verlauf zu erhalten.

Ist das Verhalten des geεamten Antriebssystems bekannt, kann die Steuerung aus der Drehzahl auch das Drehmoment im Antriebsstrang ermitteln und somit auch Drehmomentschwan¬ kungen. Die Drehzahl kann daher u.U. eine geeignete Größe sein, um das Drehmoment bzw. Drehmomentεchwankungen zu beεtimmen.

Vorzugεweiεe iεt daε Dämpfungsmaß der dämpfend wirkenden elektrischen Maschine Steuer- bzw. regelbar, insbeεondere um bei einem Laεtwechεel oder einer sonstigen Änderung des antriebsεtrangεeitigen Drehmoments und/oder der Drehzahl einen schnellen Übergang von einem zu einem anderen Drehmo¬ ment- bzw. Drehzahlniveau ohne, mit höchstens einem oder wenigen Überschwinger(n) im zeitlichen Drehmoment-Verlauf bei zugleich geringer zeitlich-mittlerer Bedämpfung zu gewährleisten (Anspruch 8) . Wie bereits oben beschrieben, kann die elektrische Maschine dämpfend wirken, um Schwan¬ kungen zu vermindern. Üblicherweise erfolgt eine Dämpfung in einem schwingenden System mit einem konstanten Dämp- fungsmaß. Die elektrische Maschine eröffnet jedoch durch geeignete Steuerung bzw. Regelung die Möglichkeit, dieseε Dämpfungεmaß zu verändern und zwar auch innerhalb der Dreh¬ moment- bzw. Drehzahlschwankung. Das Dämpfungsmaß selbst kann dabei eine zu steuernde bzw. regelnde Größe sein, d.h. das Dämpfungsmaß kann in Abhängigkeit der Drehmomentschwan¬ kungen verändert werden.

Bevorzugt wird die elektrische Maschine im Anfangsbereich, im mittleren Bereich oder im Endbereich des Antriebs- Stranges angeordnet (Anspruch 9) .

"Anfangsbereich" bezeichnet den Bereich in der Nähe der Stelle, an welcher der Antriebsmotor das Antriebsmoment in den Antriebsstrang einleitet. Die elektrische Maschine ist also z.B. im Bereich des Antriebsmotors angeordnet, ins¬ besondere zwischen Antriebsmotor und Getriebe oder auf der

anderen Seite deε Antriebεmotors, d.h. am freien Kubelwel- lenende.

"Endbereich" bezeichnet den Bereich in der Nähe der Stelle, an der Antriebsmomente aus dem Antriebsstrang in die Umge¬ bung, z.B. auf die Straße, eingeleitet werden. Die elek¬ trische Maschine ist also z.B. im Bereich eines Antriebs¬ rades angeordnet.

"Mittlere Bereich" bezeichnet den Bereich zwischen Anfangs¬ und Endbereich. So kann die elektrische Maschine z.B. im Bereich des Getriebeε oder eines Differentials angeordnet sein.

Diese verschiedenen Varianten erlauben unterschiedliche Wirkungen: Wird die elektrische Maschine im Anfangεbereich des Antriebsstranges angeordnet, d.h. in der Nähe des An- triebεmotorε, kann εie bei einem Lastwechsel Torsionen im Antriebsstrang vermindern bzw. verhindern, indem sie die Änderung des auf den Antriebsstrang einwirkenden Drehmomen¬ tes gering hält. Bei Einleiten eines Momentenschubes von der Straße kann die elektrische Maschine mit feststehendem Stator verhindern, daß der Momentenschub ins Motorinnere, insbesondere zur Kurbelwelle, gelangt, z.B. indem die elek- trische Maεchine den Momentenεchub gegen das Motorgehäuse abstützt.

Ähnliches gilt bezüglich des Getriebes. Ist die elektrische Maschine am Getriebe und zwar zwischen Getriebe und An- triebsstrang angeordnet, kann die elektriεche Maεchine Momentenschübe "von der Straße" am Getriebegehäuse abstüt¬ zen, ohne daß diese Momentenεchübe inε Getriebeinnere ge¬ langen (die Momentεchübe gelangen in dieεem Fall auch nicht zum Antriebεmotor) .

Fallε die elektrische Maschine als Kupplung wirkt und in der Nähe des Motors angeordnet ist, kann eine Kupplungs-

schlupf-Regulierung die Torsionεschwingung im Antriebs¬ strang vermindern und Momentenschübe von der Straße abtren¬ nen.

