Die Erfindung betrifft eine Starter-Generator- Maschine mit variabler Getriebeübersetzung entspre- chend den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen in Kraftfahr- zeugen mittels einer Startvorrichtung gestartet wer- den müssen, da sie nicht von alleine anlaufen. Zu diesem Zweck werden üblicherweise elektrisch betrie- bene Startermotoren eingesetzt, die über eine als sogenanntes Einrückrelais ausgebildetes Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Gleich- zeitig wird zum Andrehen ein Ritzel des Startermotors mit einem üblicherweise auf einem Schwungrad der Brennkraftmaschine angebrachten Zahnkranz in Eingriff gebracht. Nach Erreichen des Selbstlaufes der Brenn- kraftmaschine muß der Startermotor ausgespurt werden, um einem erhöhten Verschleiß und starker Geräuschent- wicklung vorzubeugen. Soll der Starter aus bestimmten Gründen im ständigen Eingriff bleiben, so muß er für

einen Dauerbetrieb auch unter höherer Drehzahl ausge- legt sein.

Ebenso ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen üblicher- weise mit einem ständig mitlaufenden Generator ausge- rüstet sind, der einerseits für eine dauernde Versor- gung des elektrischen Bordnetzes und andererseits für ein Laden der zum Betrieb des Startermotors notwendi- gen Spannungsquelle sorgt. Dieser Generator, auch als Lichtmaschine bezeichnet, wird üblicherweise mittels eines Keil-oder Zahnriemens über die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Der Generator gibt seine Nennleistung typischerweise bei einer mittleren Drehzahl ab, muß jedoch so dimensioniert sein, daß er auch schon bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftma- schine eine ausreichende elektrische Leistung abgeben kann. Gleichzeitig jedoch muß er für die Maximaldreh- zahl der Brennkraftmaschine ausgelegt sein und dabei noch eine ausreichende Kühlung erfahren. Die Kühlung bei höheren Drehzahlen erfolgt meist durch Luftventi- lation, die durch aufgebrachte Lüfterflügel unter- stützt wird. Hinzu kommt eine ausgeprägte Momentwel- ligkeit der Brennkraftmaschine sowie eine Massenträg- heit des Generators, was einen Antrieb über Riemen notwendig macht.

Soll der Startermotor gleichzeitig auch als Generator betrieben werden, stellt sich zunächst das Problem der drehzahlmäßigen Auslegung. Beim Betrieb als Star- termotor wird eine relativ hohe Leistung bei niedri- ger Drehzahl benötigt, denn die Brennkraftmaschine muß lediglich bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl

gestartet werden. Zur sicheren Übertragung einer solch großen Leistung wird die oben beschriebene Ankoppelung mit einer Zahnradpaarung auf der Motor- seite gewählt, die nach dem Starten der Brennkraftma- schine getrennt wird. Der Generator muß jedoch in der Lage sein, über einen weiten und höheren Drehzahlbe- reich eine ausreichende Leistungsabgabe sicherzustel- len, und dies, ohne bei Maximaldrehzahl einer Über- hitzungsgefahr ausgesetzt zu sein. Soll der Generator jedoch für eine hohe elektrische Leistungsabgabe aus- gelegt werden, wie sie für moderne Kraftfahrzeuge mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wie Stell-und Servomotoren notwendig ist, stößt der her- kömmliche Riemenantrieb bald an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit.

Zwar sind Lösungen bekannt, die eine gleichzeitige Nutzung des Generators auch als Starter vorsahen, be- kannt beispielsweise als sogenannte Dynastarter im Motorrad-und Motorrollerbau früherer Jahre. Hier mußte der Generator jedoch eine nur sehr geringe Lei- stung liefern, weshalb er nach den Starten des Motors problemlos in einem Bereich geringeren Wirkungsgrades betrieben werden konnte. Aus Platzgründen befand sich der Generator häufig direkt auf dem Kurbelwellenende und lief dort mit der Drehzahl der Brennkraftma- schine. Die Momentenwelligkeit stellte bei den übli- cherweise verwendeten hochdrehenden Zweitaktmotoren ebenfalls kein Problem dar.

