DE102013223356A1

DE102013223356A1 - Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges

Info

Publication number: DE102013223356A1
Application number: DE102013223356.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (4) für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Planetenstufe (28) mit den Komponenten Hohlrad (29), Planetensteg (30) und Sonnenrad (31). Von diesen Komponenten dient eine erste Komponente der drehfesten Anbindung einer Getriebeeingangswelle (7) eines ersten Teilgetriebes (5) eines Kraftfahrzeuggetriebes (2) und eine zweite Komponente der drehfesten Koppelung mit einem Rotor (32) einer Elektromaschine (3), wohingegen eine dritte Komponente an eine Getriebeeingangswelle (8) eines zweiten Teilgetriebes (6) des Kraftfahrzeuggetriebes (2) drehfest anbindbar ist. Zudem können zwei der Komponenten drehfest miteinander gekoppelt werden. Um die Vorrichtung nun möglichst kompakt zu gestalten und gleichzeitig bei Anwendung in einem Antriebsstrang möglichst viele Fahrfunktionen realisieren zu können, ist zur drehfesten Verbindung der dritten Komponente mit der zweiten Komponente ein erstes Schaltelement (34; 36) und zur drehfesten Anbindung der dritten Komponente an die Getriebeeingangswelle (8) des zweiten Teilgetriebes (6) ein zweites Schaltelement (35) vorgesehen. Dabei können das erste (34; 36) und das zweite Schaltelement (35) unabhängig voneinander betätigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Planetenstufe mit den Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad, wobei von diesen Komponenten eine erste Komponente der drehfesten Anbindung einer Getriebeeingangswelle eines ersten Teilgetriebes eines Kraftfahrzeuggetriebes und eine zweite Komponente der drehfesten Koppelung mit einem Rotor einer Elektromaschine dient, wohingegen eine dritte Komponente an eine Getriebeeingangswelle eines zweiten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes drehfest anbindbar ist, und wobei zwei der Komponenten drehfest miteinander koppelbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, sowie ein Verfahren.
Hybridisierungen von Kraftfahrzeugen werden häufig im Bereich von Kraftfahrzeuggetrieben vorgenommen, wobei eine Elektromaschine dabei dann entweder mit in ein Getriebegehäuse integriert oder zumindest nahe an diesem Gehäuse angegliedert ist. Eine Einbindung der Elektromaschine und einer Brennkraftmaschine erfolgt dann häufig über eine eine Planetenstufe aufweisende Vorrichtung, welche in Kraftflussrichtung dem Kraftfahrzeuggetriebe vorgeschaltet ist und über die die Brennkraftmaschine und/oder die Elektromaschine unter Darstellung unterschiedlicher Fahrfunktionen mit dem Kraftfahrzeuggetriebe gekoppelt werden können.
Aus der DE 10 2011 085 199 A1 geht ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges hervor, welcher eine Brennkraftmaschine, eine Elektromaschine, ein Kraftfahrzeuggetriebe mit zwei Teilgetrieben, sowie eine Vorrichtung zur Einbindung der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine umfasst. Die Vorrichtung weist eine Planetenstufe mit den Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad auf, wobei eine dieser Komponenten drehfest mit einer Getriebeeingangswelle eines ersten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes verbunden und eine zweite Komponente drehfest mit einem Rotor der Elektromaschine gekoppelt ist, wohingegen eine dritte Komponente über ein Schaltelement entweder an einer Getriebeeingangswelle eines zweiten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes drehfest angebunden oder aber mit der zweiten Komponente der Planetenstufe drehfest gekoppelt werden kann. Zudem ist noch ein weiteres Schaltelement vorgesehen, über welches die erste Komponente der Planetenstufe und damit auch die Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes verbunden werden kann.
Die Brennkraftmaschine ist über eine Trennkupplung mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes koppelbar und kann darüber direkt auf die zugehörigen Gänge des zweiten Teilgetriebes zugreifen, während ein Zugriff auf die zugeordneten Gänge des ersten Teilgetriebes nur durch entsprechende Einbindung über die Planetenstufe der zwischenliegenden Vorrichtung möglich ist. Mittels entsprechender Betätigung der beiden Schaltelemente der Vorrichtung sind zudem unterschiedliche Einbindungsmöglichkeiten der Elektromaschine gegeben. Insgesamt können dabei unterschiedliche Fahrfunktionen realisiert werden, wie ein reines Antreiben über die Brennkraftmaschine, ein reines Antreiben über die Elektromaschine, ein elektrodynamisches Anfahren über die Brennkraftmaschine mit Unterstützung durch die Elektromaschine, ein Laden eines Energiespeichers in Neutral, etc.. Zudem werden Lastschaltungen in dem Kraftfahrzeuggetriebe mit elektromotorischer Stützung der Zugkraft ermöglicht.
Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges zu schaffen, wobei über diese Vorrichtung unterschiedliche Fahrfunktionen auf kompakte Art und Weise dargestellt werden können.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, bei welchem eine vorgenannte Vorrichtung zur Anwendung kommt, geht zudem aus den Ansprüchen 5 bis 8 hervor. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung wird auf die Ansprüche 9 und 10 verwiesen.
Gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges eine Planetenstufe mit den Komponenten Hohlrad, Planetensteg und Sonnenrad. Dabei dient von diesen Komponenten eine erste Komponente der drehfesten Anbindung einer Getriebeeingangswelle eines ersten Teilgetriebes eines Kraftfahrzeuggetriebes, sowie eine zweite Komponente der drehfesten Koppelung mit einem Rotor einer Elektromaschine. Ferner kann eine dritte Komponente im verbauten Zustand der Vorrichtung drehfest an einer Getriebeeingangswelle eines zweiten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes angebunden werden. Schließlich sind zwei der drei Komponenten der Planetenstufe drehfest miteinander koppelbar, um ein Verblocken der Planetenstufe zu erreichen.
Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei der Planetenstufe bevorzugt um einen Minusplanetensatz, bei welchem der Planetensteg ein oder mehrere Planetenräder führt, wobei jedes Planetenrad dabei sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad als auch mit dem radial außenliegenden Hohlrad im Zahneingriff steht. Alternativ dazu kann die Planetenstufe aber auch als Plusplanetensatz realisiert sein, bei welchem der Planetenträger mehrere Planetenräder drehbar gelagert führt, wobei die Planetenräder dabei zu Planetenradpaaren zusammengefasst sind, bei welchen je ein Planetenrad mit dem radial innenliegenden Sonnenrad und je ein Planetenrad mit dem radial außenliegenden Hohlrad kämmt, sowie die Planetenräder eines Paares untereinander im Zahneingriff stehen. Im Vergleich zur Ausführung als Minusplanetensatz ist dazu dann eine Hohlrad- und eine Steganbindung zu tauschen, sowie der Betrag der Standübersetzung um eins zu erhöhen.
In einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges sind neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Brennkraftmaschine, ein Kraftfahrzeuggetriebe mit zwei Teilgetrieben, sowie eine Elektromaschine vorgesehen. Dabei ist dann die erste Komponente der Planetenstufe der Vorrichtung mit einer Getriebeeingangswelle eines ersten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes drehfest verbunden, während die zweite Komponente mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest gekoppelt ist. Schließlich kann die dritte Komponente, abgesehen von der Koppelbarkeit mit der zweiten Komponente der Vorrichtung, zudem drehfest mit einer Getriebeeingangswelle eines zweiten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes in Verbindung gebracht werden.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur drehfesten Verbindung der dritten Komponente mit der zweiten Komponente ein erstes Schaltelement und zur drehfesten Anbindung der dritten Komponente an die Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes ein zweites Schaltelement vorgesehen ist. Dabei können das erste und das zweite Schaltelement unabhängig voneinander betätigt werden. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung also mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement ausgestattet, von welchen das erste Schaltelement bei Betätigung eine drehfeste Verbindung der dritten Komponente der Planetenstufe mit der zweiten Komponente herstellt, während das zweite Schaltelement im verbauten Zustand der Vorrichtung in einem Antriebsstrang bei Ansteuerung eine drehfeste Anbindung der dritten Komponente an die Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes realisiert. Dabei können das erste und das zweite Schaltelement unabhängig voneinander angesteuert, also auch gleichzeitig betätigt werden.
Eine derartige Ausgestaltung hat dabei den Vorteil, dass im Bereich der Vorrichtung eine Vielzahl an Fahrfunktionen über lediglich zwei Schaltelemente dargestellt werden kann, so dass ein kompakter Aufbau der Vorrichtung möglich ist. Zudem zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der geringen Anzahl an Schaltelementen durch einen niedrigen Herstellungsaufwand aus. Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung problemlos mit einem beliebigen, zwei Teilgetriebe aufweisenden Kraftfahrzeuggetriebe kombiniert werden, so dass hier auf konventionelle Getriebe zurückgegriffen werden kann.
Im Unterschied dazu sind bei der Vorrichtung der DE 10 2011 085 199 A1 ein Doppelschaltelement und ein einzelnes Schaltelement notwendig, um unterschiedliche Fahrfunktionen eines Hybridfahrzeuges realisieren zu können. Dies hat zur Folge, dass ein höherer Platzbedarf im Bereich der Vorrichtung notwendig und ein Herstellungsaufwand erhöht ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können unterschiedliche Fahrfunktionen dargestellt werden, wie insbesondere ein reines Fahren über die Brennkraftmaschine, ein reines elektrisches Fahren, ein elektrodynamisches Anfahren über die Brennkraftmaschine mit Hilfe der Elektromaschine, etc. Ferner können Lastschaltungen in dem nachgeschalteten Kraftfahrzeuggetriebe mit elektromotorischer Stützung der Zugkraft oder durch Überlagerung eines Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem Betrieb der Elektromaschine durchgeführt, sowie ein Laden eines elektrischen Speichers über die Brennkraftmaschine bzw. ein Anschleppen der Brennkraftmaschine über die Elektromaschine realisiert werden.
