DE102011005531B4

DE102011005531B4 - Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102011005531B4
Application number: DE102011005531.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kaltenbach Johannes; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: DE102011005531A1; EP2686185A1; CN103429450A; US20130345010A1; CN103429450B; US8911315B2; WO2012123170A1

Abstract

Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2), mindestens eine Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (3a) sowie ein Schaltgetriebe (4) mit zwei Eingangswellen (GE1, GE2) und einer gemeinsamen Ausgangswelle (GA) aufweist, wobei die erste Eingangswelle (GE1) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbunden oder verbindbar ist und die zweite Eingangswelle (GE2) von dem Rotor (3a) der Elektromaschine (EM) unmittelbar oder mittelbar antreibbar ist, wobei die beiden Eingangswellen (GE1, GE2) koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei die Ausgangswelle (GA) koaxial über einer der beiden Eingangswellen (GE1, GE2) angeordnet ist, wobei mindestens zwei Planetengetriebe (PG1, PG2) mit jeweils zumindest einem Eingangselement (8b, 9a) und einem Ausgangselement (8c, 9c) koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei der Verbrennungsmotor (VM) wechselseitig über ein erstes Schaltelement (A) mit der zweiten Eingangswelle (GE2) koppelbar ist oder über ein zweites Schaltelement (B) mit dem Eingangselement (8b) des ersten Planetengetriebes (PG1) koppelbar ist, und wobei die Ausgangselemente (8c, 9c) der beiden Planetengetriebe (PG1, PG2) mit der Ausgangswelle (GA) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Planetengetriebe (PG1, PG2) und die Ausgangswelle (GA) über der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnet sind, wobei das erste Planetengetriebe (PG1) ein Hohlrad (8b) als Eingangselement, ein feststehendes Sonnenrad (8a), und als Ausgangselement einen Planetenträger (8c) mit mehreren mit dem Sonnenrad (8a) und dem Hohlrad (8b) kämmenden Planetenrädern (8d) umfasst, wobei das zweite Planetengetriebe (PG2) ein Sonnenrad (9a) als Eingangselement, ein über ein drittes Schaltelement (C) feststellbares Hohlrad (9b), und einen Planetenträger (9c) mit mehreren mit dem Sonnenrad (9a) und dem Hohlrad (9b) kämmenden Planetenrädern (9d) als Ausgangselement umfasst, und wobei das zweite Planetengetriebe (PG2) mittels eines vierten Schaltelementes (D) in sich sperrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hybridantriebe mit verbrennungsmotorischen und elektromotorischen Antriebsquellen tragen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen im Kraftfahrzeugverkehr bei. Um einen möglichst effektiven und effizienten Betrieb eines Hybridantriebes zu erreichen, sollen Antriebsstrategien genutzt werden, welche dessen Elektromaschine situationsbedingt flexibel einsetzen können. Dies soll beispielsweise beim Anfahren, als alleinige Antriebsquelle im städtischen Kurzstreckenverkehr oder in einem Stopp-and-Go-Betrieb, als zusätzliche Antriebsquelle bei erhöhten Leistungsanforderungen in einem Boostbetrieb, als Startergenerator zum schnellen Starten des Verbrennungsmotors sowie als Generator zur Stromerzeugung oder zur Energierückgewinnung in einem Rekuperationsbetrieb erfolgen. Der Verbrennungsmotor soll hingegen zumindest überwiegend in verbrauchs, drehmoment- und drehzahlgünstigen Betriebspunkten bei hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Häufig werden in Fahrzeugantriebssträngen Hybridantriebsanordnungen mit automatisierten Fahrzeuggetrieben zur Bildung von Antriebsübersetzungen kombiniert. Dabei besitzen Hybridantriebe, bei denen der Elektroantrieb und der Verbrennungsmotor zumindest für einzelne Übersetzungsstufen unabhängig voneinander an den Antriebsstrang ankoppelbar sind, gegenüber Anordnungen, bei denen der Elektroantrieb am Getriebeeingang oder am Getriebeabtrieb permanent antriebsverbunden, d.h. in den Kraftfluss des Antriebsstrangs integriert ist, Vorteile durch ihre flexiblere Ansteuerung. Bei solchen Hybridantrieben ist bei verbrennungsmotorischen Schaltvorgängen, d.h. bei Gangwechseln während der Verbrennungsmotor als Antriebsquelle des Fahrzeugs dient, eine weitgehende Zugkrafterhaltung mit Hilfe des Elektroantriebs möglich. Umgekehrt kann die Zugkraft bei einem Gangwechsel des Elektroantriebs mit Hilfe des Verbrennungsmotors aufrechterhalten werden, sofern der Verbrennungsmotor aktuell nicht abgeschaltet ist.
Die Schaltvorgänge können durch den Verbrennungsmotor und eine zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebeeingang wirksame Reibungskupplung und/oder über den Elektroantrieb synchronisiert werden, so dass zumindest teilweise Synchronisiervorrichtungen durch kostengünstigere Klauenkupplungen ersetzt werden können. Die Schaltpunkte bei elektrischen Schaltungen, also Schaltungen, die bei elektromotorischem Antrieb erfolgen, sind aufgrund des im Vergleich zum Verbrennungsmotor meist zur Verfügung stehenden größeren Drehzahlbandes bei gutem Wirkungsgrad grundsätzlich sehr variabel wählbar. Die erzielbaren Schaltzeiten erlauben zudem die Verwendung einer relativ kostengünstigen Schaltaktuatorik. Da eine Elektromaschine grundsätzlich in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann, ist durch eine ansteuerbare Drehrichtungsumkehr ein Verzicht auf einen separaten Rückwärtsgangradsatz möglich. Zudem können die Stufensprünge der verbrennungsmotorischen Gänge in einem solchen Hybridantriebssystem vergleichsweise groß gewählt werden, wodurch für die Realisierung einer vorgegebenen Gesamtspreizung eine relativ geringe Anzahl von Gängen genügt.
