DE102011014703A1

DE102011014703A1 - Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102011014703A1
Application number: DE102011014703A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hofheinz Werner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (10) für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (13), mit einer einen Rotor (30) umfassenden elektrischen Maschine (26) und mit einem ein Hohlrad (18), ein Sonnenrad (22) und einen Planententräger (20) aufweisenden Planetengetriebe (16), über dessen Hohlrad (18) ein Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine (13) in das Planetengetriebe (16) einleitbar, über dessen Sonnenrad (22) und den Rotor (30) ein Drehmoment der elektrischen Maschine (26) in das Planetengetriebe (16) einleitbar, und über dessen Planetenträger (20) ein Drehmoment aus dem Planetengetriebe (16) ausleitbar ist, wobei die elektrische Maschine (26) einen zu dem Rotor (30) korrespondierenden Stator (28) umfasst, welcher relativ zur Verbrennungskraftmaschine (13) drehfest gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 10 2005 008 148 A1 offenbart einen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die über ein Planetengetriebe miteinander gekoppelt sind, wobei die elektrische Maschine dabei so ausgeführt ist, dass sowohl ein Innenrotor als auch ein Außenrotor drehbar gelagert sind, und wobei die elektrische Maschine in einem Motor- oder Generatorbetrieb betrieben und elektrische Energie mit einem elektrischen Speicher ausgetauscht werden kann. Eine Abtriebsleitung des Verbrennungsmotors wird über ein Getriebe an ein Hohlrad des Planetengetriebes weitergeleitet, wobei der Innenrotor der elektrischen Maschine mit einer Sonne des Planentengetriebes verbunden ist und mit einer Innenbremse abgebremst werden kann. Der Außenrotor ist dabei mit einem Planetenträger des Planetengetriebes verbunden und kann mit einer Außenbremse verzögert werden. Der Planetenträger stellt gleichzeitig den Abtrieb des Systems dar. Es ist vorgesehen, dass mittels der elektrischen Maschine in allen Drehzahl- oder Leistungsbereichen ein zusätzliches Drehmoment oder eine zusätzliche Drehzahl hinzuaddiert werden kann. Dieser Antrieb weist eine hohe Komplexität auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen bereitzustellen, welcher eine geringe Komplexität aufweist sowie einen verbesserten Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere für ein Hybrid-Fahrzeug, umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, eine einen Rotor umfassende elektrische Maschine sowie ein Hohlrad, ein Sonnenrad und einen Planetenträger aufweisendes Planetengetriebe. Über das Hohlrad ist ein Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine in das Planetengetriebe einleitbar. Über das Sonnenrad und den Rotor ist ein Drehmoment der elektrischen Maschine in das Planetengetriebe einleitbar, und über den Planetenträger ist ein Drehmoment aus dem Planetengetriebe ausleitbar. Mit anderen Worten stellt der Planetenträger einen Abtrieb des Planetengetriebes bereit.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine einen zu dem Rotor korrespondierenden Stator umfasst, welcher relativ zur Verbrennungskraftmaschine drehfest gehalten ist. Unter einem Stator, welcher relativ zur Verbrennungskraftmaschine drehfest gehalten ist, soll im Rahmen der Erfindung ein Stator verstanden werden, welcher fest mit dem Kraftwagen verbunden ist und keine Drehbewegung ausführt. Unter Die elektrische Maschine ist vorteilhafterweise als sogenannte Innenläufer-Maschine ausgebildet, wobei der Stator den Rotor zumindest bereichsweise außenumfangsseitig umgibt.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung weist somit eine sehr niedrige Komplexität auf, was die Kosten gering hält. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung eine Steuerung oder eine Regelung der elektrischen Maschine und somit eine Einleitung des Drehmoments über den Rotor in das Planetengetriebe und/oder eine sogenannte Drehmomentenüberlagerung (Drehmomentenaddition und Drehmomentensubtraktion) in ihrem Aufwand gering gehalten werden, da der Stator drehfest gehalten ist.
Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine sehr effektive Drehzahl- und/oder Drehmomentenüberlagerung, was mit einem sehr effektiven und effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung einhergeht.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung kann einen ersten Betriebszustand aufweisen, in welchem ein rein verbrennungsmotorischer Betrieb mit einem mechanischen Durchtrieb von der Verbrennungskraftmaschine über das Planetengetriebe zum Abtrieb durchgeführt wird. Dabei ist das Sonnenrad mittels einer Bremseinrichtung festgebremst und somit drehfest gehalten, während sich das Hohlrad angetrieben von der Verbrennungskraftmaschine drehen kann. Dabei ist eine etwaig vorgesehene Bremseinrichtung zum Festbremsen des Hohlrads geöffnet, so dass das Hohlrad nicht abgebremst und drehfest gehalten ist. In diesem Betriebszustand weist die Antriebseinrichtung vorteilhafterweise eine Gesamtübersetzung von zumindest im Wesentlichen i = 2 bis i = 4 auf. Bei i = 3 handelt es sich um eine besonders vorteilhafte Übersetzung, wie sie beispielsweise ein herkömmliches Schaltgetriebe in einem höheren Gang in Verbindung mit einer Achsübersetzung aufweist. Dies ermöglicht einen vorteilhaften und energieverbrauchsarmen verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb des Kraftwagens bei insbesondere längeren Überlandfahrten. Dadurch können insbesondere der Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. In diesem Betriebszustand ist beispielsweise die Höchstgeschwindigkeit des Kraftwagens bei gebremster (drehfest gehaltener) elektrischer Maschine möglich.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung einen weiteren Betriebszustand aufweisen, in welchem ein rein elektrischer Betrieb durchgeführt wird. Dabei ist das Hohlrad mittels der zugeordneten Bremseinrichtung abgebremst und drehfest gehalten, somit steht also die Verbrennungskraftmaschine bzw. ist abgekuppelt, während sich das Sonnenrad drehen kann. Die Bremseinrichtung des Sonnenrads ist dabei also geöffnet und bremst das Sonnenrad nicht ab. Wird bei dem rein verbrennungsmotorischen Betrieb lediglich ein Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine in das Getriebe ein – und auf den Abtrieb weitergeleitet und dadurch der Kraftwagen angetrieben, so wird bei dem rein elektrischen Betrieb lediglich ein Drehmoment der elektrischen Maschine in das Planetengetriebe ein- und zu dem Abtrieb weitergeleitet und dadurch der Kraftwagen angetrieben. In diesem rein elektrischen Betrieb weist die Antriebseinrichtung vorteilhafterweise eine Gesamtübersetzung von zumindest im Wesentlichen i = 8 bis i = 10 auf, was ebenso einen besonders vorteilhaften Fahrbetrieb des Kraftwagens ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung stellt eine besonders vorteilhafte Antriebseinrichtung für Hybrid-Fahrzeuge dar, insbesondere für Hybrid-Fahrzeuge mit der Verbrennungskraftmaschine in einer Funktion als Reichweitenverlängerer für eine Reichweite eines Kraftwagens, bei welchem der Kraftwagen ohne unmittelbare CO₂-Emissionen mittels der elektrischen Maschine betrieben werden kann, wobei die elektrische Maschine in einem motorischen Betrieb betrieben und mit elektrischer Energie aus einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Batterie, der Antriebseinheit versorgt wird. Die Verbrennungskraftmaschine dient dazu, bei erschöpfter elektrischer Energie den Kraftwagen weiter anzutreiben und/oder die elektrische Speichereinrichtung wieder aufzuladen, indem die elektrische Maschine dann in einem Generatorbetrieb betrieben wird und dazu dient, die Energiespeichereinrichtung mit elektrischer Energie wieder aufzuladen.
Ebenso möglich ist die Darstellung einer sogenannten Rekuperation, bei welcher Bewegungsenergie des sich bewegenden Kraftwagens zum Bremsen desselbigen abgebaut und zumindest teilweise von der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb genutzt wird, um die Bewegungsenergie zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln und so die Energiespeichereinrichtung aufzuladen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung insbesondere bei deaktivierter Verbrennungskraftmaschine und insbesondere bei rein elektrischem Betrieb energetisch besonders günstig, wenn also das Hohlrad drehfest gehalten ist. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung bietet dabei den Vorteil, dass lediglich eine elektrische Maschine samt Leistungselektronik ausreichen, eine schmalbauende Getriebescheibe eingesetzt werden und die Verbrennungskraftmaschine vollwertig genutzt werden kann. Dabei kann die Verbrennungskraftmaschine insbesondere zum Anfahren, beispielsweise zum Auffahren auf einen Bordstein, genutzt werden, da das Planetengetriebe in Kombination mit der elektrischen Maschine als ein stufenloses Getriebe betrieben werden kann.