Die unterschiedlichen Fahrfunktionen können dabei insbesondere wie folgt dargestellt werden: Für ein rein elektrisches Fahren wird das erste Schaltelement der Vorrichtung geschlossen und das zweite Schaltelement in einem offenen Zustand belassen, wobei in dem ersten Teilgetriebe ein für das elektrische Fahren geeigneter Gang geschaltet wird. Aufgrund der Einbindung der Elektromaschine seitens der Vorrichtung kann das elektrische Fahren auch bei einer direkt am zweiten Teilgetriebe angebundenen Brennkraftmaschine realisiert werden. Ist hingegen ein Anfahrelement zwischen Brennkraftmaschine und zweitem Teilgetriebe des Kraftfahrzeuggetriebes vorgesehen, so treten keine Differenzdrehzahlen und damit Schleppverluste beim rein elektrischen Fahren an diesem Anfahrelement auf. Ferner kann die Brennkraftmaschine problemlos in einem passenden Gang des zweiten Teilgetriebes zugestartet werden.
Ferner kann ein elektrodynamischer Fahrbetrieb realisiert werden, indem das zweite Schaltelement der Vorrichtung geschlossen und, sofern vorhanden, das Anfahrelement zwischen dem zweiten Teilgetriebe und der Brennkraftmaschine betätigt wird. Ferner wird im ersten Teilgetriebe ein Gang eingelegt, wobei die Planetenstufe der Vorrichtung im Folgenden als Überlagerungsgetriebe fungiert, so dass mit Hilfe der eingebundenen Elektromaschine ein verschleißfreies Anfahren realisiert werden kann. Dabei wird die Elektromaschine anfangs generatorisch betrieben, wodurch ein elektrodynamisches Anfahren auch bei leerem elektrischem Energiespeicher möglich ist. Der elektrodynamische Betrieb kann schließlich dadurch beendet werden, dass entweder das erste Schaltelement betätigt und damit der jeweilige Gang des ersten Teilgetriebes für einen Antrieb über die Brennkraftmaschine genutzt wird oder aber im zweiten Teilgetriebe ein Gang eingelegt und damit ebenfalls ein Antrieb über die Brennkraftmaschine vorgenommen wird.
Lastschaltungen innerhalb des Kraftfahrzeuggetriebes können zum einen mit elektromotorischer Stützung der Zugkraft oder auch mit Hilfe einer Überlagerung in der Planetenstufe durchgeführt werden. Im erstgenannten Fall verbleibt das erste Schaltelement der Vorrichtung in einem geschlossenen Zustand, wodurch die Elektromaschine fest an die Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes angebunden ist. In der Folge kann die Elektromaschine bei Gangwechseln im zweiten Teilgetriebe die Zugkraft über einen der Gänge des ersten Teilgetriebes stützen. Umgekehrt ist es aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine bei einem Gangwechsel im ersten Teilgetriebe die Zugkraft über einen Gang im zweiten Teilgetriebe stützt.
Im alternativen Fall von Lastschaltungen mit Überlagerung in der Planetenstufe wird hingegen das zweite Schaltelement in einem geschlossenen Zustand gehalten, so dass die Planetenstufe die Drehmomente von Brennkraftmaschine und Elektromaschine summiert. Im Folgenden kann der Kraftfluss über einen Gang des ersten Teilgetriebes geführt werden, wobei durch Änderung der Drehzahlen der Elektromaschine und der Brennkraftmaschine die Eingangswelle des zweiten Teilgetriebes auf eine für einen folgenden Gang im zweiten Teilgetriebe geeignete Drehzahl synchronisiert werden kann. Ist dieser dann eingelegt, so kann die Elektromaschine geregelt Last abbauen, so dass der vorherige Gang des ersten Teilgetriebes lastfrei ausgelegt werden kann. Im Folgenden kann die Elektromaschine dann auch zum Synchronisieren weiterer Gänge, sowie lastfreien Auslegen von Gängen genutzt werden. Dieser Betrieb kann dann durch Synchronisieren und Schalten des ersten Schaltelements beendet werden.
Schließlich kann ein Laden eines elektrischen Energiespeichers dadurch realisiert werden, dass die beiden Schaltelemente der Vorrichtung geschlossen und die Brennkraftmaschine über das Anfahrelement, sofern vorhanden, an die Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes angebunden wird. Ferner ist dann kein Gang in dem nachgeschalteten Kraftfahrzeuggetriebe einzulegen, so dass bei der Koppelung der Brennkraftmaschine mit der Elektromaschine keine Kraftübertragung zum Abtrieb des Kraftfahrzeuggetriebes erfolgt. Neben einem Antreiben der Elektromaschine über die Brennkraftmaschine kann aber auch ein Starten der Brennkraftmaschine über die Elektromaschine, beispielsweise im Rahmen von Start-Stopp-Funktionen, verwirklicht werden.
