DE102011100754A1

DE102011100754A1 - Antriebsstrang für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011100754A1
Application number: DE102011100754A
Authority: DE
Inventors: Kai Mühlebach; Falk Schumann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-05-07
Filing date: 2011-05-07
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (10) für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und mit wenigstens einer elektrischen Maschine (32), mittels welchen der Kraftwagen antreibbar ist und welche zur Übertragung eines Drehmoments über wenigstens eine, um eine Drehachse drehbare Welle des Antriebsstrangs (10) miteinander koppelbar sind, und mit einem Schaltgetriebe (30), über welches der Kraftwagen antreibbar ist, wobei in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine (12) und der elektrischen Maschine (32) eine Freilaufeinrichtung (34) angeordnet ist, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine (12) und die elektrische Maschine (32) in einer ersten Drehrichtung der Welle drehfest miteinander koppelbar und in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung der Welle voneinander drehentkoppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug.
Die DE 10 2005 003 608 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, mit einem Getriebe und mit einer manuell zu betätigenden Stellvorrichtung für ein Leistungsstellglied der Brennkraftmaschine. Der Antriebsstrang umfasst ferner ein manuell zu betätigendes Vorwählglied für einen Betriebsbereich des Getriebes sowie einen manuell zu betätigenden Steller zur Betätigung einer die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs verzögernden Bremse. Es ist eine elektronische Steuereinheit zur Aufnahme, Verarbeitung und Abgabe von Signalen und Daten des Antriebsstrangs und/oder des Fahrzeugs vorgesehen, wobei dem Antriebsstrang eine Freilaufeinrichtung mit einer Freilauffunktion derart zugeordnet ist, dass im Schubbetrieb bei nicht betätigter Steilvorrichtung für das Leistungsstellglied die Freilauffunktion freigegeben wird. Dann, wenn anschließend der Steller zur Verringerung der Fahrgeschwindigkeit betätigt wird, wird die Freilauffunktion gesperrt. Dann, wenn die Freilauffunktion im Schubbetrieb wieder freigegeben werden soll, erfolgt dieses durch Betätigen der Stellvorrichtung für das Leistungsstellglied.
Aus der DE 10 2007 043 737 A1 ist ein Antriebsmodul mit einer Hybridantriebseinheit bekannt, wobei eine Freilaufeinheit dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebsmodus einen Kraftfluss zwischen der Hybridantriebseinheit und einer Eingangsseite zu trennen. Die Eingangsseite des Antriebsmoduls ist dabei mit einem Verbrennungsmotor verbunden. Eine Ausgangsseite des Antriebsmoduls ist mit einem Getriebe verbunden. Die Hybridantriebseinheit umfasst beispielsweise einen elektrischen Motor, welcher das Antriebsmoment verstärken kann.
Der DE 42 02 083 C2 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug als bekannt zu entnehmen, welcher einen Verbrennungsmotor umfasst, der über eine Kupplung und ein Schaltgetriebe mit einer Antriebswelle verbunden ist. Der Hybridantrieb umfasst ferner eine drehstromrichtergespeiste Drehstrommaschine. Der Läufer der Drehstrommaschine ist in ständiger mechanischer Verbindung an eine Vorgelegewelle des Schaltgetriebes gekoppelt, wobei der Leistungsfluss zwischen der Vorgelegewelle und der Drehstrommaschine allein durch die elektrische Ansteuerung der Drehstrommaschine bestimmt ist.
Die bekannten Antriebsstränge weisen eine hohe Komplexität auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, bereitzustellen, welcher einen nur geringen Kraftstoffverbrauch des Kraftwagens ermöglicht sowie eine geringe Komplexität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher Antriebsstrang für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybridfahrzeug, umfasst eine Verbrennungskraftmaschine und wenigstens eine elektrische Maschine. Der Kraftwagen ist dabei mittels der elektrischen Maschine und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Dazu sind die elektrische Maschine und der Verbrennungsmotor beispielsweise mit wenigstens einem, insbesondere wenigstens zwei angetriebenen Rädern des Kraftwagens gekoppelt oder koppelbar, so dass zwischen den angetriebenen Rädern und der elektrischen Maschine bzw. der Verbrennungskraftmaschine Drehmomente übertragen werden können.
Die elektrische Maschine und die Verbrennungskraftmaschine sind dabei über wenigstens eine um eine Drehachse drehbare Welle des Antriebsstrangs miteinander koppelbar, so dass Drehmomente zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine durch Kopplung dieser übertragen werden können.
Der Antriebsstrang umfasst ferner ein Schaltgetriebe, über welches der Kraftwagen beziehungsweise das Hybrid-Fahrzeug antreibbar ist. Das Schaltgetriebe ist dabei beispielsweise als manuell schaltbares Schaltgetriebe ausgebildet. Das Schaltgetriebe kann wenigstens zwei Gangstufen aufweisen, zwischen welchen geschaltet werden kann und welche beispielsweise jeweilige, voneinander unterschiedliche Übersetzungen zur Drehmomentwandlung aufweisen.
