DE102011003830A1 - Hybridantrieb - Google Patents

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Abstract

Hybridantrieb, mit einer ersten Antriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, einer zweiten Antriebsmaschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, und einer Drehmomentüberlagerungseinrichtung, mittels der ein von der ersten Antriebsmaschine erzeugtes Drehmoment einem von der zweiten Antriebsmaschine erzeugten Drehmoment überlagerbar ist. Die Drehmomentüberlagerungseinrichtung ist durch eine Planetengetriebeanordnung gebildet. Sie weist einen ersten Eingang auf, der von der ersten Antriebsmaschine antreibbar ist, zweiten Eingang, der von der zweiten Antriebsmaschine antreibbar ist, einen Ausgang sowie einen ersten und einen zweiten Steuereingang.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Bei vielen aus dem Stand der Technik bekannten (Parallel-)Hybridkonzepten ist die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors über eine erste Kupplung mit dem Rotor einer elektrischen Maschine und über eine zweite Kupplung mit der Eingangswelle eines Stufenautomatikgetriebes verbunden. Im „Parallelhybridmodus”, d. h. wenn das Fahrzeug gleichzeitig vom Verbrennungsmotor und von der elektrischen Maschine angetrieben wird, drehen der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine mit ein- und derselben Drehzahl oder, wenn sie über eine „Übersetzung” miteinander gekoppelt sind, in einem vorgegebenen Drehzahlverhältnis, was hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads des Hybridantriebs nicht immer optimal ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Hybridantriebskonzept zu schaffen, das den oben beschriebenen Nachteilen herkömmlicher Hybridantriebskonzepte besser Rechnung trägt und das bei geringem Gewicht die Erzielung eines günstigen Gesamtwirkungsgrads ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Hybridantrieb, mit einer ersten Antriebsmaschine, die durch einen Verbrennungsmotor gebildet sein kann, und einer zweiten Antriebsmaschine, die durch eine elektrische Maschine gebildet sein kann. Ferner ist eine sogenannte „Drehmomentüberlagerungseinrichtung” vorgesehen, mittels der ein von der ersten Antriebsmaschine erzeugtes Drehmoment bzw. eine von der ersten Antriebsmaschine erzeugte Antriebsleistung einem von der zweiten Antriebsmaschine erzeugten Drehmoment bzw. einer von der zweiten Antriebsmaschine erzeugten Antriebsleistung überlagerbar ist.
  • Der Begriff „Drehmomentüberlagerungseinrichtung” ist äußerst breit zu interpretieren. Gemeint ist ganz allgemein, dass die Antriebsleistung der beiden Antriebsmaschinen bzw. die betreffenden Antriebsmomente „zusammengeschaltet”, d. h. zu einem „Ausgangsdrehmoment” bzw. einer „Ausgangsleistung” überlagert werden können.
  • Die Drehmomentüberlagerungseinrichtung weist dementsprechend einen ersten Eingang auf, welcher der ersten Antriebsmaschine zugeordnet ist und zweiten Eingang, welcher der zweiten Antriebsmaschine zugeordnet ist, sowie einen Drehmomentausgang, über den das „zusammengeschaltete” Drehmoment auf die Antriebsräder bzw. auf ein Antriebselement eines Differentialgetriebes zur Weiterleitung an die Antriebsräder übertragen werden kann.
  • Wenn im Folgenden für die erste Antriebsmaschine der Begriff „Verbrennungsmotor” und für die zweite Antriebsmaschine der Begriff „elektrische Maschine” verwendet wird, so ist dies beispielhaft, nicht aber einschränkend zu verstehen.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Drehmomentüberlagerungseinrichtung durch eine „Planetengetriebeanordnung” gebildet ist, welche einen ersten und einen zweiten Steuereingang aufweist, über die unterschiedliche Gänge bzw. Übersetzungsverhältnisse dargestellt werden können. Mit einer derartigen Planetengetriebeanordnung lassen sich die Übersetzungsverhältnisse, mit denen der erste Eingang bzw. die erste Antriebsmaschine mit dem Ausgang und der zweite Eingang bzw. die zweite Antriebsmaschine mit dem Ausgang gekoppelt sind, in vorgegebenen Gangstufen verändern, was nicht nur unter Verbrauchsgesichtspunkten von Vorteil ist, sondern dem Hybridantrieb eine bessere Dynamik verleiht.