Die ältere Patentanmeldung DE 196 29 839.3 beschreibt weiterhin eine Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge,

mit einem auf die Antriebsräder des Kraftfahrzeuges wirkenden Getriebe, wobei eine Getriebeeingangswelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine kup- pelbar ist, und mit einer elektrischen Maschine, die über ein Zwischengetriebe mit dem Getriebe kuppelbar ist und die sowohl als Startermotor zum Andrehen der Brennkraftmaschine als auch als Generator zur energe- tischen Versorgung eines elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeuges umschaltbar ist. Nachteilig ist hier jedoch wiederum die notwendige Auslegung als Starter- motor mit hohem Drehmoment bei niederen Drehzahlen, was gleichzeitig für einen Betrieb als Generator mit höheren Drehzahlen ungünstig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Starter-Generator-Maschine für eine Brennkraftma- schine zu entwickeln, die sowohl beim Starten der Brennkraftmaschine ausreichend mechanische Leistung liefern und sicher übertragen kann als auch beim Betrieb als Generator, wenn die Brennkraftmaschine mit höheren Drehzahlen läuft, eine ausreichend hohe elektrische Leistung liefern kann.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den im Patentan- spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß durch die Möglichkeit der Drehzahlanpassung mittels eines Getriebes der Generator bei laufender Fahrzeug- Brennkraftmaschine stets in einem Bereich hohen Wir- kungsgrades laufen kann. Bereits bei geringer Kurbel- wellendrehzahl ist so eine hohe elektrische Lei-

stungsabgabe des Generators gewährleistet, wodurch die zahlreichen elektrischen Verbraucher heutiger mo- derner Kraftfahrzeuge sicher mit Energie versorgt werden können, ohne daß beispielsweise bei längerem Leerlaufbetrieb in einem Verkehrsstau die Gefahr einer langsamen Entladung des Fahrzeugakkumulators besteht. Gleichzeitig kann jedoch die elektrische Maschine das zum Starten der Brennkraftmaschine not- wendige hohe Drehmoment liefern, wenn die Übersetzung des Getriebes entsprechend gewählt wird. Wegen des unkomplizierten Aufbaus und der leichten Bedienbar- keit bietet sich für die Drehzahleinstellung der elektrischen Maschine besonders ein Planetengetriebe an. Solche Getriebe haben darüber hinaus einen nur sehr geringen Platzbedarf, weshalb sie in diesem Fall leicht im Fahrzeug integriert werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus einer zusätzlichen Leerlaufstellung neben den vorzugsweise zwei einstellbaren Übersetzungsstufen des Planetenge- triebes. Der Ausrückhebel kann in eine Mittelstellung gebracht werden, wodurch die Wirkverbindung der elek- trischen Maschine mit dem Antriebsstrang der Brenn- kraftmaschine unterbrochen werden kann. Der Rotor der elektrischen Maschine läuft nach dem Einlegen der Neutralstellung langsam aus. Eine solche Schaltstel- lung kann besonders vorteilhaft sein für die Reali- sierung verschiedener kraftstoffsparender Betriebszu- stände des Fahrzeugs, wie beispielsweise ein Modus ohne Mitlaufen des elektrischen Teils des Generators.

Da herkömmliche Generatoren mit konstanter Überset- zung permanent angetrieben werden, verbrauchen sie

auch bei abgeschalteten Verbrauchern und voll gela- denem Akkumulator eine gewisse Menge an zusätzlichem Kraftstoff. Eine zusätzlich vorgesehene Leerlaufstel- lung im Planetengetriebe ermöglicht dagegen eine Abschaltung des Generators bei geladenem Akkumulator und Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen Genera- tor und Antriebsstrang. Eine solche Schaltstellung ist auch zum Schutz der elektrischen Maschine gegen Überlastung oder Uberhitzung vorteilhaft. Beispiels- weise kann bei zu hohen Drehzahlen oder bei zu star- ker Erwärmung der elektrischen Maschine automatisch die Neutralstellung angewählt werden, wodurch sich eine effektive Uberlastsicherung realisieren läßt.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Maschine ist weiterhin, daß gleichzeitig immer nur eine Schalt- stellung des Planetengetriebes möglich ist. Gegenüber herkömmlichen Ausführungen mit Magnetkupplung und Freilauf weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, daß kein versehentliches Verschalten, d. h. ein gleichzeitiges Einlegen von zwei Gängen, möglich ist. Zudem stehen die Getrieberäder des Pla- netengetriebes permanent miteinander im Eingriff, d. h. das Umschalten des Getriebes geht ohne ein Aus- spuren der Zahnräder vonstatten, wodurch eine zusätz- liche Synchronisierung entbehrlich wird.

