DE102013215114A1 - Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb (1.1–1.10) eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2), eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (3), ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes automatisiertes Schaltgetriebe (4.1–4.6) mit einer Eingangswelle (GE) und mindestens einer Ausgangswelle (GA; GA1, GA2), sowie ein in Planetenbauweise ausgebildetes Überlagerungsgetriebe (5.1, 5.2) mit zwei Eingangselementen (6, 7) und einem Ausgangselement (8) aufweist. Bei diesem Hybridantrieb ist vorgesehen, dass das Überlagerungsgetriebe koaxial über einem freien Ende (9, 9’) der Ausgangswelle (GA; GA2) angeordnet ist, und dass das erste Eingangselement (6) des Überlagerungsgetriebes drehfest mit einer koaxial über der Ausgangswelle angeordneten Hohlwelle (10) verbunden ist, die zur Ankopplung des Verbrennungsmotors (VM) über ein Koppelschaltelement (K) drehfest mit einem Losrad (11, 12) der unmittelbar axial benachbarten Stirnradstufe (Z2, Z3) des Schaltgetriebes sowie zur Überbrückung des Überlagerungsgetriebes über ein Überbrückungsschaltelement (L, L’) drehfest mit dem zweiten Eingangselement (7) oder dem Ausgangselement (8) des Überlagerungsgetriebes verbindbar ist, dass das zweite Eingangselement (7) des Überlagerungsgetriebes permanent mit dem Rotor (3) der Elektromaschine (EM) in Triebverbindung steht, und dass das Ausgangselement (8) des Überlagerungsgetriebes drehfest mit der Ausgangswelle verbunden ist.
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, ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes automatisiertes Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle und mindestens einer Ausgangswelle, sowie ein in Planetenbauweise ausgeführtes Überlagerungsgetriebe mit zwei Eingangselementen und einem Ausgangselement aufweist, wobei die Eingangswelle des Schaltgetriebes über eine Trennkupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und über mehrere selektiv schaltbare Stirnradstufen mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar ist, und wobei die Triebwelle des Verbrennungsmotors und der Rotor der Elektromaschine über das Überlagerungsgetriebe triebtechnisch mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes verbindbar sind.
- Es ist allgemein bekannt, dass bei einem Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug ein in Planetenbauweise ausgebildetes Überlagerungsgetriebe zur Überlagerung der Drehmomente und Drehzahlen eines Verbrennungsmotors und einer Elektromaschine genutzt werden kann. Gegenüber anderen Bauarten von Überlagerungsgetrieben weist ein Planetengetriebe den Vorteil kompakter Abmessungen und ausgeglichener Lagerkräfte der Getriebekomponenten auf.
- In der
DE 199 34 696 A1 ist eine als elektrodynamisches Antriebssystem (EDA) bezeichnete Kombination eines Verbrennungsmotors, einer Elektromaschine und eines Überlagerungsgetriebes beschrieben, die einem in Vorgelegebauweise ausgeführten Schaltgetriebe antriebstechnisch vorgeordnet ist und ein verschleißfreies Anfahren ermöglicht. In einer ersten Ausführungsform dieses Hybridantriebs gemäß der dortigen1 ist das Überlagerungsgetriebe als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist drehfest mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden und bildet das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist drehfest mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden und bildet das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Der Planetenträger des Planetengetriebes ist drehfest mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes verbunden und bildet das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes. - Bei diesem Hybridantrieb erfolgt das verschleißfreie Anfahren dadurch, dass bei weitgehend konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors die Elektromaschine zunächst im Generatorbetrieb mit ansteigendem Schleppmoment bis zum Erreichen des Rotorstillstands gesteuert und dann im Motorbetrieb mit umgekehrter Drehrichtung bis zum Erreichen des Gleichlaufs der Getriebekomponenten des Planetengetriebes beschleunigt wird. Mit dem Erreichen des Gleichlaufs im Planetengetriebe wird eine zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger angeordnete Überbrückungskupplung geschlossen, so dass das Planetengetriebe im weiteren Verlauf eines verbrennungsmotorischen Fahrbetriebs im Block umläuft. Die Elektromaschine kann in diesem Betriebszustand für einen Boostbetrieb als Motor betrieben werden, zur Ladung eines elektrischen Energiespeichers als Generator betrieben werden, oder kraftlos geschaltet werden. Sofern die Triebwelle des Verbrennungsmotors über eine aus- und einrückbare Trennkupplung mit dem Hohlrad des Planetengetriebes verbunden ist, kann der Verbrennungsmotor auch abgekoppelt und abgestellt werden, um einen reinen Elektrofahrbetrieb zu ermöglichen. Das Schaltgetriebe dieses Hybridantriebs kann unverändert auch für einen konventionellen Antrieb verwendet werden, bei dem das Anfahren mit dem Verbrennungsmotor verschleißbehaftet über den Schlupfbetrieb einer als Reibkupplung ausgebildeten Trennkupplung erfolgt.
- In Aufbau und Funktion ähnliche, ebenfalls einem Schaltgetriebe zugeordnete Anordnungen eines Verbrennungsmotors, einer Elektromaschine und eines Überlagerungsgetriebes sind auch aus der
US 5 839 533 A und derDE 10 2004 005 349 A1 bekannt. - Im Unterschied zu den vorgenannten Hybridantrieben ist in der
DE 10 2007 042 949 A1 ein Hybridantrieb beschrieben, bei dem eine Anordnung eines Verbrennungsmotors, einer Elektromaschine und eines Überlagerungsgetriebes einem in Vorgelegebauweise ausgeführten Schaltgetriebe mit zwei Eingangswellen und einer gemeinsamen Ausgangswelle antriebstechnisch vorgeschaltet ist. Das Überlagerungsgetriebe ist wiederum als ein einfaches Planetengetriebe ausgebildet. - Das Hohlrad des Planetengetriebes ist drehfest mit der ersten Eingangswelle des Schaltgetriebes verbunden, die eingangsseitig über eine als Reibkupplung ausgebildete Trennkupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden und getriebeintern selektiv über eine erste Gruppe schaltbarer Stirnradstufen mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes in Antriebsverbindung bringbar ist. Das Hohlrad des Planetengetriebes bildet somit das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist drehfest mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden und bildet daher das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Der Planetenträger des Planetengetriebes ist drehfest mit der zweiten Eingangswelle des Schaltgetriebes verbunden, welche als Hohlwelle ausgebildet ist, koaxial über der ersten Eingangswelle angeordnet ist, und getriebeintern selektiv über eine zweite Gruppe schaltbarer Stirnradstufen mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes in Triebverbindung bringbar ist. Der Planetenträger des Planetengetriebes bildet demnach das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes.
- Bei diesem Hybridantrieb kann das Anfahren mit einer geschalteten Stirnradstufe der zweiten Gruppe wie bei den zuvor beschriebenen Hybridantrieben verschleißfrei erfolgen. Im normalen Fahrbetrieb sind die beiden Eingangswellen über ein Koppelschaltelement drehfest miteinander verbunden, wodurch auch das Planetengetriebe in sich blockiert ist, also im Block umläuft. Zusätzlich besteht bei diesem Hybridantrieb die Möglichkeit, bei einer Schaltung zwischen zwei Stirnradstufen beider Gruppen, die Schaltkupplung der Stirnradstufe des Zielgangs bei geöffnetem Koppelschaltelement mittels der Elektromaschine zu synchronisieren. Ein derartiges Schaltgetriebe kann aus einem Doppelkupplungsgetriebe abgeleitet werden, bei dem anstelle der Elektromaschine und des Überlagerungsgetriebes eine als Reibkupplung ausgebildete zweite Trennkupplung vorgesehen ist, über welche die zweite Eingangswelle mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbindbar ist.
- In Aufbau und Funktion ähnliche, einem Schaltgetriebe mit zwei Eingangswellen und einer Ausgangswelle antriebstechnisch vorgeschaltete Anordnungen eines Verbrennungsmotors, einer Elektromaschine und eines Überlagerungsgetriebes sind auch aus der
US 6 645 105 B2 und derDE 10 2006 059 591 A1 bekannt. - Im Unterschied zu den vorgenannten Hybridantrieben sind in der
DE 10 2010 030 567 A1 und derDE 10 2010 043 354 A1 Hybridantriebe beschrieben, bei denen ein in Vorgelegebauweise ausgebildetes Schaltgetriebe, das zur antriebstechnischen Anbindung einer Elektromaschine mit einem in Planetenbauweise ausgebildeten Überlagerungsgetriebe kombiniert ist, jeweils speziell für die Verwendung in einem Hybridantrieb ausgelegt ist. - In einer ersten Ausführungsform des Hybridantriebs der
DE 10 2010 030 567 A1 gemäß der dortigen1 sind die beiden Eingangswellen koaxial sowie axial benachbart zueinander angeordnet und über ein Koppelschaltelement drehfest miteinander verbindbar. Die erste Eingangswelle ist über eine als Reibkupplung ausgebildete Trennkupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbindbar sowie über eine schaltbare Stirnradstufe mit der Ausgangswelle in Antriebsverbindung bringbar. Das als einfaches Planetengetriebe ausgebildete Überlagerungsgetriebe ist koaxial und axial benachbart zu der zweiten Eingangswelle angeordnet. Das Hohlrad dieses Planetengetriebes ist drehfest mit der zweiten Eingangswelle des Schaltgetriebes verbunden, welche über ein Koppelschaltelement drehfest mit der ersten Eingangswelle verbindbar und über eine schaltbare Stirnradstufe mit der Ausgangswelle in Antriebsverbindung bringbar ist. Das Hohlrad des Planetengetriebes bildet somit das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist drehfest mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden und bildet daher das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes. Der Planetenträger des Planetengetriebes ist über ein Überbrückungsschaltelement drehfest mit der zweiten Eingangswelle des Schaltgetriebes verbindbar und über eine weitere schaltbare Stirnradstufe mit der Ausgangswelle in Antriebsverbindung bringbar. Der Planetenträger des Planetengetriebes bildet demnach das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes. - Dieser bekannte Hybridantrieb weist neben der Möglichkeit des verschleißfreien Anfahrens drei Gänge für den verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb und zwei Gänge für den elektromotorischen Fahrbetrieb auf. Ebenso besteht die Möglichkeit zur Standladung eines elektrischen Energiespeichers mittels des Verbrennungsmotors und eines Motorstarts des Verbrennungsmotors mittels der Elektromaschine. Als Nachteile dieses Hybridantriebs können die geringe Anzahl der im Verbrennungsfahrbetrieb verfügbaren Gangstufen sowie der aufgrund der Schleppverluste der Stirnradstufen niedrige Übertragungswirkungsgrad im Elektrofahrbetrieb genannt werden.