  • Für die möglichen Funktionalitäten des Fahrzeugs ist ein zweigängiges Getriebe für den elektrischen Antrieb von Vorteil. Allerdings ist ein gleicher Stufensprung für die beiden Leistungspfade zwischen der ersten Antriebsmaschine und dem Ausgang bzw. der zweite Antriebsmaschine und dem Ausgang ungünstig. Während ein Verbrennungsmotor zur Abdeckung des gesamten Geschwindigkeitsbereichs eines Fahrzeugs mit lediglich zwei Gängen einen großen Stufensprung von z. B. 4,33 erfordert, sollte der Stufensprung einer elektrischen Antriebsmaschine kleiner als 2,5 sein, da ansonsten im rein elektrischen Betrieb bei starker Beschleunigung Zugkrafteinbrüche entstehen würden und die mögliche Fahrzeuglängsdynamik nicht optimal nutzbar ist.
  • Würde man die Drehmomentüberlagerungseinrichtung als Stirnradgetriebe mit zwei Schaltelementen ausführen, so wäre es nicht möglich, für den „elektrischen Drehmomentpfad” und den „verbrennungsmotorischen Drehmomentpfad” einen unterschiedlichen Stufensprung darzustellen. Anstelle einer Drehmomentüberlagerungseinrichtung mittels außenverzahnter Stirnradstufen wird daher die oben beschriebene „Planetengetriebeanordnung” vorgeschlagen. Diese ermöglicht bei identischem Getriebeaufbau eine Ausführung als 2-Gang-Schaltgetriebe wie auch als 3-Gang-Schaltgetriebe, wobei die Stufensprünge sowie die Gesamtspreizung der Drehmomentüberlagerungseinrichtung für den elektrischen Antriebszweig und den verbrennungsmotorischen Antriebszweig unterschiedlich und damit anforderungsgerecht gewählt werden können.
  • Zusammenfassend werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erreicht:
    • – Wirkungsgrad: Aufgrund der prinzipbedingten Vorteile von Planetengetrieben, die eine Leistungsübertragung mit geringer Wälzleistung ermöglichen, ergibt sich sowohl im elektrischen als auch im verbrennungsmotorischen Betrieb ein guter Gesamtwirkungsgrad. Weiterhin werden aufgrund der anforderungsgerechten Übersetzungen in den relevanten Fahrzuständen die Antriebsaggregate (elektrische Maschine, Verbrennungsmotor) mit höheren Wirkungsgraden betrieben. Insgesamt ergibt sich daraus ein sehr guter Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs.
    • – Fahrdynamik: Durch die anforderungsgerechte Gangstufung ist im elektrischen Betrieb ein stetiger Zugkraftverlauf ohne Einbruch möglich, wodurch das Beschleunigungspotential der elektrischen Maschine voll ausgenutzt werden kann. Bei gleichzeitigem Abrufen der maximalen Antriebsleistung des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine führt das dargestellte Getriebe ebenfalls zu Beschleunigungsvorteilen, wobei die dreistufige Erweiterung nochmals günstiger als das zweistufige Getriebe ist.
    • – Fahrkomfort: Das Getriebe ermöglicht im rein elektrischen Betrieb einen stetigen Beschleunigungsverlauf vom Stilstand bis zur Höchstgeschwindigkeit. Dadurch wird es den Anforderungen an ein Elektrofahrzeug gerecht. Auch bei der Kombination der Antriebsleistung von elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor sind gleichmäßigere Zugkraftkurven möglich.
    • – Gewicht: Aufgrund der geringen Anzahl von Getriebewellen sowie der vorteilhaften internen Leistungsverzweigung in Planetengetrieben ist ein niedriges Getriebegewicht zu erwarten.
    • – Kosten: Da das Gewicht der als Drehmomentüberlagerungseinrichtung vorgeschlagenen Planetengetriebeanordnung vergleichsweise gering ist, lassen sich beachtliche Kostenpotential erschließen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung mit einem zweistufigen Koppelgetriebe;
  • 2 eine Variante des in 1 gezeigten Konzepts mit einem dreistufigen Koppelgetriebe;
  • 3 ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung mit einem zweistufigen Koppelgetriebe;
  • 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels der 3, mit einem dreistufigen Koppelgetriebe;
  • 5 Einzelheiten des in den 3, 4 gezeigten Koppelgetriebes in perspektivischer Darstellung.
