DE10048843A1

DE10048843A1 - Hybridantriebsstrang mit integriertem Motor/Generator

Info

Publication number: DE10048843A1
Application number: DE10048843A
Authority: DE
Inventors: David Gordon Evans; Keit D Van Maanen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2020-10-03
Also published as: DE10048843B4; US6208036B1

Abstract

Ein Hybridantriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor, ein Lastschaltgetriebe und einen elektrischen Antrieb auf. Der elektrische Antrieb umfaßt einen Ständer, der im Gehäuse des Lastschaltgetriebes befestigt ist, und einen Läufer, der am Außenumfang des Drehmomentwandlers des Lastschaltgetriebes befestigt ist. Sowohl der Läufer als auch das Pumpenrad des Drehmomentwandlers sind direkt mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Es ist eine Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung für einen selektiven Eingriff zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers vorgesehen.

Description

Diese Erfindung betrifft Hybridantriebsstränge und insbesondere Hybrid antriebsstränge mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Motor/Generator.

Antriebsstränge der Hybridart wenden im allgemeinen einen Verbren nungsmotor und eine oder mehr Motor/Generator-Einheiten an, die ge meinsam arbeiten, um den Rädern eines Fahrzeugs Antriebsleistung zu liefern. Der elektrische Teil des Fahrzeugs wird im allgemeinen verwendet, wenn Geräusch- oder Abgasemissionen von größtem Belang sind. Diese Art von Fahrzeug ist zum Betrieb in einer geschlossenen Umgebung (elek trischer Antrieb), wie einer Passagierabfertigungshalle, und in einer offe nen Umgebung (Verbrennungsmotorantrieb), wie einem Parkhaus oder Parkplatz, geeignet. Daher ist das Fahrzeug ideal, um Passagiere von einer Abfertigungshalle zu einem Parkhaus oder Parkplatz zu transportieren.

Fahrzeuge, die einen Hybridantriebsstrang anwenden, sind auch gut für den Stadtverkehr geeignet, wo es in großem Ausmaß zäh fließenden Ver kehr mit zahlreichen Stillständen gibt. Diese Fahrzeuge benutzen ein Bremsen mit Rückgewinnung elektrischer Energie, um die elektrischen Energiespeichereinrichtungen (Batterien) wiederaufzuladen. Während der Stadtfahrt zieht der Antriebsstrang Nutzen aus dem Verbrennungsmotor sowie dem elektrischen Antrieb, um sowohl die Kraftstoffwirtschaftlichkeit als auch die Abgasemissionen zu verbessern. Der Hybridantriebsstrang erlaubt es, daß der Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstopps abgestellt werden kann. Ein erneuter Start und/oder eine Fahrzeugbeschleunigung wird von dem elektrischen Antrieb besorgt.

Die Hybridantriebsstränge sind auch für den Landtransport geeignet, bei dem die elektrischen Antriebseinheiten dazu verwendet werden können, ein Antreiben des Fahrzeuges unter Bedingungen hohen Leistungsaus ganges, wie schneller Beschleunigung und Anstieg am Berg, zu unterstüt zen. Die elektrischen Antriebseinheiten könnten auch in dem Fall einen Vortrieb liefern, daß der Betrieb des Verbrennungsmotors versehentlich unterbrochen wird.

Bei allen elektrisch/mechanisch arbeitenden Hybridantriebssträngen sind die elektrischen und mechanischen Antriebseinheiten derart konstruiert, daß sie bei allen Fahrzuständen des Fahrzeuges arbeiten. Die Antriebs stränge umfassen im allgemeinen auch eine Zahnradanordnung von der Art eines Planetengetriebes, die dazu entworfen ist, die elektrischen und mechanischen Antriebseinheiten effektiv zu einem integrierten System zu kombinieren.