Ist hingegen die elektriεche Maschine mit feststehendem Stator im Endbereich des Antriebsstranges, insbesondere im Bereich der Antriebsräder angeordnet, kann sie zwar den Torsionεεchwingungεeffekt im Antriebεstrang bei (plötzli¬ chem) Lastwechεel nicht verhindern. Gleichwohl kann sie aber Schwankungen im Antriebsdrehmoment (dem auf die An¬ triebsräder wirkenden Drehmoment) vermindern. Treten Momen¬ tenschübe "von der Straße" auf, kann die im Endbereich des Antriebsεtrangs angeordnete elektrische Maschine mit fest¬ stehendem Stator den gesamten Antriebsstrang entlasten, indem sie das Drehmoment gegen die Fahrzeugkarrosserie ab¬ stützt.

Handelt es sich bei der im Endbereich angeordneten elek¬ trische Maschine um eine elektrische Maschine mit Kupp- lungsfunktion, erhöht - bei Auftreten eineε Momentenεchubeε von der Straße - die elektriεche Maschine den Kupplungs- εchlupf derart, daß eε lediglich zu einer Beεchleunigung deε Antriebεradeε kommt, aber nicht zu einer Einleitung be- εchleunigender Momente in den Antriebsstrang.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematiεchen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssy¬ stems; Fig. 2 eine schematiεche Darstellung eines Wellenab¬ schnitts zur Veranschaulichung des Torsionsef¬ fektε; Fig. 3 eine modellhafte Darstellung eines Antriebsstran¬ ges zur Veranschaulichung von Torsionseffekten;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm deε antriebεstrangsei- tigen Drehmoment-Verlaufs als Funktion der Zeit;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Rades beim Durchfahren eines Schlaglochs; Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Kardangelenks zur Veranschaulichung von winkelabhängigen Wel¬ lendrehungen;

Fig. 7 eine schematiεche Darstellung des Reibbeiwertes und der Rotationsgeschwindigkeit eines Rades beim Übergang von einem glatten auf einen griffigen

Fahrbahnbelag;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des antriebsstrang¬ seitigen Drehmoment-Verlaufs als Funktion der Zeit; Fig. 9a-f eine schematische Darstellung verschiedener Aus- führungεbeiεpiele deε Antriebssystems mit elek¬ trischer Maschine;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer auf einen An¬ triebsstrang angeordneten elektrischen Maschine mit feststehendem Stator;

Fig. 11 eine schematiεche Darstellung einer im Antriebs¬ strang eingebauten elektrischen Maschine mit Kupplungsfunktion; und

Fig. 12 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Antriebssy¬ stem.

In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Außerdem werden in der gesam- ten vorliegenden Beschreibung Zahlenangaben "x" im Sinn von wenigstens "x" und nur vorzugsweise im Sinn von genau "x" verεtanden.

Fig. 1 veranεchaulicht den prinzipiellen Aufbau eines An- triebssystems eineε Kraftfahrzeuges. Ein Verbrennungsmotor

1 ist über eine Welle 2 mit einem Getriebe 3 verbunden. Das

Getriebe 3 ist über eine Antriebswelle 4 mit Achsen 5 und

6 von Antriebsrädern 7 bzw. 8 verbunden. Diese Elemente 1 bis 8 sind grundsätzlich bei jedem Fahrzeug mit zwei ange¬ triebenen Rädern verwirklicht. Die Erfindung ist jedoch auch auf Fahrzeuge mit einer anderen Anzahl angetriebender Räder anwendbar, einschließlich nur einem angetriebenen Rad, insbeεondere jedoch auch Fahrzeuge mit Allradantrieb. Ein entsprechendes allradgetriebenes Fahrzeug ist in Fig. 1 angedeutet durch die mit der Antriebswelle 4 verbundenen unterbrochen dargestellten Achsen 9 und 10, welche mit zwei weiteren Antriebsrädern 11 und 12 verbunden sind. Alle Elemente dieses Antriebssystems, die funktioneil betrachtet zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebsrädern lie¬ gen, bilden den Antriebsstrang, dazu zählen insbesondere die Verbindungswelle 2, die Antriebswelle 4 und die Achsen 5, 6, 9 und 10. Außerdem wird die nicht dargestellte Kur¬ belwelle des Verbrennungsmotors ebenfalls zum Antriebs¬ strang gerechnet. Schließlich weist auch das Getriebe Wel¬ len auf, welche Drehmomente vom Verbrennungsmotor auf die Antriebsräder übertragen. Auch diese Wellen zählen zum Antriebsεtrang.