Erfindungsgemäß kann das erste Schaltelement als formschlüssiges Schaltelement oder auch als kraftschlüssiges Schaltelement ausgeführt sein, wobei im letztgenannten Fall eine Koppelung der beiden Komponenten der Planetenstufe unter Last vollzogen werden kann. Bei einer Ausführung als formschlüssiges Schaltelement kann das erste Schaltelement als Klauenkupplung oder als Sperrsynchronisation realisiert sein, wohingegen eine bevorzugte Ausführung eines kraftschlüssigen Schaltelements eine nasslaufende Lamellenkupplung ist. Das zweite Schaltelement wird bevorzugt als formschlüssiges Schaltelement und hier als Klauenkupplung ausgeführt, kann prinzipiell aber ebenso gut auch als kraftschlüssiges Schaltelement verwirklicht sein. Innerhalb der Vorrichtung können die beiden Schaltelemente dabei auf ein und derselben axialen Seite der Planetenstufe oder aber auch auf entgegengesetzten axialen Seiten der Planetenstufe platziert sein.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschine innerhalb des Antriebsstranges, in welchem auch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, entweder direkt mit der Getriebeeingangswelle des zweiten Teilgetriebes drehfest verbunden oder über ein Anfahrelement drehfest mit dieser verbindbar. In der Folge ist die Brennkraftmaschine also entweder permanent mit dem Getriebeeingang des zweiten Teilgetriebes gekoppelt oder über das Anfahrelement, welches bevorzugt als Trennkupplung ausgestaltet ist, mit dem Getriebeeingang des zweiten Teilgetriebes koppelbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung eines Antriebsstranges für ein Hybridfahrzeug ist die Vorrichtung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kraftfahrzeuggetriebe oder das Kraftfahrzeuggetriebe zwischen der Brennkraftmaschine und der Vorrichtung angeordnet. Hierdurch kann eine fahrzeugabhängige optimale Anordnung im Antriebsstrang realisiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Elektromaschine entweder koaxial zu der Planetenstufe der Vorrichtung oder achsversetzt zu der Planetenstufe platziert. Im zweitgenannten Fall sind dann bevorzugt eine oder auch mehrere Stirnradstufen zur Anbindung des Rotors der Elektromaschine vorgesehen. Ferner kann seitens der Elektromaschine auch noch eine zusätzliche konstante Vorübersetzung in Planetenbauweise vorgesehen sein, um ein Hochdrehzahlkonzept einer Elektromaschine zu realisieren.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verfügt die Vorrichtung zudem über ein drittes Schaltelement mittels welchem die dritte Komponente der Planetenstufe an einem Gehäuse festgesetzt werden kann. In Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das dritte Schaltelement dann mit dem ersten oder dem zweiten Schaltelement zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst. Eine derartige Ausgestaltung einer Vorrichtung ermöglicht die Darstellung zweier unterschiedlicher Gänge für einen elektrischen Fahrbetrieb im Bereich der Vorrichtung. Dabei wird ein erster Gang für einen elektrischen Fahrbetrieb dadurch geschaltet, dass bei geöffnetem ersten und zweiten Schaltelement das dritte Schaltelement geschlossen wird, wobei ausgehend hiervon in einen zweiten Gang übergewechselt werden kann, indem das dritte Schaltelement geöffnet und das erste Schaltelement geschlossen wird.
Ist das erste Schaltelement dann zudem als kraftschlüssiges, lastschaltbares Schaltelement realisiert, so kann ein Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Gang unter Last vollzogen werden, indem beim Wechsel zunächst eine Lastübernahme durch das erste Schaltelement vorgenommen, anschließend ein lastfreies Öffnen des dritten Schaltelements durchgeführt und abschließend ein Schließen des ersten Schaltelements realisiert wird. Vorteilhafterweise drehen bei beiden Gängen der Vorrichtung keine Komponenten des zweiten Teilgetriebes des Kraftfahrzeuggetriebes mit, so dass alle Gänge des zweiten Teilgetriebes für einen Zustart der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen und eine ggf. vorgesehene Trennkupplung der Brennkraftmaschine keinen Schleppverlusten unterworfen ist.
In Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der ersten Komponente der Planetenstufe um den Planetensteg, bei der zweiten Komponente um das Hohlrad und bei der dritten Komponente um das Sonnenrad der Planetenstufe, wobei dann bei Betätigung des ersten Schaltelements bevorzugt das Sonnenrad und das Hohlrad drehfest miteinander gekoppelt werden, um das Verblocken der Planetenstufe herbeizuführen. Die Anbindung des Planetenstegs an der Getriebeeingangswelle des ersten Teilgetriebes hat dabei den Vorteil, dass sich am Planetensteg die Drehmomente von Sonnenrad und Hohlrad aufaddieren. Alternativ dazu sind aber zum einen auch anderweitige Anbindungen der Komponenten denkbar, wobei dabei insbesondere ein Vertauschen der Anbindungen von Sonnenrad und Hohlrad in Betracht kommt. Zum anderen ist bei einer drehfesten Koppelung zweier Komponenten über das erste Schaltelement auch jede andere Kombination denkbar, da hierbei stets ein Verblocken der Planetenstufe erzielt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung;
3 eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Teils eines Antriebsstranges gemäß einer vierten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung; und
5 eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges entsprechend einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Aus 1 geht eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges hervor, wobei der dargestellte Teil eine Brennkraftmaschine 1, ein Kraftfahrzeuggetriebe 2, eine Elektromaschine 3, sowie eine Vorrichtung 4 umfasst. In axialer Richtung gesehen sind die Elektromaschine 3 und die Vorrichtung 4 dabei axial zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Kraftfahrzeuggetriebe angeordnet.