- Bei dem Hybridantrieb gemäß der
DE 10 2010 043 354 A1 ist ein als einfaches Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe innerhalb des in Vorgelegebauweise ausgeführten, zwei Eingangswellen und eine Ausgangswelle aufweisenden Schaltgetriebes angeordnet. Die erste Eingangswelle des Schaltgetriebes ist achsparallel zu der Ausgangswelle angeordnet, über eine als Reibkupplung ausgebildete Trennkupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden, und über zwei jeweils nur aus Losrädern bestehende Stirnradstufen mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes in Antriebsverbindung bringbar. Die zweite Eingangswelle des Schaltgetriebes ist achsparallel zu der ersten Eingangswelle und der Ausgangswelle angeordnet, drehfest mit dem Rotor einer Elektromaschine verbunden, und über zwei jeweils ebenfalls nur aus Losrädern bestehende Stirnradstufen mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes in Antriebsverbindung bringbar. Die Stirnradstufen der ersten Eingangswelle und der zweiten Eingangswelle sind in identischen beziehungsweise nahezu identischen Zahnradebenen angeordnet und nutzen in einem Fall ein gemeinsames, auf der Ausgangswelle angeordnetes Losrad. Im anderen Fall sind die auf der Ausgangswelle angeordneten Losräder der beiden Stirnradstufen drehfest miteinander verbunden. Das als einfaches Planetengetriebe ausgebildete Überlagerungsgetriebe ist zwischen den beiden Zahnradebenen koaxial über der Ausgangswelle angeordnet. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist drehfest mit den zwei drehfest miteinander verbundenen Losrädern der ersten Zahnradebene verbunden, die über jeweils ein Schaltelement mit der ersten Eingangswelle oder der zweiten Eingangswelle in Triebverbindung bringbar und über ein weiteres Schaltelement unmittelbar drehfest mit der Ausgangswelle verbindbar sind. Das Hohlrad des Planetengetriebes kann somit das erste Eingangselement oder das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes bilden. Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist über ein Schaltelement drehfest mit dem gemeinsamen Losrad der zweiten Zahnradebene verbindbar, das über jeweils ein Schaltelement mit der ersten Eingangswelle oder der zweiten Eingangswelle in Triebverbindung bringbar und über ein weiteres Schaltelement unmittelbar drehfest mit der Ausgangswelle verbindbar sind. Das Sonnenrad des Planetengetriebes kann daher ebenfalls das erste Eingangselement oder das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes bilden. Der Planetenträger ist drehfest mit der Ausgangswelle verbunden und bildet demnach das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes. - Dieser bekannte Hybridantrieb weist neben der Möglichkeit des verschleißfreien Anfahrens sieben Gänge für den verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb, darunter vier Windungsgänge, und sieben Gänge für den elektromotorischen Fahrbetrieb, darunter auch vier Windungsgänge, auf. Auch bei diesem Hybridantrieb besteht die Möglichkeit zur Standladung eines elektrischen Energiespeichers über den Verbrennungsmotor und eines Motorstarts des Verbrennungsmotors über die Elektromaschine. Nachteilig bei diesem Hybridantrieb sind jedoch die hohe Gesamtanzahl der benötigten Schaltelemente, die große Anzahl der für die meisten Gänge jeweils aus- und einzurückenden Schaltelemente, und der schlechte Übertragungswirkungsgrad in den Windungsgängen.
- Aufgrund der Nachteile der vorgenannten Hybridantriebe liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Bauart vorzuschlagen, der eine ausreichend hohe Anzahl von Gängen für den verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb und mindestens zwei Gänge mit hohem Übertragungswirkungsgrad für den elektromotorischen Fahrbetrieb aufweist, und dessen Schaltgetriebe mit geringen Änderungen aus einem konventionellen Schaltgetriebe abgeleitet werden kann.
- Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Überlagerungsgetriebe koaxial über einem freien Ende der Ausgangswelle angeordnet ist, und dass das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes drehfest mit einer koaxial über der Ausgangswelle angeordneten Hohlwelle verbunden ist, die zur Ankopplung des Verbrennungsmotors über ein Koppelschaltelement drehfest mit einem Losrad der unmittelbar axial benachbarten Stirnradstufe des Schaltgetriebes sowie zur Überbrückung des Überlagerungsgetriebes über ein Überbrückungsschaltelement drehfest mit dem zweiten Eingangselement oder mit dem Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes verbindbar ist, dass das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes permanent mit dem Rotor der Elektromaschine in Antriebsverbindung ist, und dass das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes drehfest mit der Ausgangswelle verbunden ist.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebs sind in den Unteransprüchen angegeben. In einem unabhängigen Verfahrensanspruch ist ein Verfahren zur ruckfreien Zuschaltung des Verbrennungsmotors im Elektrofahrbetrieb definiert.
- Die Erfindung geht demnach aus von einem an sich bekannten Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor mit einer Triebwelle, eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine mit einem Rotor, ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes automatisiertes Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle und mindestens einer Ausgangswelle, sowie ein in Planetenbauweise ausgeführtes Überlagerungsgetriebe mit zwei Eingangselementen und einem Ausgangselement aufweist. Die Eingangswelle des Schaltgetriebes ist eingangsseitig über eine steuerbare Trennkupplung mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors verbunden und getriebeseitig über mehrere selektiv schaltbare Stirnradstufen mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes in Antriebsverbindung bringbar, wodurch mehrere Gangstufen für den verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb zur Verfügung stehen. Zudem sind die Triebwelle des Verbrennungsmotors und der Rotor der Elektromaschine über das Überlagerungsgetriebe antriebstechnisch mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes verbindbar, wodurch ein verschleißfreies Anfahren wie mit dem aus der
DE 199 34 696 A1 bekannten elektrodynamischen Antriebssystem möglich ist. - Im Unterschied zu den bislang bekannten Hybridantrieben ist das in Planetenbauweise ausgeführte Überlagerungsgetriebe bei dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb am Rand beziehungsweise außerhalb des Schaltgetriebes an dessen Ausgangswelle angeordnet und antriebstechnisch an diese angebunden. Für die Schaffung des vorliegend vorgeschlagenen Hybridantriebs kann somit auf einen aus dem Verbrennungsmotor und dem Schaltgetriebe bestehenden konventionellen Antrieb zurückgegriffen werden, bei dem durch geringe Änderungen die Möglichkeit geschaffen wird, an einem entsprechend verlängerten freien Ende der Ausgangswelle das Überlagerungsgetriebe und die mit diesem in Triebverbindung stehende Elektromaschine anzuordnen. Für das verschleißfreie Anfahren wird die Triebwelle des Verbrennungsmotors durch das Einrücken des Koppelschaltelements über die axial benachbarte Stirnradstufe und die Hohlwelle an das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes angebunden. Bei eingerücktem Überbrückungsschaltelement ist das Überlagerungsgetriebe in sich blockiert, so dass die Ausgangswelle des Schaltgetriebes dann alleine durch die Elektromaschine angetrieben werden kann.
- Da für den Elektrofahrbetrieb zumindest eine weitere Gangstufe vorteilhaft ist, ist das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes oder die Hohlwelle zur Schaltung einer zwischen dem Rotor der Elektromaschine und der Ausgangswelle des Schaltgetriebes wirksamen zweiten Gangstufe über ein Arretierungsschaltelement gehäusefest arretierbar. Durch das Arretierungsschaltelement wird das Überlagerungsgetriebe somit zu einem zweistufigen Schaltgetriebe für den Elektrofahrbetrieb. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes weist die zweite Gangstufe eine Übersetzung auf, die absolut größer als Eins ist und somit für den niedrigeren Gang des Elektrofahrbetriebs vorgesehen ist.
- Die Elektromaschine kann Platz sparend koaxial zu der Ausgangswelle des Schaltgetriebes axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe angeordnet sein, wobei der Rotor der Elektromaschine unmittelbar drehfest mit dem zweiten Eingangselement des Überlagerungsgetriebes verbunden sein kann.
- Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Elektromaschine koaxial zu der Ausgangswelle des Schaltgetriebes axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, dass der Rotor der Elektromaschine aber über eine axial zwischen dem Überlagerungsgetriebe und der Elektromaschine angeordnete, als Planetengetriebestufe ausgebildete Untersetzungsstufe mit dem zweiten Eingangselement des Überlagerungsgetriebes in Triebverbindung steht. Durch die Untersetzungsstufe wird die Drehzahl der Elektromaschine reduziert und deren Drehmoment entsprechend erhöht, so dass die Elektromaschine höher drehend sowie drehmomentschwächer und damit kleiner sowie leichter als bei einer unmittelbaren Anbindung an das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes ausgebildet sein kann. Durch die Anordnung der Untersetzungsstufe muss allerdings eine Vergrößerung der axialen Baulänge des Hybridantriebs in Kauf genommen werden.
- Bei einer hinsichtlich der axialen Baulänge günstigeren Anordnung der Elektromaschine und der Untersetzungsstufe ist vorgesehen, dass die Elektromaschine achsparallel zu der Ausgangswelle des Schaltgetriebes radial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, und dass der Rotor der Elektromaschine über eine als Stirnradgetriebestufe ausgebildete Untersetzungsstufe mit dem zweiten Eingangselement des Überlagerungsgetriebes in Triebverbindung steht.
