DE102006040117A1 - Hybridantriebseinheit - Google Patents

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Matthias Reisch
Andreas Männer
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Beschrieben ist eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug zum Einbau zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe, welche eine elektrische Maschine (3) mit einem Rotor (4) und einem Stator (5) aufweist und als Motor oder Generator betreibbar ist. Radial innerhalb der elektrischen Maschine (3) ist mindestens eine schaltbare Kupplung (6) angeordnet und das Fahrzeuggetriebe weist eine Getriebeeingangswelle (7) und ein Getriebegehäuse (8) auf. Kühlmittel, beispielsweise Kühlöl, wird im Wesentlichen zur Kühlung der Kupplung (6) durch eine zentrale Kühlmittelversorgung (Z) vom Getriebe zur Hybridantriebseinheit zu- und abgeführt. Der zentralen Kühlmittelversorgung (Z) schließt sich ein im Wesentlichen geschlossener Kühlmittel-Kreislauf (K) an, in welchem im Bereich der Kupplung (6) ein Druckausgleichsraum (1) vorgesehen ist, welcher vom Kühlmittel des Kühlmittel-Kreislaufs (K) durchströmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Heutzutage ist der Drehmomentwandler die gängige Technologie als Anfahrelement in einem Lastschaltgetriebe. Bei einem Übergang zur Hybridtechnologie wäre eine Möglichkeit, eine Hybridantriebseinheit auf dem Platz des Wandlers vorzusehen, wobei es wünschenswert ist, dass die Hybridantriebseinheit den gleichen oder geringeren Bauraum als der Wandler in Anspruch nimmt.
  • Eine derartige Hybridantriebseinheit ist in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderen DE 102006023289.5 beschrieben. Die Hybridantriebseinheit ist zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet und weist eine elektrische Maschine und zwei hydraulisch schaltbare Kupplungen auf. Die Hydraulik- beziehungsweise Kühlflüssigkeit der Kupplungen wird vom Getriebe bereitgestellt und je Kupplung ist ein Druckausgleichsraum für den dynamischen Druckausgleich vorgesehen. Drei Zuführungsleitungen und eine Rückführleitung, insgesamt vier Leitungen, sind für die Versorgung der zwei Kupplungen mit Hydraulik- beziehungsweise Kühlflüssigkeit vorgesehen. Für diese Hybridantriebseinheit ist eine besondere Ausbildung der Leitungen notwendig, und diese Ausbildung erfordert Veränderungen in dem angrenzenden Getriebe gegenüber einer Auslegung der Leitungen in einem Getriebe mit Wandler als Anfahrelement.
  • Größere Veränderungen im Getriebe, wie beispielsweise eine neue Auslegung der Hydraulik- beziehungsweise eine Änderung der Kühlflüssigkeitsleitungen, sind mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Eine Anpassung der Hybridantriebseinheit zu den im Getriebe schon vorhandenen Hydraulik- bezie hungsweise Kühlflüssigkeitsleitungen würde eine Verbreitung der Hybridtechnologie begünstigen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hybridantriebseinheit vorzusehen, die mit vorhandenen Antriebssystemen, das heißt deren Getrieben und Verbrennungsmotoren zusammengebaut werden kann, ohne wesentliche Veränderungen insbesondere bezüglich des Kühlmittel-Kreislaufs derselben durchzuführen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug gelöst, welche zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe eine elektrische Maschine aufweist, die mindestens einen Rotor und einen Stator enthält und die elektrische Maschine als Motor oder Generator betreibbar ist. Radial innerhalb der elektrischen Maschine ist mindestens eine hydraulisch schaltbare nasslaufende Kupplung angeordnet. Das Fahrzeuggetriebe, insbesondere ein Lastschaltgetriebe, weist eine Getriebeeingangswelle und ein Getriebegehäuse auf. Ein Kühlmittel, beispielsweise ein Kühlöl, wird erfindungsgemäß durch eine zentrale Kühlmittelversorgung des Getriebes zur Hybridantriebseinheit zu- und abgeführt. Die Kühlmittelversorgung geht in einen im Wesentlichen geschlossenen Kühlmittel-Kreislauf über. Das Kühlmittel wird insbesondere zur Kühlung der Kupplung genutzt, aber beispielsweise auch zur Schmierung der im Kühlmittel-Kreislauf angeordneten Lager und als Druckflüssigkeit in dem Druckausgleichraum. Durch Verwendung