Es ist vorgeschlagen worden, bei manchen Systemen den elektrischen Antrieb zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe anzuordnen. Diese Systeme sind Schwungrad-Generator-Anlasser-Systeme (Flywheel- Alternator-Starter- oder FAS-systems) genannt worden. Das FAS-System erhöht die Getriebegröße in einer Längsrichtung und erfordert oft zusätzli chen radialen Raum. Bei manchen FAS-Systemen, beispielsweise die US-Patente Nr. 5 258 651 (am 2. November 1993 veröffentlicht) und 5 285 111 (am 8. Februar 1994 veröffentlicht) von Sherman, ersetzen der Motor/Generator und eine Planetenradanordnung den üblicheren Drehmomentwandler.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Hybridan triebsstrang mit einem Motor/Generator bereitzustellen.

Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß ein Hybridantriebs strang einen Verbrennungsmotor, ein Lastschaltgetriebe und einen elek trischen Antrieb aufweist. Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Er findung, daß das Lastschaltgetriebe und der elektrische Antrieb in einem einzigen Gehäuseaufbau enthalten sind. Es ist zusätzlich ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß der elektrische Antrieb ein Mo tor/Generator (M/G) mit einem Läufer und einem Ständer ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Last schaltgetriebe einen Drehmomentwandler auf, der zwischen dem Verbren nungsmotor und einer Planetenradanordnung angeordnet ist, und der Läufer des M/G ist am Außenumfang des Drehmomentwandlers befestigt. Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Ständer des M/G innerhalb des Gehäuseaufbaus befestigt, der sowohl den Läufer als auch den Drehmomentwandler umgibt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Größe des Drehmomentwandlers her abgesetzt, die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung steht bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten in Eingriff, und der M/G erlaubt ei ne Verringerung der Störungen des Antriebsstranges bei niedriger Ge schwindigkeit, die zu einem frühen Eingriff der Drehmomentwandler überbrückungskupplung gehören.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in dieser zeigt die Figur im Aufriß teilweise im Schnitt einen Antriebsstrang, der die vorliegende Erfindung enthält.

Ein Antriebsstrang 10 umfaßt einen Verbrennungsmotor 12, einen Mo tor/Generator (M/G) 14, ein Mehrgang-Lastschaltgetriebe 16 und einen Endantrieb 18. Der Verbrennungsmotor 12 ist eine herkömmliche Brenn kraftmaschinen-Energiequelle oder Antriebsmaschine. Der Endantrieb 18 ist ein herkömmlicher Zahnradmechanismus, der im allgemeinen aus ei nem Tellerrad- und Ritzelantrieb und einem Differentialabtrieb besteht.

Das Lastschaltgetriebe 16 weist einen Drehmomentwandler 20 auf, der drehbar in einem Drehmomentwandlergehäuse 22 angeordnet ist. Der Drehmomentwandler umfaßt ein Pumpenrad 24, ein Turbinenrad 26 und ein Leitrad 28. Das Pumpenrad 24 steht über eine Antriebsschale 30 und eine Biegescheibe 32 mit der Kurbelwelle 34 des Verbrennungsmotors 12 in Antriebsverbindung. Das Turbinenrad 26 steht mit einer Getriebean triebswelle 36 in Antriebsverbindung, die wiederum mit den herkömmli chen Antriebskupplungen, nicht gezeigt, des Lastschaltgetriebes 16 ver bunden ist.

Das Lastschaltgetriebe 16 umfaßt vorzugsweise eine Mehrgang-Plane tenradanordnung, nicht gezeigt, die gemäß der Planetenradanordnung aufgebaut sein kann, die in dem US-Patent Nr. 4 086 827 von Chana, das am 2. Mai 1978 veröffentlicht wurde, gezeigt ist. Fachleute werden sich der vielen anderen Planetenrad- und Gegenwellenzahnradanordnungen bewußt sein, die mit der vorliegenden Erfindung angewandt werden kön nen. Das Getriebe 16 weist eine Abtriebswelle 38 auf, die in Antriebsver bindung mit der Antriebszahnradanordnung der Endantriebszahnrad anordnung 18 steht. Die Endantriebszahnradanordnung weist zwei Ab triebswellen oder Achsen 40 auf, die mit herkömmlichen Antriebsrädern, nicht gezeigt, verbunden sind.