Fig. 2 veranschaulicht die Verdrehung einer der Wellen bzw. Achsen im Antriebsεtrang oder ist als prinzipielles "Er- satzbild" eines Teils oder des gesamten Antriebsstrangs zu betrachten. Eine Ersatzwelle 13 wird an beiden Enden 14 und 15 mit entgegengerichteten Momenten M τ beaufschlagt. Dieses Torsionsmoment M τ verdreht die Welle über eine Länge 1 um einen Torsionεwinkel 0(1) . Entlang der Koordinate x ver¬ dreht εich die Ersatzwelle 13 um den Winkel Φ ( x) . In Fig. 2 iεt φ(x) proportional zu x. Man entnimmt diesen Zusammen¬ hang Fig. 2 daraus, daß die (ohne Momentenbeaufschlagung) parallel zur Achse in der Ersatzwelle 13 verlaufende Gerade 17 bei Momentenbeaufschlagung zur Geraden 18 wird, alεo immer noch einen geraden Verlauf aufweist. Ein derartiger gerader Verlauf nach Momentenbeaufschlagung setzt im all¬ gemeinen eine homogene Welle mit konstantem Querschnitt voraus. Iεt dieεe Voraussetzung nicht erfüllt, weist die

Gerade 17 nach Momentenbeaufschlagung keinen geradlinigen Verlauf mehr auf.

Die Ersatzwelle 13 nimmt infolge der Torsion um den Tor- sionswinkel 0(1) Torsionεenergie auf. Diese Torsionεenergie ist gleich dem Produkt aus Torsionsmoment M, und Torsionε- winkel 0(1). Wird die Erεatzwelle 13 am Ende 14 oder 15 festgehalten, während daε andere Ende 15 bzw. 14 frei ist, führt die Ersatzwelle 13 - nachdem sie Torsionsenergie aufgenommen hat - eine freie Drehschwingung aus. Dabei wird Torεionsenergie in kinetische Energie, nämlich Rotations¬ energie, umgewandelt. Nach dieser erεten Umwandlung erfolgt eine zweite Umwandlung. Dabei wird Rotationsenergie in Tor¬ sionsenergie umgewandelt. Diese Umwandlungsvorgänge wie- derholen sich periodisch, im verlustfreien Fall unendlich oft. Daher kommt es zu einer Drehschwingung der Ersatzwel¬ le. Im realen Fall hingegen wird aufgrund von Reibung die Schwingung gedämpft, wobei ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird.

Fig. 3 veranschaulicht schematisch das torsionsfähige An¬ triebssystem eines Kraftfahrzeuges. Das Getriebe 3 ist aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt. Ferner wurden nur zwei Antriebsräder 7, 8 dargestellt. Die Anordnung vom Verbrennungεmotor 1 biε zu den Antriebsrädern 7, 8 reprä¬ sentiert das gesamte torsionε- und schwingungsfähige An¬ triebssystem. Es wird repräsentiert durch zwei Wellenab¬ schnitte 19 und 20, sowie durch modellhafte Darstellung träger Massen ml und m2. Die Masse ml repräsentiert sämtli- che Masεen deε Wellenabεchnittε 19, die Masse m2 die des Wellenabschnitts 20. Beide Wellenabschnitte 19, 20 sind in diesem Modell modellhaft mit Federn 21 verbunden. Diese Federn repräsentieren die Torsionεfähigkeit des Antriebs¬ strangs.

Bei Beaufschlagung des Wellenabschnitts 19 durch ein vom Verbrennungεmotor abgegebenes Drehmoment nimmt die Masse ml

infolge Beschleunigung Rotationsenergie auf. Dabei werden die Federn 21 aus ihrer Ausgangεlage ausgelenkt, wobei sie Energie aufnehmen. Zeitverzögert zur Beschleunigung der Welle 19 erzeugen die über die Feder 21 übertragenen Kräfte bzw. Momente eine Beschleunigung des anderen Wellenab¬ schnitts 20 samt Masse m2, wobei ebenfalls die Antriebs¬ räder 7 und 8 beschleunigt werden.

Physikalische entsprechen die Darstellungen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 einander. Die Federn 21 entsprechen der Tor- εionεfähigkeit der Ersatzwelle 13. Die Massen ml und m2 stellen die Trägheit der Ersatzwelle 13 dar.

Fig. 4 zeigt das vom Antriebsstrang, insbesondere vom Wel- lenabschnitt 20 übertragene Drehmoment. Die folgenden Über¬ legungen beziehen sich auf das bzw. die Momente in einem Schnitt durch diesen Wellenabschnitt 20.