Das Kraftfahrzeuggetriebe 2 setzt sich aus zwei Teilgetrieben 5 und 6 zusammen, welchen jeweils je eine Getriebeeingangswelle 7 bzw. 8 zugeordnet ist. Die Getriebeeingangswellen 7 und 8 sind dabei koaxial zueinander angeordnet, indem die Getriebeeingangswelle 7 des ersten Teilgetriebes 5 als Hohlwelle ausgeführt ist, durch welche die Getriebeeingangswelle 8 des zweiten Teilgetriebes 6 hindurch verläuft. Achsparallel zu den Getriebeeingangswellen 7 und 8 ist dann eine gemeinsame – vorliegend nur ansatzweise angedeutete – Abtriebswelle 9 des Kraftfahrzeuggetriebes 2 vorgesehen, an welcher dann die weiteren auf das Kraftfahrzeuggetriebe 2 folgenden Komponenten des Antriebsstranges anknüpfen.
Eine jeweilige Drehbewegung einer der Getriebeeingangswellen 7 oder 8 kann über zumindest eines von zwei Vorgelegen 10 und 11 auf die Abtriebswelle 9 übersetzt werden, wobei eine jeweilige Vorgelegewelle 12 bzw. 13 des jeweiligen Vorgeleges 10 bzw. 11 dabei mit der Abtriebswelle 9 über je eine Abtriebskonstante 14 bzw. 15 in Verbindung steht. Eine Koppelung der Vorgelegewellen 12 und 13 mit der Getriebeeingangswelle 7 oder der Getriebeeingangswelle 8 kann dann über ein oder auch mehrere Stirnradstufen 16 bis 22 vorgenommen werden, welche hierbei jeweils durch Betätigung zugehöriger Schaltelemente in den Kraftfluss eingebunden werden können. Die Schaltelemente sind dabei zu Doppelschaltelementen 23 bis 26 zusammengefasst.
Während die Stirnradstufen 16 bis 21 jeweils für sich alleine in den Kraftfluss eingebunden werden können und dann an der Übersetzung einer Drehbewegung von der jeweiligen Getriebeeingangswelle 7 bzw. 8 auf die jeweilige Vorgelegewelle 12 bzw. 13 beteiligt sind, ist im Falle der Stirnradstufe 22 eine Übersetzung nur im Zusammenspiel mit der Stirnradstufe 16 möglich. Bei Einbindung eines Losrades der Stirnradstufe 22, welches drehbar auf der Vorgelegewelle 13 gelagert ist, fungiert ein Losrad der Stirnradstufe 16 als Zwischenrad, so dass an der Vorgelegewelle 13 im Vergleich zu einer Einbindung der sonstigen Stirnradstufen 16 bis 21 eine Drehrichtungsumkehr hervorgerufen und damit ein Rückwärtsgang definiert wird. Schließlich kann noch ein Losrad der Stirnradstufe 21, neben einer drehfesten Koppelung mit der Vorgelegewelle 13, auch drehfest mit einem Losrad der Stirnradstufe 20 gekoppelt werden, wodurch ein Gang des Kraftfahrzeuggetriebes 2 als Windungsgang gestaltet werden kann.
Wie ferner in 1 zu sehen ist, kann die Brennkraftmaschine 1 über ein Anfahrelement 27 in Form einer Trennkupplung direkt drehfest mit der Getriebeeingangswelle 8 des Teilgetriebes 6 verbunden werden, so dass ein direkter Zugriff der Brennkraftmaschine 1 auf die dem Teilgetriebe 6 zugeordneten Stirnradstufen 18, 19 und 20 möglich ist. Um zudem einen Antrieb über die Brennkraftmaschine 1 bei Übersetzung über das Teilgetriebe 5 zu realisieren, sowie verschiedenste Fahrfunktionen unter Einbindung der Elektromaschine 3 zu ermöglichen, ist die Vorrichtung 4 vorgesehen, welche vorliegend entsprechend einer ersten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ausgeführt ist. Die Vorrichtung 4 umfasst dabei eine Planetenstufe 28, die koaxial und radial innenliegend zu der Elektromaschine 3 platziert ist.
