DE102011016727A1 - Getriebeeinheit - Google Patents

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Markus Bichler
Rene Scheucher
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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Abstract

Eine Getriebeeinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher zumindest einen Verbrennungsmotor und eine erste Elektromaschine (sowie vorzugsweise auch eine zweite Elektromaschine) aufweist, umfasst ein erstes Planetengetriebe, ein zweites, umschaltbares Planetengetriebe und eine Kupplung zum Umschalten des zweiten Planetengetriebes zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand. Das erste Planetengetriebe weist zumindest ein erstes Glied zum Koppeln mit der ersten Elektromaschine, ein zweites Glied zum Aufnehmen einer Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor und ein drittes Glied zum Ausgeben von Antriebsleistung auf. Das zweite Planetengetriebe weist zumindest ein erstes Glied zum Koppeln mit dem Verbrennungsmotor, ein zweites Glied zum Koppeln mit dem zweiten Glied des ersten Planetengetriebes und ein drittes Glied auf. In dem ersten Betriebszustand hält die Kupplung das dritte Glied des zweiten Planetengetriebes fest. In dem zweiten Betriebszustand koppelt die Kupplung das dritte Glied des zweiten Planetengetriebes mit dem ersten oder dem zweiten Glied des zweiten Planetengetriebes drehfest.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher zumindest einen Verbrennungsmotor und eine erste Elektromaschine (sowie vorzugsweise auch eine zweite Elektromaschine) aufweist.
  • Hybridantriebsstränge für Kraftfahrzeuge, welche als Antriebsquelle sowohl einen Verbrennungsmotor als auch eine oder mehrere Elektromaschinen verwenden, zeichnen sich durch einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad und die Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung aus. Darüberhinaus können gegenüber Antriebssystemen mit einem Verbrennungsmotor als einziger Antriebsquelle zusätzliche Funktionen bereitgestellt werden, wie z. B. ein geräuscharmes und emissionsfreies elektrisches Fahren, ein elektrisches Bremsen mit Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) oder eine Beschleunigungssteigerung durch Kombination der Motoren (elektrisches Boosten). Durch Verwendung einer zusätzlichen, d. h. einer zweiten Elektromaschine sind eine noch bessere Anpassung an den momentanen Leistungsbedarf und eine verbesserte Rekuperation möglich, insbesondere wenn die beiden Elektromaschinen unterschiedlich groß sind, d. h. für unterschiedliche Leistungen ausgelegt sind.
  • Bei einem sogenannten leistungsverzweigenden Hybridantriebsstrang wird eine Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor anteilig an eine Elektromaschine und an die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs übertragen, oder von dem Verbrennungsmotor und zumindest einer Elektromaschine an die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck umfasst eine Getriebeeinheit des Antriebsstrangs ein erstes Planetengetriebe, welches letztlich als Summiergetriebe wirksam ist. Das Planetengetriebe umfasst zumindest ein erstes Glied zum Koppeln mit der Elektromaschine oder einer von mehreren Elektromaschinen, ein zweites Glied zum Aufnehmen einer Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor und ein drittes Glied zum Ausgeben von Antriebsleistung. Mittels einer derartigen Getriebeeinheit kann insbesondere eine stufenlos einstellbare Übersetzung zwischen dem Verbrennungsmotor und den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs ermöglicht werden.
  • Da jedoch der gesamte Fahrbereich des Kraftfahrzeugs durch ein und dieselbe Getriebekonfiguration abgedeckt wird, kann sich in bestimmten Fahrzuständen ein ineffizienter Betrieb des Verbrennungsmotors und/oder der Elektromaschine(n) ergeben.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Getriebeeinheit der genannten Art bereitzustellen, welche einen effizienteren Betrieb des Verbrennungsmotors und/oder der Elektromaschine(n) und somit einen verbesserten Wirkungsgrad des Antriebssystems über den gesamten Fahrbereich des Kraftfahrzeugs gesehen ermöglicht.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß umfasst eine Getriebeeinheit ein zweites, umschaltbares Planetengetriebe und eine Kupplung zum Umschalten des zweiten Planetengetriebes zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand. Das zweite Planetengetriebe weist zumindest ein erstes Glied zum Koppeln mit dem Verbrennungsmotor, ein zweites Glied zum Koppeln mit dem zweiten Glied des ersten Planetengetriebes und ein drittes Glied auf, wobei die Kupplung das dritte Glied des zweiten Planetengetriebes in dem ersten Betriebszustand festhält (bevorzugt fix zum Gehäuse) und in dem zweiten Betriebszustand mit dem ersten oder dem zweiten Glied des zweiten Planetengetriebes drehfest koppelt (so genannter verblockter Umlauf).