Erfindungsgemäß ist in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine eine Freilaufeinrichtung angeordnet, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine in einer ersten Drehrichtung der Welle drehfest miteinander (beispielsweise über eine Kupplungseinrichtung) koppelbar bzw. gekoppelt und in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung der Welle um die Drehachse voneinander drehentkoppelbar bzw. drehentkoppelt sind. Dies bedeutet, dass in der ersten Drehrichtung ein Drehmoment zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine übertragbar ist, während eine solche Drehmomentübertragung in der zweiten Drehrichtung infolge der Drehentkopplung nicht möglich ist.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist dadurch eine besonders geringe Komplexität beziehungsweise anders herum ausgedrückt, eine besonders hohe Einfachheit auf, was die Kosten des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gering hält. Gleichzeitig sind mittels des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs Hybridfunktionalitäten darstellbar, was den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen des Kraftwagens gering hält.
Bei einer solchen Hybridfunktionalität handelt es sich beispielsweise um einen ersten Betriebszustand des Kraftwagens, in welchem der Kraftwagen ausschließlich mittels der elektrischen Maschine angetrieben werden kann, während sich die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf befindet oder abgeschaltet ist. So kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden.
In einem zweiten Betriebszustand kann vorgesehen sein, dass der Kraftwagens sowohl durch die Verbrennungskraftmaschine als auch durch die elektrische Maschine angetrieben wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine unterstützt und ein von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestelltes Antriebsmoment zum Antreiben des Kraftwagens erhöht. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine in einem kraftstoffverbrauchsgünstigen Betriebspunkt betrieben werden bei gleichzeitiger Realisierung eines hohen Antriebsmoments infolge der Unterstützung durch die elektrische Maschine. Auch dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine in nur geringem Rahmen gehalten werden. In diesem ersten und dem zweiten geschilderten Betriebszustand befindet sich die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb, in welchem sie den Kraftwagen zumindest unterstützend antreibt.
Zur Darstellung einer weiteren Hybridfunktionalität ist beispielsweise ein dritter Betriebszustand vorgesehen, in welchem die elektrische Maschine als Generator betrieben wird. Dabei treibt die Verbrennungskraftmaschine sowohl den Kraftwagen als auch die elektrische Maschine an. Dadurch kann mittels der elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt beziehungsweise in von der Verbrennungskraftmaschine verbranntem Kraftstoff enthaltene Energie in elektrische Energie umgewandelt und in einer Speichereinrichtung, beispielsweise einer Batterie, des Antriebsstrangs gespeichert und/oder wenigstens einem elektrischen Verbraucher des Antriebsstrangs und/oder des Kraftwagens zugeführt werden. Da eine von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Leistung somit teilweise zum Antreiben des Kraftwagens und teilweise zum Gewinnen der elektrischen Energie genutzt wird, ist dadurch eine Lastpunktverschiebung der Verbrennungskraftmaschine dargestellt, so dass die Verbrennungskraftmaschine in einem besonders verbrauchsgünstigen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass in der ersten Drehrichtung ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine zu der elektrischen Maschine übertragbar ist. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine antreiben, wodurch die genannte Erzeugung von (beziehungsweise Umwandlung in) elektrischer Energie sowie die genannte Lastpunktverschiebung ermöglicht sind. Ferner bedeutet dies, dass die elektrische Maschine und die Verbrennungskraftmaschine in der zweiten Drehrichtung voneinander drehentkoppelt sind. Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise abgeschaltet und wird der Kraftwagen insbesondere ausschließlich von der elektrischen Maschine angetrieben, so ist es infolge der Drehentkopplung vermieden, dass die elektrische Maschine die Verbrennungskraftmaschine antreibt.
Durch die drehfeste Kopplung der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine in der ersten Drehrichtung (und die damit einher gehende Drehentkopplung in der zweiten Drehrichtung) kann in der zweiten Drehrichtung beziehungsweise bei einer entsprechenden Relativdrehung kein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf die Verbrennungskraftmaschine übertragen werden, so dass die elektrische Maschine den Kraftwagen beziehungsweise die Räder des Kraftwagens jedoch nicht die Verbrennungskraftmaschine antreibt.
Die Welle, über welche Drehmomente zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine übertragbar sind, ist beispielsweise einerseits mit einer Abtriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine drehfest gekoppelt oder über eine entsprechende Kopplungseinrichtung drehfest koppelbar. Eine zweite Welle beispielsweise zumindest mittelbar mit einem Rotor der elektrischen Maschine drehfest gekoppelt oder über eine entsprechende Kopplungseinrichtung koppelbar, wobei der Rotor um eine Drehachse relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine drehbar ist. Die erste und die zweite Welle sind dabei über die Freilaufeinrichtung in der ersten Drehrichtung der ersten Welle miteinander drehfest gekoppelt und in der zweiten Drehrichtung voneinander drehentkoppelt. So können die Abtriebswelle und der Rotor über die Freilaufeinrichtung in der ersten Drehrichtung miteinander gekoppelt werden.
