DE102011089709A1

DE102011089709A1 - Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011089709A1
Application number: DE102011089709A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach; Uwe Griesmeier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: DE102011089709B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2), eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine (EM1, EM1’) mit einem Rotor (3, 3’), und ein mehrstufiges Schaltgetriebe (4.1–4.7) mit zwei Eingangswellen (GE1, GE2) sowie einer gemeinsamen, achsparallel zu den Eingangswellen (GE1, GE2) angeordneten Ausgangswelle (GA) aufweist, wobei die erste Eingangswelle (GE1) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbunden oder verbindbar ist, wobei die zweite Eingangswelle (GE2) mit dem Rotor (3, 3’) der Elektromaschine (EM1, EM1’) in Triebverbindung steht, und bei dem beide Eingangswellen (GE1, GE2) koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils über mindestens eine schaltbare Stirnradstufe (Z1, Z2) mit der Ausgangswelle (GA) in Triebverbindung bringbar sind, sowie über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement (B) drehfest miteinander verbindbar sind. Der Hybridantrieb (1.1–1.7) gemäß der Erfindung weist zusätzlich folgende Merkmale auf: Zwei Stirnradstufen (Z1, Z2) zur schaltbaren Verbindung der zweiten Eingangswelle (GE2) mit der Ausgangswelle (GA) mit einer Anordnung der betreffenden Losräder (z11, z12) und der zugeordneten ersten und zweiten Gang-Schaltelemente (C, D) auf der zweiten Eingangswelle (GE2), eine Zusammenfassung des ersten und zweiten Gang-Schaltelements (C, D) der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) in einem Doppelschaltelement (S2), ein koaxial über der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnetes sowie mittels eines dritten Gang-Schaltelements (A) schaltbares Planetengetriebe (PG1, PG1’), wobei das Planetengetriebe (PG1, PG1’) ein mittels des dritten Gang-Schaltelements (A) mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbindbares Eingangselement aufweist, ein gehäusefest arretiertes Zwischenelement hat, und ein drehfest mit dem Losrad (z11, z12) einer der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) verbundenes Ausgangselement aufweist, sowie mit einer Zusammenfassung des dritten Gang-Schaltelements (A) und des Koppel-Schaltelementes (B) in einem Doppelschaltelement (S1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor mit einer Triebwelle, eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine mit einem Rotor, und ein mehrstufiges Schaltgetriebe mit zwei Eingangswellen sowie einer gemeinsamen, achsparallel zu den Eingangswellen angeordneten Ausgangswelle aufweist, wobei die erste Eingangswelle mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden oder verbindbar ist, wobei die zweite Eingangswelle mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung steht, und bei dem beide Eingangswellen koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils über mindestens eine schaltbare Stirnradstufe mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar sind, sowie über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement drehfest miteinander verbindbar sind.
Hybridantriebe mit einem zwei eingangsseitige Getriebewellen und eine gemeinsame Ausgangswelle aufweisenden Schaltgetriebe, bei denen die erste Getriebewelle z. B. über eine steuerbare Reibungskupplung mit der Triebwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar ist, die zweite Getriebewelle mit dem Rotor einer Elektromaschine in Triebverbindung steht, und beide Getriebewellen jeweils über mehrere schaltbare Stirnradstufen mit unterschiedlicher Übersetzung selektiv mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar sowie über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement miteinander koppelbar oder in Triebverbindung bringbar sind, sind in unterschiedlicher Bauweise bekannt.
So sind z.B. in der DE 199 60 621 A1 verschiedene Ausführungsformen eines derartigen Hybridantriebs beschrieben, bei dem zwei achsparallel oder koaxial zueinander angeordnete Vorgelegewellen jeweils über mehrere schaltbare Stirnradstufen mit unterschiedlicher Übersetzung selektiv mit einer gemeinsamen Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar sind. Die erste Vorgelegewelle steht jeweils über eine erste Eingangskonstante mit einer Eingangswelle in Triebverbindung, die über eine steuerbare Reibungskupplung mit der Triebwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar ist. Die zweite Vorgelegewelle ist entweder unmittelbar drehfest mit dem Rotor einer Elektromaschine verbunden oder steht über eine zweite Eingangskonstante mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung. Zudem ist jeweils ein einrückbares und ausrückbares Koppelschaltelement vorgesehen, mittels dem die zweite Vorgelegewelle über die zweite Eingangskonstante mit der Eingangswelle in Triebverbindung bringbar oder der Rotor der Elektromaschine mit der Eingangswelle koppelbar ist. Bei eingerücktem Koppel-Schaltelement stehen somit auch die beiden Vorgelegewellen über die beiden Eingangskonstanten miteinander in Triebverbindung.
Bei einem weiteren derartigen Hybridantrieb gemäß der WO 2008/138 387 A1 sind zwei achsparallel zueinander angeordnete Eingangswellen jeweils über mehrere schaltbare Stirnradstufen mit unterschiedlicher Übersetzung selektiv mit einer gemeinsamen Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar. Die erste Eingangswelle ist über eine Reibungskupplung mit der Triebwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar, wogegen die zweite Eingangswelle unmittelbar drehfest mit dem Rotor einer Elektromaschine verbunden ist. Die Stirnradstufen beider Eingangswellen sind paarweise in gemeinsamen radialen Zahnradebenen angeordnet und nutzen jeweils ein gemeinsames, auf der Ausgangswelle angeordnetes Abtriebszahnrad. Durch die Ausbildung von zwei axial benachbarten Abtriebszahnrädern als Losräder wird erreicht, dass die beiden Eingangswellen über zwei gekoppelte Stirnradstufen ohne die Schaltung einer der beiden betreffenden Stirnradstufen miteinander in Triebverbindung bringbar sind.
Aufgrund der vielen Stirnradstufen und der Koppelbarkeit der beiden Vorgelege- bzw. Eingangswellen stehen bei den vorgenannten Hybridantrieben in allen Betriebsarten mehrere Gänge zur Verfügung. Aufgrund der dadurch bedingten hohen Anzahl an Zahnradebenen weisen diese bekannten Hybridantriebe allerdings eine ungünstig große axiale Baulänge auf, die deren Einsatz bei einer Front-/Quer-Anordnung in kleineren Kraftfahrzeugen verhindert oder zumindest erschwert.
Demgegenüber geht die vorliegende Erfindung von einer Bauart eines solchen Hybridantriebs aus, bei der die beiden Eingangswellen koaxial und axial benachbart zueinander angeordnet sowie über ein einrückbare und ausrückbares Koppel-Schaltelement unmittelbar drehfest miteinander verbindbar sind. Die erste Eingangswelle ist dabei unmittelbar mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden oder z. B. über eine steuerbare Reibungskupplung mit dieser verbindbar, wogegen die zweite Eingangswelle mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung steht. Beide Eingangswellen sind jeweils über mindestens eine schaltbare Stirnradstufe mit der achsparallel angeordneten Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar.