Die erfindungsgemäße Maschine weist zudem den Vorteil des nur äußerst geringen zusätzlichen Energiebedarfs auf. Da die jeweils angewählte Schaltstellung des Planetengetriebes und damit die Übersetzung ohne wei- tere äußere Energiezufuhr konstant bleibt, ist eine

zusätzliche Energiezufuhr nur zum Zeitpunkt des Umschaltens der Übersetzung notwendig. Diese Umschal- tenergie kann auf mechanischem Wege aufgebracht wer- den. Ebenso möglich sind jedoch auch elektromagne- tisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigte Umschalteinrichtungen.

Durch die räumliche Zusammenfassung von Starter und Generator in einem einzigen Bauteil ist weiterhin der Bau-und Montageaufwand deutlich reduziert, was einerseits einen Kostenvorteil erbringt. Da auch der Raumbedarf an der Brennkraftmaschine reduziert ist, folgt eine erhöhte konstruktive Freiheit bei der Positionierung der Brennkraftmaschine im Fahrzeug sowie deren Nebenaggregate. Die herkömmlichen Ferti- gungsanlagen sowie das Know-how für die Herstellung von Startern und Generatoren können weiterverwendet werden. Verschiedene Bauteile entsprechen unverändert der heutigen Serie von Startern und Generatoren.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die erfindungsgemäße Starter-Generator-Maschine flüssigkeitsgekühlt wird, was durch einen Anschluß an den Wasserkühlkreislauf der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Neben der dar- gestellten Ausführungsform mit Wasserkühlung ist wahlweise auch eine luftgekühlte Version mit eigenem oder zusätzlichen Kühlgebläse realisierbar.

Vorteilhaft ist schließlich, wenn die Starter-Genera- tor-Maschine und insbesondere das umschaltbare Plane- tengetriebe ölgeschmiert sind, was zweckmäßigerweise

durch eine Versorgung mit dem Getriebeöl des Schalt- getriebes erfolgen kann.

Eine weitere vorteilhafte Einsatzmöglichkeit der elektrischen Maschine liegt in der Unterstützung der Getriebesynchronisierung. Dies kann durch gezielte Drehmomentstöße zur Beschleunigung oder zum Abbremsen der mit der elektrischen Maschine wirkverbundenen Getriebeeingangswelle erreicht werden. Auf diese Weise kann bei einer entsprechend dimensionierten elektrischen Maschine die herkömmliche Synchronisie- rung im Schaltgetriebe unterstützt werden oder sogar völlig entfallen. Notwendig ist dazu allerdings eine deutliche Überdimensionierung, da zum zusätzlichen Beschleunigen der Getriebeeingangswelle bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine erhebliche mechanische Leistung aufgebracht werden muß.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten, Merkmalen.

Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie- len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu- tert. Es zeigen : Figur 1 eine perspektivische Gesamtansicht der elektrischen Maschine mit Getriebeüber- setzung ;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Maschine aus Figur 1, jedoch ohne äußeres Gehäuse und Figur 3 eine Vollschnitt-Darstellung der elektri- schen Maschine mit Planetengetriebe aus Figur 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Maschine 2, die von einem im wesentlichen zylindrisch ausgeführten Gehäuse 6 umschlossen wird. Eine kreisförmige Stirnseite 8 des Gehäuses 6 weist eine zentrale Durchführung 10 für eine Antriebswelle 12 eines mit der elektrischen Maschine 2 in Verbindung stehenden Planetengetriebes 4 auf. An der äußeren Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses 6, nahe der Stirnseite 8 ist ein radial her- ausgeführter Ausrückhebel 14 erkennbar. Dieser Aus- rückhebel 14 kann in axiale Richtung verschoben wer- den und sorgt für die Auswahl der gewünschten Getrie- beübersetzung.

