DE102010006558A1

DE102010006558A1 - Antriebssystem für Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102010006558A1
Application number: DE102010006558A
Authority: DE
Inventors: Gary E. Oxford McGee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: CN101817304A; DE102010006558B4; CN101817304B; US8251164B2; US20100193268A1

Abstract

Es wird ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug bereitgestellt, das eine Maschine mit einer Kurbelwelle und einen Motor/Generator mit einem Wellenelement aufweist. Das Antriebssystem umfasst ein Starter-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist, und ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit der Kurbelwelle verbunden ist. Eine Kette steht in Eingriff mit dem Starter-Kettenzahnrad und dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad. Ein Planetenradsatz ist ausgestaltet, um ein Drehmoment des Motors/Generators zu vervielfachen, wobei das vervielfachte Drehmoment über die Kettenzahnräder und die Kette zum Starten der Maschine an die Maschinenkurbelwelle bereitgestellt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein elektrisches Hybridfahrzeug umfasst eine Brennkraftmaschine und einen oder mehrere Elektromotoren/Generatoren. Einige Hybridfahrzeuge setzen einen oder mehrere Motoren/Generatoren ein, um Antriebsdrehmoment in einem rein elektrischen Betriebsmodus oder in Kombination mit der Maschine bereitzustellen, etwa in einem elektrisch variablen Betriebsmodus. Die Motoren/Generatoren können auch verwendet werden, um die Maschine bei einem Kaltstart, aus einem automatischen Anhalten (Leerlauf, Maschine ausgeschaltet) heraus oder beim Übergang vom rein elektrischen Modus in den elektrisch variablen Modus zu starten.
Ein typisches (nicht hybrides) Zubehörantriebssystem überträgt Antriebskräfte an Kraftfahrzeugzubehöreinrichtungen über einen flexiblen Antriebsriemen, der um Riemenscheiben an der Maschine und den Zubehöreinrichtungen herumgeführt ist. Die Zubehöreinrichtungen umfassen typischerweise einen Generator. Bei Hybridantriebssträngen setzen Riemen-Generator-Startersysteme (BAS-Systeme) einen Motor/Generator als kombinierten Starter und Generator ein, der in Beziehung mit anderen Komponenten des Zubehörantriebssystems, etwa einer Pumpe, einer Klimaanlage oder anderen Zubehöreinrichtungen, montiert ist. Der Motor/Generator des BAS-Systems ist typischerweise wie ein herkömmlicher Genera tor montiert und auf dieselbe Weise verpackt und treibt das Zubehör und Maschinenkomponenten über ein Riemen- und Riemenscheibensystem an.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug bereitgestellt, das eine Maschine mit einer Kurbelwelle und einen Motor/Generator mit einem Wellenelement aufweist. Das Antriebssystem umfasst ein Starter-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist, und ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit der Kurbelwelle verbunden ist. Eine Kette steht in Eingriff mit dem Starter-Kettenzahnrad und dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad. Ein Planetenradsatz ist ausgestaltet, um ein Drehmoment des Motors/Generators zu vervielfachen, wobei das vervielfachte Drehmoment über die Kettenzahnräder und die Kette zum Starten der Maschine an die Kurbelwelle der Maschine bereitgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die Kette eine Steuerkette, die auch verwendet wird, um eine relative Drehung der Kurbelwelle mit Nockenwellen zu steuern, die von der Kette über Nockenwellen-Kettenzahnräder angetrieben werden, welche mit der Kette in Eingriff stehen. Alternativ kann eine separate Kette verwendet werden, um die Nockenwellen-Kettenzahnräder über das Starter-Kettenzahnrad anzutreiben, oder die dedizierte Kette, welche das Starter-Kettenzahnrad und das Kurbelwellen-Kettenzahnrad verbindet, kann bei einem Fahrzeug verwendet werden, das keine Nockenwellen aufweist.
