DE10048843B4

DE10048843B4 - Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE10048843B4
Application number: DE10048843A
Authority: DE
Inventors: David Gordon Rochester Hills Evans; Keit D. van Blommfield Hills Maanen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2020-10-03
Also published as: DE10048843A1; US6208036B1

Abstract

Antriebsstrang (10) für ein Hybridfahrzeug, umfassend:
einen Verbrennungsmotor (12),
ein Lastschaltgetriebe (16), das ein Getriebegehäuse (22, 42, 44) mit einem Drehmomentwandlerabschnitt (23), einen Drehmomentwandler (20), der in dem Drehmomentwandlerabschnitt (23) angeordnet ist und ein Pumpenrad (24) und ein Turbinenrad (26) umfaßt, aufweist, wobei das Pumpenrad (24) in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor (12) steht und das Turbinenrad (26) in Antriebsverbindung mit einer Antriebswelle (36) des Lastschaltgetriebes (16) steht, und das Lastschaltgetriebe (16) eine Abtriebswelle (38) aufweist, die mit einem Endantrieb (18) für die Antriebräder des Hybridfahrzeugs verbunden ist,
eine selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung (46), um zwischen dem Pumpenrad (24) und dem Turbinenrad (26) eine Antriebsverbindung herzustellen, und
eine elektrische Maschine im Innern des Drehmomentwandlerabschnitts (23) des Getriebegehäuses (22, 42, 44), die als ein Motor/Generator (14) ausgebildet ist mit einem Läufer (48), der koaxial zum Pumpenrad (24) und dem Verbrennungsmotor (12) zur gemeinsamen Drehung mit diesen angeordnet...

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug nach dem Anspruch 1.
Antriebsstränge der Hybridart wenden im allgemeinen einen Verbrennungsmotor und eine oder mehr Motor/Generator-Einheiten an, die gemeinsam 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 (elektrischer Antrieb), wie einer Passagierabfertigungshalle, und in einer offenen 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 Verkehr 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 Leistungsausganges, wie schneller Beschleunigung und Anstieg am Berg, zu unterstützen. 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 Antriebsstränge 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 zusätzlichen 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.
Die US 5,789,823 offenbart einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Motor/Generator, einem Drehmomentwandler und einem Lastschaltgetriebe, wobei diese Komponenten in der genannten Reihenfolge hintereinander angeordnet sind. Der Drehmomentwandler umfasst ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, wobei die Außendurchmesser beider Räder größer sind als ein minimaler Abstand eines Läufers des Motor/Generators von einer Drehachse, um die sich sowohl das Pumpenrad und das Turbinenrad als auch der Läufer drehen.
Aus der US 5,562,565 ist ebenfalls ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug bekannt, der einen Verbrennungsmotor und einen Motor/Generator, sowie ein Lastschaltgetriebe und einen Drehmomentwandler aufweist. Der Motor/Generator und der Drehmomentumwandler sind in separaten, hintereinander angeordneten Gehäusen untergebracht. Zwischen diesen Gehäusen ist ein zusätzliches Gehäuse für eine Kupplung vorgesehen. Das Lastschaltgetriebe ist zwischen dem Motor/Generator und der Kupplung angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebstrang für ein Hybridfahrzeug in einer kompakten Bauweise auszuführen.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Antriebsstrang weist den Vorteil auf, dass die Größe des Drehmomentwandlers herabgesetzt werden kann. Die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung steht bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten in Eingriff, und der Motor/Generator erlaubt eine Verringerung der Störungen des Antriebsstranges bei niedriger Geschwindigkeit, die zu einem frühen Eingriff der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung gehören.
Mit der Erfindung sind die folgenden Vorteile vorhanden:

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

Die Schlüsselmerkmale, aus denen diese Vorteile ausfließen, sind ein Drehmomentwandler mit kleinerem Durchmesser, ein konzentrischer Motor/Generator, ein früherer Eingriff der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung und eine Drehmomentglättung.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt die Figur im Aufriß teilweise im Schnitt einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug.
Ein Antriebsstrang 10 umfaßt einen Verbrennungsmotor 12, einen Motor/Generator 14, ein Lastschaltgetriebe 16 mit mehreren Gängen und einen Endantrieb 18. Der Verbrennungsmotor 12 ist eine herkömmliche Brennkraftmaschinen. Der Endantrieb 18 ist ein herkömmliches Zahnradgetriebe, das im allgemeinen aus einem Tellerrad- und Ritzelantrieb und einem Differentialabtrieb besteht.
Das Lastschaltgetriebe 16 weist einen Drehmomentwandler 20 auf, der drehbar in einem Drehmomentwandlergehäuse 22 bzw. Drehmomentwandlerabschnitt 23 eines Getriebegehäuses 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 einer Kurbelwelle 34 des Verbrennungsmotors 12 in Antriebsverbindung. Das Turbinenrad 26 steht mit einer Antriebswelle 36 des Lastschaltgetriebes 16 in Antriebsverbindung, die wiederum mit den herkömmlichen Antriebskupplungen, nicht gezeigt, des Lastschaltgetriebes 16 verbunden ist.
Das Lastschaltgetriebe 16 umfaßt vorzugsweise eine nicht gezeigte Mehrgang-Planetenradanordnung. Fachleute werden sich der vielen Planetenrad- und Gegenwellenzahnradanordnungen bewußt sein, die angewandt werden können. Das Lastschaltgetriebe 16 weist eine Abtriebswelle 38 auf, die in Antriebsverbindung mit dem Endantrieb 18 steht. Der Endantrieb weist zwei Abtriebswellen oder Achsen 40 auf, die mit herkömmlichen Antriebsrädern, nicht gezeigt, verbunden sind.
Das Lastschaltgetriebe 16 weist ein Gehäuse auf, das aus dem Drehmomentwandlergehäuse 22, einem Hauptgehäuse 42 und einem Endgehäuse 44 besteht. Das Hauptgehäuse trägt die Planetenradanordnung und zugehörige Mechanismen zur Übertragung von Reibmoment, wie Kupplungen und Bremsen. Das Endgehäuse 44 stellt eine Unterstützung für die Abtriebswelle 38 und einen Drehzahlregler, nicht gezeigt, bereit. Bei manchen Getriebeaufbauten sind das Hauptgehäuse 42, das Drehmomentwandlergehäuse 22 und das Endgehäuse 44 als eine einzige Einheit gegossen.
Eine Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 ist in dem Drehmomentwandler 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 Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 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-Überbrückungskupplung 46 den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs. Es ist auch wohlbekannt, daß die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 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 Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 einzuarbeiten. Diese erlangt natürlich nur einen Teil des Wirkungsgrades wieder, der durch einen vollen Kupplungseingriff gewonnen wird.
Der Motor/Generator 14 umfaßt einen Ständer 50 und einen Läufer 48. Der Ständer 50 ist in dem Drehmomentwandlergehäuse 22 befestigt, das an dem Verbrennungsmotor 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 Motor/Generator 14 ist in der Lage, elektrische Energie zu liefern und elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Es ist eine herkömmliche elektronische Steuereinheit (ECU) 54 dafür vorgesehen, den Zustand des Motors/Generators 14 sowie des Lastschaltgetriebes 16, des Verbrennungsmotors 12 und der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 zu steuern. Fachleute werden einsehen, daß viele Ausgestaltungen des Aufbaus möglich sind, die es zulassen, daß der Motor/Generator 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 Motors/Generators 14 beherbergt einen Drehmomentwandler 20 mit kleinerem Durchmesser.
Bekanntlich umfaßt die Steuereinheit 54 einen programmierbaren, digitalen Computer, 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 Kraftstoffzufuhr und den gewünschten Betrieb der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung, um einige zu nennen, bereitzustellen. Die Steuereinheit 54 steuert auch den Betrieb des Motors/Generators 14, um elektrische Energie zur Speicherung in einer elektrischen Speichereinrichtung 56, wie einer Batterie, zu erzeugen oder Leistung an die Nabe 52 zu liefern. Der Motor/Generator 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 Fahrzeugzubehörs. Der Motor/Generator kann auch Energie, Kraft oder Leistung liefern, um das Fahrzeug über das Lastschaltgetriebe 16 anzutreiben, wenn der Verbrennungsmotor 12 keine Leistung liefert.
Durch Einarbeiten des Motors/Generators 14 in das Drehmomentwandlergehäuse 22 bleibt die Längsabmessung des Lastschaltgetriebes 16 durch die Verwendung eines kleineren Drehmomentwandlers und den Drehmomentglättungseffekt des Motors/Generators 14 die gleiche. Die radiale Abmessung des Drehmomentwandlergehäuses 22 bleibt die gleiche, wenn der Motor/Generator konzentrisch mit dem Drehmomentwandler 20 angeordnet ist. Durch Einarbeiten des Motors/Generators 14 kann der Durchmesser des Drehmomentwandlers 20 verringert werden. Der Motor/Generator 14 wird als eine elektrische Energiequelle betrieben, wenn die elektrische Speichereinrichtung 56 nachgefüllt werden muß oder wenn das Fahrzeug verzögert wird. Der Motor/Generator 14 wird als eine Energie- oder Leistungsquelle betrieben, wenn es nötig ist, den Verbrennungsmotor 12 anzulassen. Der Motor/Generator 14 führt Leistung zu, um den Störungen des Antriebsstranges entgegenzuwirken und somit einen früheren oder Niedergeschwindigkeitseingriff der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 zu gestatten. Der Motor/Generator 14 liefert während eines Betriebes mit niedriger Geschwindigkeit, bei dem die Drehmoment-Überbrückungskupplung 46 vollständig in Eingriff steht, eine Drehmomentglättung, indem ein gegenphasiges Drehmoment in das System eingeleitet wird, das die Drehmomentstörungen des Antriebs strangs glätten wird. Die Verringerung der Größe des Drehmomentwandlers 20 wird im allgemeinen während der Fahrzeugbeschleunigung zu einer erhöhten Wärmeerzeugung führen, jedoch gestattet der Motor/Generator 14 das Erzwingen eines Niedergeschwindigkeitseingriffes der Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46, um die Wärmeerzeugung zu lindern, die sonst während des Durchrutschens oder Schlupfes mit dem kleineren Drehmomentwandler auftreten könnte. So ist es möglich, die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung 46 während einer Beschleunigung mit einer weit offenen Drosselklappe in Eingriff zu halten.