Die elektrische Maschine indes bietet insbesondere gegenüber einer Reibkupplung den Vorteil, überflüssige Energie beim Anfahren, welche aus Differenzdrehzahlen resultiert, als elektrische Energie zur Energiespeichereinrichtung zu leiten und diese damit aufzuladen, anstatt die Energie zwischen Reibbelägen der Reibkupplung in Wärme- und damit Verlustenergie umzuwandeln. Bei einem Ladezustand der Energiespeichereinrichtung unterhalb eines Grenzwertes kann zum Anfahren mit dem Kraftwagen gegen einen Widerstand, also beispielsweise bei einem Anfahren am Berg oder gegen einen Bordstein, die Verbrennungskraftmaschine mit etwas erhöhter Verbrennungskraftmaschinendrehzahl betrieben werden und die elektrische Maschine generatorisch antreiben. Eine Regelung der elektrischen Maschine bewirkt ein infolge einer erzeugten elektrischen Leistung erhöhtes Gegenmoment, so dass sich ein Moment der Verbrennungskraftmaschine entsprechend erhöht, bis das am Planetengetriebe, welches mit der Abtriebswelle verbunden ist und den eingeleiteten Momenten von der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine das Gleichgewicht hält, entstehende Reaktionsmoment an der Abtriebswelle größer als die Summe der Fahrwiderstände des Kraftwagens wird und somit der Kraftwagen sich in Bewegung setzt. Im Falle einer Bordsteinauffahrt muß die Regelung natürlich ebenso wie beim manuellen Anfahren in einem herkömmlichen verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftwagen die zur Verfügung gestellte Antriebsleistung sehr schnell wieder zurückregeln, sobald der Widerstand überwunden ist. Beim Anfahren am Berg ist eine ebenfalls geregelte Bremseinrichtung notwendig, die die anzutreibende Achse des Kraftwagens erst dann freigibt, wenn das Antriebsmoment die Fahrwiderstände übersteigt und somit das Anfahren möglich ist, um ein Zurückrollen des Kraftwagens am Berg zu unterbinden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung als weiteren Betriebszustand einen Mischbetrieb aufweisen: Dabei können sich sowohl das Hohlrad als auch das Sonnenrad drehen, sind also nicht mittels der entsprechenden Bremseinrichtung abgebremst und drehfest gehalten, so dass ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine in das Planetengetriebe einleitbar sowie die elektrische Maschine in dem Generatorbetrieb oder in dem motorischen Betrieb betrieben werden kann. In diesem Betriebszustand ermöglicht die Antriebseinrichtung eine sogenannte Lastpunktverschiebung. Durch entsprechende Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine kann der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in dem Motorenkennfeld derart verschoben werden, dass er in einem besonders verbrauchsgünstigen Bereich liegt.
Zur Realisierung einer komfortablen Fahrt ohne einen sogenannten sägenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist die elektrische Maschine fein über eine abzuführende Leistung in ihrem Gegenmoment im Generatorbetrieb zu regulieren. Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung ist es ebenso möglich, die Verbrennungskraftmaschine ohne separate, zusätzliche Anlasseinrichtung in allen Betriebszuständen anzulassen und damit zu starten. Steht der Kraftwagen, so ist dies auf einfache Art und Weise derart möglich, dass auch der Antrieb drehfest gehalten ist, beispielsweise durch Bremsen von mit dem Abtrieb verbundener Räder. Dann kann die Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine auf einfache Art und Weise gestartet werden.
Ebenso möglich ist es, die Verbrennungskraftmaschine bei einem Übergang von dem rein elektrischen Betrieb in den Mischbetrieb zu starten, während der Kraftwagen elektrisch angetrieben wird:
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung ermöglicht es zwar prinzipiell, auf entsprechende Kupplungseinrichtungen in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Hohlrad und/oder in einem Drehmomentenfluss zwischen der elektrischen Maschine bzw. dem Rotor und dem Sonnenrad zu verzichten, so dass die Teileanzahl und damit die Komplexität, das Gewicht und die Kosten, je nach Komfortansprüchen für den Kraftwagen, besonders gering gehalten werden können.