Ein derartiger Hybridantrieb ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 030 573 A1 bekannt. In einer besonders für den Front-/Quereinbau geeigneten Ausführungsform dieses bekannten Hybridantriebs gemäß der dortigen 18 ist die über eine steuerbare Reibungskupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbindbare erste Eingangswelle über eine einzige schaltbare Stirnradstufe mit der achsparallel angeordneten Ausgangswelle verbindbar. Dagegen ist die mit dem Rotor einer Elektromaschine drehfest verbundene zweite Eingangswelle über zwei schaltbare Stirnradstufen mit der Ausgangswelle verbindbar. Die Übersetzungen der drei Stirnradstufen sind derart gewählt, dass der erste Gang und der dritte Gang durch die beiden Stirnradsätze der zweiten Eingangswelle und der zweite Gang durch die Stirnradstufe der ersten Eingangswelle gebildet werden. Während die Losräder und die Gang-Schaltelemente der beiden der zweiten Eingangswelle zugeordneten Stirnradstufen auf der Ausgangswelle angeordnet und die betreffenden Gang-Schaltelemente in einem gemeinsamen Schaltpaket zusammengefasst sind, ist das Losrad und das Gang-Schaltelement der einzigen der ersten Eingangswelle zugeordneten Stirnradstufe auf der ersten Eingangswelle angeordnet und das betreffende Gang-Schaltelement mit dem Koppel-Schaltelement in einem gemeinsamen Schaltpaket zusammengefasst. Somit stehen bei diesem bekannten Hybridantrieb für den Verbrennungsfahrbetrieb sowie den Hybridfahrbetrieb drei Gänge und für den Elektrofahrbetrieb zwei Gänge zur Verfügung. Der Rückwärtsgang wird bei diesem Hybridantrieb rein elektromotorisch erzeugt, d.h. im Elektrofahrbetrieb durch Umkehrung der Drehrichtung der Elektromaschine realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hierzu alternativen Hybridantrieb der eingangs genannten Bauart vorzuschlagen, der mindestens zwei Gänge für den Elektrofahrbetrieb und mindestens drei Gänge für den Verbrennungsfahrbetrieb bietet, der axial kurze Abmessungen aufweist und somit für einen Front-/Quereinbau in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, der zumindest im Hybridfahrbetrieb lastschaltfähig ist, und der die Standladung eines elektrischen Energiespeichers ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Hybridantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch folgende weitere Merkmale gekennzeichnet:
Zwei Stirnradstufen Z1, Z2 zur schaltbaren Verbindung der zweiten Eingangswelle GE2 mit der Ausgangswelle GA mit einer Anordnung der betreffenden Losräder z11, z12 und der zugeordneten ersten und zweiten Gang-Schaltelemente C, D auf der zweiten Eingangswelle GE2, eine Zusammenfassung des ersten und zweiten Gang-Schaltelements C, D der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 in einem Doppelschaltelement S2, ein koaxial über der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnetes sowie mittels eines dritten Gang-Schaltelements A schaltbares Planetengetriebe PG1, PG1’, wobei das Planetengetriebe PG1, PG1’ ein mittels des dritten Gang-Schaltelements A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbares Eingangselement aufweist, ein gehäusefest arretiertes Zwischenelement hat, und ein drehfest mit dem Losrad z11, z12 einer der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 verbundenes Ausgangselement aufweist, sowie mit einer Zusammenfassung des dritten Gang-Schaltelements A und des Koppel-Schaltelementes B in einem Doppelschaltelement S1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebs sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor mit einer Triebwelle, eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine mit einem Rotor, und ein mehrstufiges Schaltgetriebe mit zwei Eingangswellen sowie einer gemeinsamen, achsparallel zu den Eingangswellen angeordneten Ausgangswelle aufweist, wobei die erste Eingangswelle mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden oder verbindbar ist, wobei die zweite Eingangswelle mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung steht, und bei dem beide Eingangswellen koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils über mindestens eine schaltbare Stirnradstufe mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar sind, sowie über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement drehfest miteinander verbindbar sind. Ein derartiger Hybridantrieb ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2010 030 573 A1 der Anmelderin gemäß der dortigen 18 bekannt.
Wie bei diesem bekannten Hybridantrieb sind auch bei dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb zwei Stirnradstufen Z1, Z2 zur schaltbaren Verbindung der zweiten Eingangswelle GE2 mit der Ausgangswelle GA vorgesehen, wobei die zugeordneten Gang-Schaltelemente C, D in einem zweiten Doppelschaltelement S2 zusammengefasst sind. Im Unterschied zu dem aus der DE 10 2010 030 573 A1 bekannten Hybridantrieb sind bei der erfindungsgemäßen Bauweise die Losräder der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und das Doppelschaltelement S2 jedoch auf der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet.
Dies ist deshalb vorteilhaft, weil gemäß der Erfindung ein koaxial über der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnetes sowie mittels dem dritten Gang-Schaltelement A schaltbares Planetengetriebe PG1, PG1’ vorhanden ist, mit einem mittels dem dritten Gang-Schaltelement A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbaren Eingangselement, einem gehäusefest arretierten Zwischenelement, und einem drehfest mit dem Losrad einer der beiden Stirnradstufen (Z1 oder Z2) verbundenen Ausgangselement. Das Planetengetriebe PG1, PG1’ bildet somit eine schaltbare, der betreffenden Stirnradstufe (Z1 oder Z2) vorgeschaltete Eingangsstufe zur Herstellung einer weiteren Triebverbindung zwischen der ersten Eingangswelle GE1 bzw. dem Verbrennungsmotor VM und der Ausgangswelle GA. Zudem sind das dritte Gang-Schaltelement A und das Koppel-Schaltelement B in einem ersten Doppelschaltelement S1 baulich zusammengefasst.
Der Verbrennungsmotor VM ist somit über die erste Eingangswelle GE1 einerseits mittels dem Koppel-Schaltelement, die zweite Eingangswelle GE2 und die Gang-Schaltelemente C, D der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 in zwei Gangstufen mit der Ausgangswelle GA in Triebverbindung bringbar. Außerdem ist der Verbrennungsmotor VM mittels des dritten Gang-Schaltelements A an der ersten Eingangswelle GE1, das Planetengetriebe PG1, PG1’ und das Gang-Schaltelement (C oder D) einer der beiden Stirnradstufen (Z1 oder Z2) in einer weiteren Gangstufe mit der Ausgangswelle GA in Triebverbindung bringbar. Die Elektromaschine EM1, EM1’ ist in an sich bekannter Weise über die zweite Eingangswelle GE2 und die Gang-Schaltelemente C, D der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 in zwei Gangstufen mit der Ausgangswelle GA in Triebverbindung bringbar. Somit stehen für den Verbrennungsfahrbetrieb drei Gänge und für den Elektrofahrbetrieb zwei Gänge zur Verfügung.
Da die Antriebslast im Hybridfahrbetrieb bei geöffnetem Koppel-Schaltelement B wechselweise vollständig von dem Verbrennungsmotor VM oder der Elektromaschine EM1, EM1’ übernommen werden kann, ist der Hybridantrieb gemäß der Erfindung lastschaltfähig ausgebildet. Bei einem in seiner Neutralposition befindlichem zweiten Doppelschaltelement S2 und geschlossenem Koppel-Schaltelement B ist auch die Standladung eines elektrischen Energiespeichers mittels der Elektromaschine möglich. Aufgrund der drei Zahnradebenen für die beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und das Planetengetriebe (PG1, PG1’) ist die axiale Baulänge eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantriebs sehr gering, so dass dieser auch bei kleinen Kraftfahrzeugen für den Front-/Quereinbau geeignet ist.
Das Planetengetriebe PG1 ist bevorzugt als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildet, bei dem der Planetenträger das über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad das gehäusefest arretierte Zwischenelement und das Hohlrad das drehfest mit dem Losrad einer der beiden Stirnradstufen (Z1 oder Z2) verbundene Ausgangselement bildet. Mit der Standübersetzung i₀₁ ergibt sich bei dieser Ausführungsform des Planetengetriebes PG1 somit deren Übersetzung gemäß der Gleichung i_PG1 = 1/(1 – 1/i₀₁), die multipliziert mit der Übersetzung (i_Z1 oder i_Z2) der mit dem Planetengetriebe PG1 in Triebverbindung stehenden Stirnradstufe (Z1 oder Z2) die Gesamtübersetzung einer dritten Gangstufe ergibt. Diese dritte Gangstufe ist zur Triebverbindung des Verbrennungsmotors VM mit der Ausgangswelle GA zusätzlich zu den beiden über die Gang-Schaltelemente C, D des zweiten Doppelschaltelementes S2 und die beiden Stirnradstufen Z1, Z2 direkt schaltbaren Gangstufen schaltbar.
