DE102014222587A1

DE102014222587A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014222587A1
Application number: DE102014222587.6A
Authority: DE
Inventors: Georg-Friedrich Lührs; Dirk Zeise; Benjamin Klinner; Andreas Kördel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einer mit einer Leistungselektronik (60) und einem elektrischen Energiespeicher (62) verbundenen, einen Stator (142) und einen Rotor (141) aufweisenden, elektrischen Maschine (14), die drehmomentübertragend mit einer Abtriebswelle (26) verbindbar sind, wobei – die Verbrennungskraftmaschine (12) mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel (201, 202) tragenden Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist, – der Rotor (141) der elektrischen Maschine (14) über einen Planetensatz (38), umfassend ein Sonnenrad (381), einen Steg (382) und Hohlrad (383), von denen ein Element als Eingangselement (381) und ein anderes Element als Ausgangselement (382) des Planetensatzes wirkt, mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel (401) tragenden Elektromaschinen-Antriebswelle (40) gekoppelt ist, wobei der Rotor (141) mittels einer schaltbaren Kupplung (44) wahlweise entweder mit dem Eingangselement (381) oder dem Ausgangselement (382) des Planetensatzes (38) verbindbar ist, – die Elektromaschinen-Antriebswelle (40) und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) mittels einer schaltbaren Hauptwellenkupplung (50) miteinander verbindbar sind, – wenigstens ein Antriebswellenritzel (201, 202) der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel (221, 222) einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (26) gekoppelten ersten Sammelwelle (22) eine schaltbar drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet und – wenigstens ein Antriebswellenritzel (401) der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (26) gekoppelten Sammelwelle (32; 42) eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hauptwellenkupplung (50) als eine steuerbare Lamellenkupplung ausgebildet und die Verbrennungskraftmaschine über einen Freilauf (19) mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer mit einer Leistungselektronik und einem elektrischen Energiespeicher verbundenen, einen Stator und einen Rotor aufweisenden, elektrischen Maschine, die drehmomentübertragend mit einer Abtriebswelle verbindbar sind, wobei

– die Verbrennungskraftmaschine mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel tragenden Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelt ist,
– der Rotor der elektrischen Maschine über einen Planetensatz, umfassend ein Sonnenrad, einen Steg und Hohlrad, von denen ein Element als Eingangselement und ein anderes Element als Ausgangselement des Planetensatzes wirkt, mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel tragenden Elektromaschinen-Antriebswelle gekoppelt ist, wobei der Rotor mittels einer schaltbaren Kupplung wahlweise entweder mit dem Eingangselement oder dem Ausgangselement des Planetensatzes verbindbar ist,
– die Elektromaschinen-Antriebswelle und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle mittels einer schaltbaren Hauptwellenkupplung miteinander verbindbar sind,
– wenigstens ein Antriebswellenritzel der Verbrennungsmotor-Antriebswelle mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle gekoppelten ersten Sammelwelle eine schaltbar drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet und
– wenigstens ein Antriebswellenritzel der Elektromaschinen-Antriebswelle mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle gekoppelten Sammelwelle eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Hybridantriebsstrang.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Antriebsstränge sind bekannt aus der DE 10 2012 016 988 A1 .
Hybridfahrzeuge mit zwei Antriebsaggregaten, nämlich einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar ist, sind seit langem bekannt. Insbesondere ist das Prinzip des Parallelhybriden bekannt, bei dem sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch die elektrische Maschine in Drehmoment übertragender Weise mit der Abtriebswelle verbindbar sind. Die Verbindung kann dabei selektiv erfolgen, was zu einem rein elektrischen oder einem rein verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb führt, oder kombiniert, wobei sowohl die elektrische Maschine als auch die Verbrennungskraftmaschine gleichzeitig mit der Abtriebswelle verbunden sind. Innerhalb des kombinierten Betriebs sind der Boostbetrieb und der Rekuperationsbetrieb bekannt. Im Boostbetrieb liefern beide Antriebsaggregate positives Drehmoment an die Abtriebswelle; im Rekuperationsbetrieb arbeitet die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb und nimmt von der Abtriebswelle kinetische Energie ab, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Dies kann beispielsweise im Fall des Abbremsens des Kraftfahrzeugs erfolgen. Alternativ kann auch eine von der Verbrennungskraftmaschine bei deren Betrieb im optimalen Betriebspunkt geleistete, in der aktuellen Fahrsituation jedoch an den Antriebsrädern nicht verlangte Überschussleistung auf diese Weise rekuperiert werden.
