DE102014019431B4 - Hybridantrieb für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einer Elektromaschine (5) und einer Brennkraftmaschine (1), deren Kraftabgabewelle (11) über zwei Trennkupplungen (K1, K2) einer Doppelkupplung alternierend auf zwei koaxial angeordnete Eingangswellen (7, 9) eines Doppelkupplungsgetriebes (3) abtreibt, mit denen jeweils axial hintereinander angeordnete Teilgetriebe (I,II) aktivierbar sind, wobei auf den beiden Eingangswellen (7, 9) und einer achsparallel dazu angeordneten gemeinsamen Abtriebswelle (13) Fest- und Loszahnräder angeordnet sind, die unter Bildung von Gangstufen (1 bis 7, R) zu Zahnradsätzen zusammengefasst sind, in denen die Loszahnräder mittels Schaltkupplungen mit den Wellen (7, 9, 13) kuppelbar sind, wobei die Elektromaschine (5) über eine Übersetzungsstufe (27) direkt auf eine der Eingangswellen (7) des Doppelkupplungsgetriebes (3) wirkt, und wobei das erste Teilgetriebe (I) die ungeraden Vorwärtsgänge und das zweite Teilgetriebe (II) die geraden Vorwärtsgänge aufweist und das zweite Teilgetriebe (II) axial an die Doppelkupplung (K1, K2) grenzt und das erste Teilgetriebe (I) axial unter Zwischenschaltung des zweiten Teilgetriebes (II) von der Doppelkupplung (K1, K2) beabstandet ist, wobei das zweite Teilgetriebe (II) über eine hohle zweite Eingangswelle (9) mit der zweiten Trennkupplung (K2) in Verbindung ist und das erste Teilgetriebe (I) über die in der Eingangshohlwelle (9) angeordnete erste Eingangswelle (7) mit der ersten Trennkupplung (K1) in Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (7) in axialer Verlängerung über das erste Teilgetriebe (I) hinaus mit einem Endstück (23) verlängert ist, das bis aus dem Getriebegehäuse (25) geführt ist und mit der Übersetzungsstufe (27) der Elektromaschine (5) trieblich verbunden ist, und dass die Übersetzungsstufe (27) ein erstes Stirnzahnrad (29), das wellenfest auf dem Endstück (23) der ersten Eingangswelle (7) angeordnet ist, und ein damit kämmendes zweites Stirnzahnrad (29) aufweist, das wellenfest auf einer Abtriebswelle (33) der Elektromaschine (5) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein gattungsgemäßes Antriebsaggregat eines solchen Hybridantriebes weist eine Elektromaschine, eine Brennkraftmaschine sowie ein Doppelkupplungsgetriebe auf. Die Motorkurbelwelle der Brennkraftmaschine ist über zwei Trennkupplungen des Doppelkupplungsgetriebes alternierend auf zwei koaxial angeordnete Eingangswellen des Doppelkupplungsgetriebes abtreibbar. Mit den Eingangswellen können jeweils axial hintereinander angeordnete Teilgetriebe im Fahrbetrieb aktiviert oder deaktiviert werden. Den beiden Eingangswellen ist eine achsparallel dazu angeordnete gemeinsame Abtriebswelle zugeordnet, die über ein Differenzial auf Fahrzeugräder abtreibt. Auf den Wellen des Doppelkupplungsgetriebes sind Fest- und Loszahnräder angeordnet, die unter Bildung von Gangstufen zu Zahnradsätzen zusammengefasst sind, in denen die Loszahnräder mittels Schaltkupplungen mit den Wellen kuppelbar sind.
  • Der Bauraum eines solchen Hybridantriebes bestimmt sich unter anderem aus der Anordnung eines als Ritzelstarter bezeichneten Elektromotors zwischen der Brennkraftmaschine und der Motor-Getriebe-Kupplung sowie der Elektromaschine für einen reinen oder zumindest teilweisen elektrischen Fahrbetrieb bzw. für einen Rekuperationsbetrieb.
