DE102015007439B3

DE102015007439B3 - Hybridantriebsstrang mit Mehrgangautomatik sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102015007439B3
Application number: DE102015007439.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Vornehm; Hartmut Faust
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2035-06-16

Abstract

Mehrgangautomatikgetriebe weisen mittlerweile eine Vielzahl von Gängen auf, um den Fahrbetrieb auf der einen Seite möglichst komfortabel und auf der anderen Seite energieeffizient betreiben zu können. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welcher für einen Hybridbetrieb geeignet ist. Es wird eine Weiterbildung eines Automatikgetriebes zu einem Hybridantriebsstrang vorgeschlagen, wobei der Elektromotor besonders vorteilhaft integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Verfahren zum Schalten des Antriebsstrangs.
Mehrgangautomatikgetriebe weisen mittlerweile eine Vielzahl von Gängen auf, um den Fahrbetrieb auf der einen Seite möglichst komfortabel und auf der anderen Seite energieeffizient durchführen zu können. Derartige Automatikgetriebe sind beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2009 019 045 A1 oder DE 10 2009 019 046 A1 beschrieben.
Aus der Marktbeobachtung ist das Neun-Gang-Automatikgetriebe NAG3 der Daimler AG bekannt, welches als ein Neun-Gang-Automatikgetriebe ausgebildet ist. Ein derartiges Automatikgetriebe bildet wohl den nächstkommenden Stand der Technik.
Ferner beschreibt die DE 10 2013 205 378 A1 ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, zumindest vier Planetenradsätze, zumindest drei Kupplungen und drei Bremsen.
Ferner beschreibt die DE 10 2013 205 771 A1 einen Hybridantriebsstrang mit einer Kraftmaschine, einem Elektromotor, einer Trennkupplung und einem Getriebe, wobei das Getriebe ein Eingangselement, ein Ausgangselement, mindestens vier Planetenradsätze und eine Mehrzahl von Kopplungselementen und eine Mehrzahl von Drehmomentübertragungseinrichtungen aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welcher für einen Hybridbetrieb geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der Gegenstand der Erfindung ist somit ein Antriebsstrang, welcher für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen, Bus, Lastkraftwagen, etc. ausgebildet. Der Antriebsstrang dient zur Überleitung eines Antriebsdrehmoments von mindestens zwei Traktionsmotoren zu den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs.
Der Antriebsstrang weist einen A-, B-, C- und D-Planetengetriebeabschnitt auf. Jeder der Planetengetriebeabschnitte ist vorzugsweise als ein Stirnradplanetengetriebeabschnitt ausgebildet. Die Bezeichnung der Planetengetriebeabschnitte mit A, B, C, D dient der vereinfachten Zuordnung.
Der A-Planetengetriebeabschnitt weist eine AS-Welle, eine AH-Welle und eine AT-Welle auf. Der B-Planetengetriebeabschnitt weist eine BS-Welle, eine BH-Welle und eine BT-Welle auf. Der C-Planetengetriebeabschnitt weist eine CS-Welle, eine CH-Welle und eine CT-Welle auf. Der D-Planetengetriebeabschnitt weist eine DS-Welle, eine DH-Welle und eine DT-Welle auf.
In der allgemeinsten Ausführungsform der Erfindung haben die Bezeichnungen AS, AH, AT, BS, BH, BT, etc. nur die Bedeutung der Zuordnung zu dem jeweiligen, gleich bezeichneten Planetengetriebeabschnitt. Insbesondere kann es sich bei der XH-Welle, wobei X wahlweise für A, B, C, D steht, um ein Sonnenrad, ein Hohlrad oder ein Planetenradträgerrad handeln. Die gleiche Auswahl ergibt sich für die XT-Wellen und für die XS-Wellen. Der Begriff Welle kann auch durch den Begriff Organ ersetzt werden, insbesondere setzt der Begriff Welle im Rahmen der Offenbarung nicht zwingend voraus, dass sich das jeweilige Bauteil im Betrieb dreht.
Der Antriebsstrang weist eine Eingangswelle auf, welche eine Kopplung mit einem Verbrennungsmotor ermöglicht. Optional bildet der Verbrennungsmotor einen Teil des Antriebsstrangs und ist mit der Eingangswelle gekoppelt. Beispielsweise kann eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehfest mit der Eingangswelle verbunden sein, alternativ ist eine Kopplung auch über andere Getriebeelemente, wie zum Beispiel Wandler, Lock-Up-Wandler oder Freiläufe möglich.