der bereits vorhandenen zentralen Kühlmittelversorgung des Getriebes kann die Hybridantriebseinheit in einen Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe mit geringem Aufwand, beispielsweise im Tausch gegen einen hydrodynamischen Wandler, eingebaut werden. Platz wird gespart durch das Ausnutzen des Kupplungsbereichs im Kühlmittel-Kreislauf als Druckausgleichsraum für die Kupplung. Auf einen separaten Druckausgleichsraum kann verzichtet werden, da das Kühlmittel auf beiden Seiten des Kupplungskolbens vorgesehen ist und somit ein gleich hoher Rotationsdruck auf beiden Seiten des Kupplungskolbens aufgebaut wird. Eine Rückstellfeder des Kupplungskolbens kann eingespart werden, da der Druck im Kühlmittel-Kreislauf beispielsweise zwischen 4 und 6 bar eingestellt ist und der Kupplungskolben zurückgestellt wird, sobald der Steuerdruck des Kupplungskolbens unter den momentanen Druck im Kühlmittel-Kreislauf abfällt. Da ein Antriebsstrang mit wenigen Ergänzungen zu einem Hybridantriebsstrang erweitert werden kann, ist dies ein Vorteil, der es möglich macht, die Hybridtechnik zu angemessenen Kosten herzustellen. Ebenfalls wird der Einbau einer Hybridantriebseinheit in derzeitige Verbrennungsmotor-Fahrzeuge ohne größere bauliche Veränderungen vereinfacht und die Attraktivität der Hybrid-Technologie erhöht.
  • Die zentrale Kühlmittelversorgung ist begrenzt durch eine mit dem Getriebegehäuse drehfest verbundene Hohlachse und der innerhalb der Hohlachse befindlichen Getriebeeingangswelle, wobei der Kühlmittel-Kreislauf außerhalb der Hohlachse und innerhalb des Rotors der elektrische Maschine vorgesehen ist.
  • Der Kühlmittel-Kreislauf ist mit Dichtungen versehen, beispielsweise können O-Ringe, Rechteckringe oder Radialwellendichtringe verwendet werden. Die Rechteckringe werden bei höheren Drücke bis 70 bar eingesetzt, weisen jedoch kleinere Leckagen auf. Die Radialwellendichtringe sind nur für niedrige Drücke geeignet. Dichtungen werden üblicherweise zwischen zwei relativ zueinander drehenden Bauteilen vorgesehen, wobei alle drehenden Dichtungen in dem Kühlmittel-Kreislauf erfindungsgemäß nahe zur Getriebeeingangswelle angeordnet sind, so dass die konstruktiv höchst zulässige Gleitgeschwindigkeit der Dichtungen, beispielsweise 30 m/s, nicht überschritten wird. Vorzugsweise sollten die Dichtringe innerhalb der ersten Hälfte des Innenradius des Rotors vorgesehen sein.
  • Die Dichtungen sind zwischen einem mit der Getriebeeingangswelle rotierenden und einem gehäusefesten Bauteil und/oder zwischen einem mit der Getriebeeingangswelle rotierenden und einem mit dem Rotor rotierenden Bauteil und/oder zwischen einem mit dem Rotor rotierenden und einem gehäusefesten Bauteil und/oder zwischen einem mit dem Rotor rotierenden und einem mit einer Pumpenantriebswelle rotierenden Bauteil vorgesehen.
  • Insbesondere können fünf Dichtungen benutzt werden, wobei die erste Dichtung zwischen dem Träger des Rotors und der Pumpenantriebswelle vorgesehen ist und die Pumpenantriebswelle auf der Hohlachse gelagert ist. Die zweite Dichtung ist zwischen dem Rotorträger und einem mit der Getriebeeingangswelle rotierenden Bauteil vorgesehen und die dritte Dichtung ist zwischen einem mit dem Rotorträger rotierenden Bauteil und einem mit der Getriebeeingangswelle rotierenden Bauteil vorgesehen. Die vierte Dichtung ist zwischen einem mit der Getriebeeingangswelle rotierenden Bauteil und dem verbrennungsmotorseitigen Ende der Hohlachse vorgesehen und die fünfte Dichtung ist zwischen einem gehäusefesten und einem mit dem Rotor der elektrischen Maschine rotierenden Bauteil vorgesehen. Wenn die Dichtungen in der vorbeschriebenen Weise angeordnet sind, können alle Dichtungen vorteilhafterweise nahe zur Getriebeeingangswelle platziert werden. Die ersten vier Dichtungen sind höheren Drücken ausgesetzt, dürfen jedoch kleinere Leckagen vorweisen, da diese sämtlich in einem Nassraum angeordnet sind und ausschließlich verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Drücken gegeneinander abdichten. Die fünfte Dichtung braucht nicht den hohen Drücken standhalten, muss jedoch den Nassraum gegen einen Trockenraum zuverlässig abdichten.