Derartige Antriebskonzepte sind bereits für Fahrzeuge vorgeschlagen worden, bei denen der Elektroantrieb so ausgelegt ist, dass er zumindest für einen Kurzstreckenbetrieb, beispielsweise im Stadtverkehr, alleine genügend Fahrleistung zur Verfügung stellt. Dies sind beispielsweise so genannte Plug-in Hybridfahrzeuge oder Range Extender-Elektrofahrzeuge, bei denen ein elektrischer Energiespeicher zusätzlich extern aufladbar ist und/oder der Verbrennungsmotor im Wesentlichen zur Erhöhung der Reichweite sowie zur Energieerzeugung für den Elektroantrieb dient.
Bekannt sind derartige Hybridantriebe mit einem Schaltgetriebe, das zwei Eingangswellen und eine gemeinsame Ausgangswelle aufweist, wobei die Ausgangswelle in Vorgelegebauweise achsparallel zu den Eingangswellen angeordnet ist. Die eine Eingangswelle ist über einen Verbrennungsmotor und die andere Eingangswelle über eine Elektromaschine antreibbar. Beide Eingangswellen sind schaltbar über Gangradsätze mit der Ausgangswelle koppelbar sowie miteinander in Triebverbindung bringbar.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 030 567 A1 ist ein solcher Hybridantrieb beschrieben, bei dem zwei Eingangswellen koaxial und axial benachbart zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Ausgangswelle achsparallel zu den Eingangswellen angeordnet ist. Eine der beiden Eingangswellen ist in einen axial äu-ßeren und einen axial inneren Wellenabschnitt aufgetrennt. Der äußere Wellenabschnitt ist mit einem zugeordneten Verbrennungsmotor oder einer zugeordneten Elektromaschine antriebsverbunden oder antriebsverbindbar. Der innere Wellenabschnitt trägt Antriebsräder zugeordneter Gangradsätze. Ferner ist ein vorzugsweise als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und einem Hohlrad als Eingangselemente sowie einem Planetenträger als Ausgangselement ausgebildetes Überlagerungsgetriebe vorgesehen. Die Eingangselemente sind mit jeweils einem der beiden Wellenabschnitte drehfest verbunden. Das Ausgangselement ist drehfest mit dem Antriebsrad eines zugeordneten Anfahrgangradsatzes verbunden oder verbindbar. Zwischen den dem Planetenträger und dem Hohlrad ist eine Überbrückungskupplung angeordnet, mittels der das Überlagerungsgetriebe in sich sperrbar ist.
Dieser Hybridantrieb ermöglicht bei aktivem Überlagerungsgetriebe, bei laufendem und mit der betreffenden Eingangswelle antriebsverbundenem Verbrennungsmotor, bei miteinander gekoppelten Eingangswellen und geschaltetem Anfahrgangradsatz unter Steuerung der Elektromaschine aus dem Generatorbetrieb in den Motorbetrieb ein verschleißfreies Anfahren mit hoher Zugkraft, wodurch eine herkömmliche Reibungskupplung als Anfahrelement nicht notwendig ist. Diese Funktion entspricht der Anfahrfunktion vergleichbarer bekannter elektrodynamischer Anfahrelemente, wie beispielsweise in der DE 199 34 696 A1 beschrieben. Diese Druckschrift zeigt ein solches verschleißfreies elektrodynamisches Anfahrelement, bei dem zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebeeingang ein Planetengetriebe angeordnet ist, wobei ein Planetenträger mit einem Schaltgetriebe, ein Hohlrad mit dem Verbrennungsmotor und ein Sonnenrad mit einer Elektromaschine verbunden ist. Andererseits ist der Hybridantrieb gemäß der DE 10 2010 030 567 A1 bei eingerückter Überbrückungskupplung wie ein Hybridantrieb mit zwei Eingangswellen und einer gemeinsamen Ausgangswelle ohne Überlagerungsgetriebe betreibbar. Ein geeigneter Basis-Hybridantrieb mit einem dreigängigen Schaltgetriebe mit Stirnrädern in Vorgelegebauweise, bei dem zwei reine elektromotorische Fahrgänge und drei verbrennungsmotorische Fahrgänge sowie ein Boostbetrieb, ein Rekuperationsbetrieb und ein Ladebetrieb wählbar sind, ist ebenfalls in dieser nicht vorveröffentlichten Druckschrift beschrieben.
Einen vergleichbaren Basis-Hybridantrieb zeigt auch die ebenfalls nicht vorveröffentlichte DE 10 2010 030 573 A1 . Zwei Eingangswellen sind darin abschnittsweise koaxial übereinander angeordnet, wobei die einem Verbrennungsmotor zugeordnete Eingangswelle die innere Welle und die einer Elektromaschine zugeordnete Welle die äußere Welle ist. Eine gemeinsame Ausgangswelle ist achsparallel zu den Eingangswellen angeordnet. Eine zweite Elektromaschine ist auf der dem Verbrennungsmotor zugeordneten Eingangswelle angeordnet. Eine Reibungskupplung, über welche die Triebwelle des Verbrennungsmotors mit der betreffenden Getriebeeingangswelle schaltbar verbindbar wäre, entfällt.
