DE102013206176A1

DE102013206176A1 - Fahrzeugantrieb

Info

Publication number: DE102013206176A1
Application number: DE201310206176
Authority: DE
Inventors: Markus Bichler; Konrad Gagla; Matthias Kohlhauser; Christian Langsenlehner; Christian Milwisch; Dominik Schober
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna PT BV and Co KG
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-09
Also published as: WO2014166745A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrische Maschine, wobei diese beiden Antriebe (EM, ICE) auf eine Welle eines Getriebes einspeisen, wobei Schaltmittel (B-A) vorgesehen sind, durch welche das Antriebsmoment zwischen einer ersten Welle des Getriebes und einer weiteren, mit dem Fahrzeugantrieb gekoppelten Welle des Getriebes in unterschiedlichen Übersetzungen übertragbar ist und eine Momentenübertragung von Verbrennungskraftmaschine (ICE) zur elektrischen Maschine (EM) und von der Verbrennungskraftmaschine (ICE) und/oder der elektrischen Maschine (EM) zur der mit dem Fahrzeugantrieb gekoppelten Welle sowie umgekehrt möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugantrieb, der zumindest einen Verbrennungsmotor, eine Elektromaschine und eine Getriebeeinheit aufweist.
Fahrzeuge, die sowohl elektromotorisch als auch durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden können, bezeichnet man als Hybridfahrzeuge. Derartige Fahrzeuge benötigen spezielle Antriebsstränge. Je nach Bauart ermöglichen sie neben einem reinen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs auch einen durch den Verbrennungsmotor unterstützten elektrischen Antrieb oder auch je nach Ausführung einen rein verbrennungsmotorischen betrieb. D.h. ein Antriebsdrehmoment der Elektromaschine wird bedarfsgerecht durch ein Antriebsdrehmoment des Verbrennungsmotors verstärkt. Hybride Antriebskonzepte können – bei effizienter Bauweise – zu einer erheblichen Kraftstoffeinsparung führen, was in Zeiten steigender Kraftstoffpreise und strenger werdender Abgasnormen ein nicht zu unterschätzendes Kaufargument sein kann.
Die Einbindung einer Elektromaschine in einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs erfolgt herkömmlicherweise durch Getriebe mit einer Vielzahl von Stirnradstufen. Entsprechende Konzepte sind beispielsweise in den Druckschriften DE 199 60 621 B4 , DE 10 2010 063 092 A1 , DE 10 2011 077 594 A1 , DE 10 2011 002 472 A1 und DE 10 2012 103 367 A1 beschrieben. Die bekannten Konzepte sind vergleichsweise aufwändig und umfassen eine Vielzahl von Bauteilen, was sich negativ auf die Effizienz des Antriebstrangs und/oder auf dessen Herstellungskosten auswirkt. Außerdem benötigen sie vergleichsweise viel Bauraum.
Die WO 2012/087700 A1 offenbart ein Modul mit einem Elektromotor zum Antrieb einer Achse eines Fahrzeugs. Eine Zusammenführung der Antriebsdrehmomente eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und des Elektromotors zum gemeinsamen Antrieb einer gemeinsamen Ausgangswelle ist jedoch nicht vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fahrzeugantrieb zu schaffen, der eine effiziente Zusammenführung der Antriebsdrehmomente eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine eines Hybridfahrzeugs ermöglicht.
Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Fahrzeugantrieb weist eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine auf, wobei diese beiden Antriebe auf eine Eingangswelle eines Getriebes einspeisen, wobei Schaltmittel vorgesehen sind, durch welche das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine sowie der elektrischen Maschine zuführbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Kombination unterschiedlich realisierter Betriebsweisen eines Hybridantriebes. Ein elektrisch, verbrennungsmotorisch bzw. kombiniertes Fahren mit mehreren diskreten Gangstufen ist möglich. Die einzelnen für das elektrische, das verbrennungsmotorische bzw. kombinierte Fahren vorzusehenden Übersetzungsbereiche sind individuell wähl- und gestaltbar. Es ist ebenfalls möglich, eine überwiegende elektrische Fahrweise zu realisieren und die Verbrennungskraftmaschine überwiegend bzw. bevorzugt als Range Extender zu betreiben.