  • Aus der DE 44 36 383 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt, der eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine als alternative Antriebe aufweist. Die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine wirken auf eine Antriebswelle eines Geschwindigkeitswechselgetriebes des Kraftfahrzeugs. Dabei ist die Brennkraftmaschine über eine Trennkupplung und die Elektromaschine über eine Drehzahl-Untersetzungsstufe direkt auf die Antriebswelle geschaltet.
  • Aus der DE 10 2010 008 754 A1 ist ein gattungsgemäßer Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bekannt. Weitere Hybridantriebe für ein Kraftfahrzeug sind aus der JP 2009/248 730 A , aus der DE 20 2014 004 770 U1 und aus der DE 10 2013 004 874 A1 bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug bereitzustellen, der bei baulich geringem Mehraufwand eine Bauraum- sowie Bauteilreduzierung im Hybridantrieb ermöglicht.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Gemäß dem Patentanspruch 1 ist die Elektromaschine, die einen elektrischen Fahr- oder Rekuperationsbetrieb bereitstellt, bevorzugt über eine Übersetzungsstufe oder auf andere Weise, direkt auf eine der Eingangswellen des Doppelkupplungsgetriebes geschaltet.
  • Durch die obige Anordnung erfolgt der Motorstart-Betrieb, ein elektrisch/hybridisch durchgeführter Fahrbetrieb sowie der Rekuperationsbetrieb mit nur einer einzigen Elektromaschine, statt bisher mit zwei Elektromotoren.
  • In einer technischen Umsetzung kann die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine sich an gegenüberliegenden Seiten des Doppelkupplungsgetriebes befinden und auf einer gemeinsamen Eingangswelle angebunden sein, die das Getriebe durchdringt. In diesem Fall befindet sich, in Axialrichtung betrachtet, die Brennkraftmaschine an einem Getriebeende, während am axial gegenüberliegenden Ende die Elektromaschine angeordnet ist. Durch die Anbindung der Elektromaschine an einer der Getriebeeingangswellen, und zwar antriebsseitig sowie in der Momentenflussrichtung hinter der Motor-Getriebe-Kupplung, kann (gegebenenfalls durch die geeignete Auslegung der Elektromaschine oder durch die Zwischenschaltung einer Getriebestufe) die Motorstart-Funktion realisiert werden. Die antriebsseitige Anbindung der Elektromaschine in der Momentenflussrichtung hinter der Motor-Getriebe-Kupplung kann zudem, abhängig von der Gangübersetzung des Doppelkupplungsgetriebes und des Elektromaschinen-Moments, einen reinen elektrischen Fahrbetrieb, einen Hybridfahrbetrieb sowie eine Rekuperation im Schubbetrieb ermöglichen.
  • Die vorliegende Erfindung ist unabhängig vom Doppelkupplungsgetriebe-Typ. Die Erfindung ist ebenfalls unabhängig von der Bauart der Elektromaschine, wobei die Bauart der Elektromaschine erst in der jeweiligen Anwendung durch Bauraum, Momentenanforderung, Spannungslage und Sicherheitskriterien definiert.
  • Zusammenfassend sind durch die Doppelfunktion der Elektromaschine als Motorstarter und als Triebstranggenerator, je nach Gangübersetzung des Doppelkupplungsgetriebes und Auslegung der Elektromaschine sowie gegebenenfalls einer vorgeschalteten Getriebestufe vor der Elektromaschine, in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen die folgenden Funktionen möglich: ein Hybridfahrbetrieb, ein rein elektrischer Fahrbetrieb und/oder ein Rekuperationsbetrieb in Schubphasen. Mittels der Erfindung können zudem Synchronvorgänge der Getriebegänge vereinfacht werden, deren Schalträder bzw. Synchronisierung sich auf der Eingangswelle befindet, was bei einem abtriebsseitig angebundenen, aus dem Stand der Technik bekannten Triebstranggenerator nicht möglich ist. Bei solchen Synchronisiervorgängen kann die Elektromaschine den Drehzahlangleich der Getriebeeingangswelle (verbunden durch die Motor-Getriebe-Kupplung mit der Kurbelwelle) sowie der damit verbundenen Getriebe- und Motorbauteile während des Schaltvorgangs übernehmen.