  • In dem ersten Betriebszustand kann das zweite Glied am festgehaltenen dritten Glied abrollen. Es findet somit eine Übersetzung zwischen dem mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten ersten Glied und dem mit dem ersten Planetengetriebe gekoppelten zweiten Glied statt, insbesondere eine Übersetzung ins Langsame. In dem zweiten Betriebszustand sind zwei Glieder des zweiten Planetengetriebes drehfest miteinander gekoppelt, d. h. das zweite Planetengetriebe ist verblockt und weist eine Übersetzung von 1:1 auf. Die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors wird somit ohne Drehzahlwandlung an das erste Planetengetriebe ausgegeben. Dadurch, dass durch Umschalten des zweiten Planetengetriebes ein Wechsel zwischen verschiedenen Übersetzungen möglich ist, kann unter Beibehaltung des stufenlosen Fahrbetriebs ein effizienterer Betrieb des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine bezogen auf den gesamten Fahrbereich des Kraftfahrzeugs realisiert werden. Dies gilt unabhängig davon, ob die Elektromaschine als Motor oder als Generator betrieben wird.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
  • Das erste, das zweite und das dritte Glied eines jeden Planetengetriebes sind vorzugsweise antriebswirksam miteinander gekoppelt. Das dritte Glied des ersten Planetengetriebes kann entweder selbst das Ausgangselement der Getriebeeinheit bilden oder mit einem separaten Ausgangselement antriebswirksam gekoppelt sein. Bei Bedarf kann das Ausgangselement eine zusätzliche Übersetzungsstufe oder Untersetzungsstufe bilden, zum Beispiel in Form einer Stirnradverzahnung.
  • Das zweite Glied des ersten Planetengetriebes und das zweite Glied des zweiten Planetengetriebes sind vorzugsweise drehfest miteinander gekoppelt. Insbesondere können ein Planetenträger des ersten Planetengetriebes und ein Planetenträger des zweiten Planetengetriebes drehfest miteinander gekoppelt sein, um so eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Planetengetrieben zu ermöglichen.
  • Das erste Planetengetriebe kann insbesondere dazu konfiguriert sein, eine Rotation des dritten Glieds relativ zu dem ersten Glied ins Langsame zu übersetzen. Dadurch kann die Drehzahl des Ausgangselements des ersten Planetengetriebes gegenüber der Drehzahl der ersten Elektromaschine verringert werden, sodass die Verwendung einer kleinvolumigen, hochtourigen Elektromaschine möglich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das erste Glied des ersten Planetengetriebes ein Sonnenrad, das zweite Glied des ersten Planetengetriebes einen Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern, und das dritte Glied des ersten Planetengetriebes ein Hohlrad auf, wobei die Planetenräder des zweiten Glieds mit dem ersten Glied und dem dritten Glied des zweiten Planetengetriebes kämmen. Diese Konfiguration ermöglicht eine zuverlässige Leistungsverzweigung oder Leistungssummierung zwischen dem Verbrennungsmotor, der ersten Elektromaschine und den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Planetengetriebe fünfgliedrig und weist zusätzlich ein viertes Glied zum Koppeln mit einer zweiten Elektromaschine und ein fünftes Glied auf, welches gemeinsam mit dem vierten Glied und dem dritten Glied des Planetengetriebes eine Untersetzungsstufe bildet, die eine Rotation des dritten Glieds relativ zu dem vierten Glied ins Langsame übersetzt. Eine derartige Konfiguration ermöglicht die Integration zweier Elektromaschinen in den Antriebsstrang, wobei z. B. ein Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors mittels einer der Elektromaschinen in elektrische Leistung gewandelt wird und diese Leistung abzüglich der Wandlungsverluste durch die andere Elektromaschine wieder dem Antriebsstrang zugeführt wird.