Die Planetenstufe 28 verfügt über die Komponenten Hohlrad 29, Planetensteg 30 und Sonnenrad 31 und ist als Minusplanetensatz gestaltet, indem der Planetensteg 30 mehrere Planetenräder drehbar gelagert führt, die im Einzelnen sowohl mit dem radial innenliegenden Sonnenrad 31, als auch mit dem radial außenliegenden Hohlrad 29 kämmen. Dabei ist der Planetensteg 30 drehfest mit der Getriebeeingangswelle 7 des Teilgetriebes 5 verbunden, während das Hohlrad 29 drehfest mit einem Rotor 32 der Elektromaschine 3 in Verbindung steht. Zudem ist das Sonnenrad 31 auf einer Welle 33 aufgesetzt, die mittels eines Schaltelements 34 in ihrer Drehbewegung mit dem Hohlrad 29 und damit auch dem Rotor 32 gekoppelt werden kann und ferner über ein Schaltelement 35 an der Getriebeeingangswelle 8 anbindbar ist.
Die Schaltelemente 34 und 35, welche jeweils als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise in Form von Sperrsynchronisationen oder Klauenkupplungen, ausgeführt sind, können unabhängig voneinander betätigt werden, so dass die Welle 34 entweder mit der Getriebeeingangswelle 8 oder dem Hohlrad 29 oder aber auch sowohl mit der Getriebeeingangswelle 8 als auch mit dem Hohlrad 29 verbunden werden kann. Aufgrund dieser Betätigungsmöglichkeiten der beiden Schaltelemente 34 und 35 können nun unterschiedlichste Fahrfunktionen des Antriebsstranges realisiert werden, auf welche im Folgenden kurz eingegangen werden soll:
Ein regulärer Antrieb über die Brennkraftmaschine 1 kann dabei unter Ausnutzung der Übersetzungsverhältnisse des Teilgetriebes 5 dargestellt werden, indem sowohl das Schaltelement 34 als auch das Schaltelement 35 betätigt und die Planetenstufe 28 in der Folge verblockt wird. Hierdurch wird die Brennkraftmaschine 1 bei gleichzeitiger Betätigung des Anfahrelementes 27 auch drehfest mit der Getriebeeingangswelle 7 des Teilgetriebes 5 verbunden. Wird zudem nun eine der Stirnradstufen 16, 17, 21 oder 22 in den Kraftfluss eingebunden, so kann eine über die Brennkraftmaschine 1 hervorgerufene Drehbewegung auf die Abtriebswelle 9 übersetzt werden.
Des Weiteren kann ein rein elektrisches Fahren dadurch dargestellt werden, dass das Schaltelement 34 geschlossen wird, während das Schaltelement 35 in einem offenen Zustand belassen wird. Wird die Elektromaschine 3 im Folgenden als Elektromotor betrieben, so wird aufgrund der drehfesten Koppelung von Welle 33 und Hohlrad 29 eine entsprechend übersetzte Drehbewegung an der Getriebeeingangswelle 7 hervorgerufen, so dass bei Schalten eines der Gänge des zugehörigen Teilgetriebes 5 auch eine entsprechende Übersetzung auf die Abtriebswelle 9 realisiert werden kann.
Ein elektrodynamischer Fahrbetrieb kann ferner zum Anfahren dargestellt werden, indem zum einen das Anfahrelement 27 geschlossen und das Schaltelement 35 betätigt wird. Infolgedessen fungiert die Planetenstufe 28 als Überlagerungsgetriebe, mittels welchem Drehbewegungen der Brennkraftmaschine 1 und der Elektromaschine 3 überlagert auf die Getriebeeingangswelle 7 übertragen werden. Wird zudem im Teilgetriebe 5 ein Gang geschaltet, so kann ein verschleißfreies Anfahren dargestellt werden, wobei die Elektromaschine 3 dabei bei einem leeren elektrischen Energiespeicher anfangs problemlos auch generatorisch betrieben werden kann. Der elektrodynamische Fahrbetrieb kann durch Schließend des Schaltelements 34 beendet werden, wobei dann regulär in dem aktuell im Teilgetriebe 5 gewählten Gang weitergefahren oder aber ein gewünschter Gang im Teilgetriebe 6 geschaltet werden kann.
Des Weiteren können mit Hilfe der Vorrichtung 4 Lastschaltungen im Kraftfahrzeuggetriebe 2 realisiert werden. Entsprechend einer ersten Möglichkeit, bei welcher die Elektromaschine 3 elektromotorisch betrieben wird und dabei die jeweils aktuelle Zugkraft stützt, bleibt das Schaltelement 34 stets geschlossen, so dass der Rotor 32 mit der Getriebeeingangswelle 7 gekoppelt ist. In der Folge kann die Elektromaschine 3 oder die Brennkraftmaschine 1 die Zugkraft bei einem Gangwechsel zwischen den Teilgetrieben 5 und 6 stützen.