Somit ist in der ersten Drehrichtung ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine zu der elektrischen Maschine übertragbar ist. Dabei werden der Rotor und damit die elektrische Maschine von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wenn sich die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und damit die mit dieser gekoppelte erste Welle in der ersten Drehrichtung mit einer höheren Drehzahl drehen als der über die Freilaufeinrichtung mit der Abtriebswelle gekoppelte Rotor und damit die zweite Welle. Dabei befindet sich die Freilaufeinrichtung in ihrem Sperrzustand und der Rotor wird über die Freilaufeinrichtung von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine mitgenommen und so angetrieben. Dadurch kann beispielsweise, wie geschildert, von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Leistung abgezweigt und in elektrische Energie in dem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine umgewandelt werden.
Dreht sich der Rotor in der ersten Drehrichtung schneller, das heißt mit einer höheren Drehzahl, als die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine, so befindet sich die Freilaufeinrichtung in ihrem Freilaufzustand, da diese Relativbewegung beziehungsweise Relativdrehung des Rotors zu der Abtriebswelle einer Drehung der ersten Welle in die zweite Drehrichtung entspricht. In diesem Freilaufzustand kann kein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf die Verbrennungskraftmaschine übertragen werden. Dies bedeutet, dass der Rotor der elektrischen Maschine die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine nicht mitnimmt und so nicht antreibt, so dass eine von der elektrischen Maschine bereitgestellte Leistung zumindest überwiegend dazu genutzt werden kann, den Kraftwagen anzutreiben und nicht etwa zumindest zu einem Teil dazu aufgewendet werden muss, die Verbrennungskraftmaschine mit zu schleppen.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine Belastung der elektrischen Maschine beim Antreiben des Kraftwagens mit einem Schleppmoment zum Schleppen der Verbrennungskraftmaschine vermieden ist. So kann die elektrische Maschine besonders effizient betrieben und effizient und effektiv dazu genutzt werden, um den Kraftwagen anzutreiben. Dies hält den Energieverbrauch und damit den Kraftstoffverbrauch des Kraftwagens gering, was mit geringen CO₂-Emissionen einher geht.
Als weitere Hybridfunktionalität kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine im Schubbetrieb des Kraftwagens über die anzutreibenden Räder des Kraftwagens im Generatorbetrieb betrieben wird. Dadurch kann kinetische Energie des sich bewegenden Kraftwagens in elektrische Energie mittels der elektrischen Maschine umgewandelt und so rekuperiert werden. Dies geht mit einer Abbremsung des Kraftwagens einher, weswegen diese Hybridfunktionalität auch als Bremsenergierückgewinnung (Bremsenergierekuperation) bezeichnet wird.
Zur Darstellung der genannten Hybridfunktionalitäten sind dabei keine aufwändigen und kostenintensiven Kupplungen, Getriebe, insbesondere leistungsverzweigte Getriebe, sowie aufwändige und kostenintensive elektro-hydraulischen Steuerungs- und Regelungseinheiten vorgesehen und vonnöten, so dass der erfindungsgemäße Antriebsstrang eine besonders hohe Einfachheit und damit besonders geringe Kosten aufweist.
Um den erfindungsgemäßen Antriebsstrang so betreiben zu können, dass der Verbrennungsmotor weitestgehend nur Kraftstoff verbrennt, wenn der Fahrer Beschleunigung wünscht, und in allen Betriebszuständen so wenig wie möglich Energie in nicht nutzbare Energie umgewandelt wird, ist es vorteilhaft zusätzlich zu einer Steuereinrichtung der Verbrennungskraftmaschine eine Hybrid-Steuereinrichtung im erfindungsgemäßen Antriebsstrang vorzusehen, welche einer Regelung und/oder Steuerung des Antriebsstrangs dient. Insbesondere können dann Sensoren und Systeme, wie beispielsweise eine Neutralgangerkennung, ein Kupplungswegsensor, ein Längsbeschleunigungssensor, ein Steigungssensor, ein Raddrehzahlsensor und ein Motordrehzahlsensor, die in der Regel bereits in Serien-Kraftwägen vorhanden sind, genutzt werden, um Informationen an die Hybrid-Steuereinrichtung zu liefern, und um so ein Abstellen der Verbrennungskraftmaschine und einen Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine während der Fahrt einzuleiten und zu steuern.