Folglich wird ein Antriebssystem für Hybridanwendungen geschaffen, das in relativ dem gleichen Einbauraum eingebaut wird, der für nicht hybride Zubehörriemenantriebssysteme verwendet wird. Durch Implementieren eines Planetenradsatzes wird eine ausreichende Drehmomentvervielfa chung erreicht, sodass die Größe des Kurbelwellen-Kettenzahnrads und die Leistungsvoraussetzungen des Motors/Generators relativ klein bleiben. Eine Kette ist implementiert, um das Starter-Kettenzahnrad und das Kurbelwellen-Kettenzahnrad zum Antreiben zu verbinden. Die Kette kann eine existierende Steuerkette sein. Ketten und Kettenzahnradantriebe stellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen typischerweise eine bessere Leistung als Riemen und Riemenscheibenantriebe bereit, da Riemen aufgrund einer Versteifung oder eines Reibungsverlusts wegen des Entstehens von Reif oder Frost zwischen der Riemenscheibe und den Riemen rutschen können. Der Motor/Generator kann sowohl als Generator, der die Funktionen eines Zubehörantriebsgenerators bereitstellt, als auch als ein Startermotor wirken. Auch kann eine einzige Kette alle Kettenzahnräder antreiben, da eine Sollspannung an einer Kette nicht wie bei einem Riemen auf eine Gesamtlänge beschränkt ist. Somit werden Einbauprobleme und die Komponentenanzahl minimiert. Beispielsweise wird ein separates Spannsystem, wie es mit einem dedizierten Riemen-Generator-Starter notwendig ist, mit einer Kette nicht benötigt.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Endansicht einer Fahrzeugmaschine, die eine Steuerkette zeigt, welche ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, ein Motor/Generator-Starter-Kettenzahnrad und Nockenwellen-Kettenzahnräder zeigt;
2 ist eine schematische Seitenansichtsveranschaulichung eines Antriebssystems für die Fahrzeugmaschine von 1, welche das Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das Motor/Generator-Starter-Kettenzahnrad und die Nockenwellen-Kettenzahnräder von 1 und einen Motor/Generator umfasst, der über einen Planetenradsatz mit dem Starter-Kettenzahnrad verbunden ist;
3 ist eine schematische Endansicht einer alternativen Ausführungsform einer Fahrzeugmaschine, die eine dedizierte Kette zeigt, welche ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad und ein Motor/Generator-Starter-Kettenzahnrad verbindet, wobei eine separate Steuerkette das Kurbelwellen-Kettenzahnrad und die Nockenwellen-Kettenzahnräder verbindet; und
4 ist eine schematische Seitenansichtsveranschaulichung eines Antriebssystems für die Fahrzeugmaschine von 3.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den verschiedenen Figuren bezeichnen, zeigt 1 einen Abschnitt eines Hybridfahrzeugs 10 mit einer Maschine 12, die einen Maschinenblock 14 und eine am Maschinenblock 14 befestigte Nockenwellenabdeckung 16 (beide gestrichelt gezeigt) umfasst, wie der Fachmann versteht. Die Maschine 12 weist eine Kurbelwelle 18 mit einem an einem Ende derselben montierten Kurbelwellen-Kettenzahnrad 20 auf. Obenlie gende Nockenwellen 24A, 24B sind mit der Kurbelwelle 18 funktional verbunden und werden von der Kurbelwelle 18 über eine Steuerkette 26 angetrieben, die mit Nockenwellen-Kettenzahnrädern 28A, 28B, welche zur Drehung mit den Nockenwellen 24A, 24B befestigt sind, in Eingriff steht. Glieder der Steuerkette 26 treten mit Zähnen an den Kettenzahnrädern 28A, 28B in Eingriff, um eine präzise relative Drehung und ein präzises Timing der Kurbelwelle 18 und der Nockenwellen 24A, 24B zu liefern.