Ferner weist der Antriebsstrang eine Ausgangswelle zur Kopplung mit einem Abtrieb auf. Beispielsweise kann die Ausgangswelle mit einer Differentialeinrichtung zur Verteilung des Antriebsdrehmoments auf verschiedene Räder einer Achse oder auf verschiedene Achsen des Fahrzeugs gekoppelt sein.
Der Antriebsstrang umfasst mindestens oder genau eine erste, eine zweite und eine dritte Kupplungseinrichtung. Die Kupplungseinrichtungen sind vorzugsweise ausgebildet, zwei drehende Komponenten des Antriebsstrangs drehfest zueinander zu setzen. Insbesondere können die Kupplungseinrichtungen im Betrieb rotieren. Vorzugsweise sind die Kupplungseinrichtungen als reibschlüssige Kupplungseinrichtungen ausgebildet. Die Kupplungseinrichtungen weisen jeweils einen Kupplungseingang und einen Kupplungsausgang auf. Es ist darauf hinzuweisen, dass ein Momentenfluss oder Leistungsfluss nicht unbedingt von dem Kupplungseingang zu dem Kupplungsausgang verlaufen muss, sondern es ist auch möglich, dass dieser in Gegenrichtung verläuft. Die Bezeichnung Eingang und Ausgang dient vorliegend zur Beschreibung der zwei Seiten der Kupplungseinrichtungen.
Ferner weist der Antriebsstrang eine erste, eine zweite und eine dritte Feststelleinrichtung auf. Vorzugsweise ist eine Seite der Feststelleinrichtung jeweils gestellfest, insbesondere mit einem Gehäuse des Antriebsstrangs drehfest, verbunden. Die andere Seite der Feststelleinrichtung wird jeweils als Laufseite bezeichnet. Die Feststelleinrichtungen sind funktional vorzugsweise so ausgebildet, dass diese die Laufseite der Feststelleinrichtung drehfest mit dem Gestell beziehungsweise dem Gehäuse setzen können. Optional weist der Antriebsstrang eine Steuereinrichtung auf, welche die erste, zweite und dritte Kupplungseinrichtung sowie die erste, die zweite und die dritte Feststelleinrichtung steuern kann.
Die einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs sind wie folgt miteinander gekoppelt: Die Eingangswelle ist mit der AS-Welle und mit der DT-Welle drehfest verbunden. Die erste Kupplungseinrichtung weist einen Kupplungseingang auf, welcher ebenfalls mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist. Die Ausgangswelle ist mit der CT-Welle und mit einem Kupplungsausgang der zweiten Kupplungseinrichtung (K2) drehfest verbunden. Die zweite Kupplungseinrichtung weist einen Kupplungseingang auf, welcher mit der DH-Welle drehfest verbunden ist. Die dritte Kupplungseinrichtung weist einen Kupplungseingang, welcher mit der AT-Welle drehfest verbunden ist, und einen Kupplungsausgang auf, welcher mit der BH-Welle und/oder mit der CS-Welle und/oder mit der DS-Welle drehfest verbunden ist. Die erste Feststelleinrichtung weist eine Laufseite auf, welche mit der BS-Welle drehfest verbunden ist. Die zweite Feststelleinrichtung weist eine Laufseite auf, wobei die Laufseite mit der CH-Welle drehfest verbunden ist. Die dritte Feststelleinrichtung weist eine Laufseite auf, wobei die Laufseite mit der AT-Welle und/oder mit einem Kupplungseingang der dritten Kupplungseinrichtung drehfest verbunden ist. Insbesondere ist die AH-Welle mit der BT-Welle drehfest und/oder die DS-Welle mit der CS-Welle drehfest verbunden.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang einen Elektromotor aufweist, wobei der Elektromotor einen der Traktionsmotoren zur Erzeugung eines Traktionsmoments zum Antrieb des Fahrzeugs erzeugen kann. Der Elektromotor weist eine Abtriebsseite auf, wobei die Abtriebsseite mit einem Kupplungsausgang der ersten Kupplungseinrichtung und/oder mit der AT-Welle und/oder mit der Laufseite der dritten Feststelleinrichtung und/oder mit dem Kupplungseingang der dritten Kupplungseinrichtung drehfest verbunden ist.