Alternativ dazu kann das Planetengetriebe PG1’ ebenso als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet sein, bei dem das Hohlrad das über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad das gehäusefest arretierte Zwischenelement, und der Planetenträger das drehfest mit dem Losrad einer der beiden Stirnradstufen (Z1 oder Z2) verbundene Ausgangselement bildet. Mit der Standübersetzung i₀₁ ergibt sich bei dieser Ausführungsform des Planetengetriebes PG1 somit deren Übersetzung gemäß der Gleichung i_PG1 = (1 – 1/i₀₁), die multipliziert mit der Übersetzung (i_Z1 oder i_Z2) der mit dem Planetengetriebe PG1’ in Triebverbindung stehenden Stirnradstufe (Z1 oder Z2) die Gesamtübersetzung einer dritten Gangstufe ergibt, die zur Triebverbindung des Verbrennungsmotors VM mit der Ausgangswelle GA zusätzlich zu den beiden über die Gang-Schaltelemente C, D des zweiten Doppelschaltelementes S2 und die beiden Stirnradstufen Z1, Z2 direkt schaltbaren Gangstufen schaltbar ist.
In weiteren alternativen Ausführungsformen könnte das Planetengetriebe PG1, PG1’ auch als ein so genanntes Plus-Getriebe, z.B. in der Bauart eines Doppelritzel-Planetengetriebes, ausgebildet sein, welches entsprechend andere Anbindungsmöglichkeiten der Bauteile (Sonnenrad, Planetenträger, Hohlrad) erfordern würde.
Die erste Eingangswelle GE1 kann über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A und das Planetengetriebe PG1, PG1’ mit dem Losrad derjenigen Stirnradstufe Z1 mit der höheren Übersetzung (i_Z1 > i_Z2) oder mit dem Losrad derjenigen Stirnradstufe Z2 mit der niedrigeren Übersetzung (i_Z2 < i_Z1) verbindbar sein.
Um die triebtechnische Anbindung an das Planetengetriebe PG1, PG1’ konstruktiv möglichst einfach gestalten zu können, ist die über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A und das Planetengetriebe PG1, PG1’ mit der ersten Eingangswelle GE1 in Triebverbindung bringbare Stirnradstufe (Z1 oder Z2) vorzugsweise axial getriebeinnen zwischen dem Planetengetriebe PG1, PG1’ und der anderen Stirnradstufe (Z2 oder Z1) angeordnet.
Um bei Lastschaltungen große Drehzahlsprünge zu vermeiden, sind die Übersetzungen i_Z1, i_Z2, i₀₁ der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und des Planetengetriebes PG1, PG1’ vorzugsweise derart gewählt, dass die Gesamtübersetzung (i_PG1·i_Z1; i_PG1·i_Z2) der über das dritte Gang-Schaltelement A und das Planetengetriebe PG1, PG1’ schaltbaren Gangstufe weitgehend mittig zwischen den Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 liegt.
Um bei einem üblicherweise als Verbrennungskolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor VM die zwangsläufig auftretenden Drehungleichförmigkeiten von dem Schaltgetriebe fernzuhalten oder zumindest abzuschwächen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Triebwelle des Verbrennungsmotors VM mit einem Drehschwingungsdämpfer TD versehen ist oder über einen Drehschwingungsdämpfer TD mit der ersten Eingangswelle GE1 des Schaltgetriebes in Triebverbindung steht.
Um einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Hybridantrieb für den Verbrennungsfahrbetrieb und Hybridfahrbetrieb besonders Platz sparend um weitere Übersetzungsstufen zu erweitern, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Triebwelle des Verbrennungsmotors VM über ein koaxial über der ersten Eingangswelle GE1 oder der Triebwelle angeordnetes sowie über zwei in einem dritten Doppelschaltelement S3 zusammengefasste Gang-Schaltelemente E, F zweistufig schaltbares zweites Planetengetriebe PG2, PG2’ mit einem drehfest mit der Triebwelle verbundenen Eingangselement, einem über diese Gang-Schaltelemente E, F des dritten Doppelschaltelementes S3 wechselweise mit einer anderen Welle des zweiten Planetengetriebes PG2, PG2‘, beispielsweise der Triebwelle 2 verbindbaren oder gehäusefest arretierbaren Zwischenelement, und einem drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundenen Ausgangselement mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar ist. Die Gang-Schaltelemente E, F des dritten Doppelschaltelementes S3 werden hier auch als viertes und fünftes Gang-Schaltelement bezeichnet.
Dadurch, dass gemäß dieser Ausführungsform dem Verbrennungsmotor VM das zweistufig schaltbare zweite Planetengetriebe (PG2, PG2’) antriebstechnisch nachgeschaltet ist, kann der Verbrennungsmotor VM wechselweise in zwei Übersetzungsstufen mit der ersten Eingangswelle GE1 in Triebverbindung gebracht und, sofern das dritte Doppelschaltelement S3 eine Neutralposition aufweist, in der das zweite Planetengetriebe PG2, PG2’ offen ist, auch von dieser abgekoppelt werden. Somit stehen für den Verbrennungsfahrbetrieb in Verbindung mit den bedarfsweise geschlossenen Schaltelementen A, B des ersten Doppelschaltelementes S1 maximal sechs Übersetzungsstufen zur Verfügung.
Das zweite Planetengetriebe PG2 ist bevorzugt als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet, bei dem der Planetenträger das drehfest mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM verbundene Eingangselement, das Sonnenrad das über das dritte Doppelschaltelement S3 schaltbare Zwischenelement, und das Hohlrad das drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundene Ausgangselement bildet. Mit der Standübersetzung i₀₂ ergeben sich bei dieser Ausführungsform des zweiten Planetengetriebes PG2 somit die über das dritte Doppelschaltelement S3 alternativ schaltbaren Übersetzungen i_PG2 des Planetengetriebes PG2 von i_PG2 = 1 und von i_PG2 = 1/(1 – 1/i₀₂), die in Verbindung mit den Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 sowie in Verbindung mit der Übersetzung iPG1 des ersten Planetengetriebes PG1 und der Übersetzung (i_Z1 oder i_Z2) der mit diesem in Triebverbindung stehenden Stirnradstufe (Z1 oder Z2) die sechs möglichen Übersetzungen zwischen der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM und der Ausgangswelle GA ergeben.
Alternativ dazu kann das zweite Planetengetriebe PG2’ ebenso als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet sein, bei dem der Planetenträger das drehfest mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM verbundene Eingangselement, das Hohlrad das über das dritte Doppelschaltelement S3 schaltbare Zwischenelement, und das Sonnenrad das drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundene Ausgangselement bildet. Mit der Standübersetzung i₀₂ ergeben sich bei dieser Ausführungsform des zweiten Planetengetriebes PG2’ somit die über das dritte Doppelschaltelement S3 alternativ schaltbaren Übersetzungen des Planetengetriebes PG2’ von i_PG2 = 1 und von i_PG2 = 1/(1 – i₀₂), die in Verbindung mit den Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 sowie in Verbindung mit der Übersetzung iPG1 des ersten Planetengetriebes PG1 und der Übersetzung (i_Z1 oder i_Z2) der mit diesem in Triebverbindung stehenden Stirnradstufe (Z1 oder Z2) die sechs möglichen Übersetzungen zwischen der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM und der Ausgangswelle GA ergeben.