Ein Starter-Kettenzahnrad 30 steht ebenfalls mit der Steuerkette 26 über Zähne, die in Glieder der Kette 26 eingreifen, in Eingriff. Mit Bezug auf 2 ist das Starter-Kettenzahnrad 30 über einen Planetenradsatz 34 mit einem Motor/Generator 32 funktional verbunden, um zu ermöglichen, dass der Motor/Generator 32 zum Starten der Maschine 12 verwendet werden kann, indem er die Kurbelwelle 18 über die Steuerkette 26, welche die Kettenzahnräder 20, 28A, 28B, 30 verbindet, dreht (in 2 ist das Nockenwellen-Kettenzahnrad 28A nicht sichtbar, da es direkt hinter dem Nockenwellen-Kettenzahnrad 28B angeordnet ist). Insbesondere umfasst der Planetenradsatz 34 ein Sonnenradelement 36, das zur Drehung mit einer Motor/Generatorwelle 38 befestigt ist, die von einem Rotor des Motors/Generators 32 angetrieben wird. Der Planetenradsatz 34 umfasst auch ein Trägerelement 40 und ein Hohlradelement 42. Das Trägerelement 40 stützt Zahnräder 44, die sowohl mit dem Sonnenradelement 36 als auch mit dem Hohlradelement 42 kämmen. Das Starter-Kettenzahnrad 30 ist an dem Trägerelement 40 zur Drehung damit montiert. Das Hohlradelement 42 ist an einem feststehenden Element 46 geerdet. Das feststehende Element 46 kann der Maschinenblock 14 oder eine beliebige andere feststehende Komponente, wie etwa ein Getriebegehäuse, sein.
Der Motor/Generator 32 kann über einen Controller 50 gesteuert werden, der mit einem Gleichrichter/Wechselrichter 52 funktional verbunden ist, um Steuerungssignale dorthin zu liefern, die bewirken, dass der Motor/Generator 32 entweder als Motor oder als Generator wirkt. Der Gleichrichter/Wechselrichter 52 setzt einen von einer Energiespeichereinrichtung 54 über Übertragungselemente 56 bereitgestellten Gleichstrom in Wechselstrom um, der über Übertragungselemente 57, die für den Motor/Generator 32 benötigt werden, geliefert wird, oder er setzt Wechselstrom, der von dem Motor/Generator 32 bereitgestellt wird, wenn er als Generator wirkt (etwa in einem regenerativen Bremsmodus) in Gleichstrom zur Speicherung in der Energiespeichereinrichtung 54 über die Übertragungselemente 56 um. Wenn er als Motor wirkt, wird elektrische Leistung von der Energiespeichereinrichtung 54 über die Übertragungselemente 56 durch den Gleichrichter/Wechselrichter 52 bereitgestellt, um den Motor/Generator 32 mit Leistung zu versorgen, um das Wellenelement 38 und das damit verbundene Sonnenradelement 36 anzutreiben. Drehmoment des Sonnenradelements 36 wird über den Planetenradsatz 34 vervielfacht, um am Trägerelement 40 ein größeres Drehmoment bereitzustellen, sodass sich das Drehmoment des Trägerelements zum Drehmoment des Sonnenradelements gemäß der Formel verhält: 1 + R/S,wobei R die Anzahl der Zähne des Hohlradelements ist und S die Anzahl der Zähne des Sonnenradelements ist.
Der Planetenradsatz 34 ist mit geeigneten Zahnzahlen ausgestaltet, um eine gewünschte Drehmomentvervielfachung bereitzustellen, etwa zwischen einem Faktor von zwei bis drei vom Sonnenradelement 36 zum Trägerelement 40. Dies stellt genügend Drehmoment am Starter-Kettenzahnrad 30 bereit, das zur Drehung mit dem Trägerelement 40 befestigt ist, um die Kurbelwelle 18 zum Starten der Maschine zu drehen.