Ferner offenbaren die Druckschriften JP 2008 - 143 242 A , US 7 192 373 B2 und DE 10 2009 024 625 A1 weiteren Stand der Technik zu Hybridgetrieben.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Bauart anzugeben, der einen effizienten Fahrbetrieb bei wahlweise abgekoppeltem oder angekoppeltem Verbrennungsmotor bzw. abgekoppelter oder angekoppelter Elektromaschine ermöglicht, und der eine kompakte Bauform aufweist, insbesondere hinsichtlich seiner radialen Abmessungen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schaltlogik und Funktionalität eines üblicherweise in Stirnradbauweise konzipierten Range Extender-Getriebes oder dergleichen für einen Hybridantriebsstrang auch in einer Bauraum sparenden Planentenbauweise realisiert werden kann.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, der einen Verbrennungsmotor mit einer Triebwelle, mindestens eine Elektromaschine mit einem Rotor sowie ein Schaltgetriebe mit zwei Eingangswellen und einer gemeinsamen Ausgangswelle aufweist, wobei die erste Eingangswelle mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden oder verbindbar ist und die zweite Eingangswelle von dem Rotor der Elektromaschine unmittelbar oder mittelbar antreibbar ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die beiden Eingangswellen koaxial hintereinander angeordnet sind, dass die Ausgangswelle koaxial über einer der beiden Eingangswellen angeordnet ist, und dass mindestens zwei Planetengetriebe mit jeweils zumindest einem Eingangselement und einem Ausgangselement koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei der Verbrennungsmotor wechselseitig über ein erstes Schaltelement mit der zweiten Eingangswelle koppelbar ist oder über ein zweites Schaltelement mit dem Eingangselement des ersten Planetengetriebes koppelbar ist, und wobei die Ausgangselemente der beiden Planetengetriebe mit der Ausgangswelle verbunden sind.
Dieser Hybrid-Antriebsstrang weist in einer Planetenbauweise mit zwei Planetensätzen die gleiche Funktionalität auf wie die eingangs beschriebenen Hybridantriebe. Durch den Verzicht auf Gangradsätze in Stirnradbauweise wird jedoch eine kompaktere radiale Bauform erzielt. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge vorteilhaft, bei denen die Antriebsaggregate vorne und quer zur Fahrzeuglängsachse eingebaut sind.
Erfindungsgemäß sind die beiden Planetengetriebe und die Ausgangswelle über der zweiten Eingangswelle angeordnet, wobei das erste Planetengetriebe ein Hohlrad als Eingangselement, ein feststehendes Sonnenrad, und als Ausgangselement einen Planetenträger mit mehreren zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad kämmenden Planetenrädern umfasst, wobei das zweite Planetengetriebe ein Sonnenrad als Eingangselement, ein über ein drittes Schaltelement feststellbares Hohlrad, und einen Planetenträger mit mehreren zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad kämmenden Planetenrädern als Ausgangselement umfasst, und bei dem das zweite Planetengetriebe mittels eines vierten Schaltelementes in sich sperrbar ist.
Diese Anordnung stellt ein dreigängiges Schaltgetriebe dar, welches durch eine variable Ansteuerung und Kopplung der beiden Antriebaggregate über die Planetenradsätze mit der Ausgangswelle und den beiden Eingangswellen untereinander, die Nutzung von zwei reinen elektromotorischen Fahrgängen ermöglicht, wobei der Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abgekoppelt ist, drei verbrennungsmotorische Fahrgänge ermöglicht, wobei die Elektromaschine an den Antriebsstrang angekoppelt sind, sowie einen reinen verbrennungsmotorischen Fahrgang erlaubt, wobei die Elektromaschine vom Antriebsstrang abgekoppelt ist.
Die Schaltlogik des Getriebes gemäß der Erfindung entspricht der eines vergleichbaren Getriebes in Stirnradbauweise mit zumindest drei Radsatzebenen. Die Schaltungen der verbrennungsmotorischen Fahrgänge können elektromotorisch zugkraftüberbrückt erfolgen. Grundsätzlich ist auch eine verbrennungsmotorische Zugkraftüberbrückung der Schaltungen der elektromotorischen Fahrgänge möglich. Außerdem ist ein Lademodus zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mittels der Elektromaschine in einer Neutralstellung des Getriebes möglich. Ein elektromotorisch antreibbarer Rückwärtsgang kann über eine Drehrichtungsumkehr des Elektroantriebs in einem Anfahrgang realisiert werden, so dass Getriebebauteile für einen separaten Rückwärtsgang eingespart werden können.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die beiden Planetengetriebe die gleiche Übersetzung aufweisen. Durch die Nutzung zweier Planetensätze mit der gleichen Übersetzung kann durch die Verwendung gleicher Bauteile eine zusätzliche Kostenersparnis erreicht werden.
Die Ausgangswelle kann über einen Ausgangsradsatz mit einem Achsdifferenzial einer Fahrzeugachse in Triebverbindung stehen, der axial zwischen den beiden Planetengetrieben, oder axial vor oder hinter den Planetengetrieben positioniert ist. Durch die variierbare Anordnung des Ausgangsradsatzes kann der Antrieb relativ einfach an vorhandene Bauraumgegebenheiten eines Fahrzeugs angepasst werden.