Jedoch kann vorgesehen sein, dass in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Hohlrad eine Kupplungseinrichtung angeordnet ist, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine mit dem Hohlrad zum Übertragen eines Drehmoment in einer Schließstellung der Kupplungseinrichtung koppelbar und in einer Offenstellung der Kupplungseinrichtung diese Kopplung aufhebbar ist. Dies ermöglicht eine besonders günstige Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine zur Darstellung des Übergangs von dem rein elektrischen Betrieb zu dem Mischbetrieb oder zu dem rein verbrennungsmotorischen Betrieb sowie eine besonders effiziente und effektive Rekuperation.
Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise bei dem rein elektrischen Betrieb von dem Hohlrad in der Offenstellung der Kupplungseinrichtung entkoppelt sein und mittels einer der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Anlasseinrichtung angelassen und aktiviert werden. Ist die Verbrennungskraftmaschine aktiviert, so kann die Verbrennungskraftmaschine durch Bewegen der Kupplungseinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung mit dem Hohlrad gekoppelt werden, nachdem oder während die Bremseinrichtung, mittels welcher das Hohlrad drehfest gehalten ist, geöffnet wird und das Hohlrad freigegeben hat oder freigibt. Dies stellt einen besonders komfortablen Betrieb der Antriebseinrichtung und insbesondere einen besonders komfortablen Übergang zwischen den einzelnen Betriebszuständen dar. Je nachdem, ob als Kupplungseinrichtung eine Kupplung ähnlich eine Schaltkupplung, wie beispielsweise eine Klauenkupplung oder eine Reibkupplung mit einer kontinuierlichen, wegabhängigen Ankopplung verwendet wird, muß die elektrische Maschine synchronisierend wirken oder nicht.
Ist die Kupplungseinrichtung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Hohlrad nicht vorgesehen, so ist ein derartiger Übergang von dem rein elektrischen Betrieb zu dem Hybridbetrieb oder dem rein motorischen Betrieb derart möglich, dass die Bremseinrichtung zum Festbremsen des Hohlrads gelöst wird und durch einen insbesondere kleinen Gegenimpuls an der elektrischen Maschine die fest mit dem Hohlrad gekoppelte – zunächst noch stillstehende – Verbrennungskraftmaschine infolge der Kraftwagenträgheit mitgenommen und dadurch gestartet wird, was jedoch Komforteinbußen infolge eines wohl kaum vermeidbaren Ruckens bedeutet. Oder aber es kann nur bei einem Stillstand des Kraftwagens, d. h. bei festgebremster Antriebsachse und folglich festgebremstem Planetenträger die Verbrennungskraftmaschine durch die elektrische Maschine gestartet werden.
Die besonders effiziente und effektive Rekuperation lässt sich mittels der Kupplungseinrichtung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Hohlrad derart darstellen, dass bei einem Abbremsen des Kraftwagens die Verbrennungskraftmaschine von dem Hohlrad entkoppelt und das Hohlrad mittels der entsprechenden Bremseinrichtung abgebremst und drehfest gehalten wird, wodurch alleinig die elektrische Maschine mit hoher Übersetzung über den Abtrieb mit einem Drehmoment bzw. einer Drehzahl (von sich drehenden Rädern des Kraftwagens) beaufschlagt wird und über ihre regelbare Generatorleistung im Generatorbetrieb den Kraftwagen bremst.
Ein etwaige Kupplungseinrichtung in einem Drehmomentenfluss zwischen der elektrischen Maschine und dem Sonnenrad birgt den Vorteil, dass dadurch ein Sicherheitselement beispielsweise für eine Vollbremsung während des reinen elektrischen Betriebs dargestellt ist. Durch Öffnen dieser Kupplungseinrichtung, so dass keine Drehmomentenübertragung zwischen der elektrischen Maschine und dem Sonnenrad mehr möglich ist, kann sichergestellt werden, dass das Trägheitsmoment der elektrischen Maschine nicht das schlagartig stillstehende Planetengetriebe zerstört.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Fahrzeug mit einem Planetengetriebe, welches ein Hohlrad, ein Sonnerad sowie einen Planetenträger aufweist, wobei mit dem Hohlrad eine Verbrennungskraftmaschine, mit dem Sonnenrad ein Rotor einer elektrischen Maschine gekoppelt ist und der Planetenträger einen Abtrieb des Planetengetriebes darstellt, welcher mit einer weiteren Getriebestufe gekoppelt ist, über welche die Antriebsachse des Kraftwagens antreibbar ist.