  • Das vierte Glied des ersten Planetengetriebes kann ein Sonnenrad und das fünfte Glied des ersten Planetengetriebes kann einen feststehenden Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern aufweisen, die mit dem dritten Glied und dem vierten Glied des ersten Planetengetriebes kämmen. Die beiden Elektromaschinen können in einer bevorzugten Ausführungsform koaxial zueinander und koaxial zu einer Antriebswelle des Verbrennungsmotors angeordnet sein, um eine kompakte Konstruktion des Antriebsstrangs zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die zweite Elektromaschine größer als die erste Elektromaschine, d. h. die Untersetzungsstufe wirkt auf die größere der beiden Elektromaschinen.
  • Das zweite Planetengetriebe kann dazu konfiguriert sein, in dem ersten Betriebszustand eine Rotation des zweiten Glieds relativ zu dem ersten Glied ins Langsame zu übersetzen. Der Verbrennungsmotor kann hierdurch auch bei niedrigen Drehzahlen des Ausgangselements der Getriebeeinheit in einem hinsichtlich des Wirkungsgrads günstigen Arbeitspunkt betrieben werden.
  • Das erste Glied des zweiten Planetengetriebes kann ein Sonnenrad, das zweite Glied des zweiten Planetengetriebes kann einen Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern und das dritte Glied des zweiten Planetengetriebes kann ein Hohlrad aufweisen, wobei die Planetenräder des zweiten Glieds mit dem ersten Glied und dem dritten Glied des zweiten Planetengetriebes kämmen. Ein Umschalten kann unterbrechungsfrei durch Koppeln oder Festlegen einzelner Glieder des zweiten Planetengetriebes erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, welcher eine erfindungsgemäße Getriebeeinheit aufweist.
  • Ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Verbrennungsmotor 11, eine erste Elektromaschine 13, eine zweite Elektromaschine 15 und ein Achsdifferential 17. Die erste Elektromaschine 13 und die zweite Elektromaschine 15 sind koaxial zueinander sowie koaxial zu einer Ausgangswelle 12 des Verbrennungsmotors 11 angeordnet und können wahlweise als Motor oder als Generator betrieben werden. Wie aus 1 hervorgeht, ist die zweite Elektromaschine 15 größer als die erste Elektromaschine 13. Über eine Getriebeeinheit 19 sind der Verbrennungsmotor 11, die erste Elektromaschine 13 und die zweite Elektromaschine 15 miteinander verbunden. Ein Abtriebsrad 20 der Getriebeeinheit 19 ist beispielsweise über eine Stirnradverzahnung (oder einen andersartigen Zugmitteltrieb bzw. ein Umschlingungstriebe) antriebswirksam mit dem Achsdifferential 17 gekoppelt, um so Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor 11 und/oder von den beiden Elektromaschinen 13, 15 auf Räder 18 des Kraftfahrzeugs zu übertragen. Die Getriebeeinheit 19 umfasst ein erstes Planetengetriebe 21, welches als Summiergetriebe wirkt, und ein zweites Planetengetriebe 23, welches als schaltbare drehzahlreduzierende Getriebestufe wirkt.
  • Das erste Planetengetriebe 21 ist fünfgliedrig und weist ein erstes Sonnenrad 25, einen ersten Planetenträger 27 mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern 29, ein erstes Hohlrad 30, ein zweites Sonnenrad 31, einen zweiten Planetenträger 33 mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern 35 und ein zweites Hohlrad 37 auf. Die Planetenräder 29 des ersten Planetenträgers 27 kämmen mit dem ersten Sonnenrad 25 und mit dem ersten Hohlrad 30, während die Planetenräder 35 des zweiten Planetenträgers 33 mit dem zweiten Sonnenrad 31 und dem zweiten Hohlrad 37 kämmen. Das erste Hohlrad 30 und das zweite Hohlrad 37 können insbesondere als einstückiges Bauteil ausgebildet sein, welches eine Außenverzahnung aufweist und dadurch das Abtriebsrad 20 bildet. Das erste Sonnenrad 25 ist mit der ersten Elektromaschine 13 drehfest gekoppelt, während das zweite Sonnenrad 31 drehfest mit der zweiten Elektromaschine 15 drehfest gekoppelt ist. Der zweite Planetenträger 33 ist an einem gehäusefesten Element festgelegt. Der erste Planetenträger 27 bildet ein Eingangselement des ersten Planetengetriebes 21 und empfängt mechanische Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor 11.