Fig. 4 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf des antriebs- strangseitigen Drehmomentes, z.B. an der Stelle S im Wel- lenabεchnitt 20. Biε zum Zeitpunkt t„ überträgt der An- triebsstrang ein erstes Drehmoment M,. Zum Zeitpunkt t u erzeugt der Verbrennungsmotor 1 ein zweites, größeres Dreh¬ moment M 2 . Aufgrund der oben beschriebenen Torsionen im Antriebsstrang und der damit verbundenen verlustbehafteten Energieumspeichervorgänge (Torsions- in Rotationsenergie und umgekehrt) verläuft das zeitliche, antriebsstrangεei- tige Drehmoment M(t) wie eine gedämpfte Schwingung: Die Antwort des Antriebssystems auf einen Momentensprung vom ersten Drehmoment M, auf das zweite Drehmoment M-. erreicht ihr erstes Maximum zu einem gegenüber dem Zeitpunkt t () späteren Zeitpunkt t,. Dieses erste Maximum übersteigt jedoch den Wert des zweiten Drehmoments M,. Nach Erreichen dieses ersten Maximums fällt die Kurve M(t) unter den Wert deε zweiten Drehmomentε M 2 ab und erreicht zum Zeitpunkt t 2 ein erstes Minimum. Nach Erreichen dieses ersten Minimums setzt sich die Schwingung des antriebsstrangseitigen Dreh-

moments fort und pendelt sich schließlich auf den Wert M 2 ein.

Aufgrund dieser zeitlichen Drehmomentschwankungen kommt es auch zu Schwankungen in der Drehzahl der Antriebswelle 4. Der Drehzahl-Verlauf verhält sich qualitativ ähnlich wie der Drehmoment-Verlauf in Fig. 4, jedoch ist die Zeitskala eine andere. Insbeεondere erreicht die Drehzahl ein Maxi¬ mum, wenn daε Drehmoment M(t) den Wert M 2 annimmt. Umgekehrt nimmt die Drehzahl ihren zeitlichen Mittelwert an, wenn der zeitliche Drehmoment-Verlauf ein Maximum oder Minimum er¬ reicht. Dieεer Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmo¬ ment entspricht einer Phasenverschiebung um 90° beider Größen. Die Phasenverεchiebung beruht auf den energetischen Umspeichervorgänge von Torsionsenergie in Rotationsenergie.

Die Schwingungen sowohl der Drehzahl als auch des Drehmo¬ mentes wirken εich negativ auf das Fahrverhalten des Kraft¬ fahrzeuges aus und es ist Gegenstand der Erfindung, diese Schwankungen oder Schwingungen zu vermindern bzw. auszu¬ gleichen. Das erfindungsgemäße Antriebssystem berücksich¬ tigt jedoch auch noch andere, nachfolgend beschriebene Ef¬ fekte.

Fig. 5 veranschaulicht, wie ein Antriebsrad 7 durch ein Schlagloch SL rollt. Die übrigen (drei) Räder des Kraft¬ fahrzeuges durchfahren dieses Schlagloch SL nicht. Dabei bewegt sich das Fahrzeug (nicht dargestellt) mit im wesent- lichen konstanter Geschwindigkeit v fort. Daher legt außer dem Fahrzeug und auch das Antriebsrad 7 vor bzw. nach Durchfahren deε Schlaglochε SL in gleichen Zeitabschnitten gleiche Strecken s l zurück. Beim Durchfahren des Schlaglochs SL muß das betroffene Antriebsrad 7 jedoch eine längere Strecke s 2 , ε, zurücklegen. Fig. 5 zeigt oberhalb deε Schlaglochε SL in geεtrichelter Darεtellung das Antriebsrad 7, für den Fall daß kein Schlagloch vorhanden wäre.

Wegen deε Schlaglochε SL und der längeren Strecken s 2 , s, wird das Antriebsrad 7 beim Durchfahren des Schlaglochs SL beschleunigt. Dabei kommt es zu einer Drehmomentbeaufschla¬ gung des Antriebsrades 7. Das Antriebsrad 7 nimmt zusätzli- che Rotationsenergie auf, die im wesentlichen der kineti¬ schen Energie des Fahrzeugs entzogen wird. Im allgemeinen ist dieser Energieentzug wegen der extremen Massenunter¬ schiede von Fahrzeug und Antriebsrad 7 nicht spürbar. In besonderen Fällen ist er jedoch störend. Dann εtellt die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Antriebεεystems die zusätzliche Rotationsenergie durch Umwandlung elektri¬ scher Energie bereit, so daß das Fahrzeug keine kinetische Energie verliert.

Ferner wird beim Durchfahren eines Schlaglochs die Achse des betroffenen Rades in ihrer Neigung verstellt. Eine derartige Winkeländerung in einem Antriebsεtrang mit Ge¬ lenkwellen - diese sind beim Kraftfahrzeugantriebsεyεtem üblich - führt zu einer zuεätzlichen Rotation wenigεtenε einer der Wellenabschnitte einer Gelenkwelle.