- Um im Elektrofahrbetrieb einen hohen Übertragungswirkungsgrad und damit bei begrenzter Speicherkapazität eines zugeordneten elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs eine größere Reichweite zu erzielen, sind die Festräder aller Stirnradstufen des Schaltgetriebes drehfest auf der Eingangswelle angeordnet. Dadurch sind die Losräder der Stirnradstufen des Schaltgetriebes zwangsläufig auf der Ausgangswelle beziehungsweise auf den Ausgangswellen angeordnet, wodurch die Stirnradstufen im Elektrofahrbetrieb nicht angetrieben und entsprechende Wälz- und Schleppverluste vermieden werden.
- Grundsätzlich ist derjenige Gang des Schaltgetriebes, dessen Stirnradstufe unmittelbar axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, über das zugeordnete Gangschaltelement drehfest mit der Ausgangswelle sowie über das Koppelschaltelement drehfest mit der Hohlwelle verbindbar. Vorteilhaft ist es jedoch auch möglich, dass dieser Gang nur über das Koppelschaltelement und über das Überbrückungsschaltelement schaltbar ist, da in diesem Fall das zugeordnete Gangschaltelement weggelassen und entsprechend Bauraum sowie Herstellkosten eingespart werden können.
- Darüber hinaus kann auch derjenige Gang des Schaltgetriebes, dessen Stirnradstufe als nächste axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, über das zugeordnete Gangschaltelement und über das Überbrückungsschaltelement schaltbar sein, wobei das betreffende Gangschaltelement dann zusammen mit dem Koppelschaltelement in einem Doppelschaltelement zusammengefasst ist.
- Das Koppelschaltelement und/oder das Überbrückungsschaltelement und/oder das Arretierungsschaltelement sind bevorzugt jeweils als eine unsynchronisierte Klauenkupplung ausgebildet, da diese Schaltelemente mittels der Elektromaschine synchronisiert werden können. Im Vergleich zu einer Synchronkupplung oder einer Reibkupplung ist eine Klauenkupplung kostengünstiger herstellbar, weitgehend verschleißfrei, kompakter und einfacher steuerbar.
- Zumindest das Überbrückungsschaltelement kann jedoch auch als eine Reibkupplung ausgebildet sein, da dann im Elektrofahrbetrieb Zugschaltungen als Lastschaltungen durchgeführt werden können. Bei einer Zughochschaltung wird das Überbrückungsschaltelement so weit geschlossen, bis das Arretierungsschaltelement weitgehend lastfrei ist. Nach dem Ausrücken des Arretierungsschaltelementes wird das Überbrückungsschaltelement vollständig geschlossen. Bei einer Zugrückschaltung wird das Überbrückungsschaltelement bis in den Übergang in den Schlupfbetrieb geöffnet, wodurch die Elektromaschine aufgrund ihrer Entlastung hochdreht. Bei Erreichen der Synchrondrehzahl an dem Arretierungsschaltelement wird dieses eingerückt, und danach das Überbrückungsschaltelement vollständig geöffnet.
- Es ist jedoch auch möglich, dass das Überbrückungsschaltelement und das Arretierungsschaltelement als Reibkupplungen ausgebildet sind, da dann Zugschaltungen und Schubschaltungen im Elektrofahrbetrieb als Lastschaltungen durchgeführt werden können. In diesem Fall wird bei Zughochschaltungen und Zugrückschaltungen wie auch bei Schubhochschaltungen und Schubrückschaltungen zeitlich überschnitten das Schaltelement der vor der Schaltung wirksamen Lastgangstufe geöffnet und das Schaltelement der nach der Schaltung wirksamen Zielgangstufe geschlossen.
- Für die praktische Ausführung des Überlagerungsgetriebes kommen unterschiedliche Bauformen von Planetengetrieben in Frage. Aufgrund der einfach aufgebauten und kompakten Bauweise ist das Überlagerungsgetriebe jedoch bevorzugt als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet ist. Bei diesem Planetengetriebe ist das Sonnenrad das drehfest mit der Hohlwelle verbundene erste Eingangselement, der Planetenträger das drehfest mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes verbundene Ausgangselement, und das Hohlrad das mit dem Rotor der Elektromaschine in Antriebsverbindung stehende zweite Eingangselement.
- Bei dieser Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes beträgt die bei geschlossenem Arretierungsschaltelement in der niedrigeren Gangstufe des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des dann als Schaltgetriebe wirksamen Planetengetriebes zwischen 1,25 und 1,67, wogegen die bei geschlossenem Überbrückungsschaltelement in der höheren Gangstufe des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes gleich Eins ist. Für die Ermittlung der Gesamtübersetzung der Gangstufen des Elektrofahrbetriebs müssen diese Übersetzungen gegebenenfalls noch mit der Übersetzung der Untersetzungsstufe multipliziert werden, über die der Rotor der Elektromaschine mit dem zweiten Eingangselement des Überlagerungsgetriebes in Antriebsverbindung ist.
- Das Überbrückungsschaltelement und das Arretierungsschaltelement sind bei dieser Ausführungsform des Überlagerungsgetriebes Platz sparend und schaltungstechnisch günstig axial hintereinander zwischen dem Koppelschaltelement und dem Überlagerungsgetriebe angeordnet. Bei der Ausführung der betreffenden Schaltelemente als Synchronkupplungen oder als Klauenkupplungen können diese auch in einem Doppelschaltelement zusammengefasst sein.
- Zur Herstellung einer abtriebsfreien, also vortriebslosen, Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle des Verbrennungsmotors und dem Rotor der Elektromaschine, die im Generatorbetrieb der Elektromaschine für eine Standladung eines elektrischen Energiespeichers durch den Verbrennungsmotor sowie im Motorbetrieb der Elektromaschine für ein Starten des Verbrennungsmotors durch die Elektromaschine genutzt werden kann, ist der Planetenträger des Überlagerungsgetriebes über ein ausrückbares und einrückbares Trennschaltelement mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes verbunden. Für die Herstellung dieser Antriebsverbindung werden das Koppelschaltelement und das Überbrückungsschaltelement eingerückt beziehungsweise geschlossen sowie das Trennschaltelement ausgerückt.
- In einer zweiten Ausführungsvariante des Hybridantriebs gemäß der Erfindung ist das Überlagerungsgetriebe als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und einem Hohlrad ausgebildet, dessen Sonnenrad das mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung stehende zweite Eingangselement, dessen Planetenträger das drehfest mit der Ausgangswelle des Schaltgetriebes verbundene Ausgangselement, und dessen Hohlrad das drehfest mit der Hohlwelle verbundene erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes bildet. Bei dieser Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes liegt die bei geschlossenem Arretierungsschaltelement in der niedrigeren Gangstufe des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes zwischen 2,5 und 5,0, wogegen die bei geschlossenem Überbrückungsschaltelement in der höheren Gangstufe des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes gleich Eins ist.
- Das Überbrückungsschaltelement und das Arretierungsschaltelement sind bei dieser Ausführungsvariante des Überlagerungsgetriebes bevorzugt Platz sparend radial gestaffelt neben und/oder über dem Überlagerungsgetriebe angeordnet.
- Um bei dieser Ausführungsvariante des Überlagerungsgetriebes die Herstellung einer abtriebsfreien, also vortriebslosen Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle des Verbrennungsmotors und dem Rotor der Elektromaschine zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Rotor der Elektromaschine oder das Abtriebsrad der Untersetzungsstufe über ein Doppelschaltelement wechselweise mit dem Hohlrad oder mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbindbar ist. Die Schaltverbindung des Rotors der Elektromaschine oder des Abtriebsrades der Untersetzungsstufe mit dem als zweites Eingangselement des Überlagerungsgetriebes wirksamen Sonnenrad des Planetengetriebes entspricht dem Normalbetrieb, wogegen bei geschalteter Verbindung mit dem als erstes Eingangselement des Überlagerungsgetriebes wirksamen Hohlrad des Planetengetriebes und eingerücktem Koppelschaltelement die abtriebsfreie beziehungsweise vortriebsfreie Triebverbindung zwischen der Triebwelle des Verbrennungsmotors und dem Rotor der Elektromaschine hergestellt ist.
- Im Elektrofahrbetrieb erfolgt der Kraftfluss bei geschlossenem Arretierungsschaltelement über die erste Gangstufe des Planetengetriebes oder bei geschlossenem Überbrückungsschaltelement über die zweite Gangstufe des Planetengetriebes, welches in dieser Betriebsart des Hybridantriebs als zweistufiges Schaltgetriebe wirksam ist. Wenn dann das Zuschalten des Verbrennungsmotors erforderlich ist, welches beispielsweise aufgrund eines weitgehend entladenen elektrischen Energiespeichers der Fall sein kann, wird zunächst der Verbrennungsmotor gestartet, was mittels eines zugeordneten Anlassers oder bei einem eingelegten Gangsschaltelement einer Stirnradstufe des Schaltgetriebes durch das Schließen der Trennkupplung, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Erhöhung des von der Elektromaschine abgegebenen Drehmomentes, durch einen Impulsstart erfolgen kann.
- Um den laufenden Verbrennungsmotor weitgehend ruckfrei anzukoppeln, sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:
- a) Einrücken der Gangschaltkupplung der Stirnradstufe des niedrigsten Gangs des Schaltgetriebes,
- b) Lastübernahme durch den Verbrennungsmotor durch teilweises Schließen der Trennkupplung und gleichzeitiger Lastabbau der Elektromaschine,
- c) lastfreies Öffnen des Schaltelementes der im Überlagerungsgetriebe eingelegten Gangstufe,
- d) Synchronisieren des Koppelschaltelementes durch eine entsprechende Drehzahländerung der Elektromaschine und lastfreies Schließen des Koppelschaltelementes,
- e) Lastaufbau der Elektromaschine und gleichzeitiger Lastabbau des Verbrennungsmotors,
- f) lastfreies Ausrücken der Gangschaltkupplung der Stirnradstufe des niedrigsten Gangs des Schaltgetriebes,
- g) Synchronisieren der Trennkupplung durch eine entsprechende Drehzahländerung der Elektromaschine und/oder des Verbrennungsmotors,
- h) vollständiges Schließen der Trennkupplung und Übergang in den eingangs erläuterten EDA-Fahrbetrieb.
- Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
-
1 eine erste Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
1a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß1 in Form einer Tabelle, -
2 eine zweite Ausführungsform eines Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
2a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß2 in Form einer Tabelle, -
3 eine dritte Ausführungsform eines Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
4 eine vierte Ausführungsform eines Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
5 eine fünfte Ausführungsform eines Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
5a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß5 in Form einer Tabelle, -
6 eine sechste Ausführungsform eines Hybridantriebs in einer schematischen Darstellung, -
6a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß6 in Form einer Tabelle, -
7 eine siebte Ausführungsform eines in einer schematischen Darstellung, -
7a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß7 in Form einer Tabelle, -
8 eine achte Ausführungsform eines Hybridantriebs gemäß in einer schematischen Darstellung, -
8a ein Betriebs- und Schaltschema des Hybridantriebs gemäß8 in Form einer Tabelle, -
9 eine neunte Ausführungsform eines Hybridantriebs gemäß in einer schematischen Darstellung, und -
10 eine zehnte Ausführungsform eines Hybridantriebs gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung. - Die in
1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.1 weist einen Verbrennungsmotor VM mit einer Triebwelle2 , eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine EM mit einem Rotor3 , ein in Vorgelegebauweise ausgebildetes automatisiertes Schaltgetriebe4.1 mit einer Eingangswelle GE und einer Ausgangswelle GA, sowie ein in Planetenbauweise ausgeführtes Überlagerungsgetriebe5.1 mit zwei Eingangselementen6 ,7 und einem Ausgangselement8 auf. - Die Eingangswelle GE des Schaltgetriebes
4.1 ist eingangsseitig über eine als Reibkupplung ausgebildete Trennkupplung K1 mit der Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM verbunden. Getriebeintern ist die Eingangswelle GE des Schaltgetriebes4.1 über vier selektiv schaltbare Stirnradstufen Z1, Z2, Z3, Z4, die jeweils aus einem Festrad14 ,15 ,16 ,17 und einem Losrad bestehen, mit der Ausgangswelle GA in Antriebsverbindung bringbar. Die Festräder14 –17 der vier Stirnradstufen Z1–Z4 sind drehfest mit der Eingangswelle GE verbunden. Die Losräder der Stirnradstufen Z1–Z4 sind drehbar auf der Ausgangswelle GA gelagert und über zugeordnete Gangschaltelemente A, B, C, D drehfest mit dieser verbindbar. Die Gangschaltelemente A–D sind paarweise in zwei Doppelschaltelementen S1, S2 zusammengefasst. Durch die vier Stirnradstufen Z1–Z4 weist das Schaltgetriebe4.1 vier schaltbare Gänge G1, G2, G3, G4 auf. Die Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 steht über eine zwei Zahnräder umfassende Ausgangskonstante KA mit einem Achsdifferenzial21 in Triebverbindung, von dem aus zwei Antriebswellen22 ,23 zu in1 nicht dargestellten Antriebsrädern der betreffenden Fahrzeugsachse führen. - Das Überlagerungsgetriebe
5.1 ist koaxial über dem von dem Verbrennungsmotor VM abgewandten freien Ende9 der Ausgangswelle GA angeordnet und als ein einfaches Planetengetriebe PG mit einem Sonnenrad S, einem mehrere Planetenräder P tragenden Planetenträger T und einem Hohlrad R ausgebildet. - Das Sonnenrad S des Planetengetriebes PG beziehungsweise des Überlagerungsgetriebes
5.1 ist drehfest mit einer Hohlwelle10 verbunden, die koaxial über der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 angeordnet und über ein Koppelschaltelement K drehfest mit dem Losrad11 der unmittelbar axial benachbarten Stirnradstufe Z2 verbindbar ist. Das Koppelschaltelement K bildet vorliegend ein Einzelschaltelement S3. Da die Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM bei geschlossener Trennkupplung K1 und eingerücktem Koppelschaltelement K über die Eingangswelle GE und die Stirnradstufe Z2 des zweiten Gangs G2 mit der Hohlwelle10 in Antriebsverbindung ist, bildet das Sonnenrad S des Planetengetriebes PG das erste Eingangselement6 des Überlagerungsgetriebes5.1 . Der Planetenträger T des Planetengetriebes PG ist drehfest mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 verbunden und bildet somit das Ausgangselement8 des Überlagerungsgetriebes5.1 . - Die Elektromaschine EM ist achsparallel zu der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes
4.1 und dem Planetengetriebe PG angeordnet. Der Rotor3 der Elektromaschine EM steht über eine zwei Zahnräder umfassende Untersetzungsstufe KEM mit dem Hohlrad R des Planetengetriebes PG in Antriebsverbindung. Das Hohlrad R des Planetengetriebes PG bildet demnach das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 . Durch die Untersetzungsstufe KEM wird die Drehzahl der Elektromaschine EM reduziert und deren Drehmoment entsprechend erhöht, so dass die Elektromaschine EM höherdrehend sowie drehmomentschwächer und damit kleiner sowie leichter als bei einer unmittelbaren antriebswirksamen Anbindung an das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 ausgebildet werden kann. - Zusätzlich ist das Hohlrad R des Planetengetriebes PG über ein Überbrückungsschaltelement M drehfest mit der Hohlwelle
10 verbindbar. Bei eingerücktem Überbrückungsschaltelement M ist das Planetengetriebe PG in sich blockiert und läuft als Block um. Über ein Arretierungsschaltelement L, das zusammen mit dem Überbrückungsschaltelement M in einem Doppelschaltelement S4 zusammengefasst ist, kann die Hohlwelle10 und das mit dieser drehfest verbundene Sonnenrad S des Planetengetriebes PG gehäusefest arretiert werden. Neben der Funktion eines Überlagerungsgetriebes zur antriebstechnischen Kopplung des Verbrennungsmotors VM und der Elektromaschine EM mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 hat das Planetengetriebe PG somit auch die Funktion eines zweistufigen Schaltgetriebes für den Elektrofahrbetrieb, bei dem der Antrieb des Kraftfahrzeugs nur über die Elektromaschine EM erfolgt. Vorliegend ist die erste Gangstufe E1 des Elektrofahrbetriebs mit einer Übersetzung größer als Eins bei eingerücktem Arretierungsschaltelement L eingelegt, wogegen die zweite Gangstufe E2 des Elektrofahrbetriebs mit der Übersetzung Eins bei eingerücktem Überbrückungsschaltelement M wirksam ist. - Die vier Gangschaltelemente A–D des Schaltgetriebes
4.1 sowie das Koppelschaltelement K, das Überbrückungsschaltelement M und das Arretierungsschaltelement L sind vorliegend als unsynchronisierte Klauenkupplungen ausgebildet, da diese jeweils mittels der Elektromaschine EM und/oder des Verbrennungsmotors VM synchronisiert werden können. - Das Überlagerungsgetriebe
5.1 ist zusammen mit der Elektromaschine EM stirnseitig an das Schaltgetriebe4.1 angeflanscht. Um aus einem konventionellen Antrieb, der aus dem Verbrennungsmotor VM und einem weitgehend baugleichen Schaltgetriebe besteht, den vorliegenden Hybridantrieb1.1 zu realisieren, sind somit nur geringe Änderungen an dem Schaltgetriebe erforderlich, wie beispielsweise eine entsprechende Verlängerung der Ausgangswelle GA und eine Ergänzung der Schaltvorrichtung um das Koppelschaltelement K. - Die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs
1.1 sind in der Tabelle der1a zusammengefasst, in der für den Verbrennungsmotor VM der jeweils wirksame Gang G1, G2, G3, G4 des Schaltgetriebes4.1 , für die Elektromaschine EM die jeweils wirksame Gangstufe E1, E2 des Planetengetriebes PG, und für die Doppelschaltelemente S1, S2, S4 sowie das Einzelschaltelement S3 das jeweils eingerückte Schaltelement A, B, C, D; K, L, M angegeben ist. - In der Betriebsart EDA-Betrieb, die vorwiegend zum verschleißfreien Anfahren genutzt wird, ist das Planetengetriebe PG als Überlagerungsgetriebe
5.1 wirksam, das heißt, die Drehmomente und Drehzahlen des Verbrennungsmotors VM und der Elektromaschine EM werden in dem Überlagerungsgetriebe5.1 überlagert und auf die Ausgangswelle GA übertragen. Hierzu wird die Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM durch das Schließen der Trennkupplung K1 und das Einrücken des Koppelschaltelementes K antriebstechnisch über die Eingangswelle GE, die Stirnradstufe Z2 des Schaltgetriebes4.1 und die Hohlwelle10 an das als erstes Eingangselement6 des Überlagerungsgetriebes5.1 wirksame Sonnenrad S des Planetengetriebes PG angebunden. Der Rotor3 der Elektromaschine EM steht über die Untersetzungsstufe KEM ohnehin permanent mit dem als zweites Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 wirksamen Hohlrad R des Planetengetriebes PG in Antriebsverbindung. Ebenso ist der als Ausgangselement8 des Überlagerungsgetriebes5.1 wirksame Planetenträger T des Planetengetriebes PG permanent drehfest mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 verbunden. - Analog zu dem in der
DE 199 34 696 A1 beschriebenen Betrieb des elektrodynamischen Antriebssystem (EDA) erfolgt das verschleißfreie Anfahren dadurch, dass bei weitgehend konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors VM die Elektromaschine EM zunächst im Generatorbetrieb mit ansteigendem Schleppmoment bis zum Erreichen des Rotorstillstands gesteuert und dann im Motorbetrieb mit umgekehrter Drehrichtung beschleunigt wird. Dies kann bis zum Erreichen des Gleichlaufs der Getriebekomponenten R, S, T des Planetengetriebes PG erfolgen, worauf das Überbrückungsschaltelement M geschlossen und damit der EDA-Betrieb beendet wird. - Da die Triebwelle