  • Zudem ergibt sich ein reduzierter Bauraumbedarf sowie reduzierte Fertigungskosten, da nicht mehr zwei Elektromaschinen, sondern lediglich eine einzige Elektromaschine im Antriebsaggregat des Hybridantriebes verbaut ist. Die Art der Anbindung der Elektromaschine an die Getriebeeingangswelle ist durch die Erfindung nicht beschränkt und kann auf vielfältige Weise realisiert werden.
  • Im Hinblick auf einen gesteigerten Startkomfort kann die Anbindung der Elektromaschine über eine Übersetzungsstufe erfolgen. Durch die Übersetzungsstufe drehen die Elektromaschine und die Motorkurbelwelle in unterschiedlichen Drehrichtungen, wodurch sich Drehmomente zumindest teilweise aufheben bzw. kompensieren, die ansonsten beim Motorstart ein erhöhtes Schüttelverhalten verursachen.
  • Nachfolgend sind weitere Aspekte der Erfindung beschrieben: So weist das erste Teilgetriebe die ungeraden Vorwärtsgänge und das zweite Teilgetriebe die geraden Vorwärtsgänge auf. Das zweite Teilgetriebe grenzt in Axialrichtung betrachtet und mittelbar an die Doppelkupplung an, während das erste Teilgetriebe axial davon beabstandet sowie unter Zwischenschaltung des zweiten Teilgetriebes von der Doppelkupplung beabstandet ist. Das zweite Teilgetriebe ist über eine hohle zweite Eingangswelle mit der zweiten Trennkupplung in Verbindung, während das erste Teilgetriebe über die in der Eingangshohlwelle angeordnete erste Eingangswelle mit der ersten Trennkupplung in Verbindung ist.
  • Die dem ersten Teilgetriebe zugeordnete erste Eingangswelle ist in einer axialen Verlängerung mit einem Endstück über das erste Teilgetriebe hinaus an der Elektromaschine angebunden, und zwar an die bereits erwähnte Ü bersetzu ngsstufe.
  • Im Hinblick auf eine bauraumgünstige Anordnung kann die Elektromaschine mit ihrer Drehachse achsparallel zwischen den Eingangswellen und der Abtriebswelle angeordnet sein. Die Elektromaschine kann, gegebenenfalls mit der Übersetzungsstufe außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet sein. Die Übersetzungsstufe kann in einer technischen Realisierung ein auf der Elektromaschinen-Abtriebswelle angeordnetes Stirnzahnrad aufweisen, das mit einem auf dem Eingangswellen-Endstück wellenfest angeordneten Stirnzahnrad in Zahneingriff ist.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Hybridantriebes für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsaggregat bestehend aus einer Brennkraftmaschine 1, einem Doppelkupplungsgetriebe 3 und einer Elektromaschine 5; und
    • 2 ein Diagramm, in dem beispielhaft erforderliche Motorstartmomente bei kalter und bei warmer Fahrzeug-Umgebung gezeigt sind.
  • Der in der 1 dargestellte Hybridantrieb setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einer Brennkraftmaschine 1, einem Doppelkupplungsgetriebe 3 und einer Elektromaschine 5. Das Doppelkupplungsgetriebe 3 weist zwei Eingangswellen 7, 9 auf, die koaxial angeordnet sind und die über zwei hydraulisch betätigbare Lamellenkupplungen K1, K2 alternierend mit der Motor-Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 1 momentenübertragend verbindbar sind, und zwar über einen vorgeschalteten Drehschwingungsdämpfer 8. Die Eingangswelle 9 ist in der 1 als Hohlwelle ausgeführt, innerhalb der koaxial die Eingangswelle 7 angeordnet ist.