  • Das Kühlmittel wird von der zentralen Kühlmittelversorgung durch mindestens eine zuführende Kühlmittelleitung in den Kühlmittel-Kreislauf zugeführt und durch angrenzende Bauteile, beispielsweise den Rotorträger, radial nach außen zur Innenseite des Rotors der elektrischen Maschine geführt. Von der Innenseite des Rotors wird das Kühlmittel durch die Kupplung, beziehungsweise durch den Druckausgleichraum, radial nach innen zurück zur Getriebeeingangswelle und zu der zentralen Kühlmittelversorgung geführt.
  • Innerhalb der Hohlachse ist eine Buchse vorhanden und innerhalb der Buchse befindet sich die Getriebeeingangswelle. Die Buchse trennt in der zentralen Kühlmittelversorgung die Zu- und Abflussleitungen für das Kühlmittel voneinander, wobei der Zufluss zwischen der Buchse und der Hohlachse und der Abfluss zwischen der Buchse und der Getriebeeingangswelle erfolgt. Zwischen den Zu- und Abflussleitungen der zentralen Kühlmittelversorgung wird das Kühlmittel durch den Kühlmittel-Kreislauf geführt und passiert die erste und die zweite und die dritte und die vierte Dichtung nach einander.
  • Durch die erfindungsgemäße Lage der Dichtungen und den Fluss des Kühlmittels können alle Dichtungen nahe zur Getriebewelle angeordnet und der Spalt zwischen Rotor und Stator in der elektrischen Maschine kann trocken ausgebildet werden. Mit einem trockenen Spalt zwischen Rotor und Stator werden vorteilhafterweise nur geringe Wirbelverluste entstehen. Dazu kann aufgrund des erfindungsgemäßen Kühlmittelverlaufs im Kupplungsbereich ein Druckausgleich erfolgen und der Bauraum für einen separaten Druckausgleichsraum wird eingespart und eine komprimierte Bauweise ermöglicht.
  • In dem Getriebegehäuse werden Öffnungen zur Durchführung von Kühlmittel-, Strom- und Signalanschlüssen für die elektrische Maschine vorgesehen, um das Getriebe an die Hybridantriebseinheit anzupassen.
  • In der Hybridantriebseinheit ist eine Kupplung vorgesehen. Wenn die Kupplung hydraulisch gesteuert ist, ist eine Druckleitung zur Zuführung eines Mediums zur Betätigung der Kupplung radial innerhalb der Hohlachse des Getriebes, insbesondere im Innenraum der Getriebeeingangswelle, vorgesehen.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße Hybridantriebseinheit,
  • 2 den Kühlmittelfluss durch die zentrale Kühlmittelversorgung der Hybridantriebseinheit und
  • 3 den Kühlmittelfluss durch den Kühlmittel-Kreislauf der Hybridantriebseinheit.