2 des Verbrennungsmotors VM aber über die Stirnradstufe Z2 des zweiten Gangs G2 antriebstechnisch an das Überlagerungsgetriebe5.1 angebunden ist, kann der EDA-Betrieb auch vorzeitig beendet werden, nämlich dann, wenn an dem Gangschaltelement A der Stirnradstufe Z1 des ersten Gangs G1 Synchronlauf erreicht ist. Der Übergang in den Verbrennungsfahrbetrieb erfolgt dann durch das Einrücken des Gangschaltelements A der Stirnradstufe Z1 des ersten Gangs G1, das Kraftlosschalten der Elektromaschine EM, und das Ausrücken des Koppelschaltelementes K. Durch die vorzeitige Beendigung des EDA-Betriebs kann abhängig von den konkreten Übersetzungsverhältnissen der Motorbetrieb der Elektromaschine EM verkürzt oder sogar ganz verhindert werden, was besonders bei einem weitgehend entladenen elektrischen Energiespeicher vorteilhaft ist. - Im Elektrofahrbetrieb (E-Fahren) ist das Planetengetriebe PG als zweistufiges Schaltgetriebe wirksam, und die Gangstufen E1, E2 sind über das Arretierungsschaltelement L und das Überbrückungsschaltelement M schaltbar. Bei der vorliegenden Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes
5.1 liegt die bei geschlossenem Arretierungsschaltelement L in der niedrigeren Gangstufe E1 des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des dann als Schaltgetriebe wirksamen Planetengetriebes PG zwischen 1,25 und 1,67, wogegen die bei geschlossenem Überbrückungsschaltelement M in der höheren Gangstufe E2 des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes PG gleich Eins ist. Für die Ermittlung der Gesamtübersetzung der Gangstufen E1, E2 des Elektrofahrbetriebs müssen diese Übersetzungen noch mit der Übersetzung der Untersetzungsstufe KEM multipliziert werden, über die der Rotor3 der Elektromaschine EM mit dem zweiten Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 in Antriebsverbindung ist. - Im Verbrennungsfahrbetrieb (V-Fahren) werden die entsprechenden Gänge G1–G4 über die Gangschaltelemente A–D der Stirnradstufen Z1–Z4 des Schaltgetriebes
4.1 geschaltet. - Im Hybridbetrieb (V + E-Fahren) wird die Elektromaschine EM antriebstechnisch über eine geeignete Gangstufe E1, E2 des Planetengetriebes PG, also mit einem festem Übersetzungsverhältnis, an die Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes
4.1 angebunden. Dabei kann die Elektromaschine EM wahlweise im Boostbetrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmotors VM als Motor oder zum Laden eines elektrischen Energiespeichers als Generator betrieben werden. - Die Standladung eines elektrischen Energiespeichers, bei der die als Generator betriebene Elektromaschine EM bei Fahrzeugstillstand von dem Verbrennungsmotor VM angetrieben wird, ist bei dem vorliegenden Hybridantrieb
1.1 bei geschlossener Trennkupplung K1 und eingerückten Koppelschaltelement K zwar möglich. Hierzu muss zur Arretierung des Planetenträgers T des Planetengetriebes PG jedoch die Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.1 blockiert werden, was beispielsweise durch das Einlegen einer Parksperre erfolgen kann. - Eine in
2 schematisch abgebildete zweite Ausführungsform eines Hybridantriebs1.2 gemäß den Merkmalen der Erfindung unterscheidet sich bei weitgehend gleichem Aufbau von der ersten Ausführungsform des Hybridantriebs1.1 nach1 durch eine stärkere Integration des Koppelschaltelementes K in das Schaltgetriebe4.2 . Nun ist nämlich die unmittelbar axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordnete Stirnradstufe Z2 des Schaltgetriebes4.2 ausschließlich über das Koppelschaltelement K schaltbar, also das bisher zugeordnete Gangsschaltelement B eingespart. Dies bedeutet, dass zum Einlegen des zweiten Gangs G2 des Schaltgetriebes4.2 neben dem Koppelschaltelement K auch das Überbrückungsschaltelement M eingerückt werden muss, damit das Losrad11 der Stirnradstufe Z2 über die Hohlwelle10 und das in sich blockierte Planetengetriebe PG drehfest mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 verbunden wird. Vorliegend ist auch das Losrad13 der als nächste axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordneten Stirnradstufe Z4 über das zugeordnete Gangschaltelement D’ drehfest mit der Hohlwelle10 verbindbar, wodurch die Zusammenfassung dieses Gangschaltelementes D’ mit dem Koppelschaltelement K in einem Doppelschaltelement S2’ ermöglicht ist. Dies bedeutet jedoch auch, dass auch zum Einlegen des vierten Gangs G4 des Schaltgetriebes4.2 neben dem Gangschaltelement D’ ebenfalls das Überbrückungsschaltelement M eingerückt werden muss, damit das Losrad13 der Stirnradstufe Z4 über die Hohlwelle10 und das in sich blockierte Planetengetriebe PG drehfest mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 verbunden wird. - Analog zu der Tabelle gemäß
1a sind in der Tabelle gemäß2a die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs1.2 zusammengefasst. Da zum Einlegen des zweiten Gangs G2 und des vierten Gangs G4 jeweils das Einrücken des Überbrückungsschaltelementes M erforderlich ist, kann die Elektromaschine EM im Hybridfahrbetrieb bei diesen Gängen nur mit der zweiten Gangstufe E2 antriebstechnisch an die Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 angebunden werden. - Ein in
3 schematisch abgebildeter dritter Hybridantrieb1.3 unterscheidet sich bei gleicher Funktionsweise nur durch einen anderen Aufbau des Schaltgetriebes4.3 von der ersten Ausführungsform des Hybridantriebs1.1 gemäß1 . Das Schaltgetriebe4.3 weist hierbei zwei achsparallel zu der Eingangswelle GE angeordnete Ausgangswellen GA1, GA2 auf, die über jeweils zwei schaltbare Stirnradstufen Z1, Z3; Z2, Z4 mit der Eingangswelle GE in Antriebsverbindung bringbar sind, und die über jeweils eine zwei Zahnräder umfassende Ausgangskonstante KA1, KA2 mit dem Achsdifferenzial21 in Antriebsverbindung sind. Die Stirnradstufen Z1, Z3 des ersten und dritten Gangs G1, G3 des Schaltgetriebes4.3 sind zwischen der Eingangswelle GE und der ersten Ausgangswelle GA1 angeordnet. Die Stirnradstufen Z2, Z4 des zweiten und vierten Gangs G2, G4 des Schaltgetriebes4.3 sind zwischen der Eingangswelle GE und der zweiten Ausgangswelle GA2 angeordnet. Zudem sind die vier genannten Stirnradstufen Z1–Z4 paarweise in gemeinsamen Zahnradebenen angeordnet und nutzen zwei gemeinsame, drehfest auf der Eingangswelle GE befestigte Festräder19 ,20 . Die Losräder der vier Stirnradstufen Z1–Z4 sind drehbar auf der betreffenden Ausgangswelle GA1, GA2 gelagert und über zugeordnete Gangschaltelemente A, B, C, D drehfest mit dieser verbindbar. Die Gangschaltelemente A, B, C, D sind wiederum paarweise in zwei Doppelschaltelementen S1, S2 zusammengefasst. - Das identisch zu den vorbeschriebenen Hybridantrieben
1.1 ,1.2 gemäß1 und2 ausgebildete Überlagerungsgetriebe5.1 ist bei dem Hybridantrieb1.3 koaxial über dem von dem Verbrennungsmotor VM abgewandten freien Ende9’ der zweiten Ausgangswelle GA2 angeordnet. Zur antriebstechnischen Anbindung des Verbrennungsmotors VM ist das Sonnenrad S des Planetengetriebes PG drehfest mit der Hohlwelle10 verbunden, die nun koaxial über der zweiten Ausgangswelle GA2 des Schaltgetriebes4.3 angeordnet und über ein Koppelschaltelement K drehfest mit dem Losrad11 der unmittelbar axial benachbarten StirnradstufeZ2 verbindbar ist. Die Funktionsweise des vorliegenden Hybridantriebs1.3 ist völlig identisch zu derjenigen des Hybridantriebs1.1 gemäß1 , so dass die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs1.3 dem in der Tabelle von1a angegebenen Betriebs- und Schaltschema entnommen werden können. - Eine in
4 schematisch dargestellte vierte Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.4 unterscheidet sich bei weitgehend gleichem Aufbau von der dritten Ausführungsform des Hybridantriebs1.3 nach3 durch eine stärkere Integration des Koppelschaltelementes K in das Schaltgetriebe4.4 . Analog zu der zweiten Ausführungsform des Hybridantriebs1.2 gemäß2 ist nun die unmittelbar axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordnete Stirnradstufe Z2 des Schaltgetriebes4.4 ausschließlich über das Koppelschaltelement K schaltbar. Ebenso ist auch das Losrad13 der als nächste axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordneten Stirnradstufe Z4 über das zugeordnete Gangschaltelement D’ drehfest mit der Hohlwelle10 verbindbar, um die Zusammenfassung dieses Gangschaltelementes D’ mit dem Koppelschaltelement K in einem Doppelschaltelement S2’ zu ermöglichen. Die Funktionsweise des vorliegenden Hybridantriebs1.4 ist völlig identisch zu derjenigen der zweiten Ausführungsform des Hybridantriebs1.2 gemäß2 , so dass die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs1.4 dem in der Tabelle der2a angegebenen Betriebs- und Schaltschema entnommen werden können. - Eine in
5 schematisch dargestellte fünfte Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.5 unterscheidet sich bei ähnlicher Funktionsweise von dem Hybridantrieb1.2 gemäß2 durch ein Schaltgetriebe4.5 mit fünf Gängen G1, G2, G3, G4, G5 und durch ein als eine Reibkupplung ausgebildetes Überbrückungsschaltelement M’. - Die Eingangswelle GE dieses Schaltgetriebes