  • Das Doppelkupplungsgetriebe 3 umfasst hier beispielhaft insgesamt sieben Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang, die durch entsprechende Zahnradsätze mit jeweils einem Loszahnrad und einem Festzahnrad realisiert sind, die in bekannter Weise über Schaltkupplungen (d.h. Doppelsynchronkupplungen) schaltbar sind und in zwei Teilgetriebe I und II unterteilt sind.
  • Das Teilgetriebe II weist dabei die geraden Vorwärtsgänge 2, 4, 6 sowie den Rückwärtsgang R auf, die über die hohle Eingangswelle 9 und mittels der zweiten Trennkupplung K2 aktivierbar sind. Das Teilgetriebe I weist dagegen die ungeraden Vorwärtsgänge 1, 3, 5, 7 auf, die über die erste Eingangswelle 7 und mittels der ersten Trennkupplung K1 aktivierbar sind. Die abtreibenden Zahnräder der, die Gangstufen bildenden Zahnradsätze sind allesamt auf einer gemeinsamen, achsparallelen Abtriebswelle 13 angeordnet. Die Abtriebswelle 13 treibt über eine Zahnradstufe mit Stirnzahnradrädern 15, 17 die Antriebswelle eines Achsdifferenzials 21 an.
  • Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist die erste Eingangswelle 7 in der Axialrichtung betrachtet über das erste Teilgetriebe I hinaus mit einem Endstück 23 verlängert, das bis aus dem Getriebegehäuse 25 geführt ist und an der Elektromaschine 5 angebunden ist. Die Anbindung an die Elektromaschine 5 erfolgt mittels einer Übersetzungsstufe 27, bei der ein erstes Stirnzahnrad 31 wellenfest auf dem Endstück 23 der ersten Eingangswelle 7 angeordnet ist und ein damit kämmendes zweites Stirnzahnrad 29 auf einer Abtriebswelle 33 der Elektromaschine 5 wellenfest angeordnet ist.
  • Die Elektromaschine 5 ist in der 1 bauraumgünstig auf einer, der Brennkraftmaschine 1 axial gegenüberliegenden Seite angeordnet, wobei deren Abtriebswelle 33 achsparallel zwischen den beiden Eingangswellen 7, 9 und der Abtriebswelle 19 des Doppelkupplungsgetriebes 3 positioniert ist.
  • Die Elektromaschine 5 ist so ausgelegt, dass sie beim Motorstart sowohl als Anlasser als auch im Fahrbetrieb als ein Triebstranggenerator arbeiten kann und damit auch im Hybrid-, Elektro- und Rekuperationsfahrbetrieb einsetzbar ist. Zudem kann die Elektromaschine 5 bei einer Schaltbetätigung im Doppelkupplungsgetriebe als ein Synchronisator arbeiten. In einem solchen Fall berechnet eine nicht dargestellte Steuerelektronik anhand von Drehzahlsignalen der Abtriebswelle 19 und von Gangsignalen des zu schaltenden Ganges des Doppelkupplungsgetriebes eine erforderliche Solldrehzahl der Eingangswelle 9, vergleicht diese mit einem Ist-Drehzahlsignal und steuert über eine Stromregeleinheit eine positive oder negative Beschleunigung der Elektromaschine, um einen Synchronlauf der zu schaltenden Gangstufe zu erzielen.