2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Antriebseinrichtung gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Antriebseinrichtung gemäß den 1 und 2; und
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Antriebseinrichtung gemäß den 1 bis 3;
Die 1 zeigt eine Antriebseinrichtung 10 in einem Antriebsstrang 12 eines Hybrid-Fahrzeugs. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine, welches als Hubkolbenmaschine 13 mit einer Kurbelwelle 14 ausgebildet ist. Ferner umfasst die Antriebseinrichtung 10 ein Planetengetriebe 16, welches ein Hohlrad 18, einen Planetenträger 20 sowie ein Sonnenrad 22 aufweist. An dem Planetenträger 20 sind Planetenräder 25 drehbar gehalten, welche mit dem Hohlrad 18 und mit dem Sonnenrad 22 kämmen. Das Sonnenrad 22 ist dabei drehfest mit einer Sonnenwelle 24 verbunden.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Kurbelwelle 14 mit dem Hohlrad 18 gekoppelt und drehfest verbunden, so dass ein Drehmoment der Hubkolbenmaschine 13 über das Hohlrad 18 in das Planetengetriebe 16 eingeleitet werden kann.
Des Weiteren umfasst die Antriebseinrichtung 10 eine elektrische Maschine 26 mit einem Stator 28 und einem mit dem Stator 28 zusammenwirkenden Rotor 30. Der Rotor 30 ist drehfest mit der Sonnenwelle 24 verbunden, so dass ein Drehmoment der elektrischen Maschine 26 über den Rotor 30, die Sonnenwelle 24 und das Sonnenrad 22 in das Planetengetriebe 16 eingeleitet werden kann.
Die elektrische Maschine 26 ist dabei als Innenläufer-Maschine ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Stator 28 den Rotor 30 außenumfangsseitig umgibt und relativ zur Hubkolbenmaschine 13 drehfest gehalten und damit fahrzeugfest angeordnet ist.
Der Planetenträger 20 des Planetengetriebes 16 stellt einen Abtrieb des Planetengetriebes 16 dar und ist mit einer Abtriebswelle 32 drehfest verbunden, die wiederum mit einem Zahnrad 34 einer Getriebestufe 36 der Antriebseinrichtung 10 drehfest verbunden ist.
Die Getriebestufe 36 umfasst ein Zwischenzahnrad 38, sowie ein weiteres Zahnrad 40, welches mit Rädern 42 des Hybrid-Fahrzeugs gekoppelt ist, so dass die Räder 42 von der Antriebseinrichtung 10 angetrieben werden können.
Wie in der 1 schematisch dargestellt ist, sind die Räder 42 über eine anzutreibende Achse 44 miteinander verbunden, wobei das Zahnrad 40, beispielsweise über ein Differentialgehäuse eines Differentials mit der anzutreibenden Achse des Kraftwagens 44 verbunden ist. Es versteht sich, dass die in der 1 gezeigte Antriebseinrichtung 10 sowie der in der 1 gezeigte Antriebsstrang 12 ohne Weiteres auf anderweitige Antriebsstränge, beispielsweise mit einer Einzelradaufhängung, übertragbar ist, wobei die Räder 42 über jeweilige, insbesondere homokinetische Gelenkwellen und gegebenenfalls über ein Differential zum Ausgleich von Differenzdrehzahlen angetrieben werden.
Die Antriebseinrichtung 10 weist eine geringe Komplexität auf und ermöglicht eine besonders effiziente und effektive Drehmomenten- und Drehzahlüberlagerung von Drehmomenten und Drehzahlen, welche von der Hubkolbenmaschine 13 und der elektrischen Maschine 26 in das Planetengetriebe 16 eingeleitet werden. Dabei kann die elektrische Maschine 26 in einem motorischen Betrieb als Motor betrieben werden. Dabei wird die elektrische Maschine 26 mit der elektrischer Energie aus einer in der 1 nicht dargestellten Batterie gespeist. Ebenso möglich ist es, die elektrische Maschine 26 in einem Generatorbetrieb zu betreiben, wobei die elektrische Maschine 26 bzw. das Sonnenrad 22 und die Sonnenwelle 24 einen weiteren Abtrieb darstellen. Im Generatorbetrieb kann die elektrische Maschine 26 dazu genutzt werden, in das Planetengetriebe 16 von der Hubkolbenmaschine 13 und/oder von den Rädern 42 eingeleitete Drehmomente und damit mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, um somit die Batterie mit elektrischer Energie zu speisen und damit aufzuladen.