Durch die Integration des Elektromotors in der beschriebenen Weise wird das durch den Antriebsstrang gebildete Automatikgetriebe zu einem Hybridgetriebe erweitert, wobei besonders vorteilhaft hervorzuheben ist, dass die Anzahl der Kupplungseinrichtungen beziehungsweise der Feststelleinrichtungen gegenüber dem Ausbau des Antriebsstrangs ohne den Elektromotor nicht erhöht werden muss. Somit kann der Elektromotor mit Bezug auf die Anzahl der Kupplungseinrichtungen und der Feststelleinrichtungen aufwandsneutral in den Antriebsstrang integriert werden. Wie später noch erläutert wird, ergeben sich aus der konstruktiven Ausgestaltung des Antriebsstrangs neben den ohnehin vorhandenen mehreren Gängen für einen Hybridbetriebszustand, mehrere zusätzliche Betriebszustände, die durch den Elektromotor ermöglicht werden.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung ist in dem A-Planetengetriebeabschnitt die AS-Welle als ein Sonnenrad, die AH-Welle als ein Hohlrad und die AT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist in dem B- Planetengetriebeabschnitt die BS-Welle als ein Sonnenrad, die BH-Welle als ein Hohlrad und die BT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist in dem C-Planetengetriebeabschnitt die CS-Welle als ein Sonnenrad, die CH-Welle als ein Hohlrad und die CT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist in dem D-Planetengetriebeabschnitt die DS-Welle als ein Sonnenrad, die DH-Welle als ein Hohlrad und die DT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet.
Insbesondere weist der A-Planetengetriebeabschnitt eine Standübersetzung zwischen –2 und –2.2, vorzugsweise von –2.130, der B-Planetengetriebeabschnitt eine Standübersetzung zwischen –2.15 und –2.35, vorzugsweise von –2.273, der C-Planetengetriebeabschnitt eine Standübersetzung zwischen –2.15 und –2.35, vorzugsweise von –2.333 und der D-Planetengetriebeabschnitt eine Standübersetzung zwischen –2.4 und –2.6, vorzugsweise von –2.528 auf. In dieser konstruktiven Ausgestaltung ergibt sich eine vorteilhafte Abstimmung der einzelnen Gänge und Betriebszustände des Antriebsstrangs.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Planetengetriebeabschnitte jeweils koaxial zueinander und zu einer Hauptdrehachse des Antriebsstrangs angeordnet sind. Insbesondere wird durch die koaxiale Anordnung der Planetengetriebeabschnitte die Hauptdrehachse des Antriebsstrangs definiert. Ferner sind die Eingangswelle, die Ausgangswelle und/oder der Elektromotor koaxial zu der Hauptdrehachse angeordnet. Durch diese koaxiale Anordnung insbesondere im Bereich des Getriebeausgangs ergibt sich ein kompakter Aufbau, der gut im Mitteltunnel eines Fahrzeuges integrierbar ist. Im Bereich des Getriebeeingangs sind auch anderer Bauformen gut im Fahrzeug integrierbar, was bezüglich der E-Maschine dort auch eine achsversetzte Lage möglich macht.
In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor koaxial und in Bezug auf eine axiale Richtung des Antriebsstrangs insbesondere in Richtung der Hauptdrehachse zwischen der dritten und der ersten Feststelleinrichtung angeordnet. Die Feststelleinrichtungen stützen sich vorzugsweise gegen das Gehäuse oder gestellfest ab, wobei ein Stator des Elektromotors zwischen den Abstützpunkten angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Elektromotor in einem Ölraum des Antriebsstrangs angeordnet ist. Optional kann der Elektromotor in radialer Richtung Planetensätze der Planetengetriebeabschnitte oder Kupplungseinrichtungen umschließen.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor in axialer Richtung getriebeeingangsseitig zu der dritten Feststelleinrichtung angeordnet. Insbesondere ist der Elektromotor außerhalb eines Ölraums des Antriebsstrangs und/oder in einem Trockenraum positioniert. Der Vorteil der Positionierung in einem Trockenraum ist ein geringeres Schleppmoment. Der Elektromotor kann durch ein Lager und/oder eine Dichtung in einer Gehäusewand von dem Ölraum abgetrennt sein.
