DE102008011080A1 - Antriebsstrang und Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug - Google Patents

Antriebsstrang und Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (106) und einen Hybridantrieb (100) für ein Hybridfahrzeug, insbesondere einen Nutzfahrzeugantriebsstrang zur Darstellung eines vollhybridisierten Nutzfahrzeugs. Um einen Antriebsstrang (106) und einen Hybridantrieb (100) für ein Hybridfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, insbesondere Nutzfahrzeuge vollhybridisiert, d.h. rein verbrennungsmotorisch, rein elektrisch und gemischt anzutreiben, sind gemäß der Erfindung bei einem Antriebsstrang (106) an einem ersten Eingang (110) eine Schaltvorrichtung (134), mit welcher eine Verbrennungsmaschinen-Welle (140) an das Getriebe (118) ankuppelbar ist, und ferner eine schaltbare Momentenabstützvorrichtung (136) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang und Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug, insbesondere einen Nutzfahrzeugantriebsstrang zur Darstellung eines vollhybridisierten Nutzfahrzeugs.
  • Aus der Praxis sind Hybridantriebe für als PKW ausgelegte Hybridfahrzeuge bekannt. Solche Hybridantriebe weisen einen Verbrennungsmaschinen-Antrieb und einen Elektromaschinen-Antrieb auf, wobei im Allgemeinen von diesen Antrieben der Verbrennungsmaschinen-Antrieb die höhere Leistung aufweist und der Elektromaschinen-Antrieb nur zur Unterstützung oder im Bereich niedriger Lastanforderungen, beispielsweise im Stadtverkehr eingesetzt wird.
  • Hybridartig anmutende Antriebssysteme sind auch im Nutzfahrzeugbereich bekannt, wobei diese allerdings in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt sind. Diese Systeme werden als elektrodynamische Antriebssysteme bezeichnet.
  • In der DE 199 34 696 A1 und der DE 101 52 472 A1 sind elektrodynamische Antriebssysteme beschrieben. Diese umfassen zwischen einem Verbrennungsmaschinen-Antrieb und einem Schaltgetriebe ein Planetengetriebe, welches der Einkopplung der Leistung eines Elektromaschinen-Antriebs dient. Die in diesen Schriften beschriebenen Elektromaschinen-Antriebe dienen zunächst als Ersatz für eine Kupplung oder einen Wandler, sie können aber auch als Starter zum Anlassen der Verbrennungsmaschine, als Generator oder als Antrieb für den ZEV-Betrieb verwendet werden, d. h. für den Antrieb des Fahrzeugs, ohne dass die Verbrennungsmaschine dreht. Bei den genannten elektrodynamischen Antriebssystemen sitzt der Elektromotor auf der Eingangswelle des Sonnenrades und der Verbrennungsmotor auf der Hohlradwelle. Der Abtrieb wird über den Planetenträger (Planetensteg) bewerkstelligt. Die bekannten elektrodynamischen Antriebssysteme erlauben es nicht, ein Nutzfahrzeug im Stadtverkehr oder Rangierbetrieb bei stehender Verbrennungsmaschine zu betreiben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang und Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, insbesondere Nutzfahrzeuge vollhybridisiert, d. h. rein verbrennungsmotorisch, rein elektrisch und gemischt anzutreiben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8.
  • Gemäß der Erfindung ist bei einem Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit einem Getriebe, an dem ein erster Eingang für den Verbrennungsmaschinen-Antrieb, ein zweiter Eingang für den Elektromaschinen-Antrieb und ein Ausgang, welcher an eine Abtriebswelle kuppelbar ist, ausgebildet sind, an dem ersten Eingang eine Schaltvorrichtung vorgesehen, mit welcher eine Verbrennungsmaschinen-Welle an das Getriebe ankuppelbar ist, wobei ferner an dem ersten Eingang eine schaltbare Momentenabstützvorrichtung vorgesehen ist.