Das Planetengetriebe 16 kann dabei eine Standübersetzung i₁₂ bzw. i_HS aufweisen, welche zumindest im Wesentlichen minus drei (–3) beträgt. Diese Standübersetzung ergibt sich aus folgender Formel i₁₂ = i_HS = H / S wobei H die Zähnezahl des Hohlrads 18 und S die Zähnezahl des Sonnenrads 22 bezeichnet. Da das Hohlrad 18 eine Innenverzahnung aufweist, ist die Zähnezahl des Hohlrads ein negativer Wert und dementsprechend in die obige Formel einzusetzen. Die Zähnezahl H beträgt somit beispielsweise –60, während die Zähnezahl S beispielsweise 20 beträgt. Die Zähnezahl P der Planetenräder 25 beträgt beispielsweise 20.
Aus der sogenannten Willis-Gleichung:
wobei n₁ bzw. n_EM die Drehzahl des Sonnenrads und damit des Rotors 30 der elektrischen Maschine 26, n₂ bzw. n_VM die Drehzahl des Hohlrads 18 und damit der Hubkolbenmaschine 13 und n_S bzw. n_AB die Drehzahl des Planententrägers 20 bezeichnen, ergeben sich die folgenden aufgeführten Drehzahlverhältnisse.
Ist die Abtriebswelle 32 und damit der Planetenträger 20 beispielsweise durch mittels einer Betriebsbremse festgebremsten Rädern 42 drehfest gehalten, wobei es sich bei den Rädern 42 beispielsweise um Vorderräder des Hybrid-Fahrzeugs handelt, so ergibt sich:
Wird die Antriebseinrichtung 10 beispielsweise in einem rein elektrischen Betrieb betrieben, so werden das Hybrid-Fahrzeug und damit die Räder 42 ausschließlich mit der elektrischen Maschine 26 angetrieben. Dabei wird das Hohlrad 18 und damit die Hubkolbenmaschine 13 mittels einer Bremseinrichtung 46 abgebremst und drehfest gehalten. Gemäß der Willis-Gleichung ergibt sich dabei folgendes Drehzahlverhältnis:
Im Gegensatz dazu kann die Antriebseinrichtung 10 in einem rein verbrennungsmotorischen Betrieb betrieben werden, wobei das Hybrid-Fahrzeug und damit die Räder 42 ausschließlich mit der Hubkolbenmaschine 13 angetrieben werden. Dabei sind das Sonnenrad 22 und damit der Rotor 30 über eine Bremseinrichtung 48 abgebremst und drehfest gehalten. Dann ergibt sich folgendes Drehzahlverhältnis:
Aus der Willis-Gleichung ergibt sich zudem folgendes, allgemeines Drehzahlverhältnis: n_AB = 3 / 4n_VM + 1 / 4n_EM
Die Getriebestufe 36 weist beispielsweise eine Übersetzung i_ÜB von 2,2 auf. Mit
wobei n_End die Drehzahl des Zahnrads 40 bezeichnet, ergibt sich in Kombination mit den vorgenannten Drehzahlverhältnissen im rein verbrennungsmotorischen Betrieb (Sonnenrad 22 drehfest gehalten):
und daraus eine Gesamtübersetzung i_gesVM der Antriebseinrichtung 10 im rein verbrennungsmotorischen Betrieb: 8,8 / 3 = i_gesVM = 2,9
Im rein elektrischen Betrieb (bei drehfest gehaltenem Hohlrad 18) ergibt sich:
und daraus eine Gesamtübersetzung i_gesVM der Antriebseinrichtung 10 im rein elektrischen Betrieb 8,8 = i_gesEM
Ein Kräftegleichgewicht am Planetenradumfang liefert folgende Momentenbilanz: M_VM = –3M_EM wobei diese Momentenbilanz folgendes bedeutet: wird der Planetenträger 20 drehfest mittels beispielsweise einer Feststellbremse der anzutreibenden Achse 44 des Kraftwagens gehalten und wird ein Drehmoment M_EM der elektrischen Maschine 16 über deren Rotor 30 in das Planetengetriebe 16 eingeleitet, so wird dieses Drehmoment M_EM in dreifachem Betrag als Drehmoment M_VM über das Hohlrad 18 auf die Kurbelwelle 14 übertragen und in die Hubkolbenmaschine 13, beispielsweise zum Starten, eingeleitet. Das negative Vorzeichen bedeutet dabei, dass die Drehrichtung des Drehmoments M_VM gegensinnig zu der Drehrichtung des Drehmoments M_EM ist.