Eine notwendige Voraussetzung für ein Abschalten der Verbrennungskraftmaschine während des Fahrzeugbetriebs ist im erfindungsgemäßen Antriebsstrang dabei, dass eine Getriebeeingangsdrehzahl größer ist als ein additiver Term zusammengesetzt aus einer Leerlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine und einer festzulegenden Delta-Drehzahl. Durch die festzulegende Delta-Drehzahl ist sichergestellt, dass die Freilaufeinrichtung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine stets seine Funktion erfüllen kann, auch bei einem Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine. Über eine Raddrehzahl des Kraftwagens wird berechnet wie groß eine Getriebeeingangsdrehzahl des Schaltgetriebes ist, eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine liegt als Information in der Steuereinrichtung der Verbrennungskraftmaschine vor und ist beispielsweise mittels eines Datenbusses als für die Hybrid-Steuereinrichtung verfügbar. Ein Gangerkennungssensor und ein Kupplungswegsensor oder Kupplungsschalter könnten im erfindungsgemäßen Antriebsstrang als Eingangssignal für die Hybrid-Steuereinrichtung dienen. Der Gangerkennungssensor und der Kupplungswegsensor oder der Kupplungsschalter signalisieren, ob eine feste Übersetzung von einem Fahrer vorgegeben ist oder ob ein Fahrer beabsichtigt, eine Gangschaltung vorzunehmen. In letzterem Fall erfolgt keine Abschaltung der Verbrennungskraftmaschine.
Damit ein Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine sinnvoll ist, ist es eine notwendige Voraussetzung, dass eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine geringer ist als eine Getriebeeingangsdrehzahl. Auslöser für einen Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine im erfindungsgemäßen Antriebsstrang sind zudem eine Erkennung einer Kapazitätsunterschreitung im elektrischen Bordnetz Netz, eine angeforderte Klimaanpassung im Fahrzeuginnenraum sowie Abgasbetrachtungen.
In dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang kann beispielsweise ein Neigungswinkelsensor oder auch ein Navigationssystem dafür genutzt werden, um Gefällestrecken oder horizontale Streckenabschnitte zu erkennen, an welchen mit einem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff eingespart werden könnte. Beispielsweise ist es denkbar, einen Fahrer an einer solchen Gefällestrecke oder an einem solchen horizontalen Streckenabschnitt über ein haptisches Fahrpedal darauf aufmerksam zu machen, dass Kraftstoff eingespart werden könnte. Eine Null-Prozent-Stellung des Fahrpedals könnte beispielsweise ein Abschalten der Verbrennungskraftmaschine bewirken.
Eine Längsbeschleunigung könnte als ein Eingangssignal des haptischen Gaspedals dienen und m erfindungsgemäßen Antriebsstrang dazu genutzt werden, dass ein Fahrer nur bei einem Fahrzeugbetrieb mit konstanter Geschwindigkeit und konstanter Lastanforderung oder bei einem Fahrzeugbetrieb mit einer Momentanforderung unterhalb eines in der Hybrid-Steuereinrichtung vereinbarten Schwellenwerts, eine Aufforderung durch das haptische Fahrpedal erhält den Fuß vom Fahrpedal zu nehmen.
Schilderkennungssysteme und Navigationssysteme in modernen Kraftwägen können aktuelle Geschwindigkeitslimits erkennen. Vorteilhaft können diese Systeme in einem Kraftwagen mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang genutzt werden, um bei Erkennung einer Überschreitung des Geschwindigkeitslimits den Fahrer beispielsweise mittels eines haptischen Fahrpedals über eine Überschreitung zu informieren. Insbesondere könnte die Hybrid-Steuereinrichtung für den Fall, dass der Fahrer dann seinen Fuß vom Fahrpedal nimmt, eine Abschaltung der Verbrennungskraftmaschine bewirken.
Alle fahrnotwendigen Systeme wie beispielsweise eine Lenkung und Bremse eines Kraftwagens, welche heute noch durch die Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, sind im erfindungsgemäßen Antriebsstrang elektrisch ausführbar. Zudem ist vorteilhaft ein elektrischer Energiespeicher in einem Kraftwagen mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang vorzusehen, welcher mit der elektrischen Maschine verbunden ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist durch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine eine Rekuperation von Energie, insbesondere bei Bergabfahrten oder bei Bremsvorgängen möglich. Eine von dem Hybrid-Steuergerät gesteuerte Rekuperation ist vorteilhaft gefälleabhängig, beispielsweise für ein Gefälle mit einem Wert größer als sechs Prozent, zu vereinbaren. Bei einer Zunahme einer Fahrzeuggeschwindigkeit über das aktuelle Geschwindigkeitslimit ist ebenfalls eine Aktivierung eines Rekuperationsbetriebs denkbar. Bei Erkennung eines an den Kraftwagen angehängten Anhängers ist es bei einer Bergabfahrt vorteilhaft durch den Rekuperationsbetrieb die Fahrzeuggeschwindigkeit konstant zu halten und eine Verzögerungsenergie, zurückzugewinnen, insbesondere auch zur Schonung einer Bremse des Kraftwagens.