  • In 1 ist eine an einem nicht gezeigten Getriebe angebaute Hybridantriebseinheit dargestellt. Das Kernelement der Hybridantriebseinheit ist die elektrische Maschine 3 mit ihrem Rotor 4 und ihrem Stator 5, wobei der Stator 5 mit einem Gehäuse 8 drehfest verbunden ist. Das Gehäuse 8 kann ein Getriebegehäuse oder ein separates Gehäuse einer Hybridantriebseinheit sein. Der Rotor 4 der elektrischen Maschine 3 ist auf einem Rotorträger 17 befestigt, welcher in seinem Innenraum eine hydraulisch gesteuerte nasslaufende Lamellenkupplung 6 aufweist. Da die Kupplung 6 von einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, ist der Innenraum des Rotorträgers 17 als ein abgedichteter Nassraum ausgebildet. Dazu ist eine Dichtung 22, insbesondere ein Radialwellendichtring, vorgesehen. Zusätzlich sind vier weitere Dichtungen 18, 19, 20, 21, insbesondere Rechteckringe vorgesehen, welche Bereiche verschiedenen Drucks im Nassraum von einander trennen. Eine erste Dichtung 18 dichtet zwischen dem Rotorträger 17 und einer Pumpenantriebswelle 16. Die zweite und die dritte Dichtung 19, 20 dichten zwischen dem Rotorträger 17 beziehungsweise einem mit dem Rotorträger 17 rotierenden Bauteil und einem mit der Getriebeeingangswelle 7 rotierenden Bauteil und die vierte Dichtung 21 ist zwischen einem mit der Getriebeeingangswelle 7 rotierenden Bauteil und der Hohlachse 15 vorgesehen. Die fünfte Dichtung 22 dichtet zwischen einem gehäusefesten Bauteil und dem Rotorträger 17, wobei die fünfte Dichtung 22 den Nassraum von einem Trockenraum zuverlässig abdichtet. Die drei Bauteile Hohlachse 15, Buchse 14 und Getriebeeingangswelle 7 gehören zum Getriebe und begrenzen zusammen die Kühlmittelleitungen 12, 13, welche zu der zentralen Kühlmittelvorsorgung Z gehören.
  • Durch die Führung des Kühlmittel-Kreislaufs K im Kupplungsbereich erfolgt ein Druckausgleich zwischen beiden Seiten des Kupplungskolbens 2. Ein gleich hoher Rotationsdruck wird auf beiden Seiten des Kupplungskolbens 2 aufgebaut und der Kupplungsbereich wird als Druckausgleichsraum 1 genutzt, wobei auf einen separaten Druckausgleichsraum verzichtet werden kann.
  • Der Kupplungskolben 2 wird durch ein Medium betätigt, welches durch eine Druckleitung 23 zuführbar ist und welche radial innerhalb der Hohlachse 15 im Innenraum der Getriebeeingangswelle vorgesehen ist.
  • 2 zeigt die zentrale Kühlmittelversorgung Z und die Anordnung der Zu- und Abflussleitungen 12, 13 des Kühlmittels zwischen Hohlachse 15 und Getriebeeingangswelle 7 und die Trennung der Zu- und Abflussleitungen 12, 13 durch die Buchse 14.
  • 3 zeigt den Kühlmittel-Kreislauf K und die Führung des Kühlmittels von der zentralen Kühlmittelversorgung Z entlang der Pumpenantriebswelle 16 und anschließend radial nach außen in den Innenraum des Rotorträgers 17 und weiter zur Innenseite des Rotors 4. Von der Innenseite des Rotors 4 wird das Kühlmittel radial nach innen durch die Kupplung 6 und den im Kupplungsbereich befindlichen Druckausgleichraum 1 geführt, bevor es wieder in die zentrale Kühlmittelversorgung Z zurückgeführt wird.
    • 1
    Druckausgleichraum
    2
    Kupplungskolben
    3
    elektrische Maschine
    4
    Rotor
    5
    Stator
    6
    Kupplung
    7
    Getriebeeingangswelle
    8
    Getriebegehäuse/Gehäuse der Hybridantriebseinheit
    12
    Kühlmittel-Zuflussleitung
    13
    Kühlmittel-Abflussleitung
    14
    Buchse
    15
    Hohlachse
    16
    Pumpenantriebswelle
    17
    Rotorträger
    18
    Dichtung
    19
    Dichtung
    20
    Dichtung
    21
    Dichtung
    22
    Dichtung
    23
    Druckleitung
    K
    Kühlmittel-Kreislauf
    Z
    zentrale Kühlmittelversorgung

Claims (9)

  1. Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug zum Einbau zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe, welche eine elektrische Maschine (3) mit einem Rotor (4) und einem Statur (5) aufweist und als Motor oder Generator betreibbar ist, wobei radial innerhalb der elektrischen Maschine (3) mindestens eine schaltbare Kupplung (6) angeordnet ist und das Fahrzeuggetriebe eine Getriebeeingangswelle (7) und ein Getriebegehäuse (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittel, beispielsweise Kühlöl, im Wesentlichen zur Kühlung der Kupplung (6) durch eine zentrale Kühlmittelversorgung (Z) vom Getriebe zur Hybridantriebseinheit zu- und abführbar ist und dass sich der zentralen Kühlmittelversorgung (Z) ein im Wesentlichen geschlossener Kühlmittel-Kreislauf (K) anschließt und dass im Bereich der Kupplung (6) ein Druckausgleichraum (1) vorgesehen ist, welcher vom Kühlmittel des Kühlmittel-Kreislaufs (K) durchströmbar ist.