Derartige Starts können Kaltstarts der Maschine 12, nachdem das Fahrzeug eine längere Periode lang gestoppt war, Starts nach einem automatischen Stopp (Leerlauf, Maschine ausgeschaltet) oder Starts sein, wenn von einem rein elektrischen Modus mit ausgeschalteter Maschine in einen Modus mit eingeschalteter Maschine, etwa einen elektrisch variablen Modus, übergegangen wird. Durch das Vervielfachen des Drehmoments über den Planetenradsatz 34 muss das Kurbelwellen-Kettenzahnrad 20 nicht vergrößert oder überdimensioniert werden, und somit kann eine typische Timingbeziehung zwischen der Kurbelwelle 18 und den Nockenwellen 24A, 24B beigehalten werden. Daher ermöglicht ein Antriebssystem 60, das den Motor/Generator 32, die Kettenzahnräder 20, 30, 28A, 28B und die Kette 26 umfasst, ein Starten der Maschine 12 über eine Drehmomentübertragung an die Kurbelwelle 18 mit der Präzision einer Kette 26, wobei Schlupfprobleme vermieden werden, die bei einem Riemen- und Riemenscheibensystem auftreten können. Eine einzige Kette 26 kann verwendet werden, um alle Kettenzahnräder 20, 30, 28A, 28B zu verbinden, da das bei langen Riemen anzutreffende Durchhängen vermieden wird, und der Planetenradsatz ermöglicht Kettenzahnräder 20, 30 mit einem relativ kleinen Durchmesser.
Mit Bezug auf 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Fahrzeugs 10A mit einer Maschine 12A mit einer dedizierten Kette 26A, die zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad 20A und dem Starter-Kettenzahnrad 30 verwendet wird, und einer separaten Steuerkette 26B veranschaulicht, die zum Übertragen von Drehmoment zwischen dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad 20A und den Nockenwellen-Kettenzahnrädern 28A, 28B verwendet wird. Das Kurbelwellen-Kettenzahnrad 20A weist zwei Zahnsätze oder einen verlängerten Zahnsatz auf, um eine separate Verbindung der Ketten 26A, 26B zu ermöglichen, wobei die Ketten 26A, 26B voneinander axial beabstandet montiert sind, wie in 4 veranschaulicht ist. Alle anderen Komponenten sind so ausgestaltet, dass sie auf die gleiche Weise funktionieren, wie es mit Bezug auf das Antriebssystem 60 von 1 und 2 beschrieben ist. Somit ermöglicht ein Antriebssystem 60A, das den Motor/Generator 32, die Kettenzahnräder 20A, 30, 28A, 28B und die Ketten 26A, 26B umfasst, ein Starten der Maschine 12A über eine Drehmomentübertragung an die Kurbelwelle 18 mit der Präzision einer Kette 26A.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug mit einer Maschine, die eine Kurbelwelle aufweist, und einem Motor/Generator, der ein Wellenelement aufweist, umfassend: ein Starter-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist; ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit der Kurbelwelle verbunden ist; eine Kette, die mit dem Starter-Kettenzahnrad und dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad in Eingriff steht; und einen Planetenradsatz, der zum Vervielfachen eines Drehmoments des Motors/Generators ausgestaltet ist, wobei das vervielfachte Drehmoment über die Kettenzahnräder und die Kette zum Starten der Maschine an die Maschinenkurbelwelle bereitgestellt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein feststehendes Element; wobei der Planetenradsatz ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist; wobei das erste Element zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist, das zweite Element zur Drehung mit dem Starter-Kettenzahnrad verbunden ist und das dritte Element an dem feststehenden Element geerdet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Maschine Nockenwellen aufweist, die relativ zu der Kurbelwelle positioniert sind; und wobei die Kette eine Steuerkette ist, die auch mit Nockenwellen-Kettenzahnrädern in Eingriff steht, die mit den Nockenwellen funktional verbunden sind, und/oder wobei das erste Element ein Sonnenradelement ist, das zweite Element ein Trägerelement ist und das dritte Element ein Hohlradelement ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Energiespeichereinrichtung; einen Gleichrichter/Wechselrichter, der die Energiespeichereinrichtung mit dem Motor/Generator funktional verbindet; und einen Controller, der zum Steuern des Motors/Generators dient, sodass dieser als Generator arbeitet, um Drehmoment von der Maschine, das durch die Kette übertragen wird, in elektrische Energie umzusetzen, die in der Energiespeichereinrichtung gespeichert wird.
Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug mit einer Maschine, die eine Kurbelwelle und Nockenwellen aufweist, und mit einem Motor/Generator, der ein Wellenelement aufweist, umfassend: ein Starter-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit dem Wellenelement funktional verbunden ist; ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit der Kurbelwelle funktional verbunden ist; Nockenwellen-Kettenzahnräder, die zur Drehung mit den Nockenwellen funktional verbunden sind; und eine Steuerkette, die mit dem Starter-Kettenzahnrad, dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad und den Nockenwellen-Kettenzahnrädern in Eingriff steht; wobei der Motor/Generator so gesteuert werden kann, dass er über die Steuerkette und die Kettenzahnräder Drehmoment an die Maschine bereitstellt und Drehmoment von dieser empfängt.
Antriebssystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: ein feststehendes Element; und einen Planetenradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element; wobei das erste Element zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist, das zweite Element zur Drehung mit dem Starter-Kettenzahnrad verbunden ist und das dritte Element an dem feststehenden Element geerdet ist; wobei der Planetenradsatz ausgestaltet ist, um ein Drehmoment des Motors/Generators zu vervielfachen, wobei das vervielfachte Drehmoment über die Kettenzahnräder und die Steuerkette zum Starten der Maschine an die Maschinenkurbelwelle bereitgestellt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei das erste Element ein Sonnenradelement ist, das zweite Element ein Trägerelement ist und das dritte Element ein Hohlradelement ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine Energiespeichereinrichtung; einen Gleichrichter/Wechselrichter, der die Energiespeichereinrichtung mit dem Motor/Generator funktional verbindet; und einen Controller, der zum Steuern des Motors/Generators derart dient, sodass dieser als Generator arbeitet, um Drehmoment von der Maschine, das durch die Kette übertragen wird, in elektrische Energie umzusetzen, die in der Energiespeichereinrichtung gespeichert wird, und dass dieser als Motor arbeitet, um die Kurbelwelle anzutreiben.
Hybridfahrzeug, umfassend: eine Maschine mit einer Kurbelwelle und Nockenwellen; einen Motor/Generator mit einem Wellenelement; ein erstes Kettenzahnrad, das an dem Wellenelement montiert ist; ein Kurbelwellen-Kettenzahnrad, das zur Drehung mit der Kurbelwelle verbunden ist; Nockenwellen-Kettenzahnräder, die zur Drehung mit den Nockenwellen verbunden sind; eine Steuerkette, die mit dem ersten Kettenzahnrad, dem Kurbelwellen-Kettenzahnrad und den Nockenwellen-Kettenzahnrädern in Eingriff steht; ein feststehendes Element; einen Planetenradsatz mit einem Sonnenradelement, einem Trägerelement und einem Hohlradelement; wobei das Sonnenradelement zur Drehung mit dem Wellenelement verbunden ist, das Trägerelement zur Drehung mit dem ersten Kettenzahnrad verbunden ist und das Hohlradelement an dem feststehenden Element geerdet ist; wobei der Planetenradsatz ausgestaltet ist, um ein Drehmoment des Motors/Generators zu vervielfachen, wobei das vervielfachte Drehmoment über die Kettenzahnräder und die Steuerkette zum Starten der Maschine an die Maschinenkurbelwelle bereitgestellt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 9, wobei das Drehmoment durch den Planetenradsatz um einen Faktor von mindestens zwei vervielfacht wird.