In einem Tempomatbetrieb des Kraftwagens, beispielsweise auf einer Gefällestrecke, ist es vorteilhaft, bei einer Überschreitung einer mit dem Tempomat gewählten Geschwindigkeit eine Geschwindigkeit durch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine konstant zu halten und so mit der elektrischen Maschine Energie zu rekuperieren.
Im erfindungsgemäßen Antriebsstrang ermöglicht eine Aufnahme eines Signals eines Bremspedals als Eingangssignal für die Hybrid-Steuereinrichtung bei erkannten Teilbremsungen nahezu die gesamte Verzögerungsenergie eines Bremsvorgangs im elektrischen Energiespeicher zwischenzuspeichern. Die gespeicherte Energie kann für die Versorgung elektrischer Verbraucher im Kraftwagen dienen, jedoch auch für eine Beschleunigung des Kraftwagens, indem die Elektromaschine als zusätzliche Antriebseinheit genutzt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel 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 Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs für ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine, einer elektrischen Maschine und einem Schaltgetriebe, wobei die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine über wenigstens eine, um eine Drehachse drehbare Welle des Antriebsstrangs miteinander koppelbar sind, und wobei in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine eine Freilaufeinrichtung angeordnet ist, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine in einer ersten Drehrichtung der Welle drehfest miteinander gekoppelt und in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung der Welle voneinander drehentkoppelt sind;
2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstrangs gemäß 1;
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstrangs gemäß den 1 und 2;
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstrangs gemäß den 1 bis 3; und
5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstrangs gemäß den 1 bis 4.
Die 1 zeigt einen Antriebsstrang 10 für ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antriebsstrang 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 12, welche als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und vier Zylinder 14 umfasst. In den Zylindern 14 sind jeweilige Kolben relativ zu den Zylindern 14 translatorisch verschiebbar aufgenommen. Die Kolben sind über jeweilige Pleuel mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 12 gelenkig verbunden, wobei mittels der Kurbelwelle die translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern 14 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar sind. Dabei ist die Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine 12 relativ zu dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse drehbar gelagert.
Mit der Kurbelwelle drehfest verbunden ist ein Schwungrad 16 des Antriebsstrangs 10, wobei es sich beispielsweise um ein Zweimassenschwungrad handelt. Das Schwungrad 16 sorgt dabei für einen ruhigen und zumindest im Wesentlichen gleichförmigen Lauf der Verbrennungskraftmaschine 12. Die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 12 stellt dabei eine Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 dar, über welche ein Drehmoment beziehungsweise eine Leistung der Verbrennungskraftmaschine 12 von dieser abgeführt und zu dem Antriebsstrang 10 zugeordneten, angetriebenen Rädern 18 des Hybrid-Fahrzeugs übertragen werden kann. Dazu umfasst der Antriebsstrang 10 Weben 20, 22 und 24, wobei es sich beispielsweise um Gelenkwellen handelt. Die Wellen 22 und 24 sind dabei einer Hinterachse 26 des Hybrid-Fahrzeugs zugeordnet. Die Wellen 22 und 24 sind über ein Differenzial 28 mit der Welle 20 gekoppelt, so dass ein Drehmoment von der Welle 20 über das Differenzial 28 auf die Wellen 22 und 24 übertragen und so die mit den Wellen 22 und 24 drehfest gekoppelten Räder 18 angetrieben werden können.
Der Antriebsstrang 10 umfasst ferner ein Schaltgetriebe 30, welches eine Abtriebswelle umfasst. Die Abtriebswelle des Schaltgetriebes 30 ist mit der Welle 20 drehfest gekoppelt oder koppelbar, so dass die Räder 18 und damit das Hybrid-Fahrzeug über das Schaltgetriebe 30 angetrieben werden kann.
Das Schaltgetriebe 30 des Antriebsstrangs dient dabei der Drehmomentwandlung und umfasst wenigstens zwei Schaltstufen mit jeweiligen voneinander unterschiedlichen Übersetzungen, zwischen welchen durch manuelle Betätigung des Schaltgetriebes 30 geschaltet werden kann.
Der Antriebsstrang 10 umfasst darüber hinaus eine elektrische Maschine 32. in einem ersten Betriebszustand des Antriebsstrangs 10 ist das Hybrid-Fahrzeug ausschließlich mittels der Verbrennungskraftmaschine 12 antreibbar. In einem zweiten Betriebszustand des Antriebsstrangs 10 ist das Hybrid-Fahrzeug ausschließlich mittels der elektrischen Maschine 32 antreibbar, wobei sich die elektrische Maschine 32 in einem Motorbetrieb befindet. In einem dritten Betriebszustand kann vorgesehen sein, dass das Hybrid-Fahrzeug sowohl von der Verbrennungskraftmaschine 12 als auch unterstützend von der elektrischen Maschine 32 angetrieben wird. Darüber hinaus kann ein vierter Betriebszustand vorgesehen sein, in welchem das Hybrid-Fahrzeug ausschließlich von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, wobei eine von der Verbrennungskraftmaschine 12 bereitgestellte Leistung teilweise zum Antreiben des Hybrid-Fahrzeugs und teilweise zum Antreiben der elektrischen Maschine genutzt wird. Dabei befindet sich die elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb, in welchem die von der Verbrennungskraftmaschine 12 bereitgestellte und der elektrischen Maschine 32 zugeführte Leistung zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird.