Der Ausgangsradsatz kann als einfaches Stirnradpaar oder als ein zweistufiger Abtrieb ausgebildet sein, mit einem Antriebsrad, welches mit der Ausgangswelle drehfest verbunden ist, mit einem Abtriebsrad, welches mit dem Achsdifferenzial triebverbunden ist, und mit einem auf einer Zwischenwelle gelagerten Zwischenrad, welches mit dem Antriebsrad und dem Abtriebsrad im Verzahnungseingriff steht. Dadurch ist eine Drehrichtungsumkehr zum Abtrieb realisierbar, um die insbesondere beim Front-Quereinbau übliche Drehrichtung zu erhalten. Eine Drehung des Antriebs ist damit nicht erforderlich. Um die Zwischenwelle möglichst Platz sparend einzubauen, kann sie in einem Freiraum axial zwischen den beiden Planetensätzen positioniert sein. Möglich ist es auch, das Zwischenrad als ein Doppelrad mit zwei drehfest miteinander verbundenen Zahnrädern unterschiedlicher Größe auszubilden, wobei jeweils eines der Zahnräder mit dem Antriebsrad und das andere mit dem Abtriebsrad im Zahneingriff ist, um bei einer vorgegeben Abtriebsübersetzung die radiale Ausdehnung des Ausgangsradsatzes mit Drehrichtungsumkehr möglichst gering zu halten.
Zur weiteren Einsparung von Bauteilkosten, Bauraum und Gewicht kann vorgesehen sein, dass das erste und zweite Schaltelement sowie das dritte und vierte Schaltelement jeweils als doppelseitig betätigbare Schaltpakete zusammengefasst sind. Die Schaltpakete können als kostengünstige Klauenkupplungen ausgebildet sein, da die Synchronisierung der Gänge bei Schaltvorgängen über eine Drehzahlregulierung des Elektroantriebs bzw. des Verbrennungsmotors erfolgen kann.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass alternativ zu einer direkten Anbindung des Rotors der Elektromaschine an die betreffende Eingangswelle der Rotor über einen Eingangsradsatz mit der zweiten Eingangswelle triebverbunden ist. Der Eingangsradsatz kann als ein einfaches Stirnradpaar ausgebildet sein, der eine konstante Eingangsübersetzung des Elektroantriebs bewirkt. Dadurch kann das Drehzahlniveau der Elektromaschine in den elektrischen Fahrgängen angehoben oder abgesenkt werden. Beispielsweise kann bei einem höheren Drehzahlniveau eine vergleichsweise drehmomentschwächere und kostengünstigere Elektromaschine genutzt werden.
Durch den Eingangsradsatz ist die Elektromaschine seitlich an den Antriebsstrang anbindbar. Eine solche seitliche Anbindung der Elektromaschine, oberhalb der Planetensätze, ermöglicht eine Verringerung der axialen Baulänge des Antriebsstranges, sofern ein entsprechender Bauraum für die Elektromaschine in radialer Ausdehnung vorhanden ist.
Die erste Eingangswelle kann in herkömmlicher Weise über eine steuerbare Reibungskupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors schaltbar verbindbar sein. Die Reibungskupplung kann als Trenn- und Anfahrkupplung sowie als Synchronisationsmittel bei Schaltvorgängen genutzt werden. Wird hingegen die Elektromaschine als Anfahrelement eingesetzt, kann die Reibungskupplung grundsätzlich entfallen und der Verbrennungsmotor über eines oder mehrere der vorgesehenen Schaltelemente an den Antriebstrang jeweils angekoppelt bzw. vom Antriebsstrang abgekoppelt werden.
Möglich ist es auch, dass eine zweite Elektromaschine vorgesehen ist, deren Rotor mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors antriebsverbunden oder antriebsverbindbar ist. Die zweite Elektromaschine kann als Motor und Generator betrieben sowie als ein Kurbelwellenstartergenerator des Verbrennungsmotors ausgebildet werden. Sie ist beispielsweise so ausgelegt, dass sie als Generator eine erforderliche mittlere elektrische Leistung zur Versorgung der ersten Elektromaschine als Traktionsmaschine für einen länger anhaltenden Stopp-and-Go-Betrieb erzeugen kann. Dadurch ist ein besonders emissionsgünstiger Serienhybridmodus des Antriebsstranges in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich verfügbar.
Alternativ zu einer Ausführungsform mit einer Reibungskupplung als Anfahr- und Trennkupplung sowie gegebenenfalls einer zweiten, mit dem Verbrennungsmotor antriebsverbundenen Elektromaschine kann vorgesehen sein, dass zwischen dem zweiten Planetengetriebe und der Elektromaschine ein drittes Planetengetriebe angeordnet ist, welches ein Sonnenrad als Eingangselement, ein Hohlrad, sowie als Ausgangselement einen Planetenträger mit mehreren zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad kämmenden Planetenrädern umfasst, wobei die zweite Eingangswelle einen axial inneren Wellenabschnitt und einen axial äußeren Wellenabschnitt aufweist, wobei das Eingangselement des dritten Planetengetriebes über den äußeren Wellenabschnitt der zweiten Eingangswelle mit dem Rotor der Elektromaschine antriebsverbunden ist, wobei das Hohlrad mit dem inneren Wellenabschnitt der zweiten Eingangswelle drehfest verbunden ist, und wobei das Ausgangselement über eine Hohlwelle mit dem Eingangselement des zweiten Planetengetriebes drehfest verbunden ist, und dass das dritte Planetengetriebe über ein fünftes Schaltelement in sich sperrbar ist.
Durch die Anordnung des zusätzlichen Planetengetriebes lässt sich eine verschleißfreie Anfahrregelung ohne Kupplung realisieren, wie sie beispielsweise als ein elektrodynamisches Anfahrelement aus der eingangs erwähnten DE 199 34 696 A1 bekannt ist. Insbesondere dadurch kann auch bei leerem elektrischen Energiespeicher unter Einsparung einer Reibungskupplung ein komfortables Anfahren in einem Anfahrgang sichergestellt werden, indem der Verbrennungsmotor und die Elektromaschine in einem drehzahlüberlagerten Betrieb, bei zunächst generatorisch laufender Elektromaschine, genutzt werden.