Die vorgenannte, gattungsbildende Druckschrift offenbart einen Hybridantriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die koaxial zueinander und einander axial benachbart angeordnet sind. Jedes dieser Antriebsaggregate ist mittelbar mit einer ihm zugeordneten Antriebswelle gekoppelt, wobei die Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine diejenige der elektrischen Maschine koaxial durchsetzt. Die Verbrennungsmotor-Antriebswelle weist mehrere Antriebswellenritzel auf, die jeweils mit je einem zugeordneten Sammelwellenritzel einer ersten und einer zweiten, als parallele Vorgelegewelle angeordneten Sammelwelle kämmen. Die Elektromaschinen-Antriebswelle weist nur ein Antriebswellenritzel auf, das mit einem zugeordneten Sammelwellenritzel einer dritten, parallelen Sammelwelle kämmt. Die so gebildeten Ritzelpaarungen sind jeweils schaltbar ausgestaltet, indem jeweils ein Ritzel jeder Paarung als Festrad und das andere Ritzel jeder Paarung als Losrad auf der zugeordneten Welle angeordnet ist, wobei das jeweilige Losrad mittels einer schaltbaren Kupplung drehfest mit seiner zugeordneten Welle verbindbar ist. Durch geeignete Ansteuerung der Kupplungen und der Antriebsaggregate lassen sich deren Momente mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen, die jeweils durch die ausgewählte Ritzelpaarung vorgegeben sind, auf die Sammelwellen übertragen. Deren Ausgangsritzel kämmen mit dem Eingangsritzel einer Abtriebswelle, die den nachfolgenden Abtriebsstrang antreibt und beispielsweise mit einem nachgeordneten Differential verbunden sein kann.
Während die Verbrennungskraftmaschine abgesehen von einem üblichen Zwei-Massen-Schwungrad direkt mit ihrer zugeordneten Antriebswelle verbunden ist, ist die Antriebswelle der elektrischen Maschine indirekt über einen Planetensatz mit dieser gekoppelt. Insbesondere ist sie mittels einer schaltbaren Planetensatz-Kupplung wahlweise mit der Sonne oder dem Steg des Planetensatzes verbindbar, dessen Hohlrad am Getriebegehäuse festgelegt ist.
Hieraus resultiert eine vollständige Unabhängigkeit der elektrische und verbrennungsmotorischen Momentenpfade vom jeweiligen Antriebsaggregat bis zur Abtriebswelle, die im rein elektrischen oder rein verbrennungsmotorischen Betrieb einzeln oder im Hybridbetrieb additiv genutzt werden können. Entsprechend resultieren unabhängige elektrische und verbrennungsmotorische "Gänge", d.h. unabhängig schaltbare und dem jeweiligen Momentenpfad beeinflussende Übersetzungsstufen. Diese Unabhängigkeit kann jedoch aufgehoben werden, indem die Elektromaschinen-Antriebswelle und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle mittels einer Hauptwellenkupplung miteinander verbunden werden. Dann kann die elektrische Maschine zum Starten der Verbrennungskraftmaschine und die Verbrennungskraftmaschine zum generatorischen Antrieb der elektrischen Maschine genutzt werden.