Zum Antreiben des Hybrid-Fahrzeugs mittels der elektrischen Maschine 32 und/oder mittels der Verbrennungskraftmaschine 12 sind die Verbrennungskraftmaschine 12 sowie die elektrische Maschine 32 mit dem Schaltgetriebe 30 gekoppelt oder koppelbar. So kann ein jeweiliges Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine 12 und/oder von der elektrischen Maschine 32 in das Schaltgetriebe 30 eingeleitet und über dessen Abtriebswelle auf die Welle 20 übertragen werden.
Zum Übertragen von Drehmomenten zwischen der elektrischen Maschine 32 und der Verbrennungskraftmaschine 12 sind diese über wenigstens eine in der 1 nicht dargestellte Welle miteinander koppelbar.
Dazu umfasst der Antriebsstrang 10 einen Freilauf 34 mit zwei um eine Drehachse drehbaren Freilaufelementen. In einer ersten Drehrichtung eines ersten, der Verbrennungskraftmaschine 12 zugeordneten der Freilaufelemente sind die Freilaufelemente über wenigstens einen Sperrkörper drehfest miteinander gekoppelt. Dabei befindet sich der Freilauf 34 in seinem Sperrzustand. In einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung des ersten Freilaufelements befindet sich der Freilauf 34 in seinem Freilaufzustand, indem die Freilaufelemente voneinander drehentkoppelt und so relativ zueinander verdreht werden können. Mit anderen Worten, dreht sich das erste Freilaufelement in die erste Drehrichtung schneller, das heißt mit einer höheren Drehzahl, als das zweite Freilaufelement, sperrt der Freilauf 34 und das zweite Freilaufelement wird von dem ersten Freilaufelement mitgenommen und angetrieben.
Dreht sich demgegenüber das zweite Freilaufelement in der ersten Drehrichtung schneller, das heißt mit einer höheren Drehzahl als das erste Freilaufelement, was einer Drehung des ersten Freilaufelements in die zweite Drehrichtung entspricht, so können im Gegensatz zum Sperrzustand, in welchem von dem ersten Freilaufelement auf das zweite Freilaufelement Drehmomente übertragbar sind, keine Drehmoment von dem zweiten Freilaufelement auf das erste Freilaufelement übertragen werden. Dies bedeutet, dass das zweite Freilaufelement in dem Freilaufzustand das erste Freilaufelement nicht antreibt beziehungsweise nicht antreiben kann.
Dabei ist die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 mit dem ersten Freilaufelement drehfest gekoppelt beziehungsweise koppelbar, während das zweite Freilaufelement mit der elektrischen Maschine 32 beziehungsweise mit einem Rotor der elektrischen Maschine 32 drehfest gekoppelt beziehungsweise koppelbar ist. Ist die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 drehfest mit dem ersten Freilaufelement gekoppelt und ist das zweite Freilaufelement drehfest mit dem Rotor der elektrischen Maschine 32 gekoppelt, so bedeutet dies, dass die Verbrennungskraftmaschine 12 die elektrische Maschine 32 in der ersten Drehrichtung beziehungsweise dann antreiben kann, wenn sich die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 mit einer höheren Drehzahl dreht als der Rotor der elektrischen Maschine 32. Dadurch kann die elektrische Maschine 32 in ihrem Generatorbetrieb betrieben werden.
Ferner ist es dadurch ermöglicht, dass die elektrische Maschine 32 über ihren Rotor das Hybrid-Fahrzeug über die Räder 18 antreiben kann, indem sich der Rotor in die erste Drehrichtung dreht, ohne jedoch die Verbrennungskraftmaschine 12 über die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 anzutreiben und die Kolben in den Zylindern 14 mitschleppen zu müssen. Dreht sich der Rotor der elektrischen Maschine 32 in der ersten Drehrichtung und ist die Verbrennungskraftmaschine 12 abgeschaltet, so dreht sich der Rotor in der ersten Drehrichtung schneller als die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12. Diese Relativdrehung entspricht einer Drehung der Abtriebswelle in die zweite Drehrichtung, in welcher sich der Freilauf 34 in seinem Freilaufzustand befindet, so dass die Verbrennungskraftmaschine 12 und die elektrische Maschine 32 voneinander drehentkoppelt sind.
