DE102007016218A1 - Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem zwischen einer Brennkraftmaschine (12) und einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (14) eingeschalteten Elektromotor (16), dessen ringförmiger Rotor (32) und Stator (34) um die Kraftabgabewelle (18) der Brennkraftmaschine (12) und/oder die koaxiale Eingangswelle (22) des Wechselgetriebes (14) angeordnet sind und der Rotor (32) mit der Kraftabgabewelle (18) und/oder der Eingangswelle (22) mittelbar oder unmittelbar trieblich verbunden ist. Zur Erzielung einer besonders variablen Bauraumausnutzung und einer günstigen Auslegung der Drehzahlverhältnisse wird vorgeschlagen, dass Rotor (32) und Stator (34) des Elektromotors (16) unter Zwischenschaltung eines Zahnradtriebes (36, 32a) desachsiert zur Kraftabgabewelle (18) bzw. Eingangswelle (22) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Hybrid-Antriebsvorrichtungen sind in einer Vielzahl von Anordnungen bekannt. Ist der Elektromotor als ein eigenständiges Aggregat ausgebildet, so kann er um Einbauzwängen im Kraftfahrzeug Rechnung zu tragen, z. B. seitlich der Brennkraftmaschine angeordnet sein und über einen Zahnradtrieb auf die Kraftabgabewelle der Brennkraftmaschine und/oder die Eingangswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes wirken (vgl. z. B. JP Abstr. 2002104000 A , US 2006/0060397 A1 , CA 2 176 425 C ).
  • Bekannt sind auch gattungsgemäße Antriebsvorrichtungen (z. B. DE 101 52 476 A1 ), bei denen der Elektromotor (oder die Starter-Generator-Vorrichtung) um die Kraftabgabewelle der Brennkraftmaschine und/oder die Eingangswelle des Wechselgetriebes angeordnet ist, wobei der Rotor des Elektromotors entsprechend ringförmig ausgebildet ist. Soll der Elektromotor eine adäquate Antriebsleistung aufbringen, so ist dessen Durchmesser entsprechend groß auszulegen. Dies kann aber zu Schwierigkeiten bzw. Bauraumproblemen bei der Anordnung des gesamten Hybrid-Antriebsaggregates im Kraftfahrzeug führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die eine besonders variable Bauraumausnutzung und eine günstige Auslegung der Drehzahlverhältnisse in der Antriebsvorrichtung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass Rotor und Stator des Elektromotors unter Zwischenschaltung eines Zahnradtriebes desachsiert zur Kraftabgabewelle der Brennkraftmaschine bzw. zur Eingangswelle des Wechselgetriebes angeordnet sind. Entgegen den bekannten koaxialen Auslegungen derartiger Antriebsvorrichtungen wurde erkannt, dass durch eine Desachsierung des Elektromotors örtliche Engstellen durch z. B. die Anordnung eines benachbarten Differenziales oder durch Karosserie- oder Bodengestaltungen des Kraftfahrzeuges berücksichtigt werden können, ohne den für den Wirkungsgrad und die Antriebsleistung des Elektromotors wichtigen wirksamen Durchmesser verkleinern zu müssen. Ferner kann durch die vorgeschlagene Zwischenschaltung eines Zahnradtriebes in vorteilhafter Weise eine Drehzahlreduzierung des Elektromotors im Antriebsstrang erreicht werden. Der Elektromotor kann somit in seiner im wesentlichen rotationssymmetrischen Querschnittfläche relativ zur Brennkraftmaschine und das Wechselgetriebe nach unten, zur Seite, oder schräg nach unten oder oben verschoben werden und damit an gegebene Einbauverhältnisse angepasst werden.
  • Baulich und hinsichtlich der Drehzahlauslegung besonders vorteilhaft kann der Rotor auf einem innenverzahnten Hohlrad angeordnet sein, das mit einem auf der Kraftabgabewelle oder der Eingangswelle befestigtem Stirnzahnrad in Eingriff ist.