  • Wie oben dargelegt, arbeitet die Elektromaschine 5 zugleich auch als Anlasser, der mit entsprechend großen Motorstartmomenten die Brennkraftmaschine 1 beaufschlagen muss, um die Schleppmomente in der Brennkraftmaschine 1 zu überwinden. In dem Diagramm der 2 sind beispielhaft erforderliche Motorstartmomente bei kalter und bei warmer Fahrzeug-Umgebung in maximaler Höhe und maximaler Dauer angedeutet. Die punktiert dargestellte Motorstartmoment-Linie weist ein Peakmoment in einer Größenordnung von ca. 170 Nm auf, das zum Beispiel für eine Dauer von 0,5 s bereitstellbar ist. Die durchgezogene Momenten-Kennlinie betrifft ein elektrisches Dauermoment, das von der Elektromaschine 5 exemplarisch für 20 s bereitstellbar ist. Zudem ist in dem Diagramm rechts oben eine Volllastmomentenkurve der Brennkraftmaschine 1 gezeigt.

Claims (4)

  1. Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einer Elektromaschine (5) und einer Brennkraftmaschine (1), deren Kraftabgabewelle (11) über zwei Trennkupplungen (K1, K2) einer Doppelkupplung alternierend auf zwei koaxial angeordnete Eingangswellen (7, 9) eines Doppelkupplungsgetriebes (3) abtreibt, mit denen jeweils axial hintereinander angeordnete Teilgetriebe (I,II) aktivierbar sind, wobei auf den beiden Eingangswellen (7, 9) und einer achsparallel dazu angeordneten gemeinsamen Abtriebswelle (13) Fest- und Loszahnräder angeordnet sind, die unter Bildung von Gangstufen (1 bis 7, R) zu Zahnradsätzen zusammengefasst sind, in denen die Loszahnräder mittels Schaltkupplungen mit den Wellen (7, 9, 13) kuppelbar sind, wobei die Elektromaschine (5) über eine Übersetzungsstufe (27) direkt auf eine der Eingangswellen (7) des Doppelkupplungsgetriebes (3) wirkt, und wobei das erste Teilgetriebe (I) die ungeraden Vorwärtsgänge und das zweite Teilgetriebe (II) die geraden Vorwärtsgänge aufweist und das zweite Teilgetriebe (II) axial an die Doppelkupplung (K1, K2) grenzt und das erste Teilgetriebe (I) axial unter Zwischenschaltung des zweiten Teilgetriebes (II) von der Doppelkupplung (K1, K2) beabstandet ist, wobei das zweite Teilgetriebe (II) über eine hohle zweite Eingangswelle (9) mit der zweiten Trennkupplung (K2) in Verbindung ist und das erste Teilgetriebe (I) über die in der Eingangshohlwelle (9) angeordnete erste Eingangswelle (7) mit der ersten Trennkupplung (K1) in Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangswelle (7) in axialer Verlängerung über das erste Teilgetriebe (I) hinaus mit einem Endstück (23) verlängert ist, das bis aus dem Getriebegehäuse (25) geführt ist und mit der Übersetzungsstufe (27) der Elektromaschine (5) trieblich verbunden ist, und dass die Übersetzungsstufe (27) ein erstes Stirnzahnrad (29), das wellenfest auf dem Endstück (23) der ersten Eingangswelle (7) angeordnet ist, und ein damit kämmendes zweites Stirnzahnrad (29) aufweist, das wellenfest auf einer Abtriebswelle (33) der Elektromaschine (5) angeordnet ist.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, die ungeraden Vorwärtsgänge bildenden Zahnradsätze im ersten Teilgetriebe (I) entweder im verbrennungsmotorischen Betrieb oder im elektromotorischen Betrieb nutzbar sind, und dass die, die geraden Vorwärtsgänge bildenden Zahnradsätze im zweiten Teilgetriebe (II) nur im verbrennungsmotorischen Betrieb nutzbar sind.
  3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (5) in Doppelfunktion als ein Anlasser wirkt, mit dem die Brennkraftmaschine (1) gestartet wird.
  4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (5) mit ihrer Drehachse (33) achsparallel zwischen den Eingangswellen (7, 9) und der Abtriebswelle (13) angeordnet ist.
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