Des Weiteren ergibt sich folgende Leistungsbilanz: M_AB·n_AB = M_VM·n_VM + M_EM·n_EM wobei M_AB ein Drehmoment der Abtriebswelle 32, n_AB eine Drehzahl der Abtriebswelle 32, n_VM ein Drehmoment der Hubkolbenmaschine 13, n_VM eine Drehzahl der Hubkolbenmaschine 13, M_EM eine Drehmoment der elektrischen Maschine 26 n_EM eine Drehzahl der elektrischen Maschine 26 bzw. dessen Stators 30 und damit des Sonnenrads 22 bezeichnen.
Wie in der 1 durch einen Bereich 50 angedeutet ist, kann in einem Drehmomenten- und/oder Kräftefluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine 13 und dem Hohlrad 18 eine Kupplungseinrichtung wie beispielsweise eine Klauenkupplung angeordnet sein.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10 gemäß 1. Wie der 2 zu entnehmen ist, ist der Abtrieb über den Planetenträger 20, die Abtriebswelle 32 und die Getriebestufe 36, insbesondere in axialer Richtung der Sonnenwelle 24, zwischen dem Sonnenrad 22 und der elektrischen Maschine 26 angeordnet. Im Vergleich mit der Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 ist somit die elektrische Maschine 26 nicht zwischen der Getriebestufe 36 und dem Planetengetriebe 16 sondern außerhalb angeordnet. Dadurch ist es vermieden, dass die elektrische Maschine 26 einen Getriebeölraum für das Planetengetriebe 16 und die Getriebestufe 36 in zwei Räume unterteilt. Dadurch ist lediglich ein einziger gemeinsamer Getriebeölraum für das Planetengetriebe 16 und die Getriebestufe 36 dargestellt, in welchem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, zum Schmieren und Kühlen des Gesamtgetriebes aus Planetengetriebe 16 und Getriebestufe 36 aufgenommen werden kann. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 26 sozusagen trocken laufen kann und unterschiedlichste Ausführungsformen elektrischer Maschinen technisch einfach außen an einem Getriebegehäuse des Gesamtgetriebes anflanschbar sind.
Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10. Während die 1 und 2 die Antriebseinrichtung 10 in einem so genannten Quereinbau in einem Kraftwagen zeigen, zeigt die 3 die Antriebseinrichtung 10 in einem Längseinbau. Wie der 3 zu entnehmen ist, ist die Abtriebswelle 32 mit einer Gelenkwelle 54 drehfest gekoppelt. Die Gelenkwelle 54 umfasst Gelenkwellenteile 56, welche über ein Gelenk 58 gelenkig miteinander und über ein Gelenk 60 mit der Abtriebswelle 32 gelenkig verbunden sind. Das Zahnrad 34 ist beispielsweise als Kegelrad ausgebildet und kämmt mit dem als Tellerrad ausgebildeten Zahnrad 40 der Getriebestufe 36. Dabei kann vorteilhaft wie auch bei Antriebseinrichtungen für einen Quereinbau in einen Kraftwagen das Tellerrad 40 Bestandteil eines nicht dargestellten Verteilergetriebes, eines sogenannten Differentials, der jeweils anzutreibenden Achse 44 des Kraftwagens sein, wie es bei konventionellen Antriebseinrichtungen für Kraftwagen mit rein verbrennungsmotorischen Antrieb üblich ist.
Die 4 zeigt die Antriebseinrichtung 10 in einer weiteren Ausführungsform bei einem Längseinbau. Wie bei der Antriebseinrichtung 10 gemäß 2 ist der Abtrieb zwischen dem Sonnenrad 22 und der elektrischen Maschine 26 angeordnet. Mit anderen Worten ist die elektrische Maschine 26 außerhalb des Abtriebs angeordnet.
