DE102007016218B4 - Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents
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Abstract
Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem zwischen einer Brennkraftmaschine (12) und einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (14) angeordneten Elektromotor (16), dessen ringförmiger Rotor (32) und Stator (34) um die Kurbelwelle (18) der Brennkraftmaschine (12) oder die koaxiale Getriebeeingangswelle (22) des Wechselgetriebes (14) angeordnet sind, und der Rotor (32) mit der Kurbelwelle (18) oder der Getriebeeingangswelle (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 Kurbelwelle (18) bzw. Getriebeeingangswelle (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, zum Beispiel seitlich der Brennkraftmaschine angeordnet sein und über einen Zahnradtrieb auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder die Getriebeeingangswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes wirken (vgl. zum Beispiel
US 2006/0060397 A1 CA 2 176 425 C ). - Bekannt sind auch Antriebsvorrichtungen (zum Beispiel
DE 101 52 476 A1 ), bei denen der Elektromotor (oder die Starter-Generator-Vorrichtung) um die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder die Getriebeeingangswelle 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. Aus derEP 17 17 086 A1 ist eine gattungsgemäße Hybrid-Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der zwischen einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe ein Elektromotor angeordnet ist, welcher die Kurbelwelle umschließt. - 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 durch eine Hybrid-Antriebsvorrichtung mit den 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 Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bzw. zur Getriebeeingangswelle des Wechselgetriebes angeordnet sind. Entgegen den bekannten koaxialen Auslegungen derartiger Antriebsvorrichtungen wurde erkannt, dass durch eine Desachsierung des Elektromotors örtliche Engstellen durch zum Beispiel 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 Kurbelwelle oder der Getriebeeingangswelle befestigtem Stirnzahnrad im Eingriff ist.
- Des Weiteren können innerhalb des Rotors zumindest zwei weitere, umfangsversetzte Stirnzahnräder vorgesehen sein. Die Stirnzahnräder sind am Umfang des innenverzahnten Hohlrads, auf welchem der Rotor angeordnet ist, verteilt und mit diesem Hohlrad im Eingriff. Zudem sind die Stirnzahnräder gehäusefest drehbar gelagert und bilden in Verbindung mit dem an- und/oder abtreibenden, ersten Stirnzahnrad die Drehlagerung des Rotors.
- Dabei kann baulich besonders günstig zumindest eines der umfangsversetzten Stirnzahnräder mit einem benachbart zum Rotor und Stator des Elektromotors angeordnetem Antrieb für ein Zusatzaggregat des Kraftfahrzeuges zusammenwirken. Das Zusatzaggregat kann zum Beispiel 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 gegebenenfalls vorteilhafter Weise eine schräge oder rechtwinkelige Anordnung des Zusatzaggregates zur Drehachse der Kurbelwelle 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 und durch die radial nach innen ragenden Gehäusewänden des den Elektromotor umgebenden Gehäuses abgestützt sind. Das Gehäuse kann ein separates, zwischen der Brennkraftmaschine und dem Wechselgetriebe 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 der1 durch den Elektromotor und die „fliegende” Drehlagerung dessen Rotors; -
3 einen alternativen Antrieb des Zusatzaggregates nach1 mit einem Umschlingungstrieb; -
4 einen weiteren alternativen Antrieb mit einem Kegeltrieb des dem Elektromotor benachbarten und mit seiner Drehachse quer zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordneten Zusatzaggregates; und -
5 einen Längsschnitt durch den Elektromotor entlang der Linie V-V der1 mit zwei Wälzlagerungen des Rotors des Elektromotors. - Die