Daraus folgt, dass die elektrische Maschine 32 beim Antreiben des Hybrid-Fahrzeugs nicht zusätzlich mit einem Schleppmoment zum Schleppen der Verbrennungskraftmaschine 12 betastet wird. So kann des Hybrid-Fahrzeug effizient und mit einem nur geringen Energiebedarf angetrieben werden. Dies hält den Energieverbrauch und damit den Kraftstoffverbrauch des Hybrid-Fahrzeugs gering, was mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
Wie der 1 zu entnehmen ist, weist der Antriebsstrang 10 ferner eine besonders hohe Einfachheit auf, da die geschilderten Betriebszustände und damit Hybridfunktionalitäten des Hybrid-Fahrzeugs mit relativ einfachen und kostengünstigen Mitteln darstellbar sind. Beispielsweise sind keine kostenintensiven elektro-hydraulischen Regelungs- und Steuerungseinheiten und keine kostenintensiven Getriebe wie beispielsweise leistungsverzweigte Getriebe sowie Kupplungseinrichtungen vonnöten. Zusätzlich zu den bereits in konventionellen Fahrzeugen erfassten Messgrößen wie beispielsweise eine Raddrehzahl, eine Verbrennungskraftmaschinendrehzahl und eine Fahrzeuglängsbeschleunigung, ist für eine Darstellung der Betriebszustände des Antriebsstrangs 10 lediglich eine Erfassung einer Getriebeeingangsdrehzahl des Schaltgetriebes 30 erforderlich, sowie eine in den Figuren nicht dargestellte Hybrid-Steuerungseinheit, welche insbesondere einer Überwachung der Getriebeeingangsdrehzahl und der Verbrennungskraftmaschinendrehzahl dient, um einen Wechsel zwischen den verschiedenen Hybrid-Betriebszuständen des Antriebsstrangs 10 zu bewirken.
Vielmehr umfasst der Antriebsstrang 10 das kostengünstige Schaltgetriebe 30 sowie den kostengünstigen Freilauf 34.
Bei dem Antriebsstrang 10 gemäß 1 ist das erste Freilaufelement beispielsweise über das Schwungrad 16 mit der Abtriebswelle (Kurbelwelle) der Verbrennungskraftmaschine 12 drehfest gekoppelt.
In einem Drehmomentenfluss zwischen dem Schaltgetriebe 30 und der Verbrennungskraftmaschine 12 ist beispielsweise eine Kupplung angeordnet, über welche die Verbrennungskraftmaschine 12 und das Schaltgetriebe 30 in einem geschlossenen Zustand der Kupplung miteinander zum Übertragen von Drehmomenten gekoppelt und in einem offenen Zustand der Kupplung voneinander entkoppelt sind. Die Kupplung umfasst beispielsweise eine Mitnehmerscheibe, welche mit dem Freilauf 34 versehen ist. Mit anderen Worten ist der Freilauf 34 in die Kupplung integriert.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 gemäß 1, wobei die geschilderte Kupplung des Antriebsstrangs 10 mit 36 bezeichnet ist. Das Schaltgetriebe 30 umfasst eine Vorgelegewelle 38, welche mit einer Eingangswelle des Schaltgetriebes 30 über jeweilige Zahnräder gekoppelt ist. Über die Eingangswelle des Schaltgetriebes 30 können Drehmomente von der Verbrennungskraftmaschine 12 in das Schaltgetriebe 30 eingeleitet werden. Der Freilauf 34 ist dabei zumindest teilweise auf der Eingangswelle des Schaltgetriebes 30 angeordnet. Dies bedeutet, dass das zweite Freilaufelement mit der Eingangswelle drehfest gekoppelt ist, während das erste Freilaufelement über die Kupplung 36 und das Schwungrad 16 mit der Abtriebswelle (Kurbelwelle) der Verbrennungskraftmaschine 12 drehfest koppelbar ist.
Dabei ist das erste Freilaufelement in dem geschlossenen Zustand der Kupplung 36 drehfest mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 gekoppelt und in dem offenen Zustand der Kupplung 36 von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 entkoppelt. So kann bei geschlossener Kupplung 36 ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine 12 auf die elektrische Maschine 32 übertragen werden, wenn sich die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 in der ersten Drehrichtung schneller dreht als der Rotor der elektrischen Maschine 32.
In der 2 sind eine Mehrzahl von Positionen der elektrischen Maschine 32 gezeigt, in welchen die elektrische Maschine 32 wahlweise angeordnet werden kann. Wie der 2 zu entnehmen ist, ist es möglich, die elektrische Maschine 32 zumindest teilweise auf der Vorgelegewelle 38 anzuordnen. Dabei ist beispielsweise der Rotor der elektrischen Maschine 32 drehfest mit der Vorgelegewelle 38 gekoppelt.
Ebenso kann vorgesehen sein, die elektrische Maschine 32 zumindest teilweise auf der Welle 20 auf Seilen des Schaltgetriebes 30 anzuordnen. Darüber hinaus ist es möglich, die elektrische Maschine 32 zumindest teilweise auf der Welle 20 auf Seiten des Differenzials 28 anzuordnen. Dabei ist beispielsweise der Rotor drehfest mit der Welle 20 gekoppelt.