Im Rahmen der Erfindung kann die dritte Feststelleinrichtung als eine reibschlüssig, vorzugsweise ausschließlich reibschlüssig wirkende Feststelleinrichtung, insbesondere als eine Reibbremse ausgebildet sein. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass die dritte Feststelleinrichtung als eine formschlüssig wirkende Feststelleinrichtung ausgebildet ist. Die formschlüssige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass diese typischerweise weniger Bauraum benötigt wie für eine Reibbremse. Es ist auch möglich, dass die dritte Feststelleinrichtung als eine Kombination einer reibschlüssigen und formschlüssigen Bremse, wie zum Beispiel als eine synchronisierte Klauenkupplung, ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, dass die dritte Feststelleinrichtung als schaltbarer Freilauf realisiert ist.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens oder genau neun Hybrid-Betriebszustände mit konstanter Übersetzung zwischen den jeweiligen Traktionsmotoren und der Ausgangswelle geschaltet werden können. Die Hybrid-Betriebszustände können auch als übersetzungsfixierte Gänge bezeichnet werden, da diese teilweise ohne Beteiligung des Elektromotors dargestellt sind. Die Hybridzustände werden nachfolgend kurz als Gänge bezeichnet. Die Hybrid-Betriebszustände 1–9 (Gänge 1–9) werden gemäß der nachfolgenden Tabelle geschaltet:
Der Antriebsstrang hat den Vorteil, dass durch Kombination der Betätigung der sechs Schaltelemente (drei Feststelleinrichtungen, drei Kupplungseinrichtungen) neun Vorwärtsgänge mit einer Spreizung von zehn und ein Rückwärtsgang mit jeweils konstanter Übersetzung darstellbar sind. Bei den Gangwechseln zwischen den Gängen mit konstanter Übersetzung ist stets nur ein Element zuzuschalten und eines zu öffnen. Für den vierten Gang existieren mehrere hinsichtlich der Übersetzung des Verbrennungsmotors gleichwertige Schaltkombinationen, welche als Optionen in der Tabelle mit einem Stern (*) gekennzeichnet ist. Aus diesen optionalen zusätzlichen Betätigungen kann maximal eine ausgewählt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Antriebsstrang einen elektrischen Betriebszustand Eneu einnehmen. In diesem elektrischen Betriebszustand sind die erste und die dritte Bremseinrichtung geöffnet, die zweite Bremseinrichtung geschlossen. Die erste und die zweite Kupplungseinrichtung sind geöffnet, die dritte Kupplungseinrichtung ist ebenfalls geschlossen. In dem elektrischen Betriebszustand Eneu ist der Verbrennungsmotor in Bezug auf die Planetengetriebeabschnitte freilaufend angekoppelt, sodass dieser beispielsweise gestoppt werden kann, jedoch jederzeit wieder gestartet werden kann. Der elektrische Betriebszustand Eneu erlaubt ein vorwärts und ein rückwärts rein elektrisches Fahren des Fahrzeugs. Der elektrische Betriebszustand zeichnet sich durch eine hohe Zugkraft aufgrund der hohen Übersetzung aus. Das Starten des Verbrennungsmotors kann wahlweise durch Verwendung eines eigenen Startermotors, zum Beispiel als Riemenantriebsmaschine, erfolgen. Alternativ kann jedoch die erste Bremseinrichtung oder die erste Kupplungseinrichtung oder die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen werden und der Verbrennungsmotor durch den Elektromotor gestartet werden. Wird die erste Bremseinrichtung geschlossen, so entspricht das dem Hybrid-Betriebszustand 1, wird stattdessen die erste Kupplungseinrichtung geschlossen, so entspricht dies dem Hybrid-Betriebszustand 2, wird die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen, so entspricht dies einem der Hybrid-Betriebszustände 4. Der Start in den Hybridzuständen 2 oder 4 ist aufgrund der Übersetzungsverhältnisse leichter, d. h. mit weniger Drehmomentbedarf seitens der E-Maschine möglich. Zum Starten wird vorzugsweise das Antriebsdrehmoment des Elektromotors um den Start-Drehmomentbedarf erhöht.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung kann der Antriebsstrang einen ersten CVT-Betriebszustand CVT1 einnehmen, wobei die erste und die zweite Bremseinrichtung geschlossen und die dritte Bremseinrichtung geöffnet ist. Die erste, zweite und dritte Kupplungseinrichtung sind ebenfalls geöffnet. Der erste CVT-Betriebszustand CVT1 kann zum einen als ein Anfahr- bzw. Fahrgang genutzt werden. Zum zweiten kann der erste CVT-Betriebszustand CVT1 ausgehend vom Hybrid-Betriebszustand 3 genutzt werden, um komfortabel in den Hybrid-Betriebszustand 1 oder einen der Hybrid-Betriebszustände 4 zu schalten.