Der Abtrieb umfasst eine optionale Schaltgruppe 52, welche zwei Gänge aufweist, zwischen welchen geschaltet werden kann. Einem ersten der Gänge der Schaltgruppe 52 ist ein erstes Zahnradpaar zugeordnet, welches ein mit der Abtriebswelle 32 drehfest verbundenes Zahnrad 62 sowie ein über eine Schaltmuffel 64 mit der Gelenkwelle 54 drehfest koppelbares Zahnrad 66 umfasst.
Dem zweiten der Gänge ist ein zweites Zahnradpaar zugeordnet, welches ein mit der Abtriebswelle 32 drehfest verbundenes Zahnrad 68 sowie ein mittels der Schaltmuffe 64 mit der Gelenkwelle 54 drehfest koppelbares Zahnrad 70 umfasst. Die Schaltmuffe 64 kann sich selbstverständlich auch auf der Abtriebswelle 32 befinden, womit sich die Losräder dann ebenfalls auf der Abtriebswelle 32 befinden und die Festräder auf der Gelenkwelle 54. Die optionale Schaltgruppe 52 ermöglicht es durch ihre schaltbaren zwei Gänge, Geschwindigkeitsbereiche bis über 250 km/h darzustellen und abzudecken oder aber beim Anfahren mit der Verbrennungskraftmaschine 13 gegen hohe Widerstände eine dabei durch die Batterie abzupuffernde Generatorleistung der elektrischen Maschine 26 abzusenken oder mit einer drehmomentschwächeren Verbrennungskraftmaschine 13 bei niedriger Batteriespannung komfortabel anfahren zu können.
Bezugszeichenliste

10: Antriebseinrichtung
12: Antriebsstrang
13: Verbrennungskraftmaschine
14: Kurbelwelle
16: Planetengetriebe
18: Hohlrad
20: Planetenträger
22: Sonnenrad
24: Sonnenwelle
25: Planetenrad
26: elektrische Maschine
28: Stator
30: Rotor
32: Abtriebswelle
34: Zahnrad
36: Getriebestufe
38: Zahnrad
40: Zahnrad (z. B. am Differentialgehäuse der anzutreibenden Achse des Kraftwagens)
42: Rad
44: Anzutreibende Achse des Kraftwagens
46: Bremseinrichtung
48: Bremseinrichtung
50: Bereich
52: Schaltgruppe
54: Gelenkwelle
56: Gelenkwellenteil
58: Gelenk
60: Gelenk
62: Zahnrad
64: Schaltmuffe
66: Zahnrad
68: Zahnrad
70: Zahnrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005008148 A1 [0002]

Claims

Antriebseinrichtung (10) für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (13), mit einer einen Rotor (30) umfassenden elektrischen Maschine (26) und mit einem ein Hohlrad (18), ein Sonnenrad (22) und einen Planententräger (20) aufweisenden Planetengetriebe (16), über dessen Hohlrad (18) ein Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine (13) in das Planetengetriebe (16) einleitbar, über dessen Sonnenrad (22) und den Rotor (30) ein Drehmoment der elektrischen Maschine (26) in das Planetengetriebe (16) einleitbar, und über dessen Planetenträger (20) ein Drehmoment aus dem Planetengetriebe (16) ausleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (26) einen zu dem Rotor (30) korrespondierenden Stator (28) umfasst, welcher relativ zur Verbrennungskraftmaschine (13) drehfest gehalten ist.
Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (28) den Rotor (30) zumindest bereichsweise außenumfangsseitig umgibt.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremseinrichtung (46) vorgesehen ist, mittels welcher das Hohlrad (18) festbremsbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremseinrichtung (48) vorgesehen ist, mittels welcher das Sonnenrad (22) festbremsbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (13) über eine Kupplungseinrichtung mit dem Hohlrad (18) koppelbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (26) über eine Kupplungseinrichtung mit dem Sonnenrad (22) koppelbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (20) mit einer Getriebeeinrichtung (36), insbesondere einer Getriebestufe (36), koppelbar oder gekoppelt ist, über welche ein Drehmoment aus der Antriebseinrichtung (10) ausleitbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Standübersetzung (i₁₂, i_HS) des Planetengetriebes (16) zumindest im Wesentlichen drei beträgt.