Im Falle der alternativen Möglichkeit der Darstellung von Lastschaltungen bleibt hingegen stets das Schaltelement 35 geschlossen, so dass Drehmomente der Brennkraftmaschine 1 und der Elektromaschine 3 überlagert werden. Wird dann in einem Gang des Teilgetriebes 5 gefahren, so kann im Zuge eines Gangwechsels die Getriebeeingangswelle 8 durch Änderung der Drehzahlen an Elektromaschine 3 und Brennkraftmaschine 1 auf eine für einen Folgegang des Teilgetriebes 6 geeignete Drehzahl synchronisiert werden. Wurde der Folgegang dann eingelegt, so kann die Elektromaschine 3 Last abbauen und im Folgenden der alte Gang im Teilgetriebe 5 ausgelegt werden. In gleicher Weise kann dann auch wiederum ein neuer Gang im Teilgetriebe 5 synchronisiert und anschließend eingelegt werden, wobei auch hier durch entsprechende Steuerung der Elektromaschine 3 und der Brennkraftmaschine 1 ein lastfreies Auslegen des alten Ganges des Teilgetriebes 6 möglich ist. Abschließend kann dann auch das Schaltelement 34 synchronisiert und geschlossen werden.
Schließlich kann noch ein Laden eines Energiespeichers der Elektromaschine 3 dargestellt werden, indem bei geschlossenem Anfahrelement 27 sowohl das Schaltelement 34 als auch das Schaltelement 35 geschlossen und im Kraftfahrzeuggetriebe 2 kein Gang eingelegt wird. Bedingt durch die gleichzeitige Betätigung der Schaltelemente 34 und 35 sind die Brennkraftmaschine 1 und die Elektromaschine 3 im Folgenden gekoppelt, so dass bei einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine 3 ein Laden des Elektrospeichers erfolgt. Zum anderen kann aber bei einem elektromotorischen Betrieb der Elektromaschine 3 auch ein Anschleppen der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise im Zuge von Start-Stopp-Funktionen, realisiert werden.
Aus 2 geht eine schematische Ansicht eines Teils eines Antriebsstranges entsprechend einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung hervor. Diese entspricht dabei weitestgehend der Variante nach 1, wobei als einziger Unterschied ein Schaltelement 36, welches bei Betätigung die Welle 33 mit Hohlrad 29 und Rotor 32 drehfest verbindet, als kraftschlüssiges Schaltelement realisiert ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Schaltelement 36 dabei um eine Lamellenkupplung, welche auch unter Last geschlossen werden kann.
Ferner geht aus 3 eine dritte Ausführungsform eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges hervor. Diese Ausgestaltungsmöglichkeit entspricht dabei weitestgehend der vorhergehenden Variante nach 2, wobei im Unterschied dazu neben dem Schaltelement 35 und dem Schaltelement 36 noch ein Schaltelement 37 vorgesehen ist, welches, wie das Schaltelement 35, als formschlüssiges Schaltelement ausgeführt und mit dem Schaltelement 35 zu einem Doppelschaltelement 38 zusammengefasst ist. Wird das Schaltelement 37 betätigt, so wird die Welle 33 und damit auch das Sonnenrad 31 der Planetenstufe 28 an einem Gehäuse 39 festgesetzt. Hierdurch können im elektrischen Fahrbetrieb zwei unterschiedliche Gänge durch die Planetenstufe 28 definiert werden, zwischen welchen aufgrund der Ausführung des Schaltelements 36 als lastschaltbares Schaltelement unter Last gewechselt werden kann. Dazu wird in dem Teilgetriebe 5 ein entsprechender, gewünschter Gang eingelegt und dann ein erster Gang der Planetenstufe 28 definiert, indem das Schaltelement 37 betätigt und das Schaltelement 36 in einem geöffneten Zustand belassen wird. Eine Lastschaltung von diesem ersten Gang in den zweiten Gang erfolgt nun, indem mit Hilfe des Schaltelements 36 eine Lastübernahme dargestellt wird, im Zuge von welcher das Schaltelement 37 lastfrei geöffnet werden kann. Ist dies dann erfolgt, so wird das Schaltelement 36 geschlossen und damit der zweite Gang der Planetenstufe 28 definiert.
Aus 4 geht des Weiteren eine vierte Ausgestaltungsmöglichkeit eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges hervor. Diese entspricht dabei im Wesentlichen der Variante nach 3, wobei als einziger Unterschied das Schaltelement 34 in Übereinstimmung mit der Variante nach 1 als kraftschlüssiges Schaltelement realisiert ist. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform nach 4 sonst der Variante nach 3.
Schließlich geht aus 5 noch eine fünfte Ausführungsform eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges hervor, wobei in diesem Fall im Vergleich zu der Variante nach 1 lediglich eine anderweitige Anordnung des Kraftfahrzeuggetriebes 2, der Vorrichtung 4 und der Elektromaschine 3 vorgenommen wurde. So sitzt das Kraftfahrzeuggetriebe 2 nunmehr axial zwischen der Brennkraftmaschine 1 einerseits und der Elektromaschine 3 und der Vorrichtung 4 andererseits. Im Übrigen entspricht die Variante nach 5 sonst der Variante nach 1.