  • Das zweite, umschaltbare Planetengetriebe 23 ist antriebsmäßig zwischen den Verbrennungsmotor 11 und das erste Planetengetriebe 21 geschaltet, wobei das zweite Planetengetriebe 23 dreigliedrig ist und ein Sonnenrad 43, einen Planetenträger 45 mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern 47 sowie ein Hohlrad 49 umfasst. Über ein Element 50 zur Torsionsschwingungsdämpfung ist das Sonnenrad 43 des zweiten Planetengetriebes 23 mit der Ausgangswelle 12 des Verbrennungsmotors 11 antriebswirksam koppelbar. Weiterhin ist der Planetenträger 45 des zweiten Planetengetriebes 23 drehfest mit dem ersten Planetenträger 27 des ersten Planetengetriebes 21 verbunden.
  • Mittels einer Umschaltkupplung 55 ist das Hohlrad 49 des zweiten Planetengetriebes 23 wahlweise mit dem Planetenträger 45 des zweiten Planetengetriebes 23 oder mit einem gehäusefesten Element verbindbar. Je nach Schaltzustand der Umschaltkupplung 55 ist ein erster Betriebszustand oder ein zweiter Betriebszustand des zweiten Planetengetriebes 23 eingestellt, wie dies in 1 durch Pfeile veranschaulicht ist. In dem ersten Betriebszustand, in welchem das Hohlrad 49 des zweiten Planetengetriebes 23 festgehalten ist, wälzen die Planetenräder 47 des zweiten Planetengetriebes 23 am festgehaltenen Hohlrad 49 ab und treiben so den Planetenträger 45 des zweiten Planetengetriebes 23 und mit diesem auch den ersten Planetenträger 27 des ersten Planetengetriebes 21 mit gegenüber der Ausgangswelle 12 des Verbrennungsmotors 11 verringerter Drehzahl an. In dem zweiten Betriebszustand der Getriebeeinheit 19, in welchem das Hohlrad 49 des zweiten Planetengetriebes 23 mit dem Planetenträger 45 des zweiten Planetengetriebes 23 drehfest gekoppelt ist, läuft das zweite Planetengetriebe 23 als Block um und überträgt die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors 11 mit einem Übersetzungsverhältnis von Eins an das erste Planetengetriebe 21.
  • Eine in 1 nicht dargestellte Steuereinrichtung sorgt dafür, dass das zweite Planetengetriebe 23 in Abhängigkeit von Fahrzustandsparametern wahlweise in den ersten Betriebszustand oder in den zweiten Betriebszustand versetzt wird. Das Umschalten wird von der Steuereinrichtung vorzugsweise derart vorgenommen, dass der Verbrennungsmotor 11, die erste Elektromaschine 13 sowie die zweite Elektromaschine 15 jeweils hinsichtlich des – motorischen oder generatorischen – Wirkungsgrads in einem günstigen Arbeitsbereich betrieben werden können. Durch die Bereitstellung von zwei separaten Fahrstufen der Getriebeeinheit 19 mit unterschiedlicher Übersetzung ist es möglich, bezogen auf den gesamten Fahrbereich des Kraftfahrzeugs einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen. Hierdurch kann gegenüber Hybridantriebsstrang-Konfigurationen mit lediglich einer einzigen Fahrstufe insbesondere eine Kraftstoffersparnis des Verbrennungsmotors 11 erzielt werden. Dabei wird in gewohnter Weise mittels der beiden Elektromaschinen 13, 15 in jeder der beiden Fahrstufen ein stufenloser Fahrbetrieb mit der Möglichkeit der Rekuperation und des elektrischen Boostens bereitgestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Verbrennungsmotor
    12
    Ausgangswelle
    13
    erste Elektromaschine
    15
    zweite Elektromaschine
    17
    Achsdifferential
    18
    Rad
    19
    Getriebeeinheit
    20
    Abtriebsrad
    21
    erstes Planetengetriebe
    23
    zweites Planetengetriebe
    25
    erstes Sonnenrad
    27
    erster Planetenträger
    29
    Planetenrad
    30
    erstes Hohlrad
    31
    zweites Sonnenrad
    33
    zweiter Planetenträger
    35
    Planetenrad
    37