Weiterhin lassen sich folgende Eigenschaften in unterschiedlicher Ausprägung realisieren:
Stop/Start, Rekuperation, Elektrisches Fahren, Boost, Lastpunktanhebung der VKM, Segeln;
Verbesserter Komfort durch zugkraftunterbrechungsfreies Schalten;
Hoher Wirkungsgrad durch diskrete Gangstufen mit entsprechender Spreizung (Anfahrzugkraft und hohe Endgeschwindigkeit);
Reichweitenverlängerung durch rein verbrennungsmotorischen, mehrgängigen Fahrantrieb.
Durch die erfindungsgemäßen Schaltmittel lässt sich je nach gewählter Ausführung ein rein elektrischer Fahrbetrieb in diskreten Gangstufen realisieren. Auch ein kombinierter Betrieb des Fahrzeugs mittels elektrischem und durch die Verbrennungskraftmaschine gespeistem Antrieb ist gegeben. Dies kann in Schaltstufen, analog wie bei einem Schaltgetriebe aber auch in variablen Getriebestufen oder auch Übersetzungsbereichen erfolgen. Weiterhin ist es möglich, den Verbrennungsmotor zum Laden der Batterien über die elektrische Maschine (Generatorbetrieb) zu betreiben. Letztlich ist auch Rekuperation möglich, d.h. die Rückführung von Antriebsenergie in elektrische Energie über die elektrische Maschine.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
1 zeigt einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor ICE und einer elektrischen Maschine EM, welche über ein gemeinsames Getriebe auf eine Antriebsachse des Kraftfahrzeuges wirken. Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich ohne Beschränkung um die gelenkte Fahrzeugvorderachse. Die beschriebenen Antriebsarchitekturen können aber auch mit einer ungelenkten Hinterachse verbaut werden.
Der Verbrennungsmotor wirkt über einen Torsionsschwingungsdämpfer TVD und eine Disconnect-Kupplung bzw. eine Trennkupplung C3 auf eine Eingangswelle eines Getriebes mit den Schaltstufen 1. und 3.. Diese Eingangswelle mündet in einer ersten Kupplung C1 einer Doppelkupplung. Die zweite Kupplung C2 dieser Doppelkupplung ist mit einer Schaltstufe 2. verbunden. Die Kupplungen C1, C2 sind mit dem Rotor einer elektrischen Maschine EM verbunden.
Die Getriebestufen 1. und 3. wirken über eine Schaltvorrichtung B-A auf eine gemeinsame Welle, die Vorgelegewelle. Diese gemeinsame Welle steht über ein Verteilergetriebe, meist ausgeführt als Stirmradstufe, mit der Antriebsachse in Verbindung. Über diese Antriebswelle wird das Fahrzeug angetrieben. Durch die Schaltvorrichtung B-A kann das Triebmoment der Eingangswelle über die Getriebestufe 1. oder 3. der Antriebswelle zugeführt werden. Die Getriebestufen 1. und 3. und damit die entsprechend zugeordneten Getriebeübersetzungen können über die Schaltvorrichtung B-A auch freigeschaltet werden, d.h. über diese Stufen erfolgt keine Kopplung. In diesem Fall erfolgt der Momentenfluss von der Eingangswelle über die Kupplung C2 und die Getriebestufe 2. auf die Antriebswelle.
Wie dargestellt kann der Antrieb des Fahrzeuges über die Verbrennungskraftmaschine ICE oder die elektrische Maschine EM erfolgen. Insbesondere kann durch Abkuppeln der Verbrennungskraftmaschine ICE – durch Kupplung C3 – ein rein elektrischer Antrieb erfolgen. Fahren mit Gang 2 im Modus E_2 ermöglicht das Voreinlegen von Gang 1 oder 3. Die Zugkraftunterbrechung während dem Schalten von ICE_1 zu ICE_3 kann mittels motorischen Betrieb der elektrischen Maschine EM über C2 und Gang 2 reduziert werden.
Bei der Ausführung nach 2 wirkt die elektrische Maschine EM über ein Umlaufgetriebe auf die gemeinsame Seite der Doppelkupplung C1, C2.. Durch das Planetenreduktionsgetriebe kann eine hochdrehende EM zum Einsatz kommen, indem die hohe Drehzahl der EM auf das Drehzahlniveau der VKM abgesenkt wird. Ansonsten entspricht das Getriebe dem der Version nach 1.