Ebenso ist es möglich, die elektrische Maschine 32 zumindest teilweise auf einer der Wellen 22 oder 24 anzuordnen. Dabei ist der Rotor der elektrischen Maschine 32 drehfest mit der Welle 22 beziehungsweise mit der Welle 24 verbunden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Rotoren der elektrischen Maschinen 32 mit der jeweils entsprechenden Welle 22 beziehungsweise 24 drehfest gekoppelt sind.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 gemäß den 1 und 2. Wie der 3 zu entnehmen ist, ist der Freilauf 34 zumindest teilweise auf der Abtriebswelle des Schaltgetriebes 30 angeordnet, wobei das erste Freilaufelement drehfest mit der Abtriebswelle des Schaltgetriebes 30 gekoppelt ist. Somit ist bei geschlossener Kupplung 36 das erste Freilaufelement über das Schaltgetriebe 30, die Kupplung 36 und das Schwungrad 16 mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 12 gekoppelt. Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Antriebsstrangs 10, wobei der Freilauf 34 zumindest teilweise auf der Welle 20 angeordnet ist. Dabei ist das erste Freilaufelement drehfest mit der Welle 20 gekoppelt.
Bei dem Antriebsstrang 10 gemäß 1 ist das Schaltgetriebe in einem Drehmomentenfluss von der Verbrennungskraftmaschine durch den Antriebsstrang 10 und damit von der Verbrennungskraftmaschine 12 zu den angetriebenen Rädern 18 stromab der Verbrennungskraftmaschine 12, des Freilaufs 34 und der elektrischen Maschine 32 angeordnet. Demgegenüber ist das Schaltgetriebe 30 der Antriebsstränge 10 gemäß den 2 und 3 stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 und zumindest teilweise stromab des Freilaufs 34, jedoch zumindest teilweise stromauf der elektrischen Maschine 32 angeordnet.
Das Schaltgetriebe 30 des Antriebsstrangs 10 gemäß 4 ist in dem Drehmomentenfluss von der Verbrennungskraftmaschine 12 zu den angetriebenen Rädern 18 stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 und stromauf des Freilaufs 34 und der elektrischen Maschine 32 angeordnet.
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Antriebsstrangs 10 gemäß 4, wobei der Freilauf 34 in die elektrische Maschine 32 integriert ist, welche teilweise auf der Welle 20 auf Seiten des Differenzials 28 angeordnet ist. Durch diese Integration weist der Antriebsstrang 10 einen besonders geringen Bauraumbedarf auf, was zur Vermeidung und/oder zur Lösung von Package-Problemen beiträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005003608 A1 [0002]
DE 102007043737 A1 [0003]
DE 4202083 C2 [0004]

Claims

Antriebsstrang (10) für einen Kraftwagen, insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und mit wenigstens einer elektrischen Maschine (32), mittels welchen der Kraftwagen antreibbar ist und welche zur Übertragung eines Drehmoments über wenigstens eine, um eine Drehachse drehbare Welle des Antriebsstrangs (10) miteinander koppelbar sind, und mit einem Schaltgetriebe (30), über welches der Kraftwagen antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehmomentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine (12) und der elektrischen Maschine (32) eine Freilaufeinrichtung (34) angeordnet ist, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine (12) und die elektrische Maschine (32) in einer ersten Drehrichtung der Welle drehfest miteinander koppelbar und in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung der Welle voneinander drehentkoppelbar sind.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (30) in einem von der Verbrennungskraftmaschine (12) ausgehenden Drehmomentenfluss durch den Antriebsstrang (10) stromab der elektrischen Maschine (32), stromab der Freilaufeinrichtung (34) und stromab der Verbrennungskraftmaschine (12) angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (30) in einem von der Verbrennungskraftmaschine (12) ausgehenden Drehmomentenfluss durch den Antriebsstrang (10) stromauf der elektrischen Maschine (32) und zumindest teilweise stromab der Freilaufeinrichtung (34) angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (30) in einem von der Verbrennungskraftmaschine (12) ausgehenden Drehmomentenfluss durch den Antriebsstrang (10) stromauf der elektrischen Maschine (32) und zumindest teilweise stromauf der Freilaufeinrichtung (34) angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinrichtung (34) in die elektrischen Maschine (32) integriert ist.
Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilaufelement der Freilaufeinrichtung (34) auf einer Eingangswelle des Schaltgetriebes (30) angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilaufelement der Freilaufeinrichtung (34) auf einer Abtriebswelle des Schaltgetriebes (30) angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilaufelement der Freilaufeinrichtung (34) auf der Welle angeordnet ist.
Antriebsstrang (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle als Abtriebswelle, insbesondere als Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine (12) ausgebildet ist.