  • 1 zeigt einen Hybridantrieb 1 mit einer ersten Antriebsmaschine 2, die durch einen Verbrennungsmotor gebildet ist, und einer zweiten Antriebsmaschine 3, die durch eine elektrische Maschine, welche als Elektromotor bzw. als Generator betreibbar ist, gebildet ist.
  • Eine Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 2 ist über eine Kupplung 5, welche als Anfahrkupplung ausgebildet sein kann, und eine „Verbrennungsmotorvorübersetzung 6” mit einem ersten Eingang 7 eines Koppelgetriebes, das im Folgenden auch als „Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8” bezeichnet wird, gekoppelt. Die Komponenten 2–7 bilden somit den „verbrennungsmotorischen Eingang” der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8.
  • Eine Läuferwelle 9 der elektrischen Maschine ist über eine Vorübersetzung 10 der elektrischen Maschine mit einem zweiten Eingang 11 der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 gekoppelt. Die Komponenten 3, 9–11 bilden den „elektrischen Eingang” der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8.
  • Die oben erwähnten Vorübersetzungen 6, 10 können jeweils als „Vorgelegestufen mit Außenverzahnung” ausgeführt sein.
  • In der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 werden die Drehmomente bzw. Antriebsleistungen der beiden „Antriebszweige” zu einem Ausgangsdrehmoment bzw. einer Ausgangsleistung, welche über einen Ausgang 12 abgegeben wird, überlagert. Der Ausgang 12 treibt ein Achsgetriebe 13 an, welches die Ausgangsleistung über die Abtriebswellen 14, 15 auf Antriebsräder 16, 17 eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs verteilt.
  • Die Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 weist ferner eine erste Schaltwelle 18 auf, die mittels einer zugeordneten ersten Bremse 19 in Bezug auf eine hier nicht näher dargestellte fahrzeugfeste Komponente, wie z. B. ein Getriebegehäuse 20, feststellbar ist. Desweiteren weist die Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 eine zweite Schaltwelle 21 auf, welche über eine zweite Bremse 22 in Bezug auf eine fahrzeugfeste Komponente feststellbar ist. Die beiden Bremsen 19, 22 können als Lamellenbremsen, insbesondere als elektromechanisch betätigbare Lamellenbremsen ausgeführt sein.
  • Die Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 kann als „Planetengetriebeverbund” ausgebildet sein, der gemäß 1 fünf Wellenanschlüsse aufweist, nämlich die beiden Eingänge 7, 11, den Ausgang 12 und die beiden Schaltwellen 18, 21.
  • Wird eine der beiden Lamellenbremsen 19, 22 betätigt, so wird die zugeordnete Schaltwelle 18 bzw. 21 festgebremst, wodurch die Übersetzungen des entsprechenden Gangs gewählt werden. Durch eine zeitlich überschneidende Betätigung der beiden Bremsen 19, 22 kann ein Gangwechsel ohne Unterbrechung des Drehmomentflusses durchgeführt werden.
  • 2 zeigt eine Variante des in 1 dargestellten Hybridkonzepts. Hier ist zusätzlich eine Kupplung 23 vorgesehen. Durch Schließen der Kupplung 23 können die beiden Schaltwellen 18, 21 miteinander drehgekoppelt werden, wodurch sich ein „dritter Gang” darstellen lässt. Die Kupplung 23 kann als hydraulische Lamellenkupplung ausgeführt sein oder als elektromechanisch betätigbares Schaltelement. Durch die Kupplung 23 werden die beiden Schaltwellen 18, 21 zum Gleichlauf gezwungen. Damit wird den Getriebewellen des Planetenverbundes eine gemeinsame Drehzahl aufgeprägt, was zwischen der elektrischen Maschine 3 und der Achse 14, 15 bzw. zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der Achse 14, 15 jeweils eine weitere Übersetzung ermöglicht.
  • 3 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel des in 1 schematisch dargestellten Kopplungsgetriebes 8.
  • Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der verbrennungsmotorischen Vorgelegestufe 6, 7a, die als Stirnradstufe ausgeführt ist, kann ein Schwungrad 24 angeordnet sein.