Bei der Anordnung mit einem zusätzlichen dritten Planetengetriebe kann zusätzlich eine separate Startereinrichtung für den Verbrennungsmotor vorgesehen sein, um den Verbrennungsmotor ohne zusätzlich zu drehende Massen dieses Planetengetriebes leicht und drehzahlgünstig starten zu können.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
1a ein Schaltschema mit Betriebsmodi und Übersetzungsbeispiel des Hybridantriebs nach 1 in einer tabellarischen Darstellung,
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, und
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung.

Demnach umfasst ein vorzugsweise als Range-Extender-Antrieb ausgebildeter Hybridantrieb 1a eines Kraftfahrzeuges einen Verbrennungsmotor VM mit einer Triebwelle 2, eine motorisch und generatorisch betreibbare Elektromaschine EM mit einem Rotor 3a und einem Stator 3b, eine optionale zweite Elektromaschine EM2, sowie ein Schaltgetriebe 4 mit zwei Planetengetrieben PG1, PG2. Das Schaltgetriebe 4 weist zwei koaxial hintereinander angeordnete Eingangswellen GE1, GE2 und eine als Hohlwelle ausgebildete gemeinsame Ausgangswelle GA auf, wobei letztere koaxial über der längeren, zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet ist. Die zweite Elektromaschine EM2 ist mit der Treibwelle 2 des Verbrennungsmotors VM antriebsverbunden. Die erste Eingangswelle GE1 ist radial über eine optionale steuerbare Reibungskupplung K1 und die zweite Elektromaschine EM2 mit der Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM verbindbar. Die zweite Eingangswelle GE2 ist mit dem Rotor 3a der Elektromaschine EM drehfest verbunden.
Das erste Planetengetriebe PG1 umfasst ein zentrales Sonnenrad 8a, welches radial über der Ausgangswelle GA angeordnet ist und an einem Maschinenteil festgestellt oder festgebremst ist, ein radial äußeres Hohlrad 8b, welches drehbar auf der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet ist, und einen Planetenträger 8c, welcher drehfest mit der Ausgangswelle GA verbunden ist. Der Planetenträger 8c trägt mehrere Planetenräder 8d, die mit dem Sonnenrad 8a und dem Hohlrad 8b im Zahneingriff sind. Der Planetenträger 8c dient als Ausgangs- bzw. Abtriebselement des Planetengetriebes PG1. Das Hohlrad 8b dient als Eingangselement bzw. Antriebsrad. Es ist über ein zweites Schaltelement B drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar. Die beiden Eingangswellen GE1 und GE2 sind über ein erstes Schaltelement A miteinander koppelbar, wobei die beiden Schaltelemente A und B als ein- und ausrückbare Klauenkupplungen ausgebildet sowie in einem Schaltpaket S1 zusammengefasst sind.
Das zweite Planetengetriebe PG2 umfasst ein zentrales Sonnenrad 9a, welches drehfest mit der zweiten Eingangswelle GE2 verbunden ist und als Eingangselement bzw. Antriebsrad dient, ein äußeres Hohlrad 9b, und einen Planetenträger 9c, der drehfest mit der Ausgangswelle GA verbunden ist und als Ausgangs- bzw. Abtriebselement dient. Der Planetenträger 9c trägt mehrere Planetenräder 9d, die mit dem Sonnenrad 9a und dem Hohlrad 9b im Zahneingriff sind. Der Planetenträger 9c und das Hohlrad 9b stehen über Hohlwellenabschnitte mit einem zweiten Schaltpaket S2 in Verbindung, welches ein drittes Schaltelement C und ein viertes Schaltelement D aufweist, die als ein- und ausrückbare Klauenkupplungen ausgebildet sind. Über das dritte Schaltelement C ist das Hohlrad 9b an einem Maschinenteil feststellbar bzw. festbremsbar. Über das vierte Schaltelement D ist das Hohlrad 9b mit dem Planetenträger 9b koppelbar, wodurch das Planetengetriebe PG2 überbrückbar bzw. in sich sperrbar ist.
Die gemeinsame Ausgangswelle GA steht über einen Ausgangsradsatz Z1 mit einem Achsdifferenzial 5 in Triebverbindung. Der Ausgangsradsatz Z1 umfasst ein mit der Ausgangswelle GA drehfest verbundenes Antriebsrad z11, das im Eingriff mit einem Abtriebsrad z21 steht, welches mit dem Achsdifferenzial 5 zusammenwirkt. Über das Achsdifferenzial 5 werden zwei Achswellen 7a, 7b einer Fahrzeugachse 7 angetrieben, die mit jeweils einem Fahrzeugrad 6a, 6b verbunden sind.
Der Hybridantrieb weist nach der Tabelle in 1a für den reinen Elektrofahrbetrieb zwei Vorwärtsgänge G1 und G3, für den Verbrennungsfahrbetrieb mit optionalem Boostbetrieb und Rekuperationsbetrieb drei Vorwärtsgänge G1, G2 und G3 sowie für den reinen Verbrennungsfahrbetrieb einen Vorwärtsgang G2 auf. In der Tabelle ist beispielhaft eine Übersetzung von i0_PG1, 2 = -1,6 sowohl für das erste Planetengetriebe PG1 als auch für das zweite Planetengetriebe PG2 angenommen. Je nach Betriebsart ergeben sich daraus die angegebenen Antriebsübersetzungen i_EM bzw. i_VM. Die Abtriebsübersetzung des Ausgangsradsatzes Z1 ist in der Tabelle nicht berücksichtigt. Für die dargestellten Betriebsarten sind die jeweils eingerückten Schaltelemente A, B, C, D der Schaltpakete S1, S2 bzw. deren Neutralstellung N angegeben.