Als nachteilig hat sich bei dem bekannten Antriebsstrang erwiesen, dass die Schaltung zwischen den elektrischen Gängen, d.h. die Betätigung der Planetensatz-Kupplung, die aus Bauraumgründen innerhalb des Planetensatzes als formschlüssige Klauenkupplung ausgebildet sein muss, nicht immer vollständig zugkraftunterbrechungsfrei erfolgt. Dies kann vom Fahrer als unkomfortabel wahrgenommen werden.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im rein elektrischen Betrieb eine zuverlässig zugkraftunterbrechungsfreie Schaltung zu gewährleisten.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Hauptwellenkupplung als eine steuerbare Lamellenkupplung ausgebildet und die Verbrennungskraftmaschine über einen Freilauf mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, im rein elektrischen Betrieb auch verbrennungsmotorische Gänge nutzen zu können und dabei zugkraftunterbrechungsfrei von einem elektrischen auf einen verbrennungsmotorischen Gang oder umgekehrt von einem verbrennungsmotorischen auf einen elektrischen Gang überzublenden. Mit anderen Worten wird die strikte Trennung rein elektrischer und verbrennungsmotorischer Momentenpfade, die beim Stand der Technik nur im tatsächlichen Hybridbetrieb aufgehoben wurde, bei der Erfindung auch im rein elektrischen Betrieb gelockert. Auf Grund der dem Fachmann grundsätzlich bekannten Eigenschaften, der auch mit Schlupf betreibbaren Lamellenkupplung können beim Überblenden Drehzahlunterschiede zwischen den Momentenpfaden ausgeglichen werden. Dies wäre mit der aus dem Stand der Technik bekannten, formschlüssigen Klauenkupplung nicht möglich. Andererseits wäre auch der bloße Ersatz der Planetensatz-Kupplung durch eine Lamellenkupplung aus Bauraumgründen nicht möglich.
Allerdings wirft die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung der Hauptwellenkupplung durch eine Lamellenkupplung an anderer Stelle Schwierigkeiten auf. Da die Hauptwellenkupplung im Ergebnis die Elektromaschinen-Antriebswelle und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle koppelt, würde der Fachmann die vorgenannte erfindungsgemäße Maßnahme für den rein elektrischen Betrieb, d.h. bei stehender Verbrennungskraftmaschine, nicht in Erwägung ziehen. Die Erfindung überbrückt diese Diskrepanz jedoch mit ihrer zweiten Maßnahme, d.h. mit der Kopplung von Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungsmotor-Antriebswelle über einen Freilauf. Der Fachmann wird verstehen, dass die Richtung des Freilaufs so gestaltet sein muss, dass er den Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine unterbindet. Der Zugbetrieb der Verbrennungskraftmaschine muss selbstverständlich weiter möglich bleiben, um auch weiterhin einen erbrennungsmotorischen Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs zu gewährleisten. Mit dem Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Stad der Technik verbundene Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs, beispielsweise die sogenannte Motorbremse, können bei der Erfindung auf andere Weise, insbesondere durch Rekuperation mittels der elektrischen Maschine, ausgeglichen werden, sodass sich die von Fahrer und Passagieren wahrgenommenen Fahreigenschaften nicht wesentlich ändern.
Allerdings hat der Freilauf auch zur Folge, dass ein Starten der Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine verunmöglicht wird. Dies könnte durch zusätzlichen Einbau eines auch bei Nicht-Hybridfahrzeugen typischerweise eingesetzten Anlassers ausgeglichen werden. Zur Vermeidung dieses zusätzlichen Bauteils ist jedoch bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Freilauf ein schaltbarer Freilauf ist. Dies bedeutet, dass er in einer Schaltstellung, die hier als Normalstellung bezeichnet werden soll, unidirektional drehmomentübertragend wirkt. In seiner zweiten Schaltstellung hingegen, die hier als Anlassstellung bezeichnet werden soll, wirkt er bidirektional drehmomentübertragend, sodass ein Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere deren Anlassen mittels der elektrischen Maschine, ermöglicht wird. Auch die Option, dass lediglich die Richtung des Freilaufs umschaltbar ist, soll hier unter den Begriff des schaltbaren Freilaufs fallen. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch denkbar, an Stelle des schaltbaren Freilaufs eine herkömmliche Trennkupplung mit entsprechender Steuerung zu verwenden. Dies hat jedoch erhebliche Gewichts-, Bauraum- und steuerungstechnische Nachteile.
