DE102014219359B3 - Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Eine Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, umfassend eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, eine Welle eines Elektromotors, ein sowohl mit der Kurbelwelle als auch mit der Welle gekoppeltes Schaltgetriebe, ein drehfest mit der Kurbelwelle verbundenes Schwungrad, eine zwischen das Schwungrad und eine Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes geschaltete Reibungskupplung, sowie ein Planetengetriebe, dessen Hohlrad mit dem Schwungrad, dessen Sonnenrad mit der Welle des Elektromotors und dessen Planetenträger mit einer Kupplungsscheibe der Reibungskupplung verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine für ein Hybrid-Kraftfahrzeug geeignete Antriebseinrichtung. Unter einem Hybrid-Kraftfahrzeug wird ein Fahrzeug mit verbrennungsmotorischem sowie elektromotorischem Antrieb verstanden.
  • Eine Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Fahrzeug ist beispielsweise in der DE 10 2011 014 703 A1 offenbart. Diese Antriebseinheit weist ein Planetengetriebe auf, wobei ein Drehmoment eines Verbrennungsmotors über das Hohlrad des Planetengetriebes in das Planetengetriebe einleitbar ist. Ein Elektromotor der Antriebseinrichtung ist zur Einleitung von Drehmoment in das Planetengetriebe über dessen Sonnenrad vorgesehen. Über den Planetenträger ist ein Drehmoment aus dem Planetengetriebe der bekannten Antriebseinrichtung ausleitbar.
  • Aus der DE 10 2011 005 562 A1 ist ein Schaltgetriebe eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug bekannt. Dieses Schaltgetriebe ist aus einem Doppelkupplungsgetriebe mit zwei koaxialen Eingangswellen abgeleitet.
  • Die DE 10 2011 005 531 A1 offenbart einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb mit mindestens zwei Planetengetrieben. Bei diesem Hybridantrieb sind eine mit einem Verbrennungsmotor verbundene Eingangswelle und eine zweite, mit dem Rotor eines Elektromotors verbundene Eingangswelle koaxial hintereinander angeordnet.
  • Die DE 10 2011 085 197 A1 zeigt einen Hybridantrieb mit einem Planetengetriebe, einer Kupplung, einem Schaltgetriebe und einem Elektromotor. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden. Der Elektromotor ist über eine Hohlwelle mit dem Sonnenrad verbunden, während der Planetenträger mit dem Schaltgetriebe verbunden ist. Die Kupplung kann über das Schaltgetriebe mit dem Planetenträger verbunden werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Kraftfahrzeug gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines kompakten Aufbaus sowie eines günstigen Verhältnisses zwischen konstruktivem Aufwand und Funktionsvielfalt weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für ein Hybrid-Kraftfahrzeug ausgebildete Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Weiterbildungen der Antriebseinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Antriebseinrichtung umfasst eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, eine Welle eines Elektromotors, sowie ein Schaltgetriebe, welches in Wirkverbindung mit beiden genannten Wellen steht. Die Übertragung eines Drehmomentes zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Schaltgetriebe ist mittels einer Reibungskupplung möglich, welche zwischen einem mit der Kurbelwelle verbundenen Schwungrad, insbesondere Zweimassenschwungrad, und einer Getriebeeingangswelle des Schaltgetriebes angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung umfasst weiter ein Planetengetriebe, dessen Hohlrad mit dem Schwungrad, dessen Sonnenrad mit der Welle des Elektromotors, und dessen Planetenträger mit einer Kupplungsscheibe der Reibungskupplung verbunden ist. Bei der Welle des Elektromotors kann es sich entweder unmittelbar um die Motorwelle des Elektromotors, um eine drehfest mit der Motorwelle verbundene Welle, oder um eine über ein Getriebe mit dem Elektromotor zusammenwirkende Welle handeln.
  • Die Antriebseinrichtung ermöglicht verschiedene Betriebsmodi, je nachdem, ob die Reibungskupplung offen oder geschlossen ist. Bei geschlossener Reibungskupplung rotieren die Kurbelwelle, die Getriebeeingangswelle, sowie die Welle des Elektromotors mit identischer Drehzahl. Der Elektromotor kann hierbei beispielsweise zur Einspeisung zusätzlichen Drehmoments in die Kurbelwelle oder als Generator genutzt werden.