4.5 ist nun über fünf selektiv schaltbare Stirnradstufen Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, die jeweils aus einem Festrad und einem Losrad bestehen, mit der Ausgangswelle GA in Antriebsverbindung bringbar. Die fünf Festräder14 ,15 ,16 ,17 ,18 der fünf Stirnradstufen Z1–Z5 sind drehfest auf der Eingangswelle GE angeordnet. Die vier Losräder der ersten, zweiten, vierten und fünften Stirnradstufe Z1, Z2, Z4, Z5 sind drehbar auf der Ausgangswelle GA gelagert und über zugeordnete Gangschaltelemente A, B, D, E, welche paarweise in zwei Doppelschaltelementen S1’, S2’’ zusammengefasst sind, drehfest mit der Ausgangswelle GA verbindbar. Das Losrad12 der dritten Stirnradstufe Z3, die vorliegend unmittelbar axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordnet ist, ist zwar auch drehbar auf der Ausgangswelle GA gelagert, jedoch analog zu dem Losrad11 der zweiten Stirnradstufe Z2 des Schaltgetriebes4.2 gemäß2 nur über das Koppelschaltelement K schaltbar. Demzufolge muss zum Einlegen des dritten Gangs G3 des Schaltgetriebes4.5 neben dem Koppelschaltelement K auch das Überbrückungsschaltelement M’ geschlossen werden, welches vorliegend jedoch als eine Reibkupplung ausgebildet ist. Daher sind nun das Koppelschaltelement K und das Arretierungsschaltelement L in einem Doppelschaltelement S3’ zusammengefasst. Das Überbrückungsschaltelement M‘ verbindet das Sonnenrad S mit dem Hohlrad R. Alternativ könnte es auch zwischen das Sonnenrad S und dem Steg T geschaltet sein. Die dritte Alternative wäre eine Verschaltung zwischen dem Hohlrad R und dem Steg T. In jedem Fall wird das Planetengetriebe PG durch das Überbrückungsschaltelement M‘ überbrückt. - Die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs
1.5 sind in der Tabelle der5a zusammengefasst, in der für den Verbrennungsmotor VM der jeweils wirksame Gang G1, G2, G3, G4, G5 des Schaltgetriebes4.5 , für die Elektromaschine EM die jeweils wirksame Gangstufe E1, E2 des Planetengetriebes PG, und für die Doppelschaltelemente S1’, S2’’, S3’ das jeweils eingerückte Schaltelement A, B, C, D; K, L angegeben, sowie der geschlossene Zustand des Überbrückungsschaltelementes M’ jeweils mit dem Buchstaben „X“ markiert ist. - Da die Triebwelle
2 des Verbrennungsmotors VM beim verschleißfreien Anfahren im EDA-Betrieb nun über die Stirnradstufe Z3 des dritten Gangs G3 antriebstechnisch an das Überlagerungsgetriebe5.1 angebunden ist, kann der EDA-Betrieb wahlweise bei Erreichen des Synchronlaufs an dem Gangschaltelement A der Stirnradstufe Z1 des ersten Gangs G1 oder an dem Gangschaltelement B der Stirnradstufe Z2 des zweiten Gangs G2 vorzeitig, d.h. vor Erreichen des Gleichlaufs der Getriebekomponenten R, S, T des Planetengetriebes PG, beendet werden. - Die Ausbildung des Überbrückungsschaltelementes M’ als Reibkupplung ermöglicht die Durchführung von Zugschaltungen im Elektrofahrbetrieb als Lastschaltungen. Bei einer Zughochschaltung wird das Überbrückungsschaltelement M’ so weit geschlossen, bis das Arretierungsschaltelement L weitgehend lastfrei ist. Nach dem Ausrücken des Arretierungsschaltelementes L wird das Überbrückungsschaltelement M’ vollständig geschlossen. Bei einer Zugrückschaltung wird das Überbrückungsschaltelement M’ bis in den Übergang in den Schlupfbetrieb geöffnet, wodurch die Elektromaschine EM aufgrund ihrer Entlastung hochdreht, also einen Drehzahlanstieg erfährt. Bei Erreichen der Synchrondrehzahl an dem Arretierungsschaltelement L wird dieses eingerückt, und danach das Überbrückungsschaltelement M’ vollständig geöffnet.
- Die in
6 schematisch dargestellte sechste Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.6 basiert auf dem Hybridantrieb1.3 gemäß3 . Gegenüber letzterem sind nun die Stirnradstufen Z1, Z2 des ersten Gangs G1 und des zweiten Gangs G2 des Schaltgetriebes4.6 in unterschiedlichen Zahnradebenen angeordnet und weisen demzufolge jeweils ein eigenes, drehfest auf der Eingangswelle GE befestigtes Festrad14 ,15 auf. Hierdurch besteht eine größere Freiheit in der Festlegung der Übersetzungen der vier Gänge G1–G4, was beispielsweise für die Realisierung einer progressiven Gangabstufung des Schaltgetriebes4.6 genutzt werden kann. - Ein weiterer Unterschied zu dem Hybridantrieb
1.3 gemäß3 besteht darin, dass vorliegend sowohl das Überbrückungsschaltelement M’ als auch das Arretierungsschaltelement L’ als Reibkupplungen ausgebildet sind. Hierdurch sind nun sowohl Zugschaltungen als auch Schubschaltungen im Elektrofahrbetrieb als Lastschaltungen durchführbar. Bei diesen Lastschaltungen wird jeweils zeitlich überschnitten das Schaltelement (L’ oder M’) der vor der Schaltung wirksamen Lastgangstufe (E1 oder E2) geöffnet und das Schaltelement (M’ oder L’) der nach der Schaltung wirksamen Zielgangstufe (E2 oder E1) geschlossen. - Analog zu dem für den Hybridantrieb
1.3 gemäß3 gültigen Betriebs- und Schaltschema der1a sind die möglichen Betriebsarten des vorliegenden Hybridantriebs1.6 in der Tabelle der6a zusammengefasst, wobei der geschlossene Zustand des Arretierungsschaltelementes L’ und des Überbrückungsschaltelementes M’ jeweils mit dem Buchstaben „X“ markiert ist. - In der in
7 schematisch dargestellten siebten Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.7 ist beispielhaft der Hybridantrieb1.2 gemäß2 dahingehend modifiziert, dass das Überbrückungsschaltelement M’ analog zu dem Hybridantrieb1.5 gemäß5 als eine Reibkupplung ausgebildet ist, und dass der als Ausgangselement8 des Überlagerungsgetriebes5.1 wirksame Planetenträger T des Planetengetriebes PG über ein aus- und einrückbares Trennschaltelement U mit der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 verbunden ist. - Wie schon in der Beschreibung des fünften Hybridantriebs
1.5 gemäß5 erläutert wurde, ermöglicht die Ausbildung des Überbrückungsschaltelementes M’ als Reibkupplung die Durchführung von Zugschaltungen im Elektrofahrbetrieb als Lastschaltungen. Zudem hat dies bei der vorliegenden Ausführungsform des Schaltgetriebes4.2 zur Folge, dass das Arretierungsschaltelement L als ein Einzelschaltelement S4’ ausgebildet ist. - Die Anordnung des Trennschaltelements U zwischen dem Planetenträger T des Überlagerungsgetriebes
5.1 und der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 ermöglicht die Herstellung einer abtriebsfreien, also im Ergebnis vortriebslosen Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM und dem Rotor3 der Elektromaschine EM. Bei eingerücktem Koppelschaltelement K, geschlossenem Überbrückungsschaltelement M’ und ausgerücktem Trennschaltelement U stehen die Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM und der Rotor3 der Elektromaschine EM unabhängig von der Ausgangswelle GA des Schaltgetriebes4.2 miteinander in Triebverbindung. Dies kann im Generatorbetrieb der Elektromaschine zur Standladung eines elektrischen Energiespeichers durch den Verbrennungsmotor VM und im Motorbetrieb der Elektromaschine EM zum Starten des Verbrennungsmotors VM durch die Elektromaschine EM genutzt werden. - Die möglichen Betriebsarten des vorliegenden Hybridantriebs
1.7 gemäß7 sind in der Tabelle der7a zusammengefasst, wobei die Schaltkombination für die abtriebsfreie Standladung eines elektrischen Energiespeichers und das vortriebsfreie Starten des Verbrennungsmotors unter der Betriebsart Laden/Starten sowie der eingerückte Zustand des ein Einzelschaltelement S5 bildenden Trennschaltelementes U analog zu den Schaltelementen S1, S2’, und S4’ angegeben sind. - In der in
8 dargestellten achten Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Hybridantriebs1.8 ist beispielhaft das in dem Hybridantrieb1.6 gemäß6 dargestellte Schaltgetriebe4.6 genutzt sowie mit einer geänderten Ausbildung des Überlagerungsgetriebes5.2 kombiniert. - Das Überlagerungsgetriebe
5.2 ist zwar auch als ein einfaches Planetengetriebe PG mit einem Sonnenrad S, einem mehrere Planetenräder P tragenden Planetenträger T und einem Hohlrad R ausgebildet, jedoch ist nun die antriebstechnische Anbindung des Sonnenrades S und des Hohlrades H gegenüber der bisherigen Bauweise des Überlagerungsgetriebes5.1 vertauscht. Bei der vorliegenden Ausführungsform des Überlagerungsgetriebes5.2 ist das Hohlrad R des Planetengetriebes PG drehfest mit der Hohlwelle10 verbunden und bildet somit das erste Eingangselement6 des Überlagerungsgetriebes5.2 . Das Sonnenrad S des Planetengetriebes PG steht nun über die Untersetzungsstufe KEM mit dem Rotor3 der Elektromaschine EM in zuschaltbarer Antriebsverbindung und bildet daher das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.2 . Der Planetenträger T des Planetengetriebes PG ist dagegen wie zuvor drehfest mit der zweiten Ausgangswelle GA2 des Schaltgetriebes4.6 verbunden und bildet demnach das Ausgangselement8 des Überlagerungsgetriebes5.2 . Die wie bei der sechsten Ausführungsform des Hybridantriebs1.6 gemäß6 als Reibkupplungen ausgebildeten Arretierungs- und Überbrückungsschaltelemente L’, M’ sind vorliegend radial gestaffelt, koaxial neben und teilweise über dem Überlagerungsgetriebe5.2 angeordnet. - Bei dieser Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes
5.2 der8 liegt die bei geschlossenem Arretierungsschaltelement L’ in der niedrigeren Gangstufe E1 des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes PG zwischen 2,5 und 5,0, wogegen die bei geschlossenem Überbrückungsschaltelement M’ in der höheren Gangstufe E2 des Elektrofahrbetriebs wirksame Übersetzung des Planetengetriebes PG gleich Eins ist. - Um analog zu der zuvor beschriebenen siebten Ausführungsform des Hybridantriebs