Die aus 5 hervorgehende Variante hinsichtlich einer Anordnung der einzelnen Komponenten kann im Sinne der Erfindung jedoch auch bei den Ausführungsformen nach den 2 bis 4 umgesetzt werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Vorrichtung und deren entsprechende Anwendung in einem Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug ist eine kompakte Anordnung bei gleichzeitig niedrigem herstellungstechnischen Aufwand realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Kraftfahrzeuggetriebe
3: Elektromaschine
4: Vorrichtung
5: Teilgetriebe
6: Teilgetriebe
7: Getriebeeingangswelle
8: Getriebeeingangswelle
9: Abtriebswelle
10: Vorgelege
11: Vorgelege
12: Vorgelegewelle
13: Vorgelegewelle
14: Abtriebskonstante
15: Abtriebskonstante
16: Stirnradstufe
17: Stirnradstufe
18: Stirnradstufe
19: Stirnradstufe
20: Stirnradstufe
21: Stirnradstufe
22: Stirnradstufe
23: Doppelschaltelement
24: Doppelschaltelement
25: Doppelschaltelement
26: Doppelschaltelement
27: Anfahrelement
28: Planetenstufe
29: Hohlrad
30: Planetensteg
31: Sonnenrad
32: Rotor
33: Welle
34: Schaltelement
35: Schaltelement
36: Schaltelement
37: Schaltelement
38: Doppelschaltelement
39: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011085199 A1 [0003, 0012]

Claims

Vorrichtung (4) für einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Planetenstufe (28) mit den Komponenten Hohlrad (29), Planetensteg (30) und Sonnenrad (31), wobei von diesen Komponenten eine erste Komponente der drehfesten Anbindung einer Getriebeeingangswelle (7) eines ersten Teilgetriebes (5) eines Kraftfahrzeuggetriebes (2) und eine zweite Komponente der drehfesten Koppelung mit einem Rotor (32) einer Elektromaschine (3) dient, wohingegen eine dritte Komponente an eine Getriebeeingangswelle (8) eines zweiten Teilgetriebes (6) des Kraftfahrzeuggetriebes (2) drehfest anbindbar ist, und wobei zwei der Komponenten drehfest miteinander koppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur drehfesten Koppelung zweier Komponenten der Planetenstufe (28) ein erstes Schaltelement (34; 36) und zur drehfesten Anbindung der dritten Komponente an die Getriebeeingangswelle (8) des zweiten Teilgetriebes (6) ein zweites Schaltelement (35) vorgesehen ist, und dass das erste (34; 36) und das zweite Schaltelement (35) unabhängig voneinander betätigbar sind.
Vorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zudem ein drittes Schaltelement (37) vorgesehen ist, über welches die dritte Komponente an einem Gehäuse (39) festsetzbar ist.
Vorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltelement (37) mit dem ersten oder dem zweiten Schaltelement (35) zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst ist.
Vorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Komponente um den Planetensteg (30), bei der zweiten Komponente um das Hohlrad (29) und bei der dritten Komponente um das Sonnenrad (31) der Planetenstufe (28) handelt.
Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges, umfassend eine Brennkraftmaschine (1), ein Kraftfahrzeuggetriebe (2) mit zwei Teilgetrieben (5, 6), eine Elektromaschine (3), sowie eine Vorrichtung (4) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei deren Planetenstufe (28) die erste Komponente mit einer Getriebeeingangswelle (7) eines ersten Teilgetriebes (5) des Kraftfahrzeuggetriebes (2) drehfest verbunden und die zweite Komponente mit einem Rotor (32) der Elektromaschine (3) drehfest gekoppelt ist, wohingegen die dritte Komponente über das zweite Schaltelement (35) drehfest mit einer Getriebeeingangswelle (8) eines zweiten Teilgetriebes (6) des Kraftfahrzeuggetriebes (2) in Verbindung bringbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) mit der Getriebeeingangswelle (8) des zweiten Teilgetriebes (6) drehfest verbunden oder über ein Anfahrelement (27) drehfest mit dieser verbindbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Kraftfahrzeuggetriebe (2) oder das Kraftfahrzeuggetriebe (2) zwischen der Brennkraftmaschine (1) und der Vorrichtung (4) angeordnet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (3) koaxial zu der Planetenstufe (28) der Vorrichtung (4) oder achsversetzt zu der Planetenstufe der Vorrichtung platziert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (4) nach Anspruch 2, wobei in der Vorrichtung ein erster Gang für einen elektrischen Fahrbetrieb geschaltet wird, indem bei geöffnetem ersten (34; 36) und zweiten Schaltelement (35) das dritte Schaltelement (37) geschlossen wird, und wobei ausgehend von dem ersten Gang in einen zweiten Gang für den elektrischen Fahrbetrieb übergewechselt wird, indem das dritte Schaltelement (37) geöffnet und das erste Schaltelement (34; 36) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Gang unter Last vollzogen wird, indem beim Wechsel zunächst eine Lastübernahme des als Lastschaltelement ausgeführten, ersten Schaltelements (36) vorgenommen, anschließend ein lastfreies Öffnen des dritten Schaltelements (37) durchgeführt und schließlich ein Schließen des ersten Schaltelements (36) realisiert wird.