1 zeigt schematisch eine Hybrid-Antriebsvorrichtung10 mit im wesentlichen einer Brennkraftmaschine12 , einem trieblich nachgeschalteten Geschwindigkeits-Wechselgetriebe14 und einem dazwischen angeordneten Elektromotor16 . - 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 Elektromotor16 kann als alleiniger Antrieb zum Beispiel zum Anfahren und im Stadtbetrieb des Kraftfahrzeuges dienen oder der Brennkraftmaschine12 zugeschaltet sein, zum Beispiel bei starker Beschleunigung des Kraftfahrzeuges. Die Steuerung des Elektromotors16 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 Kurbelwelle18 trieblich über einen als Baueinheit20 ausgeführten Drehschwingungsdämpfer (zum Beispiel ein Zweimassen-Schwungrad) und einer Trennkupplung mit der Getriebeeingangswelle22 des Wechselgetriebes14 verbunden ist. Innerhalb des Gehäuses30 des Wechselgetriebes14 sind auf der Getriebeeingangswelle22 und einer Abtriebswelle24 allgemein mit26 ,28 bezeichnete Gangzahnräder angeordnet, die über nicht dargestellte Synchronkupplungen wechselweise mit der Getriebeeingangswelle22 und der Abtriebswelle24 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 Stator34 gehäusefest angeordnet. Das die Baueinheit20 und den Elektromotor16 aufnehmende Gehäuse30a kann ein separates Gehäuse oder eine an das Gehäuse30 des Wechselgetriebes14 angeschlossene Kupplungsglocke sein. - Die Getriebeeingangswelle
22 des Wechselgetriebes14 erstreckt sich durch den ringförmigen Rotor32 des Wechselgetriebes14 hindurch und trägt ein Stirnzahnrad36 . Das Stirnzahnrad36 der Eingangswelle22 ist innerhalb des Bereichs des Rotors32 angeordnet. - Der Elektromotor
16 ist in einem separaten Gehäuse angeordnet, das zwischen das Gehäuse27 der Brennkraftmaschine12 und das Gehäuse30 des Wechselgetriebes14 eingesetzt ist. - Der Rotor
32 des Elektromotors16 weist ein innenverzahntes Hohlrad32a (2 ) auf, das unter Bildung eines Zahnradtriebes mit einem Stirnzahnrad36 auf der Getriebeeingangswelle22 kämmt. - Wie aus
2 ersichtlich ist, ist der Rotor32 zudem „fliegend” auf dem besagten Stirnzahnrad36 und zwei weiteren Stirnzahnrädern38 ,40 drehbar gelagert, wobei die Stirnzahnräder36 ,38 ,40 um jeweils 120° zueinander umfangsversetzt angeordnet sind und im Wesentlichen spielfrei mit dem Hohlrad32a kämmen. - Die Stirnzahnräder
38 ,40 sind drehbar auf Achsen42 ,44 gelagert, die mit dem Gehäuse30a verbunden sind. Das Stirnzahnrad36 ist drehfest mit der Getriebeeingangswelle22 verbunden, die wiederum im Gehäuse30a drehbar gelagert ist. - Wie insbesondere
2 zeigt, ist durch den beschriebenen Zahnradtrieb36 ,32a die Drehachse32b des Rotors32 schräg und nach unten versetzt bzw. desachsiert zur Drehachse22a der Getriebeeingangswelle22 und zur koaxial positionierten Kurbelwelle18 der Brennkraftmaschine12 . Es versteht sich, dass mit dem Versatz des Rotors32 auch der rotationssymmetrisch um den Rotor32 angeordnete Stator34 versetzt ist, wodurch freier Bauraum oberhalb des Stators34 geschaffen ist. - Das Stirnzahnrad
40 (1 ) treibt über die Welle44 und ein auf der Welle44 befestigtes Zahnrad46 über ein weiteres Zahnrad48 ein Zusatzaggregat50 an, zum Beispiel eine Servopumpe oder einen Klimakompressor. Das Zusatzaggregat50 ist wie ersichtlich achsparallel und benachbart zum Stator34 des Elektromotors16 angeordnet und im Gehäuse30a befestigt. Durch konstruktive Auslegung der Zahnräder40 ,46 ,48 kann das Übersetzungsverhältnis zum Zusatzaggregat50 optimal ausgelegt werden. Das Zusatzaggregat50 kann bevorzugt durch Anordnung eines lösbaren Deckels (nicht dargestellt) am Gehäuse30a montiert bzw. demontiert werden. - Gemäß
3 kann alternativ der Antrieb des Zusatzaggregates50 mittels eines Umschlingungstriebes mit einem Riemen oder einer Kette52 und mit Riemen- oder Kettenrädern54 ,56 erfolgen. - In weiterer alternativer Ausgestaltung des Antriebes des Zusatzaggregates
50 (4 ) kann ein Kegeltrieb mit miteinander kämmenden Kegelrädern58 ,60 vorgesehen sein, die auf der Welle44 und der Antriebswelle62 des Zusatzaggregates50 befestigt sind. Wie ersichtlich ist, kann dadurch das Zusatzaggregat50 derart verbaut werden, dass dessen Antriebswelle62 schräg oder rechtwinkelig zu den Drehachsen22a ,32b (2 ) ausgerichtet ist. - Die
5 stellt eine alternative oder zusätzliche Drehlagerung des Rotors32 des Elektromotors16 über zwei stirnseitig positionierte Wälzlager bzw. Kugellager64 ,66 dar. - Dazu sind an dem Gehäuse
30a beiderseits des Stators34 radial nach innen ragende Gehäusewände68 ,70 vorgesehen, deren axial einander entgegengerichtete Ringbunde68a ,70a die Lagerinnenringe64a ,66a der Kugellager64 ,66 aufnehmen. Die Lageraußenringe sind (in der5 ist nur die obere Hälfte gezeigt) entsprechend in die Stirnseiten des Rotors32 eingesetzt. - Zumindest eine Gehäusewand