    zweites Hohlrad
    43
    Sonnenrad
    45
    Planetenträger
    47
    Planetenrad
    49
    Hohlrad
    50
    Torsionsschwingungsdämpfer
    55
    Umschaltkupplung

Claims (7)

  1. Getriebeeinheit (19) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher zumindest einen Verbrennungsmotor (11) und eine erste Elektromaschine (13) aufweist, wobei die Getriebeeinheit (19) umfasst: ein erstes Planetengetriebe (21), welches zumindest ein erstes Glied (25) zum Koppeln mit der ersten Elektromaschine (13), ein zweites Glied (27) zum Aufnehmen einer Antriebsleistung von dem Verbrennungsmotor (11) und ein drittes Glied (30) zum Ausgeben von Antriebsleistung aufweist; ein zweites, umschaltbares Planetengetriebe (23), welches zumindest ein erstes Glied (43) zum Koppeln mit dem Verbrennungsmotor (11), ein zweites Glied (45) zum Koppeln mit dem zweiten Glied (27) des ersten Planetengetriebes (21) und ein drittes Glied (49) aufweist; und eine Kupplung (55) zum Umschalten des zweiten Planetengetriebes (23) zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand, wobei die Kupplung (55) das dritte Glied (49) des zweiten Planetengetriebes (23) in dem ersten Betriebszustand festhält und in dem zweiten Betriebszustand mit dem ersten oder dem zweiten Glied (43, 45) des zweiten Planetengetriebes (23) drehfest koppelt.
  2. Getriebeeinheit nach Anspruch 1, wobei das erste Planetengetriebe (21) dazu konfiguriert ist, eine Rotation des dritten Glieds (30) relativ zu dem ersten Glied (25) ins Langsame zu übersetzen.
  3. Getriebeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Glied (25) des ersten Planetengetriebes (21) ein Sonnenrad, das zweite Glied (27) des ersten Planetengetriebes (21) einen Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern (29), und das dritte Glied (30) des ersten Planetengetriebes (21) ein Hohlrad aufweist, wobei die Planetenräder (29) des zweiten Glieds (27) mit dem ersten Glied (25) und dem dritten Glied (30) des zweiten Planetengetriebes (23) kämmen.
  4. Getriebeeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Planetengetriebe (21) fünfgliedrig ist und zusätzlich ein viertes Glied (31) zum Koppeln mit einer zweiten Elektromaschine (15) und ein fünftes Glied (33) aufweist, welches gemeinsam mit dem vierten Glied (31) und dem dritten Glied (30) des ersten Planetengetriebes (21) eine Untersetzungsstufe bildet, die eine Rotation des dritten Glieds (30) relativ zu dem vierten Glied (31) ins Langsame übersetzt.
  5. Getriebeeinheit nach Anspruch 4, wobei das vierte Glied (31) des ersten Planetengetriebes (21) ein Sonnenrad und das fünfte Glied (33) des ersten Planetengetriebes (21) einen feststehenden Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern (35) aufweist, die mit dem dritten Glied (30) und dem vierten Glied (31) des ersten Planetengetriebes (21) kämmen.
  6. Getriebeeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Planetengetriebe (23) dazu konfiguriert ist, in dem ersten Betriebszustand eine Rotation des zweiten Glieds (45) relativ zu dem ersten Glied (43) ins Langsame zu übersetzen.
  7. Getriebeeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Glied (43) des zweiten Planetengetriebes (23) ein Sonnenrad, das zweite Glied (45) des zweiten Planetengetriebes (23) einen Planetenträger mit hieran drehbar gelagerten Planetenrädern (47), und das dritte Glied (49) des zweiten Planetengetriebes (23) ein Hohlrad aufweist, wobei die Planetenräder (47) des zweiten Glieds (45) mit dem ersten Glied (43) und dem dritten Glied (49) des zweiten Planetengetriebes (23) kämmen.
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