Dazu wird im Hybrid-Betriebszustand 3 das Antriebsdrehmoment des Verbrennungsmotors reduziert und zeitgleich der Elektromotor mit einem Moment angesteuert, welches ein Mehrfaches, in dem vorliegenden Beispiel 313%, des Moments des Verbrennungsmotors beträgt, wodurch die erste Kupplungseinrichtung K1 momentenfrei wird und geöffnet werden kann. Die erste und die zweite Bremseinrichtung bleiben geschlossen. Durch Erhöhung des Antriebsdrehmoments des Elektromotors wird danach die Drehzahl des Verbrennungsmotors reduziert, bis sie das Niveau erreicht hat, welches ein Einrücken der zweiten Kupplungseinrichtung K2 erlaubt. Idealerweise erfolgt das Einrücken der zweiten Kupplungseinrichtung K2 bei Drehzahlgleichheit. Der Elektromotor kann in dem dann geschalteten Hybrid-Betriebszustand 4 je nach Ladezustand und Fahrerwunsch zum Boosten, Laden oder Rekuperieren eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Antriebsstrang einen zweiten CVT-Betriebszustand CVT2 einnehmen, wobei die zweite und die dritte Bremseinrichtung geöffnet und die erste Bremseinrichtung geschlossen ist. Ferner ist die erste und dritte Kupplungseinrichtung geöffnet und die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen. Der zweite CVT-Betriebszustand kann ebenfalls auf mehrerlei Arten genutzt werden:

– zur Komfortverbesserung beim Gangwechsel 4–5 als Stützgang,
– zur Komfortverbesserung beim Gangwechsel 5–7 als Stützgang und
– zur Komfortverbesserung beim Gangwechsel 7–9 als Stützgang.

Zudem erlaubt der zweite CVT-Betriebszustand eine stufenlose oder übersetzungsgestufte Fahrt mit Drehzahlverhältnissen jenseits des neunten Ganges. Hierzu wird im neunten Gang der Elektromotor mit einem Gegenmoment angesteuert, das mit vorzugsweise ca. 53% des Verbrennungsmotormoments etwa dem Summenmoment der beiden betätigten Feststelleinrichtungen entspricht. Dadurch wird die dritte Feststelleinrichtung momentenfrei und kann ausgerückt werden. Die erste Feststelleinrichtung und die zweite Kupplungseinrichtung bleiben eingerückt. Durch Erhöhung des negativen Antriebsdrehmoments des Elektromotors wird dann der Elektromotor auf negative Drehzahl geregelt, wodurch sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors reduziert, bis sie ein Niveau erreicht, das beispielsweise einem zehnten Gang entspräche. Der Elektromotor liefert nun ein negatives Drehmoment bei negativer Drehzahl, also eine positive Antriebsleistung, die mit der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors zusammenwirkt. Bei Gaswegnahme beim Verbrennungsmotor wird das Verbrennungsmotormoment negativ und das anzusteuernde Elektromotorendrehmoment positiv, bei gleichem Momentenverhältnis –53%. Der Elektromotor liefert nun ein positives Drehmoment bei negativer Drehzahl, also eine negative (Brems- bzw. Rekuperations) Leistung, ebenso wie der Verbrennungsmotor eine Bremsleistung liefert, so dass beide Aggregate abermals zusammenwirken.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann der Antriebsstrang einen dritten CVT-Betriebszustand CVT3 einnehmen, wobei die erste, die zweite und die dritte Feststelleinrichtung geöffnet sind und wobei die erste Kupplungseinrichtung geöffnet und die zweite und die dritte Kupplungseinrichtung geschlossen sind. Der dritte CVT-Betriebszustand kann auf mindestens zweierlei Art genutzt werden:

– zur Komfortverbesserung beim Gangwechsel 6–7 als Stützgang und
– zur Komfortverbesserung beim Gangwechsel 7–8 als Stützgang.