Fahren mit Gang 2 im Modus E_2 ermöglicht das Voreinlegen von Gang 1 oder 3. Die Zugkraftunterbrechung während dem Schalten von ICE_1 zu ICE_3 kann mittels EM über C2 und Gang 2 reduziert werden.
Die Ausführung nach 3 sieht eine Eingangswelle vor, die direkt mit der Primärseite der Doppelkupplung C1, C2 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine wirkt wie bei 2 über ein Umlaufgetriebe auf die Primärseite der Doppelkupplung C1, C2. Die Doppelkupplung C1, C2 kann so über die elektrische Maschine EM oder die Verbrennungskraftmaschine ICE erfolgen – letztere wird über die Kupplung C3 zugeschaltet.
Die Schaltstufen 1. und 3. werden über die Kupplung C2, die Schaltstufe 2. wird über die Kupplung C1 gekoppelt. Wie zu 1 beschrieben wirken die Getriebestufen 1. und 3. über eine Schaltvorrichtung B-A auf die Antriebswelle, die Schaltstufe 2., das entsprechende Rad ist direkt mit dieser Welle verbunden.
Bei der Ausführung nach 4 ist vorgesehen, die Doppelkupplung C1, C2 sowie die Kupplung C3 mit dem Torsionsschwingungsdämpfer TVD der Verbrennungskraftmaschine ICE kompakt zusammenzuführen. Sowohl die Verbrennungskraftmaschine ICE als auch die elektrische Maschine EM wirken direkt auf die Primärseite der Doppelkupplung C1, C2. Dabei ist der Einsatz einer elektrischen Maschine mit gleichem Drehzahlniveau wie die VKM üblich.
Die Kombination der elektrischen Maschine EM (Antriebselektromaschine) und der Verbrennungskraftmaschinen ICE (VKM) über das Getriebe erlaubt den Betrieb des Fahrzeugs als Parallelhybrid (direkter Durchtrieb der VKM) sowie einen rein elektrischen Betrieb – jeweils in mehreren Gangstufen.
Bei der Ausführung nach 5 weist die elektrische Maschine EM eine Rotorwelle parallel zu der Eingangswelle und der Antriebswelle auf. Die Rotorwelle der elektrischen Maschine wirkt über eine untersetzende Getriebestufe auf die Primärseite der Doppelkupplung C1, C2. In dieser Anordnung kann eine hochdrehende EM zum Einsatz kommen.
Das gezeigte Konzept stellt ein Achsantriebssystem für einen elektrisch dominanten Fahrzeugantrieb mit zusätzlicher Anbindung einer Downsizing-Verbrennungskraftmaschine zur Reichweitenverlängerung dar. Es ist eine Mehrgängigkeit sowohl für den elektrischen, den verbrennungsmotorischen als auch den kombinierten Fahrzeugantrieb gegeben. Die Grundfunktionalitäten wie Stop/Start, elektrisches, verbrennungsmotorisches, kombiniertes Fahren, Lastpunktanhebung, Boost, Rekuperation, Laden, Segeln sind gegeben. Die Doppelkupplung C1/C2 ist beispielsweise elektrohydraulisch betätigt (bevorzugt ist eine elektromechanische Aktuierung möglich). Die elektrische Maschine ist achsparallel zur Getriebezentralachse angeordnet. Die Anbindung der elektrische Maschine EM an das Getriebe (Gehäuse Doppelkupplung) erfolgt über eine Stirnradstufe – bevorzugt kann auch ein Zahnkettentrieb oder Riementrieb vorgesehen sein.
Die Ausführung ist als Zweiwellengetriebe mit koaxialer Anordnung von zwei Getriebeeingangswellen Gang 1 & 3 sowie Gang 2 realisiert. Automatisiertes Schaltelement A-B für Wahl 1. oder 3. Gang via Synchronisierung oder Klauenschaltung. Das Achsdifferential ist insbesondere inkl. Parksperre ausgeführt.
Die Version nach 6 sieht eine Kombination der Doppelkupplung C1, C2 sowie der Kupplung C3 der Verbrennungskraftmaschine ICE nebst Torsionsschwingungsdämpfer TVD vor. Die Rotorwelle der elektrischen Maschine EM verläuft koaxial zu der Eingangswelle und treibt über ein untersetzendes Umlaufgetriebe die Primärseite der Doppelkupplung C1, C2. Die Getriebestufen 1., 2., 3. werden über die Doppelkupplung C1, C2 gespeißt.