  • Des weiteren können innerhalb des Rotors zumindest zwei weitere, umfangsversetzte Stirnzahnräder vorgesehen sein, die gehäusefest drehbar gelagert sind und die in Verbindung mit dem an- und/oder abtreibenden, ersten Stirnzahnrad die Drehlagerung des Rotors bilden.
  • Dabei kann baulich besonders günstig zumindest eines der umfangsversetzten Stirnzahnräder mit einem benachbart dem Rotor und Stator des Elektromotors angeordnetem Trieb für ein Zusatzaggregat des Kraftfahrzeuges zusammenwirken. Das Zusatzaggregat kann z. B. eine Pumpe, ein Klimakompressor, etc. sein, welches an geeigneter Stelle seitlich des Elektromotors angeordnet und sowohl von der Brennkraftmaschine als auch dem Elektromotor angetrieben sein kann.
  • Als Antrieb der Zusatzaggregate über das Stirnzahnrad kann je nach den baulichen Gegebenheiten ein Riemen- oder Kettentrieb mit entsprechenden Riemenrädern oder Kettenrädern und einem Riemen oder einer Kette, ein benachbarter Stirnradtrieb oder aber ein Kegeltrieb vorgesehen sein. Der Kegeltrieb ermöglicht in ggf. vorteilhafter Weise eine schräge oder rechtwinkelige Anordnung des Zusatzaggregates zur Drehachse der Kraftabgabewelle der Brennkraftmaschine.
  • In an sich bekannter Weise kann zwischen der Brennkraftmaschine und dem desachsierten Elektromotor ein Drehschwingungsdämpfer und/oder eine Trennkupplung eingeschaltet sein.
  • Alternativ zu der „fliegenden" Drehlagerung kann der Rotor des Elektromotors über zwei stirnseitig angeordnete Wälzlager drehbar gelagert sein, die an beiderseits des Stators angeordneten, radial nach innen ragenden Gehäusewänden des den Elektromotor umgebenden Gehäuses abgestützt sind. Das Gehäuse kann ein separates, zwischen der Brennkraftmaschine und dem Wech selgetriebe eingeschaltetes Gehäuse oder bevorzugt ein Gehäuseteil des Wechselgetriebes sein.
  • Zur robusten Abstützung und Lagerung des Rotors können die Gehäusewände mit axial einander entgegengerichteten, ringförmigen Bunden versehen sein, an deren radial innerer oder äußerer Umfangsfläche die Innenringe der Wälzlager gehalten sind. Montagegünstig kann dabei zumindest eine der Gehäusewände lösbar in das umgebende Gehäuse einsetzbar sein.
  • Anstelle eines separaten Stirnzahnrades kann das mit dem Rotor trieblich verbundene Stirnzahnrad ein Gangzahnrad des Wechselgetriebes sein, wobei dann Rotor und Stator des Elektromotors innerhalb des Gehäuses des Wechselgetriebes angeordnet sind.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
  • 1 eine Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer nur teilweise dargestellten Brennkraftmaschine, einem nachgeschalteten Geschwindigkeits-Wechselgetriebe und einem dazwischen angeordneten Elektromotor mit Zusatzaggregateantrieb;
  • 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II der 1 durch den Elektromotor und die „fliegende" Drehlagerung dessen Rotors;
  • 3 einen alternativen Antrieb des Zusatzaggregates nach 1 mit einem Umschlingungstrieb;
  • 4 einen weiteren alternativen Antrieb mit einem Kegeltrieb des dem Elektromotor benachbarten und mit seiner Drehachse quer zur Kraftab gabewelle der Brennkraftmaschine angeordneten Zusatzaggregates; und
  • 5 einen Längsschnitt durch den Elektromotor entlang der Linie V-V der 1 mit zwei Wälzlagerungen des Rotors des Elektromotors.