Das Getriebe 16 weist ein Gehäuse auf, das aus dem Drehmomentwand lergehäuse 22, einem Hauptgehäuse 42 und einem Endgehäuse 44 be steht. Das Hauptgehäuse trägt die Planetenradanordnung und zugehörige Mechanismen zur Übertragung von Reibmoment, wie Kupplungen und Bremsen. Das Endgehäuse 44 stellt eine Unterstützung für die Abtriebs welle 38 und einen Drehzahlregler, nicht gezeigt, bereit. Bei manchen Ge triebeaufbauten sind das Hauptgehäuse 42, das Drehmomentwandler gehäuse 22 und das Endgehäuse 44 als eine einzige Einheit gegossen.

Eine Drehmomentwandler-Überbrückungskupplungs 46 ist in dem Dreh momentwandler 20 zwischen der Antriebsschale 30 und dem Turbinenrad 26 angeordnet, um eine selektiv in Eingriff bringbare Antriebsverbindung zwischen dem Turbinenrad 26 und dem Pumpenrad 24 herzustellen. Wenn die Kupplung 46 in Eingriff steht, wird der Drehmomentwandler in einem Eins-zu-Eins-Zustand, ohne irgendeinen hydrodynamischen Schlupf zwischen dem Pumpenrad 24 und dem Turbinenrad, arbeiten. Bekanntlich verbessert der Eingriff der Drehmomentwandler-Über brückungskupplung 46 den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs. Es ist auch wohlbekannt, daß die Drehmomentwandler-Überbrückungskupp lung 46 zur Schaffung eines gleichmäßigen Kraftflusses bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten nicht in Eingriff steht. Ein derartiger Eingriff führt zu Antriebsstrangstörungen, wie Schuckeln, das für den Bediener ärgerlich sein kann. Zur Vermeidung dieses Zustandes ist vorgeschlagen worden, einen Schlupfzustand in die Kupplung 46 einzuarbeiten. Dies er langt natürlich nur einen Teil des Wirkungsgrades wieder, der durch einen vollen Kupplungseingriff gewonnen wird.

Der M/G 14 umfaßt einen Ständer 50 und einen Läufer 48. Der Ständer 50 ist in dem Drehmomentwandlergehäuse 22 befestigt, das an dem Ver brennungsmotor 12 befestigt ist. Alternativ kann der Ständer direkt am Motorblock befestigt sein. Der Läufer 48 ist an einer Nabe 52 befestigt, die in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle 34 und der Biegescheibe 32 steht. Der M/G 14 ist in der Lage, elektrische Energie zu liefern und elek trische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Es ist eine her kömmliche elektronische Steuereinheit (ECU) 54 dafür vorgesehen, den Zustand des M/G 14 sowie des Getriebes 16, des Verbrennungsmotors 12 und der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 zu steuern. Fachleute werden einsehen, daß viele Ausgestaltungen des Aufbaus mög lich sind, die es zulassen, daß der M/G 14 innerhalb des Antriebsstrangs 10 an einem Ort neben der Verbindungsstelle des Verbrennungsmotors 12 und des Drehmomentwandlers 20 gehalten sein kann. Die konzentrische Anordnung des M/G 14 beherbergt einen Drehmomentwandler 20 mit kleinerem Durchmesser, während ein dünnerer Drehmomentwandler mit einem koaxialen, nicht konzentrischen M/G untergebracht werden kann.

Bekanntlich umfaßt die ECU 54 einen programmierbaren, digitalen Com puter, der Daten sammelt, wie beispielsweise Drehzahlen, Drehmoment und Temperaturen, um einige zu nennen, und Steuersignale verteilt, um das gewünschte Schaltschema in dem Getriebe, die gewünschte Kraftstoff zufuhr und den gewünschten Betrieb der Drehmomentwandler-Über brückungskupplung, um einige zu nennen, bereitzustellen. Die ECU 54 steuert auch den Betrieb des M/G 14, um elektrische Energie zur Spei cherung in einer elektrischen Speichereinrichtung 56, wie einer Batterie, zu erzeugen oder Leistung an die Nabe 52 zu liefern. Der M/G 14 wird Anlaßenergie oder -leistung für den Verbrennungsmotor 12 liefern oder die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 12 erhöhen. Dies beseitigt den üblichen Anlasser und Generator aus den Vorrichtungen des Fahr zeugzubehörs. Der M/G kann auch Energie, Kraft oder Leistung liefern, um das Fahrzeug über das Getriebe 16 anzutreiben, wenn der Verbren nungsmotor 12 keine Leistung liefert.