Um bei Lastschaltungen große Drehzahlsprünge zu vermeiden, sind die Übersetzungen i_Z1, i_Z2, i₀₁, i₀₂ der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und der beiden Planetengetriebe PG1, PG1’; PG2, PG2’ vorzugsweise derart gewählt, dass die Gesamtübersetzungen (i_PG1·i_PG2·i_Z1; i_PG1·i_PG2·i_Z2) der zwei über das dritte Gang-Schaltelement A an der ersten Eingangswelle GE1 und die beiden Planetengetriebe PG1, PG1’; PG2, PG2’ schaltbaren Gangstufen zwischen den Gesamtübersetzungen (i_Z1, i_Z2, i_PG2·i_Z1; i_PG2·i_Z2) der beiden direkt über die zwei Stirnradstufen Z1, Z2 schaltbaren Gangstufen und der beiden über das Koppel-Schaltelement B und das zweite Planetengetriebe (PG2, PG2’) schaltbaren Gangstufen liegen.
Die Elektromaschine EM1 kann in an sich bekannter Weise koaxial über der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet und der Rotor der Elektromaschine EM1 unmittelbar drehfest mit der zweiten Eingangswelle GE2 verbunden sein.
Alternativ zu dieser Standardanordnung kann die Elektromaschine EM1’ auch achsparallel neben der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet sein, und der Rotor der Elektromaschine EM1’ über eine als Untersetzungsstufe ausgebildete Eingangskonstante KE1 mit der zweiten Eingangswelle GE2 in Triebverbindung stehen. Bei dieser Anordnung kann die Elektromaschine EM1’ schnelldrehend und relativ drehmomentschwach ausgebildet sein, welches vorteilhaft mit einer besonders kompakten und leichten Bauform der Elektromaschine EM1’ verbunden ist.
Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften des erfindungsgemäßen Hybridantriebs ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Triebwelle des Verbrennungsmotors VM oder die erste Eingangswelle GE1 mit dem Rotor einer zweiten Elektromaschine EM2, EM2’ in Triebverbindung steht. Bei einer triebtechnischen Anbindung der zweiten Elektromaschine EM2, EM2’ an die Triebwelle des Verbrennungsmotors VM handelt es sich um einen Kurbelwellen-Starter-Generator KSG, bei einer triebtechnischen Anbindung an die erste Eingangswelle GE1 um einen so genannten Integrierten Starter-Generator ISG. Mit der zweiten Elektromaschine EM2, EM2’ ist unter anderem auch ein serieller Hybridfahrbetrieb möglich, bei dem die zweite Elektromaschine EM2, EM2’ bei in die Neutralposition N geschaltetem ersten Doppelschaltelement S1 als Generator von dem Verbrennungsmotor VM angetrieben wird und die elektrische Energie für den Antrieb der ersten Elektromaschine EM1, EM1’ liefert.
In einer Standardausbildung und Standardanordnung der zweiten Elektromaschine EM2 ist diese koaxial über der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM und/oder der ersten Eingangswelle GE1 angeordnet, und der Rotor der zweiten Elektromaschine EM2 ist unmittelbar drehfest mit der Triebwelle oder der ersten Eingangswelle GE1 verbunden.
Bei dieser Standardanordnung der zweiten Elektromaschine EM2 besteht die Möglichkeit, das zweite Planetengetriebe PG2, PG2’ Platz sparend axial und radial zumindest teilweise innerhalb der zweiten Elektromaschine EM2 anzuordnen.
Alternativ zu der vorgenannten Standardanordnung kann die zweite Elektromaschine EM2’ auch achsparallel neben der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM und/oder der ersten Eingangswelle GE1 angeordnet sein, und der Rotor der zweiten Elektromaschine EM2’ steht bei dieser Variante über eine als Untersetzungsstufe ausgebildete zweite Eingangskonstante KE2 mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors VM oder der ersten Eingangswelle GE1 in Triebverbindung. Auch in diesem Fall kann die zweite Elektromaschine EM2’ schnelldrehend und relativ drehmomentschwach ausgebildet sein, welches vorteilhaft mit einer besonders kompakten und leichten Bauform der zweiten Elektromaschine EM2’ verbunden ist.
Insbesondere um die zweite Elektromaschine EM2, EM2’ bei einer triebtechnischen Anbindung an die erste Eingangswelle GE1 vielfältiger nutzen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Triebwelle des Verbrennungsmotors VM über eine Trennkupplung K1 mit der ersten Eingangswelle GE1 des Schaltgetriebes verbindbar ist. Hierdurch kann die zweite Elektromaschine EM2, EM2’ zum Beispiel im Elektrofahrbetrieb, also bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor VM, als Boostantrieb und zur Lastübernahme bei Lastschaltungen genutzt werden. Die Trennkupplung K1 kann sowohl als Reibungskupplung als auch als unsynchronisierte Klauenkupplung ausgebildet sein.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
1a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß 1 in Form einer Tabelle,
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,
5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
5a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß 5 in Form einer Tabelle,
6 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung,
6a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß 6 in Form einer Tabelle,
7 eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, und
7a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß 7 in Form einer Tabelle.
In 1 ist in schematischer Form eine als Basisausführung anzusehende erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantriebs 1.1 dargestellt. Der Hybridantrieb 1.1 umfasst einen Verbrennungsmotor VM mit einer Triebwelle 2, eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine EM1 mit einem Rotor 3, und ein mehrstufiges Schaltgetriebe 4.1 mit zwei Eingangswellen GE1, GE2 und einer gemeinsamen Ausgangswelle GA. Die Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM steht über einen Drehschwingungsdämpfer TD mit der ersten Eingangswelle GE1 des Schaltgetriebes 4.1 in Verbindung. Die Elektromaschine EM1 ist koaxial über der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnet, und der Rotor 3 der Elektromaschine EM1 ist unmittelbar drehfest mit der zweiten Eingangswelle GE2 verbunden. Die beiden Eingangswellen GE1, GE2 sind koaxial und axial benachbart zueinander angeordnet und über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement B drehfest miteinander verbindbar.
Die zweite Eingangswelle GE2 ist über zwei schaltbare Stirnradstufen Z1, Z2 mit der Ausgangswelle GA in Triebverbindung bringbar, wobei die betreffenden Losräder z11, z12 drehbar auf der zweiten Eingangswelle GE2 gelagert sind, und die zugeordneten Festräder z21, z22 drehfest auf der Ausgangswelle GA angeordnet ist. Vorliegend ist die Stirnradstufe Z2 mit der niedrigeren Übersetzung (i_Z2 < i_Z1) beispielhaft axial getriebeaußen zwischen der Stirnradstufe Z1 mit der höheren Übersetzung (i_Z1 > i_Z2) und der Elektromaschine EM1 angeordnet. Die beiden zugeordneten Gang-Schaltelemente C, D (erstes und zweites Gang-Schaltelement) der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 sind in einem Doppelschaltelement S2 zusammengefasst.
Die erste Eingangswelle GE1 ist über ein zugeordnetes drittes Gang-Schaltelement A, das mit dem Koppelschaltelement B in einem Doppelschaltelement S1 zusammengefasst ist, mit einer Eingangsstufe koppelbar, die als ein koaxial über der zweiten Eingangswelle GE2 angeordnetes Planetengetriebe PG1 ausgebildet ist. Das Planetengetriebe PG1 ist als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad 10, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger 11 und einem Hohlrad 12 ausgebildet. Bei diesem Planetengetriebe ist der Planetenträger 11 das über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad 10 das gehäusefest arretierte Zwischenelement, und das Hohlrad 12 das drehfest mit dem Losrad z11 der axial getriebeinnen angeordneten Stirnradstufe Z1 mit der höheren Übersetzung (i_Z1 > i_Z2) verbundene Ausgangselement bildet.