Fig. 6 veranschaulicht das Prinzip dieser Rotation. Eine Gelenkwelle 22 weist ein Gelenk 23 auf und zwei Abschnitte 24, 25. Der Abschnitt 24 ist - zur Erläuterung - nicht- drehbar arretiert. Bei Drehung des Abschnittes 25 um das Gelenk 23 um den Winkel a vollführt der Abschnitt 25 der Gelenkwelle 22 eine Rotation um den Winkel ß . Dieser Effekt läßt sich kurz wie folgt beschreiben: Bei Änderung des Winkels zweier Abschnitte 24, 25 einer Gelenkwelle 22 voll- führt wenigstens ein Abschnitt 24 oder 25 eine Rotation um seine Längsachse.

Die beiden anhand von Fig. 5 und Fig. 6 erläuterten Effekte führen in der Regel nicht nur zu einem störenden Momenten- schub, sondern auch zu einer Torsion im Antriebsstrang. Diese äußert sich wiederum in antriebsstrangseitigen Dreh¬ momentschwankungen ähnlich wie in Fig. 4.

Fig. 7 veranschaulicht einen weiteren, von der Erfindung berücksichtigten bzw. verminderten Effekt. Das Antriebsrad 7 geht von einem Straßenbelag mit niedrigem Reibbeiwert μ rl auf einen Straßenbelag mit einem hohen Reibbeiwert μ r , über. Beim Befahren des Straßenbelages mit dem niedrigen Reibbei¬ wert μ rl hat das Antriebsrad 7 einen relativ großen An- triebεεchlupf. Beim Übergang auf den Straßenbelag mit dem hohen Reibbeiwert μ r2 verringert sich dieser Schlupf. Da das Fahrzeug aufgrund seiner trägen Masse seine Geschwindigkeit v beibehält, vermindert sich die Drehzahl des Antriebsrades 7 von einem Wert ωl auf einen Wert ω2. Dieser Übergang er¬ zwingt also eine Reduktion der Drehzahl des Antriebsradeε 7. Diese Drehzahlreduktion geht einher mit einem den An¬ triebsεtrang bremεenden Drehmoment. Dieses Drehmoment wird gewissermaßen von außen (von der Straße) in den Antriebs¬ εtrang eingeleitet. Durch dieεe Bremεung erreicht die Rota¬ tionsenergie des Antriebεstrangs ein niedrigeres Energieni¬ veau. Die damit verbundene Energiedifferenz wird zum Teil in Reibungswärme zwischen Reifen und Fahrbahn und zum Teil in kinetische Energie deε Fahrzeugs umgewandelt. Ferner führt dieseε bremεend wirkende Drehmoment zu einer Torsion deε Antriebεεtrangeε mit der Folge von Drehmomentschwin¬ gungen ähnlich wie in Fig. 4.

Fig. 8 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf des Drehmo¬ ments im Antriebεεtrang bzw. am Antriebsrad 7 beim Beauf¬ schlagen des Antriebsradeε 7 bzw. deε Antriebsstranges mit einem Momentenschub aufgrund eines Effektes gemäß Fig. 5 bis 7. Ähnlich wie in Fig. 4 ist in Fig. 8 das Drehmoment M(t) in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Aufgrund des Momentenschubes ΔM erhöht sich das antriebsstrangseitige Drehmoment vom Wert M, auf einen Wert M 2 . Ist der Momenten¬ schub ΔM entgegengesetzt gerichtet, vermindert sich das Moment M, um den Wert ΔM auf einen Wert M,.

Derartige Momentenschübe sind nicht nur unangenehm für die Fahrzeuginsaεεen, sondern beanspruchen auch die Bauteile

erheblich und beeinträchtigen die Fahrsicherheit. Außerdem sind sie auch geeignet, den Antriebsstrang "aufzuziehen" und zu antriebsstrangseitigen Drehmomentschwankungen (gem. Fig. 4) zu führen.

Die Fig. 9a-f zeigen verεchiedene Auεführungεbeiεpiele eineε Antriebεεyεtemε gemäß der Erfindung. Eine elektrische Maschine 26 ist im Antriebssystem vorgesehen, um die oben beschriebenen Effekte zu vermindern oder ganz zu verhin- dern. Diese elektriεche Maschine kann an unterschiedlichen Stellen des Antriebsεyεtems angeordnet sein und dadurch verschiedene Wirkungen erzielen.

Fig. 10 und Fig. 11 zeigen verschiedene Einbauvarianten der elektriεchen Maεchine 26. Fig. 10 zeigt die Einbauvariante "elektrische Maschine mit festεtehendem Stator". Fig. 11 zeigt die Einbauvariante "elektrische Maschine mit Kupp¬ lungsfunktion".