Sind beide Schaltpakete S1, S2 in Neutral N, so ist sowohl der Verbrennungsmotor VM als auch die Elektromaschine EM abgekoppelt, so dass die Fahrzeugachse 7 vollständig vom Antrieb getrennt ist. Bei eingerücktem Schaltelement A sind die beiden Eingangswellen GE1, GE2 miteinander gekoppelt. Dies kann als ein neutraler Lademodus genutzt werden, wenn das zweite Schaltpaket S2 in Neutralstellung ist. In diesem Lademodus kann ein mit der Elektromaschine EM verbundener elektrischer Energiespeicher bei Fahrzeugstillstand durch den laufenden Verbrennungsmotor VM im Generatorbetrieb der Elektromaschine EM geladen werden. Alternativ dazu kann, wenn nur die Schaltposition A geschaltet ist, der Verbrennungsmotor VM durch die Elektromaschine EM gestartet werden.
Das zweite Planetengetriebe PG2 erzeugt bei eingerücktem Schaltelement C den ersten Gang G1 über das Sonnenrad 9a als Antrieb und den Planetenträger 9c als Abtrieb. Die Elektromaschine EM kann diesen Fahrgang als ersten reinen elektromotorischen Fahrgang nutzen. In der Schaltposition D, d.h. bei eingerücktem Schaltelement D, ist das zweite Planetengetriebe PG2 überbrückt. Dadurch wird ein dritter Gang G3 mit einer direkten Antriebsübersetzung nutzbar. Diesen Gang G3 kann die Elektromaschine EM als zweiten reinen elektromotorischen Fahrgang nutzen. Der Verbrennungsmotor VM kann bei den beiden elektromotorischen Fahrgängen vom Antrieb abgekoppelt sein. Durch eine Ansteuerung der Elektromaschine EM in umgekehrter Drehrichtung ist der erste Gang G1 als ein Rückwärtsgang nutzbar.
Wenn die Elektromaschine EM als Anfahrelement genutzt wird, kann die Reibungskupplung K1 entfallen und die An- und Abkopplung des Verbrennungsmotors VM durch die Schaltelemente A bzw. B des ersten Schaltpakets S1 erfolgen.
Während mit der Elektromaschine EM über das zweite Planetengetriebe PG2 im ersten oder dritten Gang G1 bzw. G3 elektrisch gefahren wird, kann das erste Planetengetriebe PG1 im Hintergrund lastfrei geschaltet werden. Die Synchronisation des ersten Planetengetriebes PG1 kann dabei durch eine aktive Drehzahlregelung mit dem Verbrennungsmotor VM erfolgen, oder bei vorhandener Reibungskupplung K1 alternativ, bei geöffneter Reibungskupplung K1, mittels synchronisierten Schaltelementen A, B eines als Synchronisiervorrichtung ausgebildeten ersten Schaltpakets S1.
Der Verbrennungsmotor VM kann über das erste Schaltelement A mit dem Sonnenrad bzw. Eingangselement 9a des zweiten Planetengetriebes PG2 gekoppelt werden. Bei eingerücktem Schaltelement C kann der Verbrennungsmotor VM so den ersten Gang G1, und bei überbrücktem Planetengetriebe PG2 in Schaltposition D den dritten Gang G3 als verbrennungsmotorische Fahrgänge nutzen. Gleichzeitig ist der Verbrennungsmotor VM mit der Elektromaschine EM wirkverbunden. Die Elektromaschine EM kann dabei im Boostbetrieb, Rekuperationsbetrieb oder bei Nulllast betrieben werden.
Der Verbrennungsmotor VM kann durch Einrücken des zweiten Schaltelementes B an das Hohlrad bzw. Eingangselement 8b des ersten Planetengetriebes PG1 gekoppelt werden. Dadurch ergibt sich ein zwischen dem ersten Gang G1 und dem dritten Gang G3 liegender zweiter Gang G2 für den Verbrennungsmotor VM. Der Planetenträger 8c wirkt dabei als Abtrieb, das Sonnenrad 8a ist festgebremst. Der zweite Gang G2 ist für den Verbrennungsmotor VM in drei Varianten nutzbar. In der ersten Variante ist das Schaltelement C eingerückt. Geschaltet wird dieser Gang nur über den Verbrennungsmotor VM. In der zweiten Variante befindet sich das zweite Schaltpaket S2 in Neutral. Die Elektromaschine EM ist vollständig vom Antrieb abgekoppelt. Das erste Planetengetriebe PG1 erzeugt somit einen zweiten Gang G2 für den Verbrennungsmotor VM, der unabhängig vom zweiten Planetengetriebe PG2 ist. In der dritten Variante ist das Schaltelement D eingerückt.
Während mit dem Verbrennungsmotor VM über das erste Planetengetriebe PG1 im zweiten Gang G2 gefahren wird, kann das zweite Planetengetriebe PG2 im Hintergrund lastfrei geschaltet werden. Die Synchronisation des zweiten Planetengetriebes PG2 kann durch eine aktive Drehzahlregelung mit der Elektromaschine EM erfolgen.
Die optionale zweite Elektromaschine EM2 kann als Starter für den Verbrennungsmotor VM sowie als über den Verbrennungsmotor VM angetriebener Generator zur Versorgung der ersten Elektromaschine EM für einen seriellen Fahrbetrieb im niedrigen Geschwindigkeitsbereich unterhalb des ersten Ganges G1 genutzt werden.