Bei der Version nach 7 wirkt die Verbrennungskraftmaschine ICE über eine Kupplung C3 nebst Torsionsschwingungsdämpfer TVD auf eine erste Welle. Auf diese erste Welle treibt auch der Rotor der koaxial dazu angeordneten elektrischen Maschine EM untersetzend über ein Umlaufgetriebe. Die erste Welle ist als Planetenträger des Umlaufgetriebes ausgebildet und mit der Kupplung C3 sowie einer Bremse B1 verbunden. Insbesondere ist der Planetenträger so stillsetzbar, so dass dann die elektrische Maschine EM über die Doppelkupplung C1, C2 und die Getriebestufen 1., 2. auf die Antriebswelle wirkt. Die gemeinsame Primärseite der Doppelkupplung C1, C2 ist als Hohlrad ausgeführt, welche durch die Planeten des Planetenträgers getrieben wird.
Alternativ treibt die Verbrennungskraftmaschine ICE über die Kupplung C3 und geöffneter Bremse B1 die erste Welle, die Welle des Planetenträgers und über das Hohlrad die Doppelkupplung C1, C2.
Die Ausführung nach 8 sieht als Antrieb einen Satz um ein festes Sonnenrad umlaufender Planetenräder vor. Der Träger dieser Planetenräder trägt jeweils einen weiteren Satz Planetenräder, wobei ein Satz dieser Räder der elektrischen Maschine EM, der weitere Satz Planetenräder der Verbrennungskraftmaschine ICE zugeordnet ist. Die beschriebenen Planetenräder wirken dazu jeweils mit einem Sonnenrad zusammen, welches mit der elektrischen Maschine EM bzw. der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist. Den beschriebenen Planetenrädern ist jeweils ein Hohlrad zugeordnet, in welchen diese umlaufen. Die Hohlräder sind über Schaltvorrichtungen A-B bzw. C-D freischaltbar (Neutralstellung), gehäusefest fixierbar oder mit dem eingangs beschriebenen Planetenträger koppelbar. Entsprechend ist so der Momentenfluss und die Einspeisung von Seiten der elektrischen Maschine EM und/oder der Verbrennungskraftmaschine her zu steuern.
Der Antrieb nach der Ausführung 9 sieht eine elektrische Maschine EM vor, welche parallel zu Eingangswelle des Getriebes angeordnet ist und die über eine Untersetzungsstufe in das Getriebe einspeist. Die Verbrennungskraftmaschine ICE speist über die Kupplung C3 sowie den Torsionsdämpfer TVD in das Getriebe. Die Getriebeeingangsseite ist mit einem umlaufenden Wandler UW als leistungsverzweigendes Element versehen, dem außenseitig ein Hohlrad mit einer Bremse B1 zugeordnet ist. Die elektrische Maschine EM speist mittig auf diesen Wandler. Abtriebseitig wirkt der Wandler über eine Schaltvorrichtung B-A auf zwei mit der Antriebswelle verbundene Räder, über welche – je nach gewählter, geschalteter Übersetzung – dann das Antriebsmoment an die Räder weitergeleitet wird.
Die Variante der 10 sieht eine Verbrennungskraftmaschine ICE vor, die über einen Torsionsdämpfer TVD und eine Kupplung C3 in einen umlaufenden Wandler UW als leistungsverzweigendes Element speist. Der umlaufende Wandler UW weist zwei koaxiale Ausgangswellen auf, wobei die elektrische Maschine EM direkt auf eine der Ausgangswellen eintreibt. Die beiden Ausgangswellen wirken über je eine Schaltvorrichtung B-A sowie D-C auf insgesamt vier Übersetzungen 1., 2. eCVT 1., eVCT 2. und über die jeweils gewählte Übersetzung über eine Vorgelegewelle und ein Achsdifferential auf die Antriebsräder des Fahrzeuges. Insbesondere sind so auch zwei stufenlose Getriebebereiche eCVT 1., eVCT 2. schaltbar.
Eine Variante hiervon zeigt die 11. Die eine Ausgangswelle des umlaufenden Wandlers UW als leistungsverzweigendes Element wirkt über eine Schaltvorrichtung B-A auf die Antriebswelle. Die zweite Welle ist mit der elektrischen Maschine EM gekoppelt und speist mittig – über das Sonnenrad – den Wandler. Über eine weitere Schaltvorrichtung D-C ist das Antriebsmoment von diesem Getriebeteil auf die Antriebswelle übertragbar.
12 zeigt eine Variante, bei der die Elektrische Maschine EM und die Verbrennungskraftmaschine ICE von beiden Seiten her auf die Eingangswelle speisen. Über zwei Schaltvorrichtungen B-A sowie D-C kann das Antriebsmoment in insgesamt vier Übersetzungsstufen zu der Antriebswelle der Antriebsräder übertragen werden.
Bezugszeichenliste