Der Antriebsstrang hat die Möglichkeit, in zwei unterschiedliche Ladebetriebszustände L1 und L2 geschaltet zu werden. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Ladebetriebszustand L1 beim Laden der Batterie im Stillstand des Fahrzeugs und komfortablem Wechsel in einen Anfahrmodus in Richtung nach Gang 1 benutzt wird. Ebenso kann der Ladebetriebszustand L1 bei langsamer Fahrt und ansonsten abgekoppeltem Abtrieb, das heißt rollfähigem Fahrzeug, verwendet werden. Der Ladebetriebszustand L2 kann aufgrund deren Kupplungs- und Brems-Betätigungskombinationen bevorzugt aus den Hybrid-Betriebszuständen 2, 3, 4, 5, 6 heraus angesteuert werden. Hierbei wird das Fahrzeug dann ohne Vortrieb weiterrollen, was auch oft als Segeln bezeichnet wird. Die Kombination dieser beiden Funktionen (Laden der Batterie bei gleichzeitigem Segeln) erlaubt einen besonders kraftstoffsparenden Fahrzeugbetrieb.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Schalten des Antriebsstrangs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einem Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand geschaltet wird. Insbesondere wird von einem Betriebszustand der zuvor dargestellten Tabelle in einen anderen Betriebszustand der zuvor dargestellten Tabelle geschaltet.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung erfolgt ein Betriebszustandswechsel von dem Hybrid-Betriebszustand 7 zu dem Hybrid-Betriebszustand 8 über den dritten CVT-Betriebszustand CVT3, wobei in dem dritten CVT-Betriebszustand CVT3 die Laufseite der dritten Feststelleinrichtung über eine Ansteuerung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors auf eine Nulldrehzahl gebracht wird und betätigt wird, um den Antriebsstrang in den achten Hybridbetriebszustand zu schalten. Durch diese Betriebsstrategie ist es möglich, die dritte Feststelleinrichtung als eine formschlüssige Feststelleinrichtung auszubilden, da diese bei einer Nulldrehzahl geschaltet wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
1 eine funktionale Darstellung des Antriebsstrangs als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen konstruktiven Ausgestaltung des Antriebsstrangs als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine alternative Ausgestaltung des Antriebsstrangs als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4a–c verschiedene Varianten für die dritte Feststelleinrichtung in dem Antriebsstrang der vorhergehenden Figuren;
5 ein Diagramm zur Visualisierung eines bevorzugten Gangwechsels von einem siebten auf den achten Gang des Antriebsstrangs;
6 ein Diagramm für die Verwendung des zweiten CVT-Betriebszustands als zehnter Gang in dem Antriebsstrang;
7 ein Diagramm zur Erläuterung eines Anfahrens aus dem ersten Ladebetriebszustand heraus.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Antriebsstrang 1 für ein Fahrzeug als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Antriebsstrang 1 weist eine Vielzahl von steuerbaren Komponenten auf und kann zur Steuerung der Komponenten eine nicht dargestellte Steuereinrichtung umfassen.
Der Antriebsstrang 1 weist eine Eingangswelle 2 zur Ankopplung an einen Verbrennungsmotor sowie eine Ausgangswelle 3 zur Ankopplung an eine Abtriebs-, zum Beispiel an eine Differentialeinrichtung, auf.
Der Antriebsstrang 1 weist vier Planetengetriebeabschnitte auf, welche mit A, B, C, D bezeichnet sind und nachfolgend als A-Planetengetriebeabschnitt, B-Planetengetriebeabschnitt, C-Planetengetriebeabschnitt und D-Planetengetriebeabschnitt bezeichnet werden. Jeder der Planetengetriebeabschnitte weist drei Wellen oder Organe auf. Dem A-Planetengetriebeabschnitt sind die Wellen AS, AH und AT zugeordnet. Dem B-Planetengetriebeabschnitt sind die Wellen BH, BT und BS zugeordnet. Dem C-Planetengetriebeabschnitt sind die Wellen CS, CT, CH zugeordnet. Dem D-Planetengetriebeabschnitt sind die Wellen DT, DH und DS zugeordnet. In der gezeigten Darstellung sind die Planetengetriebeabschnitte A, B, C, D in einem Rechteck angeordnet. Dies stellt jedoch nur eine funktionale Darstellung dar und muss nicht der tatsächlichen konstruktiven Ausgestaltung entsprechen.
Der Antriebsstrang 1 weist ferner einen Elektromotor EM auf, welcher als ein Traktionsmotor ausgebildet ist und insbesondere so dimensioniert ist, dass dieser ein Hilfsantriebsdrehmoment oder sogar ein Hauptantriebsdrehmoment für das Fahrzeug aufbringen kann. Zudem umfasst der Antriebsstrang 1 eine erste, eine zweite und eine dritte Kupplungseinrichtung K1, K2, K3 sowie eine erste, eine zweite und eine dritte Feststelleinrichtung B5, B6 und B8.