  • Eine wesentlich größere Funktionsvielfalt ist bei geöffneter Reibungskupplung gegeben: Das Planetengetriebe ist bei geöffneter Reibungskupplung der Antriebseinrichtung als Summationsgetriebe nutzbar. Insbesondere ist durch den Verbrennungsmotor und durch den Elektromotor gleichzeitig Leistung in das Schaltgetriebe einspeisbar. Von besonderem Vorteil ist die Nutzbarkeit des Elektromotors zur Synchronisation des Schaltgetriebes bei laufendem Verbrennungsmotor. Bei stillstehendem Verbrennungsmotor ist ein rein elektrisches Anfahren durch den mit dem Planetengetriebe gekoppelten Elektromotor möglich. Wird später der Verbrennungsmotor zugeschaltet, so ist bei angeglichener Drehzahl der Kurbelwelle einerseits und der Welle des Elektromotors andererseits ein Schließen der Reibungskupplung zumindest annähernd ohne Reibungsverluste möglich.
  • Das Planetengetriebe, welches in einem nennenswerten Anteil der Betriebszustände des Hybrid-Kraftfahrzeugs keine Relativbewegung von Hohlrad, Planetenrädern und Sonnenrad zueinander aufweist, kann fettgeschmiert sein.
  • Die Getriebeeingangswelle, welche mit der Kupplungsscheibe sowie mit dem Planetenträger verbunden ist, ist als Hohlwelle ausgebildet, wobei die direkt oder indirekt mit dem Elektromotor gekoppelte Welle innerhalb der Hohlwelle angeordnet ist. Mit dieser Gestaltung ist das Schaltgetriebe zwischen der Reibungskupplung und dem Elektromotor, die Hohlwelle umgebend, anordenbar. Bei dem Schaltgetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein modifiziertes, insbesondere automatisiertes, Handschaltgetriebe, welches auf der Grundkonstruktion eines herkömmlichen Handschaltgetriebes basieren kann.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Planetengetriebe der Antriebseinrichtung axial zwischen dem Schwungrad und der Kupplungsscheibe angeordnet. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Planetenträger integraler Bestandteil der Kupplungsscheibe. Lagerbolzen, auf welchen jeweils ein Planetenrad des Planetengetriebes gelagert ist, können unmittelbar an dem Bauteil befestigt sein, welches sowohl als Planetenträger als auch als Kupplungsscheibe fungiert. Reibbeläge der Kupplungsscheibe befinden sich hierbei ausschließlich radial außerhalb eines Kreises, der durch die Rotationsachsen der Planetenräder, das heißt durch die Symmetrieachsen der Lagerbolzen, beschrieben ist. Der Bereich der Kupplungsscheibe, welcher sich radial außerhalb der Lagerbolzen befindet, kann mit dem Bereich der Kupplungsscheibe, welcher sich radial innerhalb der Lagerbolzen befindet, beispielsweise verschraubt, stoffschlüssig verbunden oder einteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der radial außen liegende, die Kupplungsbeläge tragende Bereich der Kupplungsscheibe eine signifikante Nachgiebigkeit in axialer Richtung auf, während eine solche Nachgiebigkeit bei dem inneren, auch als Planetenträger fungierenden Abschnitt der Kupplungsscheibe höchstens in wesentlich geringerem Umfang gegeben ist.
  • Der Drehmoment in die Antriebseinrichtung einspeisende oder aus der Antriebseinrichtung aufnehmende Elektromotor weist in typischen Ausgestaltungen eine wesentlich geringere Leistung als der Verbrennungsmotor des Hybrid-Kraftfahrzeugs auf. Vorzugsweise stellt der Elektromotor den einzigen elektrischen Antrieb im Antriebsstrang des Hybrid-Kraftfahrzeugs dar.
  • Steht die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors still, so kann der Elektromotor der Antriebseinrichtung, etwa beim sogenannten Segeln oder beim rein elektrischen Fahren, ohne zusätzliche mechanische Schaltelemente Leistung in die Getriebeeingangswelle einspeisen. Ebenso ist eine Entnahme von mechanischer Energie aus dem Antriebsstrang des Hybrid-Kraftfahrzeugs durch den Elektromotor, welcher in diesem Fall als Generator wirkt, möglich.
  • Der motorische oder generatorische Betrieb des Elektromotors bei stillstehender Kurbelwelle setzt voraus, dass die im Antriebsstrang wirkenden Drehmomente kein Mitdrehen der Kurbelwelle bewirken. Um dies sicherzustellen, ist optional eine zwischen dem Hohlrad und einem fahrzeugfesten Gehäuse wirkende Bremse vorgesehen. Hierbei handelt es sich um ein aktives, automatisiert ansteuerbares Brems- oder Rastierelement, welches raumsparend radial außerhalb der Kupplungsscheibe, axial zwischen dem Schwungrad und dem Schaltgetriebe, angeordnet sein kann.