Hinsichtlich der Wellenzahl und Wellenanordnung kann der erfindungsgemäße Antriebsstrang auf unterschiedliche Weisen ausgebildet sein. Insbesondere sind sämtliche in der gattungsbildenden Druckschrift offenbarte Wellenkonstellationen auch auf die vorliegende Erfindung übertragbar. Als besonders günstig hat sich jedoch eine Variante herausgestellt, bei der diejenige Sammelwelle, mit deren Sammelwellenritzel das Antriebswellenritzel der Elektromaschinen-Antriebswelle eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet, eine zweite Sammelwelle ist, deren Sammelwellenritzel keine Ritzelpaarung mit Antriebswellenritzel der Verbrennungsmotor-Antriebswelle bilden. Die zweite Sammelwelle ist damit eine reine Zwischenwelle, die die Elektromaschinen-Antriebswelle mit dem Abtrieb koppelt. Im Gegensatz zu einer Variante, bei der sowohl verbrennungsmotorische als auch elektrische Gänge auf einer Sammelwelle gesammelt werden, hat diese Variante den Vorteil einer besseren Raumausnutzung, sodass der erfindungsgemäße Antriebsstrang kompakter bauen kann.
Grundsätzlich ist es denkbar, sämtliche verbrennungsmotorischen Gänge auf einer Sammelwelle, nämlich der ersten Sammelwelle zu sammeln. Bei aufwendigen Schaltgetrieben mit vielen Gängen führt dies jedoch zu einem großen axialen Bauraum. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass wenigsten ein Antriebswellenritzel der Verbrennungsmotor-Antriebswelle mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle gekoppelten dritten Sammelwelle eine schaltbar drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet. Mit andere Worten werden die verbrennungsmotorischen Gänge auf zwei unterschiedliche, vorzugsweise parallel zueinander und zur Verbrennungsmotor-Antriebswelle gelagerten, Sammelwellen gesammelt. Beide Sammelwellen müssen dann mit dem Abtrieb verbunden sein.
Ein Hybridfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang stellt einen selbstständigen Erfindungsgegenstand dar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Topologie eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
2 eine Illustration der Wellenanordnung des Antriebsstrang von 1,
3 die Darstellung von 1 mit eingezeichnetem Momentenfluss in einem ersten elektrischen Betriebsmodus,
4 die Darstellung von 1 mit eingezeichnetem Momentenfluss in einem ersten Überblendungszustand beim Schalten von dem ersten in einen zweiten elektrischen Betriebsmodus,
5 die Darstellung von 1 mit eingezeichnetem Momentenfluss in einem zweiten Überblendungszustand beim Schalten von dem ersten in den zweiten elektrischen Betriebsmodus,
6 die Darstellung von 1 mit eingezeichnetem Momentenfluss im zweiten elektrischen Betriebsmodus.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, deren Topologie in der Übersichtskizze von 1 verdeutlicht ist. Diese beiden Figuren sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden.
Ein Antriebsstrang 10 weist zwei Antriebsaggregate auf, nämlich eine Verbrennungskraftmaschine 12 und eine elektrische Maschine 14, umfassend einen innenliegenden Rotor 141 und einen außenliegenden Stator 142. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine 12 mit einer Start/Stopp-Einheit 16 verbunden, die für die vorliegende Erfindung jedoch keine zentrale Bedeutung hat. Die Kurbelwelle 121 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist über ein Zwei-Massen-Schwungrad 18, dessen Nabe mit einem vorzugsweise schaltbaren Freilauf 19 versehen ist, mit einer Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 gekoppelt. Die Verbrennungsmotor-Antriebswelle trägt zwei Antriebswellenritzel 201, 202, die bei der gezeigten Ausführungsform als Festräder axial fest und drehfest auf der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 angeordnet sind.
Jedes der Antriebswellenritzel 201, 202 bildet mit einem jeweils korrespondierenden Sammelwellenritzel 221, 222, welches als Losrad auf einer ersten Sammelwelle 22 angeordnet ist, eine schaltbare Ritzelpaarung. Hierzu ist die erste Sammelwelle 22 mit einer ersten Sammelwellenkupplung 24 versehen, welche je nach Schaltstellung das Losrad 221, das Losrad 222 oder keines der beiden Losräder 221, 222 drehfest mit der ersten Sammelwelle 22 koppelt. Der Fachmann wird erkennen, dass je nach Schaltstellung der ersten Sammelwellenkupplung 24 ein Moment von der Verbrennungskraftmaschine 12 mit durch die konkrete Ritzelpaarung vorgegebener Übersetzung auf die Sammelwelle 22 übertragen werden kann. Diesbezüglich soll hier von verbrennungsmotorischen Gängen die Rede sein. Ein Ausgangsritzel 223 der ersten Sammelwelle 22 kämmt mit einem Eingangsritzel einer Abtriebswelle 26, die bei der gezeigten Ausführungsform mit dem Differentialkorb eines Querdifferentials 28 verbunden ist. Über dessen Achsflanschwellen 30a, 30b wird das Moment auf nicht dargestellte Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs übertragen.