Die Ausgangswelle GA steht über eine Ausgangsstirnradstufe Z3, die aus zwei Festrädern z23, z33 besteht, mit einem Achsdifferenzial 5 in Triebverbindung. Zwei mit jeweils einem Antriebsrad 6a, 6b einer Antriebsachse verbundene Achswellen 7a, 7b sind drehfest mit jeweils einem Abtriebsrad des Achsdifferenzials 5 verbunden.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebs 1.1 stehen somit für den Verbrennungsfahrbetrieb drei Übersetzungsstufen bzw. Gänge G1, G2, G3 zur Verfügung, bei denen der Kraftfluss in zwei Gängen bei geschlossenem Koppel-Schaltelement B und jeweils einem geschlossenem Gang-Schaltelement (C oder D) des zweiten Doppelschaltelementes S2 von der ersten Eingangswelle GE1 unmittelbar über die zweite Eingangswelle GE2 und die betreffende Stirnradstufe (Z1 oder Z2) in die Ausgangswelle GA erfolgt. Außerdem erfolgt der Kraftfluss in einem weiteren Gang bei geschlossenem dritten Gang-Schaltelement A des ersten Doppelschaltelementes S1 und geschlossenem ersten Gang-Schaltelement C des zweiten Doppelschaltelementes S2 von der ersten Eingangswelle GE1 über das Planetengetriebe PG1 und die axial getriebeinnere Stirnradstufe Z1 zur Ausgangswelle GA.
Für den Elektrofahrbetrieb stehen zwei Übersetzungsstufen bzw. Gänge zur Verfügung, bei denen der Kraftfluss bei jeweils einem geschlossenem ersten oder zweiten Gang-Schaltelement (C oder D) des zweiten Doppelschaltelementes S2 von der zweiten Eingangswelle GE2 unmittelbar über die betreffende Stirnradstufe (Z1 oder Z2) zur Ausgangswelle GA erfolgt. Im Hybridfahrbetrieb sind alle Schaltungen lastschaltbar, also ohne Zugkraftunterbrechung möglich.
In der Tabelle der 1a ist ein entsprechendes Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs 1.1 gemäß 1 dargestellt, wobei die Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und die Standübersetzung i₀₁ des Planetengetriebes PG1 beispielhaft mit i_Z1 = 2,80, i_Z2 = 1,40 und i₀₁ = –2,10 angenommen sind. Aus der Standübersetzung des Planetengetriebes PG1 von i₀₁ = –2,10 resultiert eine Übersetzung des Planetengetriebes PG1 von i_PG1 = 1/(1 – 1/i₀₁) = 0,68.
In den ersten vier Zeilen der Tabelle der 1a sind der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 bzw. die geschlossenen Schaltelemente A, B, C, D der Doppelschaltelemente S1, S2 und die resultierenden Übersetzungen i_VM, i_EM1 zwischen dem Verbrennungsmotor VM bzw. der Elektromaschine EM1 und der Ausgangswelle GA für den Hybridfahrbetrieb angegeben. Daraus ergibt sich auch, dass die Elektromaschine EM1 im zweiten Gang G2 (G2/a, G2/b) des Verbrennungsmotors VM mit zwei unterschiedlichen Übersetzungen (i_EM1 = 2,80, i_EM1 = 1,40) betrieben werden kann.
In der fünften und sechsten Zeile der Tabelle sind der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 und die resultierenden Übersetzungen i_EM1 für den Elektrofahrbetrieb mit der Elektromaschine EM1 angegeben. In der letzten Zeile der Tabelle ist der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 beim Starten des Verbrennungsmotors VM mittels der Elektromaschine EM1 angegeben. In diesem Schaltzustand ist auch die Standladung eines elektrischen Energiespeichers mittels der im Generatorbetrieb von dem Verbrennungsmotor VM angetriebenen Elektromaschine EM1 möglich. Unter der Annahme einer kraftlos geschalteten ersten Elektromaschine EM1 können der Tabelle von 1a auch die Schaltzustände der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 sowie die resultierenden Übersetzungen i_VM für den Verbrennungsfahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor VM entnommen werden.
Ein in 2 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass die erste Eingangswelle GE1 mit dem Rotor 8 einer zweiten Elektromaschine EM2 in Triebverbindung steht. Die zweite Elektromaschine EM2 ist koaxial über der ersten Eingangswelle GE1 angeordnet, und der Rotor 8 der zweiten Elektromaschine EM2 ist unmittelbar drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbunden.
Durch die zweite Elektromaschine EM2 ist ein serieller Hybridfahrbetrieb möglich, bei dem die zweite Elektromaschine EM2 bei in die Neutralposition N geschaltetem ersten Doppelschaltelement S1 als Generator von dem Verbrennungsmotor VM angetrieben wird und die elektrische Energie für den Antrieb der ersten Elektromaschine EM1 liefert. Ebenso kann der Verbrennungsmotor VM mittels der zweiten Elektromaschine EM2 auch während eines Elektrofahrbetriebs mit der ersten Elektromaschine EM1 gestartet werden. Schließlich kann der Verbrennungsmotor VM beim Synchronisieren der Schaltelemente A, B des ersten Doppelschaltelementes S1 unterstützt und somit die betreffenden Schaltungen beschleunigt werden.
Ein in 3 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.3 ist beispielhaft anhand der entsprechend veränderten zweiten Ausführungsform des Hybridantriebs 1.2 gemäß 2 veranschaulicht, dass die erste Elektromaschine EM1’ und/oder die zweite Elektromaschine EM2’ bei den beiden vorbeschriebenen Ausführungsvarianten der Hybridantriebe 1.1, 1.2 und bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hybridantriebe 1.4–1.7 auch jeweils achsparallel neben der zugeordneten Eingangswelle GE1, GE2 angeordnet und der Rotor 3’, 8’ der Elektromaschine EM1’, EM2’ jeweils über eine als Untersetzungsstufe ausgebildete Eingangskonstante KE1, KE2 mit der betreffenden Eingangswelle GE1, GE2 in Triebverbindung stehen kann. Hierdurch kann die betreffende Elektromaschine EM1’, EM2’ jeweils schnelldrehend und relativ drehmomentschwach ausgebildet sein, welches vorteilhaft mit einer besonders kompakten und leichten Bauform der betreffenden Elektromaschine EM1’, EM2’ verbunden ist. Es versteht sich in Kenntnis der Erfindung von selbst, dass sich die Übersetzung i_EM1, i_EM2 einer triebtechnisch derart angebundenen Elektromaschine EM1’, EM2’ gegenüber einer unmittelbaren Verbindung des Rotors 3, 8 einer Elektromaschine EM1, EM2 mit der zugeordneten Eingangswelle GE1, GE2 um den Faktor der Übersetzung i_KE1, i_KE2 der betreffenden Eingangskonstante KE1, KE2 erhöht.
Ein in 4 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.4 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass die Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM nun über eine Trennkupplung K1 mit der ersten Eingangswelle GE1 des Schaltgetriebes 4.4 verbindbar ist. Hierdurch ist zusätzlich zu den Eigenschaften des Hybridantriebs 1.2 gemäß 2 auch ein Elektrofahrbetrieb mit beiden Elektromaschinen EM1, EM2 möglich, bei denen die Synchronisierung der Schaltelemente A, B des ersten Doppelschaltelementes S1 durch die zweite Elektromaschine EM2 erfolgen kann.