Durch Einarbeiten des M/G 14 in das Drehmomentwandlergehäuse 22 bleibt die Längsabmessung des Getriebes 16 durch die Verwendung eines kleineren Drehmomentwandlers und den Drehmomentglättungseffekt des M/G 14 die gleiche. Die radiale Abmessung des Drehmomentwandlerge häuses 22 bleibt die gleiche, wenn der M/G konzentrisch mit dem Dreh momentwandler 20 angeordnet ist. Durch Einarbeiten des M/G 14 kann der Durchmesser des Drehmomentwandlers 20 verringert werden. Der M/G 14 wird als eine elektrische Energiequelle betrieben, wenn der elek trische Speicher 56 nachgefüllt werden muß oder wenn das Fahrzeug ver zögert wird. Der M/G 14 wird als eine Energie- oder Leistungsquelle be trieben, wenn es nötig ist, den Verbrennungsmotor 12 anzulassen. Der M/G 14 führt Leistung zu, um den Störungen des Antriebsstranges entge genzuwirken und somit einen früheren oder Niedergeschwindigkeitsein griff der Kupplung 46 zu gestatten. Der M/G 14 liefert während eines Be triebes mit niedriger Geschwindigkeit, bei dem die Kupplung 46 vollstän dig in Eingriff steht, eine Drehmomentglättung, indem ein gegenphasiges Drehmoment in das System eingeleitet wird, das die Drehmomentstörun gen des Antriebsstrangs glätten wird. Die Verringerung der Größe des Drehmomentwandlers 20 wird im allgemeinen während der Fahrzeugbe schleunigung zu einer erhöhten Wärmeerzeugung führen, jedoch gestattet der M/G 14 das Erzwingen eines Niedergeschwindigkeitseingriffes der Kupplung 46, um die Wärmeerzeugung zu lindern, die sonst während des Durchrutschens oder Schlupfes mit dem kleineren Drehmomentwandler auftreten könnte. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die Kupplung 46 während einer Beschleunigung mit einer weit offenen Dros selklappe in Eingriff zu halten.

Mit der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, sind die fol genden Vorteile vorhanden:

A) ähnliche Packungsgröße wie ein herkömmlicher Antriebs strang,
B) verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit,
C) Leistungsvermögen und Haltbarkeit,
D) ähnliches Fahrverhalten,
E) verbesserte (geringere) Wärmeerzeugung, und
F) ähnliche Rotationsmassenträgheit, die zur Fahrzeugbeschleu nigung wichtig ist.

Die Schlüsselmerkmale, aus denen diese Vorteile ausfließen, sind ein Drehmomentwandler mit kleinerem Durchmesser, ein konzentrischer M/G, ein früherer Eingriff der Drehmomentwandler-Überbrückungs kupplung und eine Drehmomentglättung.

Zusammengefaßt weist ein Hybridantriebsstrang einen Verbrennungsmo tor, ein Lastschaltgetriebe und einen elektrischen Antrieb auf. Der elektri sche Antrieb umfaßt einen Ständer, der im Gehäuse des Lastschaltgetrie bes befestigt ist, und einen Läufer, der am Außenumfang des Drehmo mentwandlers des Lastschaltgetriebes befestigt ist. Sowohl der Läufer als auch das Pumpenrad des Drehmomentwandlers sind direkt mit dem Ver brennungsmotor verbunden. Es ist eine Drehmomentwandler-Über brückungskupplung für einen selektiven Eingriff zwischen dem Pumpen rad und dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers vorgesehen.