2 zeigt einen Hybridantrieb 1b, bei dem die Elektromaschine EM über einen als Stirnradpaar ausgebildeten Eingangsradsatz Z2 seitlich an den Antriebsstrang angebunden ist. Der Eingangsradsatz Z2 besteht aus einem von der Elektromaschine EM angetriebenen Antriebsrad z12, das im Zahneingriff mit einem auf der zweiten Eingangswelle GE2 drehfest angeordneten Abtriebsrad z22 ist. Der Eingangsradsatz Z2 liefert eine konstante Eingangsübersetzung der Elektromaschine EM. Ansonsten ist der Hybridantrieb 1b bau- und funktionsgleich mit dem in 1 gezeigten Hybridantrieb 1a.
3 zeigt einen Hybridantrieb 1c, bei dem der Ausgangsradsatz Z1 in Richtung zu der Elektromaschine EM seitlich versetzt angeordnet ist, wozu die Ausgangswelle GA über den Planetenträger 9c des zweiten Planetengetriebes PG2 rückwärtig verlängert ist. Die beiden Planetengetriebe PG1, PG2 sind dadurch axial näher zusammengerückt.
4 zeigt einen weiteren Hybridantrieb 1 d, bei dem fern vom Verbrennungsmotor VM zusätzlich ein drittes Planetengetriebe PG3 angeordnet ist, das als ein elektrodynamisches Anfahrelement wirksam ist. Es umfasst ein Sonnenrad 10a, das mit einem äußeren Wellenabschnitt GE2a der zweiten Eingangswelle drehfest verbunden ist, ein Hohlrad 10b, das mit einem inneren Wellenabschnitt GE2b der zweiten Eingangswelle drehfest verbunden ist, und einen Planetenträger 10c, der über eine Hohlwelle 11 mit dem Eingangselement bzw. Sonnenrad 9a des zweiten Planetengetriebes PG2 drehfest verbunden ist, sowie mehrere mit dem Sonnenrad 10a und dem Hohlrad 10b im Zahneingriff stehende, von dem Planetenträger 10c geführte Planetenräder 10d. Weiterhin ist auf dem axial äußeren Wellenabschnitt GE2a der zweiten Eingangswelle ein fünftes Schaltelement E angeordnet, mittels dem der Planetenträger 10c mit dem äußeren Wellenabschnitt GE2a und damit mit dem Sonnenrad 10a koppelbar ist, wodurch das Planetengetriebe PG3 in sich sperrbar bzw. überbrückbar ist.
Bei eingerücktem Schaltelement E ist das Planetengetriebe PG3 überbrückt und somit funktionslos. Bei ausgerücktem Schaltelement E ist hingegen die Übersetzung des Planetengetriebes PG3, beispielsweise i0_PG2 = -2, wirksam. Diese Übersetzung kann durch einen überlagerten Betrieb des Verbrennungsmotors VM und der Elektromaschine EM, wobei die Elektromaschine EM zumindest anfänglich generatorisch arbeitet, zum verschleißfreien Anfahren im ersten Gang G1 genutzt werden, wobei die entsprechenden Schaltelemente A und C eingerückt sind. Diese Funktion entspricht einem elektrischen Anfahrelement, wie beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 199 34 696 A1 beschrieben. Die Reibungskupplung K1 und die zweite elektrische Maschine EM2 entfallen bei dem Hybridantrieb 1d gemäß 4 ersichtlich.
5 zeigt schließlich noch einen Hybridantrieb 1e, bei dem ein zweistufiger Ausgangsradsatz Z1a vorgesehen ist. Der Ausgangsradsatz Z1a weist zusätzlich eine Zwischenwelle ZW auf, auf der ein Zwischenrad z31 a/z31 b drehfest angeordnet ist. Das Zwischenrad z31 a/z31 b ist als ein Doppelrad ausgebildet. Es umfasst ein erstes Zahnrad z31a, das mit dem Antriebsrad z11 im Eingriff ist und ein zweites Zahnrad z31b, das mit dem Abtriebsrad z21 im Eingriff ist. Durch das Zwischenrad z31 wird eine Drehrichtungsumkehr des Antriebstranges zum Abtrieb realisiert.
Bezugszeichenliste

1a: Hybridantrieb
1b: Hybridantrieb
1c: Hybridantrieb
1d: Hybridantrieb
1e: Hybridantrieb
2: Triebwelle des Verbrennungsmotors
3a: Rotor der Elektromaschine
3b: Stator der Elektromaschine
4: Schaltgetriebe
5: Achsdifferenzial
6a, 6b: Fahrzeugrad
7: Fahrzeugachse
7a, 7b: Achswelle
8a: Sonnenrad des ersten Planetengetriebes
8b: Eingangselement, Hohlrad des ersten Planetengetriebes
8c: Ausgangselement, Planetenträger des ersten Planetengetriebes
8d: Planetenrad des ersten Planetengetriebes
9a: Eingangselement, Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes
9b: Hohlrad des zweiten Planetengetriebes
9c: Ausgangselement, Planetenträger des zweiten Planetengetriebes
9d: Planetenrad des zweiten Planetengetriebes
10a: Eingangselement, Sonnenrad des dritten Planetengetriebes
10b: Hohlrad des dritten Planetengetriebes
10c: Ausgangselement, Planetenträger des dritten Planetengetriebes
10d: Planetenrad des dritten Planetengetriebes
11: Hohlwelle
A: Erstes Schaltelement
B: Zweites Schaltelement
C: Drittes Schaltelement
D: Viertes Schaltelement
E: Fünftes Schaltelement
EM: Elektromaschine
EM2: Zweite Elektromaschine
GA: Ausgangswelle
GE1: Erste Eingangswelle
GE2: Zweite Eingangswelle
GE2a: Äußerer Wellenabschnitt der zweiten Eingangswelle
GE2b: Innerer Wellenabschnitt der zweiten Eingangswelle
K1: Reibungskupplung
PG1: Erstes Planetengetriebe
PG2: Zweites Planetengetriebe
PG3: Drittes Planetengetriebe
S1: Schaltpaket
S2: Schaltpaket
VM: Verbrennungsmotor
Z1, Z1a: Ausgangsradsatz
Z2: Eingangsradsatz
ZW: Zwischenwelle
i_VM: Antriebsübersetzung des Verbrennungsmotors
i_EM: Antriebsübersetzung der Elektromaschine
z11: Antriebsrad von Z1