Ein in 5 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.5 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass die erste Eingangswelle GE1 durch das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement A über ein verändertes Planetengetriebe PG1’ mit dem Losrad (z11 oder z12) einer der beiden Stirnradstufen (Z1 oder Z2) in Triebverbindung bringbar ist. Bei der betreffenden Stirnradstufe handelt es sich vorliegend beispielhaft um die zweite Stirnradstufe Z2 mit der niedrigeren Übersetzung (i_Z2 < i_Z1), die im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 nun axial getriebeinnen zwischen dem Planetengetriebe PG1’ und der ersten Stirnradstufe Z1 mit der höheren Übersetzung (i_Z1 > i_Z2) angeordnet ist. Das Planetengetriebe PG1’ ist als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad 13, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger 14 und einem Hohlrad 15 ausgebildet, bei dem das Hohlrad 15 das über das zugeordnete Gang-Schaltelement A mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad 13 das gehäusefest arretierte Zwischenelement, und der Planetenträger 14 das drehfest mit dem Losrad z12 der zweiten Stirnradstufe Z2 verbundene Ausgangselement bildet.
Aufgrund der geänderten Ausbildung des Planetengetriebes PG1’ und dessen triebtriebtechnische Anbindung an die zweite Stirnradstufe Z2 ergeben sich geringfügige Unterschiede bei den realisierbaren Übersetzungen i_VM, i_EM1 zwischen dem Verbrennungsmotor VM bzw. der Elektromaschine EM1 und der Ausgangswelle GA. In der Tabelle der 5a ist ein entsprechendes Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs 1.5 gemäß 5 angegeben, wobei die Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 sowie die Standübersetzung i₀₁ des Planetengetriebes PG1’ beispielhaft mit i_Z1 = 2,80, i_Z2 = 1,40 und i₀₁ = –2,70 angenommen sind. Aus der Standübersetzung des Planetengetriebes PG1’ von i₀₁ = –2,70 resultiert eine Übersetzung des Planetengetriebes PG1’ von i_PG1 = (1 – 1/i₀₁) = 1,37.
Der Aufbau der Tabelle der 5a entspricht demjenigen der Tabelle der 1a. So sind in den ersten vier Zeilen der Tabelle der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 bzw. die geschlossenen Schaltelemente A, B, C, D der Doppelschaltelemente S1 und S2 sowie die resultierenden Übersetzungen i_VM, i_EM1 zwischen dem Verbrennungsmotor VM bzw. der Elektromaschine EM1 und der Ausgangswelle GA für den Hybridfahrbetrieb angegeben. Daraus ergibt sich auch, dass die Elektromaschine EM1 im zweiten Gang G2 (G2/a, G2/b) des Verbrennungsmotors VM mit zwei unterschiedlichen Übersetzungen (i_EM1 = 2,80, i_EM1 = 1,40) betrieben werden kann.
In der fünften und sechsten Zeile der Tabelle sind der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 und die resultierenden Übersetzungen i_EM1 für den Elektrofahrbetrieb mit der Elektromaschine EM1 angegeben. In der letzten Zeile der Tabelle ist der Schaltzustand der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 beim Starten des Verbrennungsmotors VM mittels der Elektromaschine EM1 angegeben. In diesem Schaltzustand ist auch die Standladung eines elektrischen Energiespeichers über die im Generatorbetrieb von dem Verbrennungsmotor VM angetriebene Elektromaschine EM1 möglich. Unter der Annahme einer kraftlos geschalteten Elektromaschine EM1 können der Tabelle der 5a auch die Schaltzustände der beiden Doppelschaltelemente S1, S2 und die resultierenden Übersetzungen i_VM für den Verbrennungsfahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor VM entnommen werden.
Ein in 6 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.6 unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform gemäß 4 dadurch, dass die Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM anstelle über eine Trennkupplung K1 über ein koaxial über der Triebwelle 2 angeordnetes sowie über zwei in einem dritten Doppelschaltelement S3 zusammengefasste Gang-Schaltelemente E, F zweistufig schaltbares zweites Planetengetriebe PG2 mit einem drehfest mit der Triebwelle 2 verbundenen Eingangselement, einem mittels der Gang-Schaltelemente E, F des dritten Doppelschaltelementes S3 wechselweise mit der Triebwelle 2 verbindbaren oder gehäusefest arretierbaren Zwischenelement, und einem drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundenen Ausgangselement mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar ist. Die Gang-Schaltelemente E, F werden auch als viertes und fünftes Gang-Schaltelement bezeichnet.
Vorliegend ist das zweite Planetengetriebe PG2 als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad 16, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger 17 und einem Hohlrad 18 ausgebildet, bei dem der Planetenträger 17 das drehfest mit der Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM verbundene Eingangselement, das Sonnenrad 16 das über das dritte Doppelschaltelement S3 schaltbare Zwischenelement, und das Hohlrad 18 das drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundene Ausgangselement bildet.
Durch das über das dritte Doppelschaltelement S3 zweistufig schaltbare zweite Planetengetriebe PG2 ist der Verbrennungsmotor VM somit wechselweise in zwei Übersetzungsstufen mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar, wodurch sich die Anzahl der im Hybrid- und Verbrennungsfahrbetrieb verfügbaren Gänge zumindest theoretisch verdoppelt. Ebenso kann der Verbrennungsmotor VM durch die Schaltung des dritten Doppelschaltelementes S3 in seine Neutralstellung von der ersten Eingangswelle GE1 abgekoppelt werden.
Vorliegend ist das zweite Planetengetriebe PG2 Platz sparend axial und radial innerhalb der zweiten Elektromaschine EM2 angeordnet, deren Rotor 8 über das Hohlrad 18 des zweiten Planetengetriebes PG2 drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbunden ist.
Die bei diesem Hybridantrieb 1.6 im Hybridfahrbetrieb nutzbaren Übersetzungen i_VM, i_EM1, i_EM2 zwischen dem Verbrennungsmotor VM, der ersten Elektromaschine EM1 bzw. der zweiten Elektromaschine EM2 und der Ausgangswelle GA ist dem in der Tabelle der 6a angegebenen Schaltschema zu entnehmen. Bei diesem Anwendungsbeispiel sind die Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und die Standübersetzungen i₀₁, i₀₂ der beiden Planetengetriebe PG1, PG2 beispielhaft mit i_Z1 = 2,25, i_Z2 = 1,31, i₀₁ = –3,20 und i₀₂ = –1,40 angenommen. Diesem Schaltschema ist auch entnehmbar, dass im dritten Gang G3 (G3/a, G3/b) zwei unterschiedliche Übersetzungen i_EM1, i_EM2 der beiden Elektromaschinen EM1, EM2 möglich sind. Aufgrund einer jeweils ungünstigen Übersetzung i_EM1 der ersten Elektromaschine EM1 werden die Schaltkombinationen A, D, E und A, C, F vorliegend nicht verwendet.
Unter der Annahme des in die Neutralposition N geschalteten dritten Doppelschaltelementes S3 können der Tabelle der 6a auch die Schaltzustände der ersten beiden Doppelschaltelemente S1, S2 und die resultierenden Übersetzungen i_EM1, i_EM2 für den Elektrofahrbetrieb mit den zwei Elektromaschinen EM1, EM2 entnommen werden. Ebenso können der Tabelle der 6a unter der Annahme kraftlos geschalteter Elektromaschinen EM1, EM2 auch die Schaltzustände der drei Doppelschaltelemente S1, S2, S3 und die resultierenden Übersetzungen i_VM für den Verbrennungsfahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor VM entnommen werden.