Für das funktionale Zusammenwirken der Komponenten des Antriebsstrangs 1 wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.
Die 2 zeigt eine erste mögliche konstruktive Ausgestaltung des Antriebsstrangs 1, wobei die Planetengetriebeabschnitte A, B, C, D jeweils als Stirnradplanetengetriebeabschnitte ausgebildet sind. Die Planetengetriebeabschnitte A, B, C, D sind koaxial zu einer Hauptdrehachse H des Antriebsstrangs 1 angeordnet und in der Reihenfolge A, B, C, D in axialer Richtung aufgereiht.
Wie sich aus der 2 ergibt, ist die AS-Welle als ein Sonnenrad, die AT-Welle als ein Planetenradträger und die AH-Welle als ein Hohlrad ausgebildet. Die BS-Welle ist als ein Sonnenrad, die BT-Welle als ein Planetenradträger und die BH-Welle als ein Hohlrad ausgebildet. Die CS-Welle ist als ein Sonnenrad, die CT-Welle als ein Planetenradträger und die CH-Welle als ein Hohlrad ausgebildet. Die DS-Welle ist als ein Sonnenrad, die DT-Welle ist als ein Planetenradträger und die DH-Welle ist als ein Hohlrad ausgebildet. Sonnenrad, Planetenradträger mit darauf angeordneten Planeten sowie Hohlrad kämmen innerhalb eines Planetengetriebeabschnitts miteinander und bilden auf diese Weise einen Planetensatz.
Ein Kupplungseingang der Kupplungseinrichtung K1 ist mit der Eingangswelle 2 verbunden. Ein Kupplungsausgang der Kupplungseinrichtung K1 ist mit dem Elektromotor EM drehfest verbunden. Eine Laufseite der dritten Feststelleinrichtung B8 ist mit dem Elektromotor EM drehfest verbunden. Der Elektromotor ist zudem drehfest mit der AT-Welle verbunden. Die AS-Welle ist drehfest mit der Eingangswelle 2 verbunden. Die AT-Welle ist mit einem Kupplungseingang der dritten Kupplungseinrichtung K3 drehfest verbunden. Die AH-Welle ist drehfest mit der BT-Welle verbunden. Der Kupplungsausgang der dritten Kupplungseinrichtung K3 ist drehfest mit der CS-Welle, der DS-Welle und der BH-Welle verbunden. Die BS-Welle ist drehfest mit der Laufseite der ersten Feststelleinrichtung B5 verbunden. Die Laufseite der Feststelleinrichtung B6 ist drehfest mit der CH-Welle verbunden. Die CT-Welle ist drehfest mit einem Kupplungseingang der zweiten Kupplungseinrichtung K2 verbunden. Ein Kupplungsausgang der zweiten Kupplungseinrichtung K2 ist drehfest mit der DH-Welle verbunden. Ferner ist ein Kupplungseingang der zweiten Kupplungseinrichtung K2 mit der Ausgangswelle 3 verbunden. Die DT-Welle ist drehfest mit der Eingangswelle 2 verbunden.
Geometrisch und konstruktiv betrachtet ist der Elektromotor EM in axialer Richtung zu der Hauptdrehachse H zwischen der dritten Feststelleinrichtung B8 und der ersten Feststelleinrichtung B5 angeordnet. Die zweite Feststelleinrichtung B6 ist neben der ersten Feststelleinrichtung B5 auf der Seite der Ausgangswelle 3 angeordnet. In dieser Position kann der Elektromotor EM Teile des A-Planetengetriebeabschnitts und gegebenenfalls sogar Teile des B-Planetengetriebeabschnitts umgreifen. In dieser Ausgestaltung befindet sich der Elektromotor EM, insbesondere ein Rotor des Elektromotors EM, in dem Ölbad des Antriebsstrangs 1.
In der 3 ist eine alternative Ausgestaltung gezeigt, wobei der Elektromotor EM eingangsgetriebeseitig in axialer Richtung betrachtet neben der dritten Feststelleinrichtung B8 angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann der Elektromotor EM in einem Trockenraum laufen. Die Abgrenzung gegenüber dem Ölraum kann durch eine Wand 4 erfolgen.
In den 4a, b, c sind drei verschiedene Varianten für die dritte Feststelleinrichtung B8 gezeigt. In der 4a ist diese als eine Reibbremse dargestellt. In der 4b ist diese als eine formschlüssige Bremse gezeigt. In der 4c ist diese als ein schaltbarer Freilauf dargestellt.