Claims

1. Antriebsstrang, umfassend:
einen Verbrennungsmotor,
ein Lastschaltgetriebe, das ein Getriebegehäuse mit einem Drehmomentwandlerabschnitt, einen Drehmomentwandler, der in dem Drehmomentwandlerabschnitt angeordnet ist und ein Pumpen rad und ein Turbinenrad umfaßt, und eine Abtriebswelle aufweist, wobei das Pumpenrad in Antriebsverbindung mit dem Verbren nungsmotor steht und das Turbinenrad in Antriebsverbindung mit einer Antriebswelle steht, wobei die Abtriebswelle mit einem Endan triebsmechanismus verbunden ist,
einen selektiv in Eingriff bringbaren Drehmomentwandler- Überbrückungskupplungsmechanismus, der zwischen dem Pum penrad und dem Turbinenrad angeordnet ist und in Antriebsverbin dung mit dem Turbinenrad steht, und
einen Motor/Generator-Mechanismus mit einem Läufer, der konzentrisch mit dem Pumpenrad und dem Verbrennungsmotor und zur gemeinsamen Drehung mit diesen angeordnet ist, und ei nem Ständer, der feststehend in bezug auf den Verbrennungsmotor und im Innern des Drehmomentwandlerabschnitts des Getriebege häuses befestigt ist.

2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor, das Pumpenrad, das Turbinenrad und der Läufer synchron rotieren, wenn die Drehmomentwandler-Über brückungskupplung in Eingriff steht.

3. Antriebsstrang, umfassend:
einen Verbrennungsmotor,
eine Antriebsschale, die in Antriebsverbindung mit dem Ver brennungsmotor steht,
eine Nabe, die in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungs motor steht und einen Umfangsabschnitt aufweist, der sich kon zentrisch mit einem Abschnitt der Antriebsschale erstreckt,
ein Lastschaltgetriebe, das ein Getriebegehäuse mit einem Drehmomentwandlerabschnitt und einem Drehmomentwandler aufweist, der in dem Drehmomentwandlerabschnitt angeordnet ist und ein Pumpenrad und ein Turbinenrad umfaßt, wobei das Getrie be eine Zahnradanordnung und eine Abtriebswelle umfaßt, das Pumpenrad in Antriebsverbindung mit der Antriebsschale steht und das Turbinenrad in Antriebsverbindung mit einer Antriebswelle steht, die Zahnradanordnung in Wirkverbindung zwischen der An triebswelle und der Abtriebswelle steht und die Abtriebswelle mit ei nem Endantriebsmechanismus verbunden ist,
einen selektiv in Eingriff bringbaren Drehmomentwandler- Überbrückungskupplungsmechanismus, der zwischen der Antriebs schale und dem Turbinenrad angeordnet ist und in Antriebsverbin dung mit dem Turbinenrad steht, und
einen Motor/Generator-Mechanismus mit einem Läufer, der in Antriebsverbindung mit dem Umfangsabschnitt der Nabe steht und koaxial mit dem Pumpenrad angeordnet ist, einem Ständer, der im Innern des Drehmomentwandlerabschnitts des Getriebegehäuses konzentrisch mit dem Läufer befestigt ist.

4. Antriebsstrang, umfassend:
einen Verbrennungsmotor,
ein Lastschaltgetriebe, das ein Getriebegehäuse mit einem Drehmomentwandlerabschnitt, einen Drehmomentwandler, der in dem Drehmomentwandlerabschnitt angeordnet ist und ein Pumpen rad und ein Turbinenrad umfaßt, und eine Abtriebswelle aufweist, wobei das Pumpenrad in Antriebsverbindung mit dem Verbren nungsmotor steht und das Turbinenrad in Antriebsverbindung mit einer Antriebswelle steht, wobei die Abtriebswelle mit einem Endan triebsmechanismus verbunden ist,
einen selektiv in Eingriff bringbaren Drehmomentwandler- Überbrückungskupplungsmechanismus, der zwischen dem Pum penrad und dem Turbinenrad angeordnet ist und in Antriebsverbin dung mit dem Turbinenrad steht, und
einen Motor/Generator-Mechanismus mit einem Läufer, der koaxial mit dem Pumpenrad und dem Verbrennungsmotor angeord net und zur gemeinsamen Drehung mit diesen befestigt ist, und ei nem Ständer, der feststehend in bezug auf den Läufer und im In nern des Drehmomentwandlerabschnitts des Getriebegehäuses be festigt ist.