z21: Abtriebsrad von Z1
z31a: Erstes Zwischenrad von Z1a
z31b: Zweites Zwischenrad von Z1a
z12: Antriebsrad von Z2
z22: Abtriebsrad von Z2

Claims

Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2), mindestens eine Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (3a) sowie ein Schaltgetriebe (4) mit zwei Eingangswellen (GE1, GE2) und einer gemeinsamen Ausgangswelle (GA) aufweist, wobei die erste Eingangswelle (GE1) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbunden oder verbindbar ist und die zweite Eingangswelle (GE2) von dem Rotor (3a) der Elektromaschine (EM) unmittelbar oder mittelbar antreibbar ist, wobei die beiden Eingangswellen (GE1, GE2) koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei die Ausgangswelle (GA) koaxial über einer der beiden Eingangswellen (GE1, GE2) angeordnet ist, wobei mindestens zwei Planetengetriebe (PG1, PG2) mit jeweils zumindest einem Eingangselement (8b, 9a) und einem Ausgangselement (8c, 9c) koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei der Verbrennungsmotor (VM) wechselseitig über ein erstes Schaltelement (A) mit der zweiten Eingangswelle (GE2) koppelbar ist oder über ein zweites Schaltelement (B) mit dem Eingangselement (8b) des ersten Planetengetriebes (PG1) koppelbar ist, und wobei die Ausgangselemente (8c, 9c) der beiden Planetengetriebe (PG1, PG2) mit der Ausgangswelle (GA) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Planetengetriebe (PG1, PG2) und die Ausgangswelle (GA) über der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnet sind, wobei das erste Planetengetriebe (PG1) ein Hohlrad (8b) als Eingangselement, ein feststehendes Sonnenrad (8a), und als Ausgangselement einen Planetenträger (8c) mit mehreren mit dem Sonnenrad (8a) und dem Hohlrad (8b) kämmenden Planetenrädern (8d) umfasst, wobei das zweite Planetengetriebe (PG2) ein Sonnenrad (9a) als Eingangselement, ein über ein drittes Schaltelement (C) feststellbares Hohlrad (9b), und einen Planetenträger (9c) mit mehreren mit dem Sonnenrad (9a) und dem Hohlrad (9b) kämmenden Planetenrädern (9d) als Ausgangselement umfasst, und wobei das zweite Planetengetriebe (PG2) mittels eines vierten Schaltelementes (D) in sich sperrbar ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Planetengetriebe (PG1, PG2) die gleiche Übersetzung aufweisen.
Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (GA) über einen Ausgangsradsatz (Z1, Z1a) mit einem Achsdifferenzial (5) einer Fahrzeugachse (7) in Triebverbindung steht, der axial zwischen den Planetengetrieben (PG1, PG2) oder axial vor oder hinter den Planetengetrieben (PG1, PG2) positioniert ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsradsatz (Z1a) als ein zweistufiger Abtrieb ausgebildet ist, mit einem Antriebsrad (z11), welches mit der Ausgangswelle (GA) drehfest verbunden ist, mit einem Abtriebsrad (z21), welches mit dem Achsdifferenzial (5) antriebsverbunden ist, und mit einem als Einzelrad oder als Doppelrad (z31a, z31b) ausgebildeten, auf einer Zwischenwelle (ZW) gelagerten Zwischenrad, welches mit dem Antriebsrad (z11) und dem Abtriebsrad (z21) im Verzahnungseingriff ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Schaltelement (A, B) sowie das dritte und vierte Schaltelement (C, D) jeweils als doppelseitig betätigbare Schaltpakete (S1, S2) zusammengefasst sind.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der Elektromaschine (EM) über einen als Stirnradübersetzung ausgebildeten Eingangsradsatz (Z2) mit der zweiten Eingangswelle (GE2) triebverbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (GE1) über eine steuerbare Reibungskupplung (K1) und/oder über eine zweite Elektromaschine (EM2) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) antriebsverbindbar oder antriebsverbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Planetengetriebe (PG2) und der Elektromaschine (EM) ein drittes Planetengetriebe (PG3) angeordnet ist, welches ein Sonnenrad (10a) als Eingangselement, ein Hohlrad (10b), und als Ausgangselement einen Planetenträger (10c) mit mehreren mit dem Sonnenrad (10a) und dem Hohlrad (10b) kämmenden Planetenrädern (10d) umfasst, dass die zweite Eingangswelle (GE2) einen axial inneren Wellenabschnitt (GE2b) und einen axial äußeren Wellenabschnitt (GE2a) aufweist, wobei das Eingangselement (10a) des dritten Planetengetriebes (PG3) über den äußeren Wellenabschnitt (GE2a) der zweiten Eingangswelle mit dem Rotor (3a) der Elektromaschine (EM) antriebsverbunden ist, wobei das Hohlrad (10b) mit dem inneren Wellenabschnitt (GE2b) der zweiten Eingangswelle drehfest verbunden ist und wobei der Planetenträger (10c) über eine Hohlwelle (11) mit dem Eingangselement (9a) des zweiten Planetengetriebes (PG2) drehfest verbunden ist, und dass das dritte Planetengetriebe (PG3) mittels eines fünften Schaltelementes (E) in sich sperrbar ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Startereinrichtung für den Verbrennungsmotor (VM) vorgesehen ist.