Die Figur 2 zeigt die elektrische Maschine 2 aus Figur 1 mit abgenommenem Gehäuse 6. Besonders gut erkennbar wird dadurch die gabelförmige Verbindung des Ausrückhebels 14, der fest an einem Hohlrad 18 eines Planetengetriebes fixiert ist und so für die axiale Verschieblichkeit des Hohlrades 18 sorgen kann.

Die Figur 3 zeigt eine Vollschnitt-Darstellung der mit einem Planetengetriebe 4 versehenen elektrischen Maschine 2. Erkennbar ist hier die Umhüllung der elektrischen Maschine 2 und das Planetengetriebe 4 mit dem Gehäuse 6. An der der Gehäusestirnseite 8 gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse 6 offen, damit die elektrische Maschine 2 und das Planetenge- triebe 4 bei Bedarf zugänglich bleiben. Ein mit dem Gehäuse 6 verbundener und im Durchmesser über dieses hinausragender Flansch 38 dient als rückseitiger Gehäusedeckel und gleichzeitig als Aufnahme für die Lagerung des Rotors 20 der elektrischen Maschine 2 mit einem Wälzlager 26. Um die Lagerung schließlich nach außen abzuschließen und damit vor Umwelteinflüs- sen zu schützen, ist auf den Flansch 38 ein weiterer Gehäusedeckel 40 aufgesetzt. Dieser Gehäusedeckel 40 kann mit dem Flansch 38 verschraubt oder durch einen Sprengring gesichert sein.

Das Planetengetriebe 4 sorgt einerseits für die Wirk- verbindung der elektrischen Maschine 2 mit dem An- triebsstrang des Kraftfahrzeuges, beispielsweise mit einer hier nicht näher dargestellten Getriebeein- gangswelle eines Hauptgetriebes des Kraftfahrzeuges.

Der Rotor 20 der elektrischen Maschine 2 ist in zwei Wälzlagern, 26 und 28, gelagert. Das in der Figur 3 links liegende Lager 26 stützt sich mit seinem Außen- ring an dem Flansch 38 ab. Diese beiden Wälzlager sind in der Figur 3 als Rillenkugellager angedeutet.

Ebenso möglich ist jedoch auch eine Lagerung mit Kegelrollen oder Vierpunktkugellagern oder ähnlichen Lagerbauformen.

An einem dem Planetengetriebe 4 zugewandten Ende weist der Rotor 20 eine Verzahnung auf und stellt damit gleichzeitig das zentrale Sonnenrad 22 des Pla- netengetriebes 4 dar. Mit diesem Sonnenrad 22 stehen mehrere Planetenräder 24 im Eingriff, die wiederum mit einem die Planetenräder 24 umschließenden Hohlrad 18 im Eingriff stehen. Das Hohlrad 18 ist über zwei Wälzlager, ein Ausrücklager 30 und ein kleineres Lager 32, gelagert. Das Hohlrad 18 weist zudem eine Aufnahme für den Außenring des Lagers 28 auf, in dem der Rotor 20 gelagert ist. Das Hohlrad 18 steht zudem mit dem Ausrückhebel 14 in Verbindung und ist gering- fügig axial verschieblich, um auf diese Weise den Wechsel der Übersetzungsstufen im Planetengetriebe 4 zu ermöglichen. So weist das Hohlrad 18 zwei radiale Reibflächen 44 und 46 auf, welche entweder den mit der Antriebswelle 12 in Verbindung stehenden Plane- tenradträger 13 fest mit dem Hohlrad 18 verbinden können oder das Hohlrad an die innere Gehäusestirn- seite 9 andrücken und damit blockieren können. Ist keine dieser beiden Reibflächen 44 oder 46 geschlos- sen, befindet sich das Planetengetriebe 4 in einer Neutralstellung, da sich in dieser Stellung das Son- nenrad 22, die Planetenräder 24 und das Hohlrad 18 frei drehen können. Der Rotor 20 der elektrischen Maschine 2 steht dabei in keiner Wirkverbindung mit der Antriebswelle 12.