Gemäß Fig. 10 ist an einer Stelle des Antriebsstrangs 27 der Rotor 28 der elektrischen Maschine 26 befestigt. Der Rotor 28 dreht also mit dem entsprechenden Wellenabschnitt des Antriebsstrangε 27. Ein feεtstehender Stator 29 umgibt den Rotor 28. Dieser Stator 29 ist beispielsweise an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 oder des Getriebes 3 oder am Chassiε deε Fahrzeugε befestigt. Der Stator 29 ist des¬ halb drehfest gegenüber dem Rotor 28.

Bei der Einbauvariante gemäß Fig. 11 ist jedoch auch der Stator 29 drehbar. Dabei ist der Stator 29 mit einem Ab¬ schnitt 27a des Antriebsstrangε verbunden, während der Rotor 28 mit einem anderen Abεchnitt 27b des Antriebs¬ strangs verbunden ist. Der Stator 29 ist also auch gegen¬ über dem Fahrzeug drehbar. Die elektrische Maschine 26 kontrolliert die Drehung zwischen Rotor 28 und Stator 29 durch entsprechende Steuerung bzw. Regelung. Bei einer besonderen - nicht dargestellten - Ausführungsform läßt

sich die Verbindung zwischen Rotor 28 und Stator 29 mecha¬ nisch verriegeln. Damit laufen die beiden Wellenabschnitte des Antriebsεtrangε 27 mit gleicher Drehzahl ähnlich wie in Fig. 10. Erfolgt keine mechanische Verriegelung, muß die elektrische Maschine 26 ein geeignetes Moment erzeugen, um beide Wellenabschnitte auf gleicher Drehzahl zu halten. Dieses Moment ist so groß, wie das von den Abschnitten 27a, 27b des Antriebsεtrangs übertragene Drehmoment.

Fig. 9a zeigt die Anordnung der elektrischen Maschine 26 direkt am Verbrennungsmotor 1. Bei dieser Anordnung kann die elektrische Maschine 26 vom Verbrennungsmotor 1 erzeug¬ ten Lastwechseln derart entgegenwirken, daß es zu keinen oder nur zu geringen Schwingungen im antriebsstrangseitigen Drehmoment (z.B. gemäß Fig. 4) kommt. Grundsätzlich ist mit der elektrischen Maschine 26 nahezu jeder beliebige Drehmo¬ ment-Verlauf im Antriebsstrang möglich, insbeεondere jedoch Drehmomentenverläufe gemäß den Kurven Kl, K2 oder K3 in Fig. 4.

Kurve Kl zeigt den Drehmoment-Verlauf bei einer stark dämp¬ fend wirkenden elektrischen Maschine. Die Dämpfung durch die elektriεche Maεchine ist so groß, daß es zu keinen Überschwingungen im Drehmoment-Verlauf mehr kommt. Eine derart starke Dämpfung führt allerdings zu einer Verminde¬ rung des Beschleunigungεvermögens des Fahrzeugs.

Kurve K2 zeigt die Aktivierung der elektrische Maschine 26 zum Zeitpunkt t, und zwar derart, daß sie ein zusätzlicheε antreibendes Drehmoment erzeugt. Dadurch werden die "Täler" innerhalb der Drehmomentschwingungen angehoben, so daß sich ein Kurvenverlauf ohne weitere Minima ergibt.

Kurve K3 zeigt als "Mischform" von Kurve Kl und Kurve K2 einen weiteren möglichen Drehmoment-Verlauf. Die elektri¬ sche Maschine 26 wirkt bei dieser Variante abwechselnd als Generator und als Motor. Und zwar wirkt sie als Generator,

wenn die Kurve K3 unterhalb der Kurve M(t) verläuft und als Motor, wenn die Kurve K3 oberhalb der Kurve M(t) verläuft. Vorteilhafterweise speichert das System die beim generato¬ rischen Betrieb der elektrischen Maschine 26 gewonnene elektrische Energie in einem Energiespeicher, z.B. in einem Kondensator oder in einer sog. Kurzzeitbatterie, und ver¬ wendet diese Energie wieder zum Betreiben der elektrischen Maschine 26 im motorischen Betrieb. Diese Betriebsweiεe benötigt keine oder nur wenig Energie, um die Drehmoment- εchwankungen auεzugleichen.

Eine Kurve gemäß K2 iεt beεonders bei sportlicher Fahrweise wünschenεwert. Eine Kurve gemäß Kl ist für eine besonders gleichmäßige Fahrt vorteilhaft. Durch eine Dämpfung, ins- besondere gemäß Kurve Kl läßt sich die Torsion des An¬ triebsstranges vermindern und somit auch die Drehmoment- und/oder Drehzahlschwankungen innerhalb des Antriebs- εtrangeε. Die elektriεche Maεchine 26 bringt zur Erfüllung dieεer Aufgaben εowohl antreibende alε auch bremsende Dreh- momente auf die Antriebεwelle 4 auf.