Claims

Antriebsstrang (10) für ein Hybridfahrzeug, umfassend: einen Verbrennungsmotor (12), ein Lastschaltgetriebe (16), das ein Getriebegehäuse (22, 42, 44) mit einem Drehmomentwandlerabschnitt (23), einen Drehmomentwandler (20), der in dem Drehmomentwandlerabschnitt (23) angeordnet ist und ein Pumpenrad (24) und ein Turbinenrad (26) umfaßt, aufweist, wobei das Pumpenrad (24) in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor (12) steht und das Turbinenrad (26) in Antriebsverbindung mit einer Antriebswelle (36) des Lastschaltgetriebes (16) steht, und das Lastschaltgetriebe (16) eine Abtriebswelle (38) aufweist, die mit einem Endantrieb (18) für die Antriebräder des Hybridfahrzeugs verbunden ist, eine selektiv in Eingriff bringbare Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung (46), um zwischen dem Pumpenrad (24) und dem Turbinenrad (26) eine Antriebsverbindung herzustellen, und eine elektrische Maschine im Innern des Drehmomentwandlerabschnitts (23) des Getriebegehäuses (22, 42, 44), die als ein Motor/Generator (14) ausgebildet ist mit einem Läufer (48), der koaxial zum Pumpenrad (24) und dem Verbrennungsmotor (12) zur gemeinsamen Drehung mit diesen angeordnet ist, und mit einem Ständer (50), der feststehend in Bezug auf den Verbrennungsmotor (12) im Innern des Drehmomentwandlerabschnitts (23) des Getriebegehäu ses (22, 42, 44) befestigt ist, wobei der Motor/Generator (14) den Drehmomentwandler (20) konzentrisch umfasst.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (12), das Pumpenrad (24), das Turbinenrad (26) und der Läufer (48) synchron rotieren, wenn die Drehmomentwandler-Überbrückungskupplung (46) in Eingriff steht.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsschale (30) in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor (12) steht, eine Nabe (52), die in Antriebsverbindung mit dem Verbrennungsmotor (12) steht, einen Umfangsabschnitt aufweist, der sich koaxial mit einem Abschnitt der Antriebsschale (30) erstreckt, das Lastschaltgetriebe (16) eine Zahnradanordnung umfasst, die in Wirkverbindung zwischen der Antriebswelle (36) und der Abtriebswelle (38) steht, das Pumpenrad (24) in Antriebsverbindung mit der Antriebsschale (30) steht, und der Läufer (48) in Antriebsverbindung mit dem Umfangsabschnitt der Nabe (52) steht.