Weiter bildet jedes Antriebswellenritzel 201, 202 der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 mit je einem korrespondierenden Sammelwellenritzel 321, 322 einer weiteren Sammelwelle, die hier als dritte Sammelwelle 32 bezeichnet wird, eine schaltbare Ritzelpaarung. Die Sammelwellenritzel 321, 322 sind in der gezeigten Ausführungsform als Losräder ausgebildet. Die dritte Sammelwelle 32 weist eine dritte Sammelwellenkupplung 34 auf, welche je nach Schaltstellung entweder das eine Losrad 321, das andere Losrad 322 oder keines von beiden drehfest mit der dritten Sammelwelle 32 koppelt. Die dritte Sammelwelle 32 weist zudem ein Ausgangsritzel 323 auf, welches, wie auch das Ausgangsritzel 223 der zweiten Sammelwelle 22, mit dem Eingangsritzel der Abtriebswelle 26 kämmt. Diese Verbindung ist in der Darstellung von 3 als punktierte Pfeillinie dargestellt. Der Fachmann wird erkennen, dass je nach Schaltstellung der dritten Sammelwellenkupplung 32 ein Moment der Verbrennungskraftmaschine 12 mit durch die jeweils geschaltete Ritzelpaarung vorgegebener Übersetzung über die dritte Sammelwelle 32 auf die Abtriebswelle 26 übertragen werden kann. Diesbezüglich soll hier von weiteren verbrennungsmotorischen Gängen die Rede sein. Natürlich haben die Schaltungen der beiden Sammelwellenkupplungen 24 und 34 dabei so aufeinander abgestimmt zu sein, dass der Momentenfluss jeweils nur über eine der beiden Sammelwellen 22 oder 32 verläuft. Bei der gezeigten Ausführungsform lassen sich also vier verbrennungsmotorische Gänge darstellen.
Die räumliche Anordnung der Wellen ist in 2 besser erkennbar. Dort sind mögliche Momentenübertragungspunkte als schwarze Quadrate dargestellt, obgleich nur die Wellen als solche und nicht spezielle Ritzel mit Bezugszeichen versehen sind. Der Fachmann wird jedoch der Zusammenschau der 1 und 2 eine klare Vorstellung von der räumlichen Struktur des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs entnehmen können.
Das Moment der elektrischen Maschine 14 wird zunächst von deren Rotor 141 an die Rotorwelle 36 abgegeben. Diese verläuft koaxial zu der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20. Allerdings stellt die Rotorwelle 36 nicht etwa das unmittelbare Pendant zur Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 dar. Hierzu ist vielmehr die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 vorgesehen, die als Hohlwelle koaxial innerhalb der Rotorwelle 36 angeordnet ist und von der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 koaxial durchsetzt wird. Die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 trägt ein Antriebsritzel 401, welches mit einem weiteren Sammelwellenritzel einer weiteren Sammelwelle, die hier als zweite Sammelwelle 42, bezeichnet wird, kämmt.
Um das Moment der elektrischen Maschine 14 von deren Rotorwelle 36 an die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 zu übertragen, ist ein Planetensatz 38 vorgesehen, umfassend ein Sonnenrad 381, einen Steg 382 und ein gehäusefestes Hohlrad 383. Die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 ist drehfest mit dem Steg 382 verbunden, der daher als Ausgangselement des Planetensatzes 38 wirkt. Die Verbindung der Rotorwelle 36 mit dem Planetensatz 38 wird über die Planetensatz-Kupplung 44 vermittelt, die je nach Schaltstellung die Rotorwelle 36 mit dem als Eingangselement des Planetensatzes 38 dienenden Sonnenrad 381, mit dem Steg 382 oder mit keinem dieser Elemente momentenübertragend verbindet. Je nach Schaltstellung der Planetensatz-Kupplung 44 wird das Moment der elektrischen Maschine daher mit anderer Übersetzung an das Antriebswellenritzel 401 und über dieses an die erste Sammelwelle 22 und die Abtriebswelle 26 geleitet. Auf diese Weise lassen sich im rein elektrischen Betrieb durch Betätigung der Planetensatz-Kupplung 44 zwei Gänge, die hier als elektrische Gänge bezeichnet werden, darstellen. Die zur Betätigung der Planetensatz-Kupplung 44 dienende Betätigungsmimik ist in 1 mit dem Bezugszeichen 441 angedeutet.