1.7 gemäß7 die Herstellung einer abtriebsfreien beziehungsweise vortriebsfreien Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM und dem Rotor3 der Elektromaschine EM zu ermöglichen, ist das Abtriebsrad24 der Untersetzungsstufe KEM über ein Doppelschaltelement S5’ mit den Schaltstellungen N und O wechselweise mit dem Hohlrad R oder dem Sonnenrad S des Planetengetriebes PG verbindbar. Die Schaltverbindung des Abtriebsrades24 der Untersetzungsstufe KEM mit dem als zweites Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.2 wirksamen Sonnenrad S in der Schaltstellung N des Doppelschaltelementes S5’ entspricht dem Normalbetrieb. Dagegen ist bei geschalteter Verbindung mit dem als erstes Eingangselement6 des Überlagerungsgetriebes5.2 wirksamen Hohlrad R des Planetengetriebes PG und eingerücktem Koppelschaltelement K in der Schaltstellung O des Doppelschaltelementes S5’ die abtriebsfreie Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle2 des Verbrennungsmotors VM und dem Rotor3 der Elektromaschine EM hergestellt. - Die möglichen Betriebsarten des Hybridantriebs
1.8 gemäß8 sind in der Tabelle der8a zusammengefasst, wobei die Schaltkombination für die abtriebsfreie beziehungsweise vortriebslose Standladung eines elektrischen Energiespeichers und das abtriebsfreie beziehungsweise vortriebslose Starten des Verbrennungsmotors unter der Betriebsart Laden/Starten sowie die jeweilige Schaltstellung des Doppelschaltelementes S5’ analog zu den Schaltelementen S1–S3 angegeben sind. - In der in
9 schematisch dargestellte neunten Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung aufgebauten Hybridantriebs1.9 ist eine alternative Anordnung sowie eine andere antriebstechnische Anbindung der Elektromaschine EM an das Überlagerungsgetriebe5.1 beispielhaft anhand des Hybridantriebs1.4 gemäß4 veranschaulicht. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Hybridantriebe1.1 –1.8 ist die Elektromaschine EM nun koaxial zu der zweiten Ausgangswelle GA2 des Schaltgetriebes4.4 axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordnet, und der Rotor3 der Elektromaschine EM ist unmittelbar drehfest mit dem das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 bildenden Hohlrad R des Planetengetriebes PG verbunden. Die vorliegende Anordnung der Elektromaschine EM hat eine Vergrößerung der axialen Baulänge des Hybridantriebs1.9 zur Folge. Zudem macht es die unmittelbare Anbindung an das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 erforderlich, dass die Elektromaschine EM niedrigerdrehend sowie drehmomentstärker und damit größer sowie schwerer als bei einer Anbindung über eine Untersetzungsstufe KEM ausgebildet sein muss. - Eine weitere Anordnung und antriebstechnische Anbindung der Elektromaschine EM an das Überlagerungsgetriebe
5.1 ist bei einer zehnten Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung aufgebauten Hybridantriebs1.10 verwirklicht, der ebenfalls beispielhaft das Schaltgetriebe4.4 und das Überlagerungsgetriebe5.1 des Hybridantriebs1.4 gemäß4 nutzt. Bei diesem Hybridantrieb1.10 ist die Elektromaschine EM zwar auch koaxial zu der zweiten Ausgangswelle GA2 des Schaltgetriebes4.4 axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe5.1 angeordnet, jedoch steht der Rotor3 der Elektromaschine EM nun über eine axial zwischen dem Überlagerungsgetriebe5.1 und der Elektromaschine EM angeordnete, als Planetengetriebestufe ausgebildete Untersetzungsstufe KEM’ mit dem das zweite Eingangselement7 des Überlagerungsgetriebes5.1 bildenden Hohlrad R des Planetengetriebes PG in Antriebsverbindung. Durch diese antriebstechnische Anbindung der Elektromaschine EM kann die Elektromaschine EM wieder höherdrehend und drehmomentschwächer sowie kleiner und leichter ausgebildet sein, so dass sich gegenüber der unmittelbaren Anbindung der Elektromaschine EM nach9 keine wesentliche Erhöhung der axialen Baulänge des Hybridantriebs1.10 ergeben muss. - Die in den
1 bis10 dargestellten Hybridantriebe1.1 –1.10 zeigen nur beispielhaft bevorzugte Kombinationen von Schaltgetrieben4.1 –4.6 , Überlagerungsgetrieben5.1 ,5.2 und antriebstechnischen Anbindungen der Elektromaschine EM an das Überlagerungsgetriebe5.1 ,5.2 sowie über das Überlagerungsgetriebe5.1 ,5.2 an die Hohlwelle10 und die betreffende Ausgangswelle GA; GA2 des Schaltgetriebes4.1 –4.6 . Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Patentanmeldung sind daher auch Hybridantriebe mit anderen Ausführungen von Schaltgetrieben und/oder von Überlagerungsgetrieben, sowie mit einer anderen Anordnung und antriebstechnischen Anbindung der Elektromaschine EM möglich. - So kann beispielsweise die eingangsseitige Trennkupplung K1 nicht vorhanden sein, sodass die Triebwelle des Verbrennungsmotors fest mit der Eingangswelle des automatisierten Schaltgetriebes verbunden ist. Weiterhin kann das Überlagerungsgetriebe
5.1 ,5.2 als Plus- oder Minusgetriebe ausgebildet sein, oder einen Stufen-Planetensatz aufweisen. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Elektromaschine EM das Überlagerungsgetriebe5.1 ,5.2 radial sowie koaxial umgreift und deren Rotor drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist. Ebenso ist es möglich, in dem Schaltgetriebe eine gesonderte Stirnradstufe für einen Rückwärtsgang vorzusehen, so dass bei einer geeigneten Schaltbarkeit der Rückwärtsgangstufe auch ein EDA-Fahrbetrieb im Rückwärtsgang möglich ist. Weiter kann eine zweite Elektromaschine mit geringer Leistung im erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridantrieb vorhanden sein, welche mit der Triebwelle des Verbrennungsmotor VM beispielsweise über einen Riementrieb oder ein Stirnradtrieb verbunden ist und einen Betrieb als Generator oder Startermotor ermöglicht. Im generatorischen Betrieb kann eine solche zweite Elektromaschine elektrische Leistung für den Bordnetzbedarf des Fahrzeugs bereitstellen, etwa für einen mit dem Verbrennungsmotor seriellen elektromotorischen Antrieb bei geringer Fahrgeschwindigkeit, insbesondere beim Rückwärtsfahren. - Bezugszeichenliste
-
- 1.1–1.10
- Hybridantrieb
- 2
- Triebwelle von Verbrennungsmotor VM
- 3
- Rotor von Elektromaschine EM
- 4.1–4.6
- Schaltgetriebe
- 5.1, 5.2
- Überlagerungsgetriebe
- 6
- Erstes Eingangselement von Überlagerungsgetriebe
5.1 ,5.2 - 7
- Zweites Eingangselement von Überlagerungsgetriebe
5.1 ,5.2 - 8
- Ausgangselement von Überlagerungsgetriebe
5.1 ,5.2 - 9
- Freies Ende von Ausgangswelle GA
- 9’
- Freies Ende von zweiter Ausgangswelle GA2
- 10
- Hohlwelle
- 11
- Losrad von Stirnradstufe Z2
- 12
- Losrad von Stirnradstufe Z3
- 13
- Losrad von Stirnradstufe Z4
- 14
- Festrad von Stirnradstufe Z1
- 15
- Festrad von Stirnradstufe Z2
- 16
- Festrad von Stirnradstufe Z3
- 17
- Festrad von Stirnradstufe Z4
- 18
- Festrad von Stirnradstufe Z5
- 19
- Festrad von Stirnradstufe Z1 und Z2
- 20
- Festrad von Stirnradstufe Z3 und Z4
- 21
- Achsdifferenzial
- 22
- Erste Antriebswelle
- 23
- Zweite Antriebswelle
- 24
- Abtriebsrad von Untersetzungsstufe KEM
- A–E
- Gangschaltelemente von Stirnradstufe Z1 bis Z5
- D’
- Gangschaltelement von Stirnradstufe Z4
- E1, E2
- Gangstufen von Überlagerungsgetriebe
5.1 ,5.2 - EDA
- Elektrodynamisches Antriebssystem
- EM
- Elektromaschine
- G1–G5
- Gänge von Schaltgetriebe
4.1 –4.6 - GA
- Ausgangswelle von Schaltgetriebe
4.1 ,4.2 ,4.5 - GA1
- Erste Ausgangswelle von Schaltgetriebe
4.3 ,4.4 ,4.6 - GA2
- Zweite Ausgangswelle von Schaltgetriebe
4.3 ,4.4 ,4.6 - GE
- Eingangswelle
- K
- Koppelschaltelement
- KEM
- Untersetzungsstufe von Elektromaschine EM, Stirnradgetriebestufe
- KEM’
- Untersetzungsstufe von Elektromaschine EM, Planetengetriebestufe
- K1
- Trennkupplung, Reibkupplung
- KA
- Ausgangskonstante von Schaltgetriebe
4.1 ,4.2 ,4.5 - KA1
- Erste Ausgangskonstante von Schaltgetriebe
4.3 ,4.4 ,4.6 - KA2
- Zweite Ausgangskonstante von Schaltgetriebe
4.3 ,4.4 ,4.6 - L, L’
- Arretierungsschaltelement
- M, M’
- Überbrückungsschaltelement
- N, O
- Schaltelemente von Doppelschaltelement S5’
- P
- Planetenrad von Planetengetriebe PG
- PG
- Planetengetriebe
- R
- Hohlrad von Planetengetriebe PG
- S
- Sonnenrad von Planetengetriebe PG
- S1
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.1 –4.6 - S1’
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.5 - S2
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.1 ,4.3 ,4.6 - S2’
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.2 ,4.4 - S2’’
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.5 - S3
- Einzelschaltelement von Schaltgetriebe
4.1 ,4.3 ,4.6 - S3’
- Doppelschaltelement von Schaltgetriebe
4.5 ,5.1 - S4
- Doppelschaltelement von Überlagerungsgetriebe
5.1 - S4’
- Einzelschaltelement von Überlagerungsgetriebe
5.1 - S5
- Einzelschaltelement von Überlagerungsgetriebe
5.1 - S5’
- Doppelschaltelement von Überlagerungsgetriebe
5.2 - T
- Planetenträger von Planetengetriebe PG
- U
- Schaltelement von Einzelschaltelement S5
- VM
- Verbrennungsmotor
- Z1
- Stirnradstufe von Gang G1
- Z2
- Stirnradstufe von Gang G2
- Z3
- Stirnradstufe von Gang G3
- Z4
- Stirnradstufe von Gang G4
- Z5
- Stirnradstufe von Gang G5
- 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
-
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- US 6645105 B2 [0009]
- DE 102006059591 A1 [0009]
- DE 102010030567 A1 [0010, 0011]
- DE 102010043354 A1 [0010, 0013]
Claims (18)
- Hybridantrieb (