  • Die Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 (vgl. 1) weist zwei Planetenradsätze P1, P2 auf. Der erste Planetenradsatz P1 weist ein drehbar angeordnetes Sonnenrad P1S auf, welches mit der ersten Steuerwelle 18 drehgekoppelt ist. Erste Planetenräder, von denen in der hier gezeigten Darstellung lediglich ein erstes Planetenrad P1P zu erkennen ist, sind auf einem drehbar angeordneten Planetenträger P12T drehbar gelagert und kämmen mit dem ersten Sonnenrad P1S und einem drehbar angeordneten ersten Hohlrad P1H, welches mit dem ersten Eingang 7 verbunden ist oder durch den ersten Eingang 7 gebildet ist.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, weist die Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 genau einen einzigen Planetenträger auf, nämlich den Planetenträger P12T, welcher sowohl dem einen Planetenradsatz P1 als auch dem anderen Planetenradsatz P2 zugeordnet ist.
  • Der zweite Planetenradsatz P2 weist ein zweites drehbar angeordnetes Sonnenrad P2S auf, das mit dem zweiten Steuereingang 21 drehgekoppelt ist. Mit dem zweiten Sonnenrad P2S kämmen zweite Planetenräder P2P, welche ebenfalls drehbar auf dem gemeinsamen Planetenradträger P12T angeordnet sind. Jeder der zweiten Planeten P2P kämmt zusätzlich mit einem zugeordneten Planeten P1P des ersten Planetengetriebes P1. Desweiteren kämmen die zweiten Planeten P2P mit einem drehbar angeordneten zweiten Hohlrad P2H des zweiten Planetengetriebes P2. Das zweite Hohlrad P2H bildet den Ausgang 12 der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, kämmt der gemeinsame Planetenradträger P12T mit dem Stirnrad 10 der Vorübersetzung der elektrischen Maschine 3. Anders ausgedrückt, ist der gemeinsame Planetenradträger P12T identisch mit dem zweiten Eingang 11 der Drehmomentüberlagerungseinrichtung.
  • Der Ausgang 12 treibt über ein Abtriebsritzel 25 ein Antriebsrad 26 eines hier nicht näher dargestellten Differentialgetriebes an, welches das Abtriebsmoment auf Antriebsräder eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs verteilt.
  • 4 zeigt eine Variante des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels. Der einzige Unterschied gegenüber dem in 3 gezeigten Konzept besteht darin, dass zusätzlich eine Kupplung 23 vorgesehen ist, über welche die beiden Schaltwellen 18, 21 miteinander zwangsgekoppelt werden können. Die Kupplung 23 kann je nach Bauraumverfügbarkeit radial zwischen den beiden Bremsen 19, 22 oder axial neben den beiden Bremsen 19, 22 angeordnet sein.
  • 5 zeigt die beiden Planetenradstufen P1, P2 in perspektivischer Darstellung. Klar ersichtlich ist, dass die ersten Planeten P1P mit dem zugeordneten ersten Sonnenrad P1S und dem zugeordneten ersten Hohlrad P1H und darüber hinaus mit den zweiten Planeten P2P kämmen. Die zweiten Planeten P2P wiederum kämmen mit dem zugeordneten zweiten Sonnenrad P2S und dem zugeordneten zweiten Hohlrad P2H, welches, wie oben in Zusammenhang mit 3 bereits erläutert, mit dem Abtrieb 12 der Drehmomentüberlagerungseinrichtung 8 drehgekoppelt ist. Auf dem gemeinsamen Steg P12T sind also, wie bereits erläutert, sowohl die ersten Planetenräder P1P als auch die zweiten Planetenräder P2P drehbar gelagert.
  • Die nachfolgenden Tabellen zeigen exemplarisch mögliche Übersetzungen des Gesamtgetriebes. Je nach Anforderungen lassen sich diese jedoch auch verändern.
    Variante 1
    E-Motor V-Motor
    Gesamtübersetzung im 1. Gang 16,02 24,10
    Gesamtübersetzung im 2. Gang 7,50 5,44
    Gesamtübersetzung im 3. Gang – –
    Gesamtspreizung 2,14 4,43
  • Variante 1 entspricht einem zweistufigen Getriebe, analog dem Ausführungsbeispiel der 3.