  • Ein weiteres aktives Brems- oder Rastierelement, auch als Feststellelement bezeichnet, ist optional zur Feststellung des Planetenträgers sowie der mit diesem verbundenen Getriebeeingangswelle vorgesehen. Ist dieses Feststellelement aktiviert, so kann der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor gestartet werden. Die Reibungskupplung muss hierbei geöffnet sein. Durch das Planetengetriebe der Antriebseinrichtung ist ein günstiges Übersetzungsverhältnis beim Starten des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor gegeben. Eine Einspeisung von Leistung in die Getriebeeingangswelle erfolgt hierbei nicht.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Integration eines Planetengetriebes in eine Baueinheit, welche ein Schwungrad, insbesondere Zweimassenschwungrad, sowie eine Reibungskupplung umfasst, ein äußerst kompakter Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs realisierbar ist. Die Reibungskupplung kann beispielsweise als Einscheibentrockenkupplung ausgebildet sein.
  • Ebenso ist als Reibungskupplung in der Antriebseinrichtung eine nasslaufende Kupplung verwendbar, welche anstelle einer Kupplungsscheibe eine oder mehrere Reiblamellen aufweist. Hierbei kann das Hohlrad des Planetengetriebes in Verlängerung des Außenlamellenträgers in die Antriebseinrichtung integriert sein, während der Planetenträger aus einem Teil des Innenlamellenträgers gebildet ist. Die Abdichtung des Nassraums der nasslaufenden Reibungskupplung kann beispielsweise an der Kurbelwelle oder zwischen dem Schwingungsdämpfer und der Baugruppe aus Kupplung und Planetengetriebe erfolgen, so dass das Planetengetriebe mit dem Kühlmedium der nasslaufenden Kupplung geschmiert wird.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in schematischer Darstellung:
  • 1 eine Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Kraftfahrzeug.
  • Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Antriebseinrichtung für ein nicht weiter dargestelltes Hybrid-Kraftfahrzeug umfasst eine Kupplungseinheit 2, ein Schaltgetriebe 3, sowie einen Elektromotor 4. Die Kupplungseinheit 2 setzt sich aus einem Schwungrad 5, nämlich Zweimassenschwungrad, einer Reibungskupplung 6, nämlich Einscheibentrockenkupplung, und einem Planetengetriebe 7 zusammen. Das Schwungrad 5 ist durch eine Kurbelwelle 8 eines Verbrennungsmotors, nämlich Diesel- oder Ottomotors, des Hybrid-Kraftfahrzeugs angetrieben. Die Sekundärseite des Zweimassenschwungrads 5 ist verbunden mit einem Gehäuse 9 der Reibungskupplung 6. Innerhalb des Gehäuses 9 ist unter anderem eine Reibbeläge 10 aufweisende Kupplungsscheibe 11 angeordnet. In nicht dargestellter Weise befindet sich die Kupplungsscheibe 11 zwischen zwei axial zueinander verlagerbaren Platten, nämlich einer Andruckplatte und einer Gegenplatte, welche drehfest mit dem Gehäuse 9 gekoppelt sind.
  • Das Gehäuse 9 ist fest verbunden mit einem Hohlrad 12 des Planetengetriebes 7. Die Verzahnung des Hohlrades 12, mit welcher Planetenräder 13 kämmen, ist in der dargestellten Ausführungsform radial innerhalb der Reibbeläge 10 und axial zwischen der Kupplungsscheibe 11 und dem Schwungrad 5 angeordnet. Abweichend hiervon kann das Planetengetriebe auch in anderer Weise zwischen dem Schwungrad 5 und der Reibungskupplung 6 angeordnet sein.
  • Jedes Planetenrad 13 der Antriebseinrichtung 1 ist auf einem Lagerbolzen 14 gelagert, der an der Kupplungsscheibe 11 befestigt ist. Das mit den Planetenrädern 13 kämmende, mit 15 bezeichnete Sonnenrad des Planetengetriebes 7 ist fest verbunden mit einer Welle 16, die mit der Motorwelle des Elektromotors 4 direkt oder über ein Getriebe verbunden ist und kurz als Welle 16 des Elektromotors 4 bezeichnet wird.
  • Die auch als Planetenträger fungierende Kupplungsscheibe 11 ist drehfest verbunden mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Getriebeeingangswelle 17, in welcher die Welle 16 verläuft. Die Welle 16 sowie die Getriebeeingangswelle 17 durchdringen das gesamte Schaltgetriebe 3 und sind koaxial zur Kurbelwelle 8 angeordnet.
  • Solange die Reibungskupplung 6 geschlossen ist, ist das Planetengetriebe 7 ohne Funktion. Die Drehzahl des Gehäuses 9 der Reibungskupplung 6 stimmt hierbei mit der Drehzahl der Getriebeeingangswelle 17 des Schaltgetriebes 3 sowie der Welle 16 des Elektromotors 4 überein. Die Motorwelle des Elektromotors 4 kann hierbei beispielsweise frei mit der Kurbelwelle 8 mitrotieren. Ebenso ist in dieser Konstellation eine Leistungszuführung durch den Elektromotor 4 oder ein generatorischer Betrieb des Elektromotors 4 möglich.