1.1 –1.10 ) eines Kraftfahrzeugs, der einen Verbrennungsmotor (VM) mit einer Triebwelle (2 ), eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (3 ), ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes automatisiertes Schaltgetriebe (4.1 ,4.2 ,4.3 ,4.4 ,4.5 ,4.6 ) mit einer Eingangswelle (GE) und mindestens einer Ausgangswelle (GA; GA1, GA2), sowie ein in Planetenbauweise ausgeführtes Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) mit zwei Eingangselementen (6 ,7 ) und einem Ausgangselement (8 ) aufweist, wobei die Eingangswelle (GE) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) über eine steuerbare Trennkupplung (K1) mit der Triebwelle (2 ) des Verbrennungsmotors (VM) verbindbar oder mit dieser fest verbunden ist und die Eingangswelle (GE) über mehrere selektiv schaltbare Stirnradstufen (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5) mit der Ausgangswelle (GA; GA1; GA2) in Triebverbindung bringbar ist, und wobei die Triebwelle (2 ) des Verbrennungsmotors (VM) und der Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) über das Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) antriebstechnisch mit der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) koaxial über einem freien Ende (9 ;9’ ) der Ausgangswelle (GA; GA2) angeordnet ist, und dass das erste Eingangselement (6 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) drehfest mit einer koaxial über der Ausgangswelle (GA; GA2) angeordneten Hohlwelle (10 ) verbunden ist, die zur Ankopplung des Verbrennungsmotors (VM) über ein Koppelschaltelement (K) drehfest mit einem Losrad (11 ,12 ) der unmittelbar axial benachbarten Stirnradstufe (Z2, Z3) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) sowie zur Überbrückung des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) über ein Überbrückungsschaltelement (M, M’) drehfest mit dem zweiten Eingangselement (7 ) oder dem Ausgangselement (8 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) verbindbar ist, oder dass zur Überbrückung des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) über ein Überbrückungsschaltelement (M, M’) das zweite Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) mit dem Ausgangselement (8 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) verbindbar ist, dass das zweite Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) permanent mit dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) in Triebverbindung steht, und dass das Ausgangselement (8 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) drehfest mit der Ausgangswelle (GA; GA2) verbunden ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Eingangselement (
6 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) oder die Hohlwelle (10 ) zur Schaltung einer zwischen dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) und der Ausgangswelle (GA; GA2) wirksamen ersten Gangstufe (E1) über ein Arretierungsschaltelement (L, L’) gehäusefest arretierbar ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM) koaxial zu der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (
4.1 –4.6 ) axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) angeordnet ist, und dass der Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) unmittelbar drehfest mit dem zweiten Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) verbunden ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM) koaxial zu der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (
4.1 –4.6 ) axial außen neben dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) angeordnet ist, und dass der Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) über eine axial zwischen dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) und der Elektromaschine (EM) angeordnete, als Planetengetriebestufe ausgebildete Untersetzungsstufe (KEM’) mit dem zweiten Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) in Antriebsverbindung ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (EM) achsparallel zu der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (
4.1 –4.6 ) radial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) angeordnet ist, und dass der Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) über eine als Stirnradgetriebestufe ausgebildete Untersetzungsstufe (KEM) mit dem zweiten Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ,5.2 ) in Antriebsverbindung ist. - Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Festräder (
14 –18 ,19 ,20 ) aller Stirnradstufen (Z1–Z5) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) drehfest auf der Eingangswelle (GE) angeordnet sind. - Hybridantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Gang (G2, G3) des Schaltgetriebes (
4.2 ,4.4 ), dessen Stirnradstufe (Z2, Z3) unmittelbar axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) angeordnet ist, nur über das Koppelschaltelement (K) und das Überbrückungsschaltelement (M, M’) schaltbar ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch derjenige Gang (G4) des Schaltgetriebes (
4.2 ,4.4 ), dessen Stirnradstufe (Z4) als nächste axial benachbart zu dem Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) angeordnet ist, über das zugeordnete Gangschaltelement (D’) und das Überbrückungsschaltelement (M, M’) schaltbar ist, und dass das betreffende Gangschaltelement (D’) zusammen mit dem Koppelschaltelement (K) in einem Doppelschaltelement (S2’) zusammengefasst ist. - Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelschaltelement (K) und/oder das Überbrückungsschaltelement (M) und/oder das Arretierungsschaltelement (L) jeweils als eine unsynchronisierte Klauenkupplung ausgebildet ist.
- Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Überbrückungsschaltelement (M’) als eine Reibkupplung ausgebildet ist, um im Elektrofahrbetrieb Zugschaltungen als Lastschaltungen durchführen zu können.
- Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungsschaltelement (M’) und das Arretierungsschaltelement (L’) als Reibkupplungen ausgebildet sind, um Zugschaltungen und Schubschaltungen im Elektrofahrbetrieb als Lastschaltungen durchführen zu können.
- Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (
5.1 ) als ein einfaches Planetengetriebe (PG) mit einem Sonnenrad (S), einem mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T) und einem Hohlrad (R) ausgebildet ist, dessen Sonnenrad (S) das drehfest mit der Hohlwelle (10 ) verbundene erste Eingangselement (6 ), dessen Planetenträger (T) das drehfest mit der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) verbundene Ausgangselement (8 ), und dessen Hohlrad (R) das mit dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) in Antriebsverbindung stehende zweite Eingangselement (7 ) des Überlagerungsgetriebes (5.1 ) bildet. - Hybridantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungsschaltelement (M, M’) und das Arretierungsschaltelement (L, L’) axial hintereinander zwischen dem Koppelschaltelement (K) und dem Überlagerungsgetriebe (
5.1 ) angeordnet sind. - Hybridantrieb nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (T) des Überlagerungsgetriebes (
5.1 ) zur Herstellung einer abtriebsfreien Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle (2 ) des Verbrennungsmotors (VM) und dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) über ein ausrückbares sowie einrückbares Trennschaltelement (U) mit der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) verbunden ist. - Hybridantrieb nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (
5.2 ) als ein einfaches Planetengetriebe (PG) mit einem Sonnenrad (S), einem mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T) und einem Hohlrad (R) ausgebildet ist, dessen Sonnenrad (S) das mit dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) in Triebverbindung stehende zweite Eingangselement (7 ), dessen Planetenträger (T) das drehfest mit der Ausgangswelle (GA; GA2) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ) verbundene Ausgangselement (8 ), und dessen Hohlrad (R) das drehfest mit der Hohlwelle (10 ) verbundene erste Eingangselement (6 ) des Überlagerungsgetriebes (5.2 ) bildet. - Hybridantrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungsschaltelement (M’) und das Arretierungsschaltelement (L’) radial gestaffelt koaxial neben und/oder über dem Überlagerungsgetriebe (
5.2 ) angeordnet sind. - Hybridantrieb nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (
3 ) der Elektromaschine (EM) oder das Abtriebsrad (24 ) der Untersetzungsstufe (KEM) zur Herstellung einer abtriebsfreien Antriebsverbindung zwischen der Triebwelle (2 ) des Verbrennungsmotors (VM) und dem Rotor (3 ) der Elektromaschine (EM) über ein Doppelschaltelement (S5) wechselweise mit dem Hohlrad (R) oder mit dem Sonnenrad (S) des Überlagerungsgetriebes (5.2 ) verbindbar ist. - Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs (
1.1 –1.10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrofahrbetrieb der zuvor gestartete Verbrennungsmotor (VM) mit den folgenden Schritten angekoppelt wird: a) Einrücken der Gangschaltkupplung (A) der Stirnradstufe (Z1) des niedrigsten Gangs (G1) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ), b) Lastübernahme durch den Verbrennungsmotor (VM) durch teilweises Schließen der Trennkupplung (K1) und gleichzeitiger Lastabbau der Elektromaschine (EM), c) lastfreies Öffnen des Schaltelementes (L, L’; M, M’) der im Überlagerungsgetriebe (5.1 ,5.2 ) eingelegten Gangstufe (E1; E2), d) Synchronisieren des Koppelschaltelementes (K) durch eine entsprechende Drehzahländerung der Elektromaschine (EM) und lastfreies Schließen des Koppelschaltelementes (K), e) Lastaufbau der Elektromaschine (EM) und gleichzeitiger Lastabbau des Verbrennungsmotors (VM), f) lastfreies Ausrücken der Gangschaltkupplung (A) der Stirnradstufe (Z1) des niedrigsten Gangs (G1) des Schaltgetriebes (4.1 –4.6 ), g) Synchronisieren der Trennkupplung (K1) durch eine entsprechende Drehzahländerung der Elektromaschine (EM) und/oder des Verbrennungsmotors (VM), h) vollständiges Schließen der Trennkupplung (K1) und Übergang in den EDA-Fahrbetrieb.
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---|---|---|---|
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