Eine elektriεche Maεchine 26 mit Kupplungsfunktion kann bei Anordnung gemäß Fig. 9a das antriebsstrangseitige Drehmo¬ ment im wesentlichen nur vermindern, jedoch nicht erhöhen. Diese Verminderung wird durch Kupplungεschlupferhöhung erzielt, d.h. , daß die elektrische Maschine 26 einen Dreh¬ zahlunterschied zwischen dem mit dem Stator verbundenen Wellenabschnitt und dem mit dem Rotor verbundenen Wellen¬ abschnitt zuläßt. Damit kann man Kurven gemäß Kl in Fig. 4 erreichen. Nur wenn große träge Masεen vorhanden sind, kann sich die elektrische Maschine mit Kupplungsfunktion gegen die trägen Massen abstützen und dadurch ein das Fahrzeug antreibendes Drehmoment erzeugen.

Fallε wie in Fig. 9a die elektrische Maschine mit festste¬ hendem Stator eingebaut ist, kann die elektrische Maschine Momentenschüben, die von der Straße herrühren, entgegen-

wirken, indem bei einem solchen Momentenschub die elektri¬ sche Maschine dieseε Moment gegen das Gehäuse, an dem sie angebracht ist, abstützt. Dadurch pflanzt sich der Momen¬ tenschub nicht weiter alε biε zur elektrischen Maschine fort. Somit kann beispielεweise das Innere des Motors ent¬ lastet werden - es wird hinsichtlich Momentenschüben von der Straße abgeschirmt. Eine elektrische Maschine 26 mit Kupplungsfunktion kann ebenfalls von der Straße verurεachte Momentenεchübe abtrennen, indem die elektrische Maschine 26 Kupplungschlupf zuläßt und somit den Momentenschub nicht in Richtung des Verbrennungsmotors 1 überträgt.

Fig. 9b skizziert die Anordnung der elektrischen Maschine 26 am Verbrennungsmotor 1 und zwar am freien Ende der Kur- belwelle des Verbrennungsmotors, d.h. an dem Kurbelwellen¬ ende, welches nicht mit dem Antriebsstrang verbunden ist. Bei dieser Ausführungεform iεt nur die elektriεche Maschine 26 mit festεtehendem Stator 29 εinnvoll. Dieεe Anordnung erzielt im wesentlichen die gleichen Wirkungen wie die Anordnung gemäß Fig. 9a. Die Anordnung gemäß Fig. 9b ist jedoch vorteilhaft, wenn der zur Verfügung stehende Raum zwischen Verbrennungεmotor 1 und Getriebe 3 εehr klein iεt.

Gemäß Fig. 9c und Fig. 9d iεt die elektriεche Maεchine 26 am Getriebe 3 angeordnet und zwar entweder zwischen Ver¬ brennungsmotor 1 und Getriebe 3 (gemäß Fig. 9c) oder zwi¬ schen Getriebe 3 und Antriebsrädern 7, 8 (gemäß Fig. 9d) . Da das Getriebe 3 in der Regel in der Nähe des Verbren¬ nungsmotorε 1 angeordnet ist, haben diese beiden Anordnun- gen im wesentlichen gleiche Wirkungen wie die Anordnung gemäß Fig. 9a. Inεbesondere εind beide Anordnungen in der Lage, von der Straße herrührende Momentenεchübe vom Ver¬ brennungsmotor 1 abzukoppeln. Sowohl beim Einbau der elek¬ trischen Maεchine 26 gemäß Fig. 9c als auch gemäß Fig. 9d ist der Einsatz der elektrischen Maschine 26 mit festste¬ hendem Stator gemäß Fig. 10 und der Einsatz der elektri¬ schen Maschine 26 mit Kupplungsfunktion gemäß Fig. 11 vor-

teilhaft. Dadurch ergeben sich vier verschiedene Einbauva¬ rianten einer elektrischen Maschine 26 in der Nähe des Getriebes 3. Sie wirken jeweils unterschiedlich. Die Wir¬ kungen entsprechen im wesentlichen denen der am Verbren- nungsmotor angeordneten elektrischen Maschine 26 (mit fest¬ stehendem Stator bzw. mit Kupplungsfunktion) gemäß Fig. 9a.