  • Die Erfindung ist ein vollhybridisierter Antriebsstrang. Mit der Schaltvorrichtung, die gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Klauenkupplung ist, kann in einem ersten Betriebszustand die Verbrennungsmaschinen-Welle (Antriebswelle) mit dem Getriebe, insbesondere dessen Hohlrad und in einem zweiten Betriebszustand eine Momentenabstützvorrichtung mit dem Getriebe, insbesondere dessen Hohlrad verbunden werden. Die Momentenabstützvorrichtung, die an dem Getriebegehäuse ausgebildet sein kann, erlaubt es, das Getriebe, gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Planetengetriebe als Standgetriebe zu betreiben. Dadurch ist es einerseits möglich, über den Elektromaschinen-Antrieb sehr hohe Momente auf den Abtrieb zu übertragen, denn durch die Momentenabstützvorrichtung wird verhindert, dass der Verbrennungmaschinen-Antrieb, der nur ein begrenztes, auf dem Reibungswiderstand und dem Kompressionswiderstand beruhendes Widerstandsmoment aufweist, gedreht wird. Dabei ist beachtlich, dass der Antrieb durch den Elektromaschinen-Antrieb drehrichtungsunabhängig ist. Andererseits erlaubt es die Schaltvorrichtung, praktisch verlustfrei Leistungen auf das Getriebe zu übertragen, wenn der Antrieb durch die Verbrennungsmaschine erfolgen soll. Dies bietet insgesamt die Möglichkeit, ein Fahrzeug, insbesondere ein schweres Nutzfahrzeug rein verbrennungsmotorisch, rein elektrisch und im gemischten Zustand zu betreiben. Im Stand der Technik ist dies nicht möglich, denn ein rein elektrisches Fahren ist durch die Art der Ankopplung des E-Maschinenantriebs und das Fehlen eines ausreichenden Stützmoments unmöglich.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind an dem ersten Eingang die Schaltvorrichtung und die Momentenabstützvorrichtung als Funktionseinheit ausgebildet. Dies erleichtert den Aufbau und die Betätigung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltvorrichtung, insbesondere die Funktionseinheit als Kupplung, insbesondere als Klauenkupplung oder Lamellenkupplung ausgebildet, welche vorzugsweise pneumatisch, elektromechanisch oder elektromagnetisch betätigbar ist. Das Schaltelement verbindet vorzugsweise wahlweise den Verbrennungsmotor mit der Hohlradwelle oder die Hohlradwelle mit dem Gehäuse, wodurch eine einfache und betriebssichere Steuerung möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Getriebe als Planetengetriebe mit einem Hohlrad, mindestens einem ersten Planetenrad, einem Planetenträger und einem Sonnenrad ausgebildet. Ein Planetengetriebe weist als Vorteile eine kostengünstige Bauweise und verhältnismäßig geringe Verlustleistungen auf.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind wahlweise der Verbrennungsmaschinen-Antrieb mit der Schaltvorrichtung oder die Momentenabstützvorrichtung an das Hohlrad kuppelbar. Eine solche Ausgestaltung ist im Hinblick auf die Drehzahlbereiche des Verbrennungsmaschinen-Antriebs und des Elektromaschinen-Antriebs vorteilhaft, wobei entsprechend dazu vorzugsweise der Eingang des Elektromaschinen-Antriebs verdrehfest mit dem Sonnenrad und der Ausgang verdrehfest mit dem Planetenträger verbunden sind.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromaschinen-Antrieb als Zusatzantrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmaschinen-Antrieb schaltbar ausgebildet. Dadurch lassen sich verbesserte Fahrleistungen erreichen.
  • Die Vorteile der Erfindung zeigen sich auch bei einem Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmaschinen-Antrieb und einem Elektromaschinen-Antrieb, wenn – wie gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen, ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang vorgesehen ist. Daher wird auch für einen Hybridantrieb Schutz beansprucht. Auf die im Zusammenhang mit dem Antriebsstrang beschriebenen Wirkungsweisen und Vorteile wird ausdrücklich Bezug genommen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem erfindungsgemäßen Hybridantrieb der Elektromaschinen-Antrieb für einen Motorbetrieb ausgebildet und zusätzlich wahlweise elektrisch verriegelbar und/oder für einen Generatorbetrieb ausgebildet. Dies erlaubt es insbesondere, über den Elektromaschinen-Antrieb eine Akkumulatoreinrichtung zu laden, was große Freiheiten im Betrieb des Hybridfahrzeugs ermöglicht, insbesondere dann, wenn – wie gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen – der Elektromaschinen-Antrieb als Alleinantrieb sowohl für Vorwärtsfahrt als auch für Rückwärtsfahrt schaltbar ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Antrieb als Nutzfahrzeugantrieb, insbesondere für Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als 3,5 t, vorzugsweise von mehr als 7,5 t, insbesondere 30 t ausgelegt.
  • Mit der Erfindung wird ein besonders kostengünstig umsetzbarer Weg zur Nutzung der Hybridtechnik für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge aufgezeigt. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht Wirkungsgradoptimierungen und eine Erweiterung des Einsatzspektrums durch rein elektrisches Fahren und Rangieren bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.