EM

elektrische Maschine

ICE

Verbrennungskraftmaschine

C1

Kupplung, Disconnect Kupplung

TVC

Torsionsschwingungsdämpfer

C2, C3

Kupplung, Doppelkupplung

A-B

Schaltvorrichtung

C-D

Schaltvorrichtung

B1

Bremse

UW

umlaufender Wandler, Element Leistungsverzweigung

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 19960621 B4 [0003]
DE 102010063092 A1 [0003]
DE 102011077594 A1 [0003]
DE 102011002472 A1 [0003]
DE 102012103367 A1 [0003]
WO 2012/087700 A1 [0004]

Claims

Fahrzeugantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrische Maschine, wobei diese beiden Antriebe (EM, ICE) auf eine Welle eines Getriebes einspeisen, wobei Schaltmittel (B-A) vorgesehen sind, durch welche das Antriebsmoment zwischen einer ersten Welle des Getriebes und einer weiteren, mit dem Fahrzeugantrieb gekoppelten Welle des Getriebes in unterschiedlichen Übersetzungen übertragbar ist und eine Momentenübertragung von Verbrennungskraftmaschine (ICE) zur elektrischen Maschine (EM) sowie umgekehrt und von der Verbrennungskraftmaschine (ICE) und/oder der elektrischen Maschine (EM) zu der mit dem Fahrzeugantrieb gekoppelten Welle sowie umgekehrt möglich ist.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, Die Verbrennungskraftmaschine (ICE) speist über eine schaltbare Kupplung (C3) eine Getriebewelle, diese ist über eine zweite schaltbare Kupplung (C1, C2) mit der elektrischen Maschine gekoppelt.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die elektrische Maschine (EM) ist über ein Untersetzungsgetriebe, vorzugsweise als Planetengetriebe ausgeführt, mit der ersten Welle des Getriebes gekoppelt.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die erste Welle des Getriebes ist abschnittsweise unterschiedlich antreibbar ausgeführt.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 4, die elektrische Maschine (EM) wirkt über zwei Kupplungen (C1, C2), vorzugsweise als Doppelkupplung ausgeführt, auf die Abschnitte der ersten Welle.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 4 oder 5, zwischen der ersten Getriebewelle und der weiteren Welle des Getriebes sind Übersetzungen realisiert, welche durch wenigstens eine Schaltvorrichtung (A-B, C-D) betätigbar sind.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die Welle der elektrischen Maschine (EM) und die erste Welle des Getriebes verlaufen koaxial.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die Welle der elektrischen Maschine verläuft parallel zu der ersten Welle des Getriebes.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die elektrische Maschine (EM) sowie die Verbrennungskraftmaschine wirken über ein Summiergetriebe auf die erste Getriebewelle.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, die Verbrennungskraftmaschine wirkt über einen Torsionsdämpfer (TVD) auf die erste Getriebewelle.
Fahrzeugantrieb nach Anspruch 1, es ist eine schaltbare Bremse vorgesehen, durch welche ein umlaufendes Getriebeteil stillsetbar ist.