  • Die 1 zeigt grob schematisch eine Hybrid-Antriebsvorrichtung 10 mit im Wesentlichen einer Brennkraftmaschine 12, einem trieblich nachgeschalteten Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 14 und einem dazwischen angeordneten Elektromotor 16.
  • Der Elektromotor 16 könnte auch als Starter-Generator-Motor ausgeführt sein und somit neben dem Antriebsbetrieb auch zum Starten der Brennkraftmaschine und im Rekuperationsbetrieb zur Stromerzeugung dienen. Der Elektromotor 16 kann als alleiniger Antrieb z. B. zum Anfahren und im Stadtbetrieb des Kraftfahrzeuges dienen oder der Brennkraftmaschine 12 zugeschaltet sein, z. B. bei starker Beschleunigung des Kraftfahrzeuges. Die Steuerung des Elektromotors 16 und dessen Stromversorgung aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges ist nicht Gegenstand der Erfindung und deshalb nicht dargestellt.
  • Die nur angedeutete Brennkraftmaschine 12 kann eine Hubkolben-Brennkraftmaschine sein, deren Kraftabgabewelle bzw. Kurbelwelle 18 trieblich über einen als Baueinheit 20 ausgeführten Drehschwingungsdämpfer (z. B. ein Zweimassen-Schwungrad) und einer Trennkupplung mit der Eingangswelle 22 des Wechselgetriebes 14 verbunden ist. Innerhalb des Gehäuses 30 des Wechselgetriebes 14 sind auf der Eingangswelle 22 und einer Abtriebswelle 24 allgemein mit 26, 28 bezeichnete Gangzahnräder angeordnet, die über nicht dargestellte Synchronkupplungen wechselweise mit der Eingangswelle 22 und der Abtriebswelle 24 kuppelbar sind, um entsprechende Antriebsübersetzungen zu schalten.
  • Um den rotationssymmetrischen Rotor 32 herum ist in bekannter Weise der mit entsprechenden elektrischen Wicklungen (nicht dargestellt) versehene Stator 34 gehäusefest angeordnet. Das die Baueinheit 20 und den Elektromotor 16 aufnehmende Gehäuse 30a kann ein separates Gehäuse oder eine an das Gehäuse 30 des Wechselgetriebes 14 angeschlossene Kupplungsglocke sein.
  • Die Eingangswelle 22 des Wechselgetriebes 14 erstreckt sich durch den ringförmigen Rotor des Wechselgetriebes 14 hindurch und trägt ein Stirnzahnrad.
  • Der Elektromotor 16 ist in einem separaten Gehäuse 26 angeordnet, das zwischen das Gehäuse 28 der Brennkraftmaschine 12 und das Gehäuse 30 des Wechselgetriebes 14 eingesetzt ist.
  • Der Rotor 32 des Elektromotors 16 weist ein innenverzahntes Hohlrad 32a auf, das unter Bildung eines Zahnradtriebes mit einem Stirnzahnrad 36 auf der Eingangswelle 22 kämmt.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Rotor 32 zudem „fliegend" auf dem besagten Stirnzahnrad 36 und zwei weiteren Stirnzahnrädern 38, 40 drehbar gelagert, wobei die Stirnzahnräder 36, 38, 40 um jeweils 120 Grad zueinander umfangsversetzt angeordnet sind und im wesentlichen spielfrei mit dem Hohlrad 32a kämmen.
  • Das Stirnzahnrad 38 ist dabei auf einer gehäusefesten Achse 42 und das Stirnzahnrad 40 auf einer drehbar im Gehäuse 30a gelagerten Welle 44 (vgl. auch 1) gelagert bzw. befestigt.