  • Dabei zeigt:
  • 1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs als Teil einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer vereinfachten schematischen Darstellung.
  • Der in 1 gezeigte Hybridantrieb 100 umfasst einen Verbrennungsmaschinen-Antrieb 102, einen Elektromaschinen-Antrieb 104 sowie einen Antriebsstrang 106, an den sich ein Wechselgetriebe 108 anschließt, welches seinerseits über Verteilergetriebe (nicht gezeigt) und Achsgetriebe (nicht gezeigt) auf die Antriebsräder (nicht gezeigt) eines Nutzfahrzeuges wirkt.
  • Der Antriebsstrang 106 weist einen ersten Eingang 110 für den Verbrennungsmaschinen-Antrieb 102 sowie einen zweiten Eingang 112 für den Elektromaschinen-Antrieb 104 auf. Ferner ist an dem Antriebsstrang 106 ein Ausgang 114 ausgebildet, an welchem eine Abtriebswelle 116 verdrehfest angekuppelt ist, wobei die Abtriebswelle 116 mit der Eingangswelle des Wechselgetriebes 106 gekuppelt ist.
  • Der erste Eingang 110, der zweite Eingang 112 und der Ausgang 114 sind Teile eines Getriebes 118, welches als Planetengetriebe 120 ausgebildet ist. Dieses Planetengetriebe 120 weist eine zentrale Welle 122 auf, die mit einem Hohlrad 124 des Getriebes 118 verdrehfest gekoppelt ist. Das Planetengetriebe 120 weist ferner ein Sonnenrad 126 auf, welches mit dem zweiten Eingang 112 verdrehfest gekoppelt ist. Zwischen dem Hohlrad 124 und dem Sonnenrad 126 sind mehrere, vorzugsweise drei Planetenräder 128 angeordnet, die von einem Planetenträger 130 getragen sind. Der Planetenträger 130 ist verdrehfest mit dem Ausgang 114 ausgebildet.
  • An dem ersten Eingang 110 des Getriebes 118 ist ferner eine Funktionseinheit 132 aus einer Schaltvorrichtung 134 und einer Momentenabstützvorrichtung 136 vorgesehen. Eine verschiebbare Muffe 138 der Funktionseinheit 132 ermöglicht es, den ersten Eingang 110 verdrehfest an eine Verbrennungsmaschinenwelle 140 des Verbrennungsmaschinen-Antriebs 102 anzukuppeln, womit eine Leistungsübertragung von dem Verbrennungsmaschinen-Antrieb 102 auf das Getriebe 118 ohne Verluste möglich ist. In einer anderen Betriebsstellung erlaubt es die Muffe 138, den ersten Eingang 110 verdrehfest mit der Momentenabstützvorrichtung 136 zu kuppeln, wobei die Momentenabstützvorrichtung in einer einfachen Bauform als Reib- oder Verzahnungsvorsprung an einem Gehäuse (nicht gezeigt) des Getriebes 118 ausgebildet sein kann.
  • Der gezeigte Hybridantrieb erlaubt es, ein Nutzfahrzeug voll hybridisiert zu betreiben. In der in 1 gezeigten ersten Betriebsstellung ist dabei der Eingang 110 über die Muffe 138 verdrehfest mit dem Verbrennungsmaschinen-Antrieb 102 gekuppelt, sodass ein Momentenfluss über das Hohlrad 124 und die Planetenräder 128 auf den Planetenträger 130 und damit auf den Ausgang 114 erfolgt. Die im Fahrbetrieb gewünschten Momente und Drehzahlen lassen sich in diesem Betriebszustand über das Wechselgetriebe 118 beeeinflussen. Der Elektromaschinen-Antrieb 104 kann in diesem Betriebszustand elektrisch verriegelt sein, es ist aber auch möglich, das auf den Ausgang 114 geleitete Moment durch eine Bestromung des Elektromaschinen-Antriebs 104 zu verstärken oder über das Sonnenrad 126 einen Teil des Drehmoments abzuleiten, um den Elektromaschinen-Antrieb 104 als Generator zu verwenden.