    Variante 2
    E-Motor V-Motor
    Gesamtübersetzung im 1. Gang 16,02 24,10
    Gesamtübersetzung im 2. Gang 7,50 5,44
    Gesamtübersetzung im 3. Gang 9,61 10,07
    Gesamtspreizung 2,14 4,43
  • Variante 2 entspricht einer Erweiterung zum dreistufigen Getriebe (vgl. 4). Es ist ersichtlich, dass die Übersetzungen des zusätzlichen dritten Gangs zwischen der des ersten und zweiten Ganges liegen. Die Gesamtspreizung unterscheidet sich daher für Variante 1 und 2 nicht.
    Variante 3
    E-Motor V-Motor
    Gesamtübersetzung im 1. Gang 14,03 24,10
    Gesamtübersetzung im 2. Gang 5,50 4,21
    Gesamtübersetzung im 3. Gang 7,39 8,60
    Gesamtspreizung 2,55 5,72
  • Variante 3 repräsentiert ein Getriebe mit vergrößerter Gesamtspreizung und längeren Übersetzungen. Wiederum befindet sich der dritte Gang hinsichtlich der Übersetzungen zwischen dem ersten und dem zweiten Gang.

Claims (16)

  1. Hybridantrieb (1), mit – einer ersten Antriebsmaschine (2), insbesondere einem Verbrennungsmotor, – einer zweiten Antriebsmaschine (3), insbesondere einer elektrischen Maschine, und – einer Drehmomentüberlagerungseinrichtung (8), mittels der ein von der ersten Antriebsmaschine (2) erzeugtes Drehmoment einem von der zweiten Antriebsmaschine (3) erzeugten Drehmoment überlagerbar ist, wobei die Drehmomentüberlagerungseinrichtung (8) – einen ersten Eingang (7) aufweist, der von der ersten Antriebsmaschine (2) antreibbar ist, – zweiten Eingang (11), der von der zweiten Antriebsmaschine (3) antreibbar ist, und – einen Ausgang (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentüberlagerungseinrichtung (8) durch eine Planetengetriebeanordnung gebildet ist, die einen ersten und einen zweiten Steuereingang (18, 21) aufweist.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Steuereingang (18) eine erste Bremse (19) zugeordnet ist, mittels der der erste Steuereingang (18) in Bezug auf ein Gehäuse (20) der Planetengetriebeanordnung feststellbar ist.
  3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Steuereingang (21) eine zweite Bremse (22) zugeordnet ist, mittels der der zweite Steuereingang (21) in Bezug auf ein Gehäuse (20) der Planetengetriebeanordnung feststellbar ist.
  4. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (23) vorgesehen ist, mittels der die beiden Steuereingänge (18, 21) drehgekoppelt werden können.
  5. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetengetriebeanordnung genau zwei Planetenradsätze (P1, P2) aufweist.
  6. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetengetriebeanordnung genau einen Planetenradträger (P12T) aufweist.
  7. Hybridantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der beiden Planetenradsätze (P1) ein erstes drehbar angeordnetes Sonnenrad (P1S), damit kämmende erste Planetenräder (P1P), welche drehbar auf dem Planetenträger (P12T) gelagert sind, und ein erstes drehbar angeordnetes Hohlrad (P1H) aufweist.
  8. Hybridantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuereingang (18) durch das erste Sonnenrad (P1S) gebildet oder damit drehgekoppelt ist.
  9. Hybridantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Hohlrad (P1H) durch den ersten Eingang (7) gebildet oder damit drehgekoppelt ist.
  10. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter der beiden Planetenradsätze (P2) ein zweites drehbar angeordnetes Sonnenrad (P2S), damit kämmende zweite Planetenräder (P2P), welche drehbar auf dem Planetenträger (P12T) gelagert sind, und ein zweites drehbar angeordnetes Hohlrad (P2H) aufweist.
  11. Hybridantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (12) durch das zweite Hohlrad (P2H) gebildet oder damit drehgekoppelt ist.
  12. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang (7) über eine Übersetzung (6, 7a) mit der ersten Antriebsmaschine (2) drehgekoppelt ist.
  13. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (P12T) durch den zweiten Eingang (11) gebildet ist.
  14. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang (11) über eine Übersetzung (10, 11a) mit der zweiten Antriebsmaschine (3) drehgekoppelt ist.
  15. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sonnenrad (P2S) durch den zweiten Steuereingang (21) gebildet oder damit drehgekoppelt ist.
  16. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zweiten Planetenräder (P2P) mit einem zugeordneten ersten Planetenrad (P1P) kämmt.
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