  • Wie insbesondere 2 zeigt, ist durch den beschriebenen Zahnradtrieb 36, 30a die Drehachse 32b des Rotors 32 schräg und nach unten versetzt bzw. desachsiert zur Drehachse 22a der Eingangswelle 22 und zur koaxial positio nierten Kraftabgabewelle 18 der Brennkraftmaschine 12. Es versteht sich, dass mit dem Versatz des Rotors 32 auch der rotationssymmetrisch um den Rotor 32 angeordnete Stator 34 versetzt ist, wodurch freier Bauraum oberhalb des Stators 34 und des den Stator 34 aufnehmenden Gehäuses 30a geschaffen ist.
  • Das Stirnzahnrad 40 (1) treibt über die Welle 44 und ein auf der Welle 44 befestigtes Zahnrad 46 über ein weiteres Zahnrad 48 ein Zusatzaggregat 50 an, z. B. eine Servopumpe oder einen Klimakompressor. Das Zusatzaggregat 50 ist wie ersichtlich achsparallel und benachbart zum Stator 34 des Elektromotors 16 angeordnet und im Gehäuse 30a befestigt. Durch konstruktive Auslegung der Zahnräder 40, 46, 48 kann das Übersetzungsverhältnis zum Zusatzaggregat 50 optimal ausgelegt werden. Das Zusatzaggregat 50 kann bevorzugt durch Anordnung eines lösbaren Deckels (nicht dargestellt) am Gehäuse 30a montiert bzw. demontiert werden.
  • Gemäß 3 kann alternativ der Antrieb des Zusatzaggregates 50 mittels eines Umschlingungstriebes mit einem Riemen oder einer Kette 52 und mit Riemen- oder Kettenrädern 54, 56 erfolgen.
  • In weiterer alternativer Ausgestaltung des Antriebes des Zusatzaggregates 50 (4) kann ein Kegeltrieb mit miteinander kämmenden Kegelrädern 58, 60 vorgesehen sein, die auf der Welle 44 und der Antriebswelle 62 des Zusatzaggregates 50 befestigt sind. Wie ersichtlich ist, kann dadurch das Zusatzaggregat 50 derart verbaut werden, dass dessen Antriebswelle 62 schräg oder rechtwinkelig zu den Drehachsen 22a, 32a ausgerichtet ist.
  • Die 5 stellt eine alternative oder zusätzliche Drehlagerung des Rotors 32 des Elektromotors 16 über zwei stirnseitig positionierte Wälzlager bzw. Kugellager 64, 66 dar.
  • Dazu sind an dem Gehäuse 30a beiderseits des Stators 34 radial nach innen ragende Gehäusewände 68, 70 vorgesehen, deren axial einander entgegengerichtete Ringbunde 68a, 70a die Lagerinnenringe 64a, 66a der Kugellager 64, 66 aufnehmen. Die Lageraußenringe sind wie ersichtlich entsprechend in die Stirnseiten des Rotors 32 eingesetzt.
  • Zumindest eine Gehäusewand 68, 70, bevorzugt aber beide, sind lösbar über nicht dargestellte Schraubverbindungen in das Gehäuse 30a eingebaut, so dass der Elektromotor 16 als eine Montageeinheit in das Gehäuse 30a verbaubar ist.
  • Gemäß der oberen und unteren Hälfte der Zeichnung 5 können die Lagerinnenringe 64a, 66a der Kugellager 64, 66 abhängig von baulichen Gegebenheiten am Außenumfang (obere Hälfte der 5) oder am Innenumfang (untere Hälfte) der Ringbunde 68a, 70a aufgezogen sein.
  • Abweichend zu den dargestellten Ausführungsbeispielen kann das mit dem Rotor 32 trieblich verbundene Stirnzahnrad 36 ein Gangzahnrad 26 des Wechselgetriebes 14 sein, wobei der Rotor 32 und der Stator 34 des Elektromotors 16 innerhalb des Gehäuses 30 des Wechselgetriebes 14 anzuordnen und entsprechend öldicht zu kapseln wären.
  • Die Schmierung des Zahntriebes 36, 32a, 38, 40 gemäß 2 könnte ebenfalls durch eine Kapselung und eine entsprechende Schmiermittelfüllung bewerkstelligt sein.