68 ,70 , bevorzugt aber beide, sind lösbar über nicht dargestellte Schraubverbindungen in das Gehäuse30a eingebaut, so dass der Elektromotor16 als eine Montageeinheit in das Gehäuse30a verbaubar ist. - Gemäß der oberen und unteren Hälfte der Zeichnung
5 können die Lagerinnenringe64a ,66a der Kugellager64 ,66 abhängig von baulichen Gegebenheiten am Außenumfang (obere Hälfte der5 ) oder am Innenumfang (untere Hälfte) der Ringbunde68a ,70a aufgezogen sein. - Abweichend zu den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen kann das mit dem Rotor
32 trieblich verbundene Stirnzahnrad36 ein Gangzahnrad des Wechselgetriebes14 sein, wobei der Rotor32 und der Stator34 des Elektromotors16 innerhalb des Gehäuses30 des Wechselgetriebes14 anzuordnen und entsprechend öldicht zu kapseln wären. - Die Schmierung des Zahntriebes
36 ,32a ,38 ,40 gemäß2 könnte ebenfalls durch eine Kapselung und eine entsprechende Schmiermittelfüllung bewerkstelligt sein. - Anstelle auf der Getriebeeingangswelle
22 könnte der Elektromotor16 unter Zwischenschaltung einer Trennkupplung auch auf der Kurbelwelle18 bei deren entsprechender axialer Verlängerung angeordnet sein. Eine weitere Trennkupplung könnte auch zwischen Elektromotor16 und der Getriebeeingangswelle22 des Wechselgetriebes14 vorgesehen sein.
Claims (12)
- Hybrid-Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem zwischen einer Brennkraftmaschine (
12 ) und einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (14 ) angeordneten Elektromotor (16 ), dessen ringförmiger Rotor (32 ) und Stator (34 ) um die Kurbelwelle (18 ) der Brennkraftmaschine (12 ) oder die koaxiale Getriebeeingangswelle (22 ) des Wechselgetriebes (14 ) angeordnet sind, und der Rotor (32 ) mit der Kurbelwelle (18 ) oder der Getriebeeingangswelle (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 Kurbelwelle (18 ) bzw. Getriebeeingangswelle (22 ) angeordnet sind. - Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (
32 ) auf einem innenverzahnten Hohlrad (32a ) angeordnet ist, das mit einem auf der Kurbelwelle (18 ) oder der Getriebeeingangswelle (22 ) befestigten Stirnzahnrad (36 ) in Eingriff ist. - Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei weitere, umfangsversetzte Stirnzahnräder (
38 ,40 ) vorgesehen sind, die am Umfang des innenverzahnten Hohlrads (32a ), auf welchem der Rotor (32 ) angeordnet ist, verteilt sind und mit diesem Hohlrad (32a ) im Eingriff sind und die gehäusefest drehbar gelagert sind und in Verbindung mit dem an- oder abtreibenden, ersten Stirnzahnrad (36 ) die Drehlagerung des Rotors (32 ) bilden, wobei das erste Stirnzahnrad (36 ) gehäusefest drehbar gelagert ist. - Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der umfangsversetzten Stirnzahnräder (
40 ) mit einem benachbart dem Rotor (32 ) und Stator (34 ) des Elektromotors (16 ) angeordneten Antrieb (46 ,48 ;52 ,54 ,56 ;58 ,60 ) für ein Zusatzaggregat (50 ) des Kraftfahrzeuges zusammenwirkt. - 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. - Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnzahnrad (
40 ) über einen benachbarten Stirnradtrieb (46 ,48 ) das Zusatzaggregat (50 ) antreibt. - Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnzahnrad (
40 ) über einen benachbarten Kegeltrieb (58 ,60 ) das mit seiner Drehachse zur Kurbelwelle (18 ) schräg oder rechtwinkelig angeordnete Zusatzaggregat (50 ) antreibt. - 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 ) angeordnet sind. - 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. - 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. - Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Gehäusewände (
68 ,70 ) lösbar in das umgebende Gehäuse (30a ) einsetzbar ist. - Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Rotor (
32 ) trieblich verbundene Stirnzahnrad (36 ) ein Gangzahnrad des Wechselgetriebes ist und dass der Rotor (32 ) und der Stator (34 ) des Elektromotors (16 ) innerhalb des Gehäuses (30 ) des Wechselgetriebes (14 ) angeordnet sind.
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