Ein in 7 schematisch abgebildeter und gemäß der Erfindung ausgebildeter Hybridantrieb 1.7 unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass die Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM über die zwei in einem dritten Doppelschaltelement S3 zusammengefassten Gang-Schaltelemente E, F über ein anders ausgebildetes zweites Planetengetriebe PG2’ mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar ist.
Auch in diesem Fall ist das zweite Planetengetriebe PG2’ als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad 19, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger 20 und einem Hohlrad 21 ausgebildet, bei dem jedoch im Unterschied zu der vorbeschriebenen Ausführungsform gemäß 6 der Planetenträger 20 das drehfest mit der Triebwelle 2 des Verbrennungsmotors VM verbundene Eingangselement, das Hohlrad 21 das über das dritte Doppelschaltelement S3 schaltbare Zwischenelement, und das Sonnenrad 19 das drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbundene Ausgangselement bildet.
Auch bei diesem Anwendungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor VM durch das über das dritte Doppelschaltelement S3 zweistufig schaltbare zweite Planetengetriebe PG2’ wechselweise in zwei Übersetzungsstufen mit der ersten Eingangswelle GE1 verbindbar, wodurch sich die Anzahl der im Hybrid- und Verbrennungsfahrbetrieb verfügbaren Gänge zumindest theoretisch verdoppelt. Ebenso ist der Verbrennungsmotor VM auch durch die Schaltung des dritten Doppelschaltelementes S3 in seine Neutralstellung N von der ersten Eingangswelle GE1 abkoppelbar.
Auch bei diesem Hybridantrieb 1.7 ist das zweite Planetengetriebe PG2’ Platz sparend axial und radial innerhalb der zweiten Elektromaschine EM2 angeordnet, deren Rotor 8 unmittelbar drehfest mit der ersten Eingangswelle GE1 verbunden ist.
Die bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantriebs 1.7 im Hybridfahrbetrieb nutzbaren Übersetzungen i_VM, i_EM1, i_EM2 zwischen dem Verbrennungsmotor VM, der ersten Elektromaschine EM1 bzw. der zweiten Elektromaschine EM2 und der Ausgangswelle GA sind dem in der Tabelle der 7a angegebenen Schaltschema zu entnehmen, das analog zu dem in der Tabelle der 6a dargestellten Schaltschema aufgebaut ist. Bei diesem Anwendungsbeispiel sind die Übersetzungen i_Z1, i_Z2 der beiden Stirnradstufen Z1, Z2 und die Standübersetzungen i₀₁, i₀₂ der beiden Planetengetriebe PG1, PG2 beispielhaft mit i_Z1 = 2,50, i_Z2 = 1,04, i₀₁ = –1,80 und i₀₂ = –1,40 angenommen. Diesem Schaltschema ist auch entnehmbar, dass im dritten Gang G3 (G3/a, G3/b) zwei unterschiedliche Übersetzungen i_EM1, i_EM2 der beiden Elektromaschinen EM1, EM2 möglich sind. Aufgrund einer jeweils ungünstigen Übersetzung i_EM1 der ersten Elektromaschine EM1 werden die Schaltkombinationen A, D, E und A, C, F auch in diesem Fall nicht verwendet.
Bezugszeichenliste

1.1–1.7: Hybridantrieb
2: Triebwelle des Verbrennungsmotors
3, 3’: Rotor der Elektromaschine EM1, EM1’
4.1–4.7: Schaltgetriebe
5: Achsdifferenzial
6a, 6b: Antriebsrad
7a, 7b: Achswelle
8, 8’: Rotor der Elektromaschine EM2, EM2’
10: Sonnenrad von Planetengetriebe PG1
11: Planetenträger von Planetengetriebe PG1
12: Hohlrad von Planetengetriebe PG1
13: Sonnenrad von Planetengetriebe PG1’
14: Planetenträger von Planetengetriebe PG1’
15: Hohlrad von Planetengetriebe PG1’
16: Sonnenrad von Planetengetriebe PG2
17: Planetenträger von Planetengetriebe PG2
18: Hohlrad von Planetengetriebe PG2
19: Sonnenrad von Planetengetriebe PG2’
20: Planetenträger von Planetengetriebe PG2’
21: Hohlrad von Planetengetriebe PG2’
A: Drittes Gang-Schaltelement
B: Koppel-Schaltelement
C: Erstes Gang-Schaltelement
D: Zweites Gang-Schaltelement
E: Viertes Gang-Schaltelement
F: Fünftes Gang-Schaltelement
EM1, EM1’: Erste Elektromaschine
EM2, EM2’: Zweite Elektromaschine
G_VM: Gang, angetrieben durch Verbrennungsmotor VM
G1–G5: Gänge
GA: Ausgangswelle
GE1: Erste Eingangswelle
GE2: Zweite Eingangswelle
i₀₁: Standübersetzung von Planetengetriebe PG1, PG1’
i₀₂: Standübersetzung von Planetengetriebe PG2, PG2’
i_EM1: Übersetzung zwischen EM1 und GA
i_EM2: Übersetzung zwischen EM2 und GA
i_KE1: Übersetzung von Eingangskonstante KE1
i_KE2: Übersetzung von Eingangskonstante KE2
i_PG1: Übersetzung von Planetengetriebe PG1, PG1’
i_PG2: Übersetzung von Planetengetriebe PG2, PG2’
i_VM: Übersetzung zwischen VM und GA
i_Z1: Übersetzung von Stirnradstufe Z1
i_Z2: Übersetzung von Stirnradstufe Z2
K1: Trennkupplung
KE1: Erste Eingangskonstante (an Elektromaschine EM1’)
KE2: Zweite Eingangskonstante (an Elektromaschine EM2’)
N: Neutralposition der Doppelschaltelemente S1, S2, S3
PG1, PG1’: Erstes Planetengetriebe
PG2, PG2’: Zweites Planetengetriebe
S1: Erstes Doppelschaltelement
S2: Zweites Doppelschaltelement
S3: Drittes Doppelschaltelement
TD: Drehschwingungsdämpfer
VM: Verbrennungsmotor
Z1: Erste Stirnradstufe
Z2: Zweite Stirnradstufe
Z3: Ausgangsstirnradstufe
z11: Antriebsrad, Losrad von Stirnradstufe Z1
z12: Antriebsrad, Losrad von Stirnradstufe Z2
z21: Abtriebsrad, Festrad von Stirnradstufe Z1
z22: Abtriebsrad, Festrad von Stirnradstufe Z2
z23: Antriebsrad, Festrad von Ausgangsstirnradstufe Z3
z33: Abtriebsrad, Festrad von Ausgangsstirnradstufe Z3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19960621 A1 [0003]
WO 2008/138387 A1 [0004]
DE 102010030573 A1 [0007, 0011, 0012]

Claims

Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2), eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine (EM1, EM1’) mit einem Rotor (3, 3’), und ein mehrstufiges Schaltgetriebe (4.1–4.7) mit zwei Eingangswellen (GE1, GE2) sowie einer gemeinsamen, achsparallel zu den Eingangswellen (GE1, GE2) angeordneten Ausgangswelle (GA) aufweist, wobei die erste Eingangswelle (GE1) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbunden oder verbindbar ist, wobei die zweite Eingangswelle (GE2) mit dem Rotor (3, 3’) der Elektromaschine (EM1, EM1’) in Triebverbindung steht, und bei dem beide Eingangswellen (GE1, GE2) koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils über mindestens eine schaltbare Stirnradstufe (Z1, Z2) mit der Ausgangswelle (GA) in Triebverbindung bringbar sind, sowie über ein einrückbares und ausrückbares Koppel-Schaltelement (B) drehfest miteinander verbindbar sind, gekennzeichnet durch zwei Stirnradstufen (Z1, Z2) zur schaltbaren Verbindung der zweiten Eingangswelle (GE2) mit der Ausgangswelle (GA) mit einer Anordnung der betreffenden Losräder (z11, z12) sowie der zugeordneten ersten und zweiten Gang-Schaltelemente (C, D) auf der zweiten Eingangswelle (GE2), eine Zusammenfassung des ersten und zweiten Gang-Schaltelements (C, D) der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) in einem Doppelschaltelement (S2), ein koaxial über der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnetes sowie mittels eines dritten Gang-Schaltelements (A) schaltbares Planetengetriebe (PG1, PG1’), wobei das Planetengetriebe (PG1, PG1’) ein mittels des dritten Gang-Schaltelements (A) mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbindbares Eingangselement aufweist, ein gehäusefest arretiertes Zwischenelement hat, und ein drehfest mit dem Losrad (z11, z12) einer der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) verbundenes Ausgangselement aufweist, sowie mit einer Zusammenfassung des dritten Gang-Schaltelements (A) und des Koppel-Schaltelementes (B) in einem Doppelschaltelement (S1).