  • Anstelle auf der Eingangswelle 22 könnte der Elektromotor 16 unter Zwischenschaltung einer Trennkupplung auch auf der Kraftabgabewelle 18 bei deren entsprechender axialer Verlängerung angeordnet sein. Eine weitere Trennkupplung könnte auch zwischen Elektromotor 16 und der Eingangswelle 22 des Wechselgetriebes 14 vorgesehen sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (12)

  1. Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem zwischen einer Brennkraftmaschine (12) und einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (14) eingeschalteten Elektromotor (16), dessen ringförmiger Rotor (32) und Stator (34) um die Kraftabgabewelle (18) der Brennkraftmaschine (12) und/oder die koaxiale Eingangswelle (22) des Wechselgetriebes (14) angeordnet sind, und der Rotor (32) mit der Kraftabgabewelle (18) und/oder der Eingangswelle (22) mittelbar oder unmittelbar trieblich verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (32) und Stator (34) des Elektromotors (16) unter Zwischenschaltung eines Zahnradtriebes (36, 32a) desachsiert zur Kraftabgabewelle (18) bzw. Eingangswelle (22) angeordnet sind.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) auf einem innenverzahnten Hohlrad (32a) angeordnet ist, das mit einem auf der Kraftabgabewelle (18) oder der Eingangswelle (22) befestigten Stirnzahnrad (36) in Eingriff ist.
  3. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Rotors (32) zumindest zwei weitere, umfangsversetzte Stirnzahnräder (38, 40) vorgesehen sind, die gehäusefest drehbar gelagert sind und in Verbindung mit dem an- und/oder abtreibenden, ersten Stirnzahnrad (36) die Drehlagerung des Rotors (32) bilden.
  4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der umfangsversetzten Stirnzahn räder (40) mit einem benachbart dem Rotor (32) und Stator (34) des Elektromotors (16) angeordneten Trieb (46, 48; 52, 54, 56; 58, 60) für ein Zusatzaggregat (50) des Kraftfahrzeuges zusammenwirkt.
  5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnzahnrad (40) das Zusatzaggregat (50) über einen benachbart angeordneten Riemen- oder Kettentrieb mit entsprechenden Riemenrädern (54, 56) oder Kettenrädern und einem Riemen (52) oder einer Kette antreibt.
  6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnzahnrad (40) über einen benachbarten Stirnradtrieb (46, 48) das Zusatzaggregat (50) antreibt.
  7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnzahnrad (40) über einen benachbarten Kegeltrieb (58, 60) das mit seiner Drehachse zur Kraftabgabewelle (18) schräg oder rechtwinkelig angeordnete Zusatzaggregat (50) antreibt.
  8. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkraftmaschine (12) und dem desachsierten Elektromotor (16) ein Drehschwingungsdämpfer (20) und eine Trennkupplung (20) eingeschaltet sind.
  9. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) des Elektromotors (16) über zwei stirnseitig angeordnete Wälzlager (64, 66) drehbar gelagert ist, die an beiderseits des Stators (34) angeordneten, radial nach innen ragenden Gehäusewänden (68, 70) des den Elektromotor (16) umgebenden Gehäuses (30a) abgestützt sind.
  10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewände (68, 70) mit axial einander entgegengerichteten Ringbunden (68a, 70a) versehen sind, an deren radial innerer oder äußerer Umfangsfläche die Innenringe (64a, 66a) der Wälzlager (64, 66) gehalten sind.
  11. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Gehäusewände (68, 70) lösbar in das umgebende Gehäuse (30a) einsetzbar ist.
  12. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Rotor (32) trieblich verbundene Stirnzahnrad (36) ein Gangzahnrad (26) des Wechselgetriebes ist und dass Rotor (32) und Stator (34) des Elektromotors (16) innerhalb des Gehäuses (30) des Wechselgetriebes (14) angeordnet sind.
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