  2. Hybridantriebseinheit für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kühlmittelversorgung (Z) zwischen einer mit dem Getriebegehäuse (8) drehfest verbundenen Hohlachse (15) und der innerhalb der Hohlachse (15) befindlichen Getriebeeingangswelle (7) vorgesehen ist und der Kühlmittel-Kreislauf (K) radial außerhalb der Hohlachse (15) vorgesehen ist.
  3. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen (18, 19, 20, 21, 22) zwischen einem ersten drehenden und einem zweiten drehenden beziehungsweise einem ortsfesten Bauteil radial innerhalb der Kupplung (6) und des Rotors (4) der elektrischen Maschine (3) vorgesehen sind und insbesondere innerhalb der ersten Hälfte des Innenradius des Rotors (4) liegen.
  4. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Dichtung (18) zwischen dem Rotorträger (17) und der Pumpenantriebswelle (16) vorgesehen ist und eine zweite und eine dritte Dichtung (19, 20) zwischen dem Rotorträger (17) und einem mit dem Rotorträger (17) rotierenden Bauteil und einem mit der Getriebeeingangswelle (7) rotierenden Bauteil vorgesehen sind und dass eine vierte Dichtung (21) zwischen einem mit der Getriebeeingangswelle (7) rotierenden Bauteil und der Hohlachse (15) auf dem verbrennungsmotorseitigen Ende der Hohlachse (15) vorgesehen ist und eine fünfte Dichtung (22) zwischen einem gehäusefesten und einem mit dem Rotor (4) der elektrischen Maschine (3) rotierenden Bauteil vorgesehen ist und dass die erste, zweite, dritte und vierte Dichtung (18, 19, 20, 21) innerhalb des Kühlmittel-Kreislaufs (K) der Hybrideinheit vorgesehen sind und die fünfte Dichtung (22) zu einem Trockenraum abdichtet.
  5. Hybridantriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der zentralen Kühlmittelversorgung (Z) zugeführte Kühlmittel von der mindestens einen zuführenden Kühlmittelleitung (12, 13) in den Kühlmittel-Kreislauf (K) radial nach außen zur Innenseite des Rotors (4) der elektrischen Maschine (3) und durch die Kupplung (6) radial nach innen zurück zur Getriebeeingangswelle (7) und zur zentralen Kühlmittelversorgung (Z) führbar ist.
  6. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Buchse (14) zur Trennung der Zu- und Abflussleitungen (12, 13) des Kühlmittels zwischen der Hohlachse (15) und der Getriebeeingangswelle (7) vorhanden ist, wobei die Zuflussleitung (12) eine äußere Leitung bildet und die Abflussleitung (13) eine innere Leitung bildet und dass das Kühlmittel zwischen den Zu- und Abflussleitungen (12, 13) der zentralen Kühlmittelversorgung (Z) die erste (18) und zweite (19) und dritte (20) und vierte (21) Dichtung in dieser Reihenfolge passiert.
  7. Hybridantriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen zur Durchführung von Kühlmittel-, Strom- und Signalanschlüssen für die elektrische Maschine (3) im Getriebegehäuse (8) vorgesehen sind.
  8. Hybridantriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung (23) zur Zuführung eines Mediums zur Betätigung eines Kupplungskolbens (2) der Kupplung (6) radial innerhalb einer mit dem Getriebegehäuse (8) drehfest verbundenen Hohlachse (15) vorgesehen ist.
  9. Hybridantriebseinheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung (23) zur Zuführung eines Mediums zur Betätigung eines Kupplungskolbens (2) der Kupplung (6) im Innenraum der Getriebeeingangswelle (7) vorgesehen ist.
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