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (PG1) als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad (10), einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger (11) und einem Hohlrad (12) ausgebildet ist, bei dem der Planetenträger (11) das über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement (A) mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad (10) das gehäusefest arretierte Zwischenelement, und das Hohlrad (12) das drehfest mit dem Losrad (z11, z12) einer der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) verbundene Ausgangselement bildet.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (PG1’) als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad (13), einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger (14) und einem Hohlrad (15) ausgebildet ist, bei dem das Hohlrad (15) das über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement (A) mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbindbare Eingangselement, das Sonnenrad (13) das gehäusefest arretierte Zwischenelement, und der Planetenträger (14) das drehfest mit dem Losrad (z11, z12) einer der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) verbundene Ausgangselement bildet.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (GE1) über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement (A) und das Planetengetriebe (PG1) mit dem Losrad (z11) derjenigen Stirnradstufe (Z1) mit der höheren Übersetzung (i_Z1 > i_Z2) verbindbar ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (GE1) über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement (A) und das Planetengetriebe (PG1’) mit dem Losrad (z12) derjenigen Stirnradstufe (Z2) mit der niedrigeren Übersetzung (i_Z2 < i_Z1) verbindbar ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die über das zugeordnete dritte Gang-Schaltelement (A) und das Planetengetriebe (PG1, PG1’) mit der ersten Eingangswelle (GE1) in Triebverbindung bringbare Stirnradstufe (Z1; Z2) axial getriebeinnen zwischen dem Planetengetriebe (PG1, PG1’) und der anderen Stirnradstufe (Z2; Z1) angeordnet ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungen (i_Z1, i_Z2, i₀₁) der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) und des Planetengetriebes (PG1, PG1’) derart gewählt sind, dass die Gesamtübersetzung (i_PG1·i_Z1; i_PG1·i_Z2) der über das Gang-Schaltelement (A) der ersten Eingangswelle (GE1) und das Planetengetriebe (PG1, PG1’) schaltbaren Gangstufe weitgehend mittig zwischen den Übersetzungen (i_Z1, i_Z2) der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) liegt.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) mit einem Drehschwingungsdämpfer (TD) versehen ist oder über einen Drehschwingungsdämpfer (TD) mit der ersten Eingangswelle (GE1) des Schaltgetriebes (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5) in Triebverbindung steht.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) über ein koaxial über der ersten Eingangswelle (GE1) oder der Triebwelle (2) angeordnetes sowie über zwei in einem dritten Doppelschaltelement (S3) zusammengefasste Gang-Schaltelemente (E, F) zweistufig schaltbares zweites Planetengetriebe (PG2, PG2’) mit einem drehfest mit der Triebwelle (2) verbundenen Eingangselement, einem über die Gang-Schaltelemente (E, F) des dritten Doppelschaltelementes (S3) wechselweise mit einer anderen Welle des zweiten Planetengetriebes (PG2, PG2‘) verbindbaren oder gehäusefest arretierbaren Zwischenelement, und einem drehfest mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbundenen Ausgangselement mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbindbar ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Planetengetriebe (PG2) als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad (16), einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger (17) und einem Hohlrad (18) ausgebildet ist, bei dem der Planetenträger (17) das drehfest mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbundene Eingangselement, das Sonnenrad (16) das über das dritte Doppelschaltelement (S3) schaltbare Zwischenelement, und das Hohlrad (18) das drehfest mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbundene Ausgangselement bildet.
Hybridantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (PG2’) als ein einfacher Planetenradsatz mit einem Sonnenrad (19), einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger (20) und einem Hohlrad (21) ausgebildet ist, bei dem der Planetenträger (20) das drehfest mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) verbundene Eingangselement, das Hohlrad (21) das über das dritte Doppelschaltelement (S3) schaltbare Zwischenelement, und das Sonnenrad (19) das drehfest mit der ersten Eingangswelle (GE1) verbundene Ausgangselement bildet.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungen (i_Z1, i_Z2, i₀₁, i₀₂) der beiden Stirnradstufen (Z1, Z2) und der beiden Planetengetriebe (PG1, PG1’; PG2, PG2’) derart gewählt sind, dass die Gesamtübersetzungen (i_PG1·i_PG2·i_Z1; i_PG1·i_PG2·i_Z2) der zwei über das dritte Gang-Schaltelement (A) der ersten Eingangswelle (GE1) und die beiden Planetengetriebe (PG1, PG1’; PG2, PG2’) schaltbaren Gangstufen zwischen den Gesamtübersetzungen (i_Z1, i_Z2, i_PG2·i_Z1; i_PG2·i_Z2) der beiden direkt über die zwei Stirnradstufen (Z1, Z2) schaltbaren Gangstufen und der beiden über das Koppel-Schaltelement (B) und das zweite Planetengetriebe (PG2, PG2’) schaltbaren Gangstufen liegen.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM1) koaxial über der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnet ist, und dass der Rotor (3) der Elektromaschine (EM1) unmittelbar drehfest mit der zweiten Eingangswelle (GE2) verbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM1’) achsparallel neben der zweiten Eingangswelle (GE2) angeordnet ist, und dass der Rotor (3’) der Elektromaschine (EM1’) über eine als Untersetzungsstufe ausgebildete Eingangskonstante (KE1) mit der zweiten Eingangswelle (GE2) in Triebverbindung steht.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) oder die erste Eingangswelle (GE1) mit dem Rotor (8, 8’) einer zweiten Elektromaschine (EM2, EM2’) in Triebverbindung steht.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektromaschine (EM2) koaxial über der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) und/oder der ersten Eingangswelle (GE1) angeordnet ist, und dass der Rotor (8) der zweiten Elektromaschine (EM2) unmittelbar drehfest mit der Triebwelle (2) oder der ersten Eingangswelle (GE1) verbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Planetengetriebe (PG2, PG2’) axial und radial zumindest teilweise innerhalb der zweiten Elektromaschine (EM2) angeordnet ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektromaschine (EM2’) achsparallel neben der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) und/oder der ersten Eingangswelle (GE1) angeordnet ist, und dass der Rotor (8’) der zweiten Elektromaschine (EM2’) über eine als Untersetzungsstufe ausgebildete zweite Eingangskonstante (KE2) mit der Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) oder der ersten Eingangswelle (GE1) in Triebverbindung steht.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwelle (2) des Verbrennungsmotors (VM) über eine Trennkupplung (K1) mit der ersten Eingangswelle (GE1) des Schaltgetriebes (4.4) verbindbar ist.