Das Umschalten des Planetengetriebes 4, das heißt die Änderung der Obersetzung, erfolgt durch axiales Ver- schieben des Hohlrades 18 über den mit diesem fest verbundenen Ausrückhebel 14. Beschrieben wird im fol-

genden der Fall einer laufender Brennkraftmaschine sowie der im generatorischen Betrieb befindlichen elektrischer Maschine 2, die damit ein mechanisches Drehmoment von der Brennkraftmaschine aufnimmt. Bei Anlage des Hohlrades 18 am Planetenradträger 13 über die Reibfläche 46 wird das an der Antriebswelle 12 anliegende Drehmoment über den mit dem Hohlrad 18 wirkverbundenen Planetenradträger 13 auf das Sonnen- rad 22 und damit auf den Rotor 20 der elektrischen Maschine 2 übertragen. Die Planetenräder 24 kämmen hierbei nicht mit den Verzahnungen des Sonnenrades 22 oder des Hohlrades 18, sondern laufen mitsamt dem Hohlrad 18, dem Planetenradträger 13 und dem Sonnen- rad 22 mit gleicher Umdrehungszahl um. Das Ausrückla- ger 30 dreht hierbei leer durch. Das Übersetzungsver- hältnis des Planetengetriebes 4 beträgt in dieser Stellung beispielsweise i=2. Die Drehzahl des Rotors 20 der elektrischen Maschine 2 ist gleich der Antriebswelle 12.

Bei einer axialen Verschiebung des Ausrückhebels 14 wird das Hohlrad 18 mitsamt dem Ausrücklager 30 nach rechts verschoben. Die Betätigungskraft zur Verschie- bung des Ausrückhebels 14 kann dabei durch ein magne- tisch betätigtes Relais, durch einen hydraulischen oder durch einen pneumatischen Steller oder auf ähn- liche Weise aufgebracht werden. Bei Anlage des Hohl- rades 18 an die innere Gehäusestirnseite 9 mit der Reibfäche 44 wird das Hohlrad 18 durch das Gehäuse 6 blockiert. Das Drehmoment wird von der Antriebswelle 12 auf den Planetenradträger 13 übertragen, wodurch die Planetenräder 24 umlaufen und mit dem Hohlrad 18

und dem Sonnenrad 22 kämmen. Da das Hohlrad 18 nicht umlaufen kann, sondern fest mit dem Gehäuse 6 verbun- den ist, übertragen die Planetenräder 24 ihr Drehmo- ment auf das Sonnenrad 22, das fest mit dem Rotor 20 der elektrischen Maschine 2 verbunden ist. Das Aus- rücklager 30 steht in dieser Betriebsstellung fest.

Das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 4 beträgt in dieser Stellung beispielsweise i=5. Die Drehzahl der Antriebswelle 12 wird untersetzt und ist dann im Verhältnis i=1 : 5 die der Drehzahl des Plane- tenradträgers 13.

Schließlich kann bei ausreichend groß gewähltem axia- lem Verfahrweg eine Mittelstellung des Ausrückhebels 14 vorgesehen werden, bei der das Hohlrad 18 weder an der Reibfläche 44 noch an der Reibfläche 46 anliegt.

Der Planetenradträger 13 läuft mit der Drehzahl der Antriebswelle 12 um. Die Planetenräder 24 können sich frei drehen und kämmen sowohl mit dem Hohlrad 18 als auch mit dem Sonnenrad 22. Da jedoch auch das Hohlrad 18 frei drehen kann, kann kein Drehmoment auf das Sonnenrad 22 und damit den Rotor 20 der elektrischen Maschine 2 übertragen werden. Diese Mittelstellung des Planetengetriebes 4 entspricht damit einer Neu- tralstellung, bei der die Wirkverbindung der elektri- schen Maschine 2 mit dem Antriebsstrang des Kraft- fahrzeuges, beispielsweise der Getriebeeingangswelle des Hauptgetriebes, unterbrochen ist.