Beim Einbau der elektrischen Maschine 26 mit feεtεtehendem Stator gemäß Fig. 9e, nämlich am Endbereich deε Antriebs- strangeε, jedoch nicht direkt an den Antriebεrädern 7, 8, läßt εich ein Aufziehen deε Antriebεεtrangs zwischen Ver¬ brennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 26 prinzipiell nicht verhindern. Eine elektrische Maschine mit Kupplungs¬ funktion an dieser Stelle, kann hingegen eine Torsion des Antriebsstranges im Bereich zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 26 wesentlich vermindern, indem bei einem Lastwechεel die elektrische Maschine 26 den Kupp¬ lungsschlupf erhöht. Selbstverständlich ist dann das auf die Antriebsräder aufgebrachte Drehmoment um einen entspre- chenden Betrag verringert.

Gemäß Fig. 9f ist je eine elektrischen Maschine 26 an jedem Antriebsrad 7, 8 angeordnet. Dieεe Anordnung ermöglicht es beim Verwenden einer elektrischen Maschine 26 mit Kupp- lungsfunktion, den geεamten Antriebsstrang einschließlich der Achsen 5, 6 der Antriebsräder 7, 8 vom restlichen An¬ triebsstrang abzutrennen. Bei Verwendung elektrischer Ma¬ schinen mit feststehendem Stator können von der Straße herrührende Momentenschübe in direkter Nähe der Räder aus- geglichen werden. Dies ist wegen der dann sehr geringen Abstände zwischen elektrischer Maschine 26 und Antriebs¬ rädern 7, 8 vorteilhaft, da dadurch keine von der Straße herrührende Momentenεchübe in den Abschnitt zwischen elek¬ trischer Maschine 26 und Verbrennungsmotor 1 gelangen. Außerdem ist diese Variante vorteilhaft, da auf jedes An¬ triebsrad 7, 8 individuell eingewirkt werden kann. Dies ist insbesondere bei schlechten Straßenbelägen vorteilhaft,

d.h. Straßen mit vielen Schlaglöchern und/oder unterschied¬ lichen Reibbeiwerten.

In den Fig. 9a-f wurden verschiedene Einbauvarianten der elektriεchen Maschine einzeln erläutert. Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf diese Einbauvarianten, sondern auch auf eine Kombination dieser Varianten, ins¬ besondere können mehrere elektrische Maschinen an verεchie¬ denen Stellen gem. den Fig. 9a-f deε Antriebsstranges sinn- voll eingesetzt werden.

Fig. 12 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungεgemäßen Verfahrenε. Dieses Verfahren betrifft die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine. Zunächst werden im Schritt A Größen gemeεεen, die eine Information über die Schwankungen deε antriebsstrangεeitigen Drehmo- mentε oder der Drehzahl deε Antriebsstranges liefern. Dies kann entweder direkt durch Messen von Drehmoment oder Dreh¬ zahl erfolgen oder aber auch von Größen, die damit in Zu- sammenhang stehen. Beiεpielεweiεe kann ohne weiteres aus dem Drehwinkel auf die Drehzahl geschloεεen werden. Ande¬ rerseits kann auch aus der Drehzahl und insbeεondere auε Drehzahländerungen bei Kenntnis sämtlicher Syεtemparameter auf daε antriebεεtrangseitige Drehmoment geschlossen wer- den.

Nachdem im Schritt A ausεagekräftige Größen erfaßt wurden, ermittelt die Steuerung bzw. Regelung im Schritt B die Schwankungen deε Drehmoments und/oder der Drehzahl. Im Falle der Steuerung (ohne Regelkreis) kann die elektrische Maschine im Schritt C derart angesteuert werden, daß sie ein geeignetes Drehmoment auf den Antriebsstrang ausübt bzw. den Kupplungsεchlupf der elektriεchen Maεchine mit Kupplungεfunktion verändert. Dies geschieht durch Abruf geeigneter Werte aus einer Tabelle in Abhängigkeit der er¬ mittelten Schwankungswerte. Eine solche Steuerung ist eine

vom Aufbau einfachere Variante, da auf den Regelkreis ver¬ zichtet werden kann.

Wird anstelle einer Steuerung eine echte Regelung (mit Regelkreis) eingeεetzt, läßt εich die zu regulierende Grö¬ ße, nämlich Drehmoment bzw. Drehzahl, derart regeln, daß auch unvorhersehbare Störungen erfaßt und beseitigt werden können.

Es wurde gezeigt, wie durch den Einbau einer elektrischen Maschine in einem Antriebsεyεtem eines Kraftfahrzeuges auf verschiedenste Weise Schwankungen im antriebsεtrangseitigen Drehmoment-Verlauf oder in der Drehzahl des Antriebsstran- geε verringert oder εogar ganz beseitigt werden können. Damit erzielt die Erfindung wesentliche Verbesserungen, insbesondere im Bereich der Fahrsicherheit und des Fahrkom¬ forts.