Weiter ist in 1 noch eine Hauptwellenkupplung 50 erkennbar, die als eine mit Schlupf betreibbare Lamellenkupplung ausgebildet ist und je nach Schaltstellung die Rotorwelle 36 und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20, die koaxial und einander bereichsweise durchsetzend angeordnet sind, schaltbar miteinander koppelt. Neben den beiden Schaltendzuständen ist auch ein kontinuierliches Spektrum von schlupfenden Zwischenzuständen einstellbar, bei denen beide Antriebswellen mit einem mehr oder weniger großen Momentenanteil beaufschlagt werden. Im verbundenen Zustand kann ein Moment von der Verbrennungskraftmaschine 12 an die elektrische Maschine 14 geleitet werden, beispielsweise um diese generatorisch zu betreiben. Ein umgekehrter Momentenfluss wird hingegen durch den Freilauf 19 unterbunden, der kein Moment zum Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine überträgt. Daher ist im Fall, dass der Freilauf nicht schaltbar gestaltet ist, zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 12 ein Anlasser, z.B. die Start/Stop-Einheit 16, erforderlich. Ist der Freilauf 19 jedoch, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, schaltbar ausgestaltet, sodass er z.B. zum Zwecke des Startens der Verbrennungskraftmaschine 12 bidirektional oder umgekehrt unidirektional momentenübertragend wird, ist ein gesonderter Anlasser entbehrlich. Durch Zusammenwirkung der Hauptwellenkupplung 50 und des Freilaufs 19 lassen sich im rein elektrischen Betrieb des Antriebsstrangs 10 zusätzliche Gänge realisieren, wie weiter unten in Zusammenhang mit den 3 bis 6 erläutert werden soll.
Schließlich sind in 1 noch eine Leistungselektronik 60 und eine Batterie 62 als elektrischer Energiespeicher skizziert.
Die 3 bis 6 zeigen den Momentenfluss in einem Antriebsstrang gemäß 1 im rein elektrischen Betrieb beim Überblenden von einem ersten elektrischen Gang auf einen erfindungsgemäß für den elektrischen Betrieb hinzugewonnenen Gang.
In 3 ist der Momentenfluss in einem ersten elektrischen Gang gezeigt. Die Planetensatz-Kupplung 44 verbindet dabei die Rotorwelle 36 mit der Sonne 381 des Planetensatzes 38. Über den Steg 382 wird das Moment auf die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 und von dort über die zweite Sammelwelle 42 zur Abtriebswelle 26 übertragen. Die Hauptwellenkupplung 50 ist hierbei geöffnet.
In 4 ist der Momentenfluss bei sich schließender Hauptwellenkupplung 50 gezeigt. Ein Teil des Momentes der elektrischen Maschine 14 wird auf die Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 geleitet, was wegen des Freilaufs 19 auch bei stehender Verbrennungskraftmaschine, d.h. im rein elektrischen Betrieb möglich ist. In der dargestellten Situation ist die dritte Sammelwellenkupplung 32 so geschaltet, dass die Sammelwellenritzel 321, 322 der dritten Sammelwelle keine drehfeste Verbindung zu dieser aufweisen. Die erste Sammelwellenkupplung 24 ist hingegen so geschaltet, dass das erste Sammelwellenritzel 221 der ersten Sammelwelle 22 drehfest mit dieser verbunden ist. Der (noch geringe) auf die Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 geleitete Momentenanteil wird also über die erste Sammelwelle 22 zur Abtriebswelle 26 gleitet und ist gestrichelt dargestellt.
In 5 ist der Momentenfluss bei sich weiter schließender Hauptwellenkupplung 50 gezeigt. Im Unterschied zu 4 vergrößert sich der auf die Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 geleitete Momentenanteil. Der nun geringere Momentenfluss über den ersten elektrischen Gang ist in 5 gestrichelt eingezeichnet.