  • Wenn die Verbrennungsmaschine des Verbrennungsmaschinen-Antriebs 102 still steht, kann mit dem gezeigten Hybridantrieb 100 ein damit ausgestattetes Nutzfahrzeug gleichwohl betrieben werden. Dazu wird über die Muffe 138 der erste Eingang 110 verdrehfest mit der Momentenabstützvorrichtung 136 gekuppelt. In diesem Zustand können von dem Elektromaschinen-Antrieb 104 hohe Momente über das Sonnenrad 126 auf die Planetenräder 128 und damit auf den Planetenträger 130 und den Ausgang 114 übertragen werden, denn es besteht wegen der Momentenabstützvorrichtung 136 keine Gefahr, dass die Verbrennungsmaschine gedreht wird. Die Momentenübertragung von dem Elektromaschinen-Antrieb 104 ist dabei unabhängig von der Drehrichtung, sodass bei dem Wechselgetriebe 108 auch auf einen Rückwärtsgang verzichtet werden kann. Nichtsdestotrotz sind die Drehzahlen und die Momente über das Wechselgetriebe 108 beeinflussbar. Die Erfindung ermöglicht es so, einen vollhybridisierten Antrieb durchzuführen, wobei es ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Erfindung ist, dass das Wechselgetriebe 106 ohne Rückwärtsgang ausgeführt werden kann, denn über den Elektromaschinen-Antrieb 104 ist ein Rangieren auch ohne einen Rückwärtsgang im Wechselgetriebe 106 möglich.
    • 100
    Hybridantrieb
    102
    Verbrennungsmaschinen-Antrieb
    104
    Elektromaschinen-Antrieb
    106
    Antriebsstrang
    108
    Wechselgetriebe
    110
    erster Eingang
    112
    zweiter Eingang
    114
    Ausgang
    116
    Antriebswelle
    118
    Getriebe
    120
    Planetengetriebe
    122
    zentrale Welle
    124
    Hohlrad
    126
    Sonnenrad
    128
    Planetenräder
    130
    Planetenträger
    132
    Funktionseinheit
    134
    Schaltvorrichtung
    136
    Momentenabstützvorrichtung
    138
    Muffe
    140
    Verbrennungsmaschinen-Welle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19934696 A1 [0004]
    • - DE 10152472 A1 [0004]

Claims (12)

  1. Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, mit einem Getriebe (118), an dem ein erster Eingang (110) für den Verbrennungsmaschinen-Antrieb (102), ein zweiter Eingang (112) für den Elektromaschinen-Antrieb (104) und ein Ausgang (114), welcher an eine Abtriebswelle (116) kuppelbar ist, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Eingang (110) eine Schaltvorrichtung (134) vorgesehen ist, mit welcher eine Verbrennungsmaschinen-Welle (140) an das Getriebe (118) ankuppelbar ist, und dass an dem ersten Eingang (110) eine schaltbare Momentenabstützvorrichtung (136) vorgesehen ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Eingang (110) die Schaltvorrichtung (134) und die Momentenabstützvorrichtung (136) als Funktionseinheit (132) ausgebildet sind.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (134), insbesondere die Funktionseinheit (132) als Kupplung, insbesondere als Klauenkupplung oder Lamellenkupplung ausgebildet ist, welche vorzugsweise pneumatisch, elektromechanisch oder elektromagnetisch betätigbar ist.
  4. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (118) als Planetengetriebe (120) mit einem Hohlrad (124), mindestens einem ersten Planetenrad (128), einem Planetenträger (130) und einem Sonnenrad (126) ausgebildet ist.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise der Verbrennungsmaschinen-Antrieb (102) mit der Schaltvorrichtung (134) oder die Momentenabstützvorrichtung (136) an das Hohlrad (124) kuppelbar sind.
  6. Antriebsstrang nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang (112) des Elektromaschinen-Antriebs (104) verdrehfest mit dem Sonnenrad (126) verbunden ist.
  7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (114) verdrehfest mit dem Planetenträger (130) verbunden ist.
  8. Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmaschinen-Antrieb (102) und einem Elektromaschinen-Antrieb (104), gekennzeichnet durch einen Antriebsstrang (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  9. Hybridantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromaschinen-Antrieb (104) für einen Motorbetrieb ausgebildet ist und zusätzlich wahlweise elektrisch verriegelbar und/oder für einen Generatorbetrieb ausgebildet ist.
  10. Hybridantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromaschinen-Antrieb (104) als Alleinantrieb sowohl für Vorwärtsfahrt als auch für Rückwärtsfahrt schaltbar ist.
  11. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromaschinen-Antrieb (104) als Zusatzantrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmaschinen-Antriebs (102) schaltbar ist.
  12. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine Auslegung als Nutzfahrzeugantrieb, insbesondere für Nutzfahrzeuge mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als 3,5 t, vorzugsweise von mehr als 7,5 t, insbesondere 30 t ausgelegt ist.
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