  • Auch bei geöffneter Reibungskupplung 6 ist ein Betrieb der Antriebseinrichtung 1 möglich, bei welchem die Getriebeeingangswelle 17 mit der Drehzahl der Kurbelwelle 8 rotiert. Dies gilt, solange auch die Welle 16 mit der entsprechenden Drehzahl rotiert. Ein Beschleunigen oder Verzögern des Elektromotors 4 kann bei geöffneter Reibungskupplung 6 unter anderem zur Synchronisierung des Schaltgetriebes 3 genutzt werden.
  • Die Antriebseinrichtung 1 ermöglicht auch einen rein elektrischen Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck kann eine mit 18 bezeichnete Bremse, allgemein als Brems- oder Rastierelement bezeichnet, welche zwischen dem Gehäuse 9 der Reibungskupplung 6 und damit auch dem Hohlrad 12 einerseits und einem in der 1 nur angedeuteten, fahrzeugfesten Gehäuse 19 wirkt, geschlossen werden.
  • Um ein Anlassen des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Elektromotors 4 zu ermöglichen, weist die Antriebseinrichtung 1 ein Feststellelement 20 auf, welches zwischen der Getriebeeingangswelle 17 und dem Gehäuse 19 wirkt. Die Bezeichnung Feststellelement ist zur sprachlichen Unterscheidung von der mit 18 bezeichneten Bremse gewählt. Tatsächlich kann das Feststellelement 20 von gleicher oder unterschiedlicher Bauart wie die Bremse 18 sein. Bei aktiviertem Feststellelement 20 und geöffneter Reibungskupplung 6 kann durch den Elektromotor 4 Leistung in das Planetengetriebe 7 eingespeist werden, um das Schwungrad 5 in Rotation zu versetzen und damit den Verbrennungsmotor zu starten. Nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors wird das Feststellelement 20 geöffnet, um die Zuführung von Leistung in das Schaltgetriebe 3 zu ermöglichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebseinrichtung
    2
    Kupplungseinheit
    3
    Schaltgetriebe
    4
    Elektromotor
    5
    Schwungrad
    6
    Reibungskupplung
    7
    Planetengetriebe
    8
    Kurbelwelle
    9
    Gehäuse der Kupplungseinheit
    10
    Reibbelag
    11
    Kupplungsscheibe
    12
    Hohlrad
    13
    Planetenrad
    14
    Lagerbolzen
    15
    Sonnenrad
    16
    Welle
    17
    Getriebeeingangswelle
    18
    Bremse
    19
    Gehäuse, fahrzeugfest
    20
    Feststellelement

Claims (9)

  1. Antriebseinrichtung für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, umfassend eine Kurbelwelle (8) eines Verbrennungsmotors, eine Welle (16) eines Elektromotors (4), ein sowohl mit der Kurbelwelle (8) als auch mit der Welle (16) des Elektromotors (4) gekoppeltes Schaltgetriebe (3), ein drehfest mit der Kurbelwelle (8) verbundenes Schwungrad (5), eine zwischen das Schwungrad (5) und eine Getriebeeingangswelle (17) des Schaltgetriebes (3) geschaltete Reibungskupplung (6), sowie ein Planetengetriebe (7), dessen Hohlrad (12) mit dem Schwungrad (5), dessen Sonnenrad (15) mit der Welle (16) des Elektromotors (4) und dessen Planetenträger mit einer Kupplungsscheibe (11) der Reibungskupplung (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeingangswelle (17) als Hohlwelle ausgebildet ist und die Welle (16) des Elektromotors (4) umgibt.
  2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (5) als Zweimassenschwungrad ausgebildet ist.
  3. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (7) axial zwischen dem Schwungrad (5) und der Kupplungsscheibe (11) angeordnet ist.
  4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger integraler Bestandteil der Kupplungsscheibe (11) ist.
  5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerbolzen (14), auf welchen Planetenräder (13) des Planetengetriebes (7) gelagert sind, an der Kupplungsscheibe (11) befestigt sind.
  6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) als einziger elektrischer Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
  7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Hohlrad (12) und einem Gehäuse (19) wirkende Bremse (18).
  8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein zur Feststellung des Planetenträgers ausgebildetes Feststellelement (20).
  9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungskupplung (6) als Einscheibentrockenkupplung oder als nasslaufende Kupplung mit mehreren Reiblamellen ausgebildet ist ausgebildet ist.
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