In 6 schließlich ist der Momentenfluss bei vollständig geschlossener Hauptwellenkupplung 50 und geöffneter Planetensatz-Kupplung 44 gezeigt. In diesem Zustand wird das gesamte Moment der elektrischen Maschine über den verbrennungsmotorischen Gang geleitet.
Es hat sich somit im rein elektrischen Betrieb eine zugkraftunterbrechungsfreie Überblendung von einem elektrischen in einen verbrennungsmotorischen Gang ergeben. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Überblendung auch in umgekehrter Richtung stattfinden kann. Auch sollte deutlich geworden sein, dass die Überblendung grundsätzlich von jedem elektrischen in jeden verbrennungsmotorischen Gang und umgekehrt erfolgen kann.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsstrang
12: Verbrennungskraftmaschine
121: Kurbelwelle von 12
14: elektrische Maschine
141: Rotor von 14
142: Stator von 14
16: Start/Stopp-Einheit
18: Zwei-Massen-Schwungrad
19: Freilauf
20: Verbrennungsmotor-Antriebswelle
201, 202: Antriebswellenritzel von 20
22: erste Sammelwelle
221, 222: Sammelwellenritzel von 22
223: Ausgangsritzel von 22
24: erste Sammelwellenkupplung
26: Abtriebswelle
28: Differential
30a, b: angetriebene Achsschenkel
32: dritte Sammelwelle
321, 322: Sammelwellenritzel von 32
323: Ausgangsritzel von 32
34: dritte Sammelwellenkupplung
36: Rotorwelle
38: Planetensatz
381: Sonnenrad
382: Steg
383: Hohlrad
40: Elektromaschinen-Antriebswelle
401: Antriebswellenritzel von 40
42: zweite Sammelwelle
44: Planetensatz-Kupplung
441: Betätigungsmimik von 44
50: Hauptwellenkupplung
60: Leistungselektronik
62: Batterie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012016988 A1 [0003]

Claims

Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einer mit einer Leistungselektronik (60) und einem elektrischen Energiespeicher (62) verbundenen, einen Stator (142) und einen Rotor (141) aufweisenden, elektrischen Maschine (14), die drehmomentübertragend mit einer Abtriebswelle (26) verbindbar sind, wobei – die Verbrennungskraftmaschine (12) mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel (201, 202) tragenden Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist, – der Rotor (141) der elektrischen Maschine (14) über einen Planetensatz (38), umfassend ein Sonnenrad (381), einen Steg (382) und Hohlrad (383), von denen ein Element als Eingangselement (381) und ein anderes Element als Ausgangselement (382) des Planetensatzes wirkt, mit einer ein oder mehrere Antriebswellenritzel (401) tragenden Elektromaschinen-Antriebswelle (40) gekoppelt ist, wobei der Rotor (141) mittels einer schaltbaren Kupplung (44) wahlweise entweder mit dem Eingangselement (381) oder dem Ausgangselement (382) des Planetensatzes (38) verbindbar ist, – die Elektromaschinen-Antriebswelle (40) und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) mittels einer schaltbaren Hauptwellenkupplung (50) miteinander verbindbar sind, – wenigstens ein Antriebswellenritzel (201, 202) der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel (221, 222) einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (26) gekoppelten ersten Sammelwelle (22) eine schaltbar drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet und – wenigstens ein Antriebswellenritzel (401) der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (26) gekoppelten Sammelwelle (32; 42) eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwellenkupplung (50) als eine steuerbare Lamellenkupplung ausgebildet und die Verbrennungskraftmaschine über einen Freilauf (19) mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (19) ein schaltbarer Freilauf ist.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Sammelwelle (42), mit deren Sammelwellenritzel das Antriebswellenritzel (401) der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet, eine zweite Sammelwelle (42) ist, deren Sammelwellenritzel keine Ritzelpaarung mit Antriebswellenritzeln (201, 202) der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) bilden.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Antriebswellenritzel (201, 202) der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (26) gekoppelten dritten Sammelwelle (32) eine schaltbar drehmomentübertragende Ritzelpaarung bildet.
Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10) als ein Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.