Zu den verschiedenen möglichen Betriebszuständen des Antriebsstrangs 1 wird auf die zuvor dargestellte Tabelle verwiesen, die diese Betriebszustände erläutern.
In der 5 ist ein Übergang von dem Hybrid-Betriebszustand 7 zu dem Hybrid-Betriebszustand 8 unter Zwischenschaltung des dritten CVT-Betriebszustands CVT3 gezeigt. Auf der X-Achse ist die Zeit t aufgetragen. Der dargestellte Zeitschrieb zeigt zunächst den Betriebszustand 7, dann den Betriebszustand CVT3 und dann den Betriebszustand 8. Es ist vorzuschicken, dass die zweite und dritte Kupplungseinrichtung K2 und K3 durchgängig geschlossen bleiben.
Bei einem Übergang von dem Betriebszustand 7 zu dem dritten CVT-Betriebszustand CVT3 wird durch den Elektromotor EM ein negatives Drehmoment EM/M_IST aufgebracht. Dadurch wird das an der ersten Feststelleinrichtung B5 anliegende Drehmoment B5/M_IST reduziert. Sobald die erste Feststelleinrichtung B5 lastfrei ist, wird diese gemäß Status B5 geöffnet und so der Übergang von dem Betriebszustand 7 zu dem dritten CVT-Betriebszustand CVT3 durchgeführt.
In dem dritten CVT-Betriebszustand CVT3 wird das negative Antriebsdrehmoment des Elektromotors EM betragsmäßig weiter erhöht. Dies führt dazu, dass die Drehzahl an der dritten Feststelleinrichtung B8 (rpm/B8) sinkt, wohingegen die Drehzahl an der ersten Feststelleinrichtung B5 (rpm/B5) steigt. Sobald die Drehzahl an der Laufseite der dritten Feststelleinrichtung B8 auf null gefallen ist, kann die dritte Feststelleinrichtung B8 lastfrei geschaltet werden. Dadurch ist es möglich, die dritte Feststelleinrichtung B8 als eine formschlüssige Feststelleinrichtung auszubilden. Durch das Betätigen der dritten Feststelleinrichtung B8 erfolgt der Übergang von dem dritten CVT-Betriebszustand CVT3 zu dem Hybrid-Betriebszustand 8. Sobald die dritte Feststelleinrichtung B8 geschlossen ist, kann das Drehmoment des Elektromotors EM/M_IST wieder auf null geführt werden.
In der 6 ist ein ähnlicher Zeitschrieb dargestellt, welcher jedoch die Zustandsänderungen bei dem Wechsel von dem Betriebszustand 9 in den zweiten CVT-Betriebszustand CVT2, welcher dann als zehnter oder elfter Gang gefahren wird, darstellt. Hier ist vorauszuschicken, dass die zweite Kupplungseinrichtung K2 und die erste Feststelleinrichtung B5 durchgängig geschlossen bleiben.
Ausgehend von dem Hybridzustand 9 wird ein negatives Moment durch den Elektromotor EM aufgebracht, wodurch die dritte Feststelleinrichtung B8 gemäß der Linie B8/M_IST entlastet wird. In dieser Phase bleibt die Drehzahl des Verbrennungsmotors n_ICE konstant. Sobald die Feststelleinrichtung B8 lastfrei ist, kann diese gemäß Status B8 geöffnet werden. Diese kann als eine formschlüssige Feststelleinrichtung ausgeführt sein. Durch das Öffnen der Feststelleinrichtung B8 ist der zweite CVT-Betriebszustand CVT2 geschaltet. In dem zweiten Betriebszustand CVT2 kann durch eine betragsmäßige Erhöhung des Moments des Elektromotors EM zum einen als Nebeneffekt die Drehzahl rpm/B8 der Laufseite der dritten Feststelleinrichtung B8 negativ werden. Als Haupteffekt wird jedoch die benötigte Drehzahl des Verbrennungsmotors n_ICE herabgesetzt, die für die gleiche Ausgangsdrehzahl benötigt wird. Die in dem zweiten CVT-Betriebszustand CVT 2 anliegende Drehzahl des Verbrennungsmotors n_ICE entspricht der Drehzahl eines 10 Ganges. Diese Drehzahl bzw. die Übersetzung die zu dieser Drehzahl führt, kann durch einen Steuer- und Regelkreis aufrechterhalten werden, der bei positiver Abweichung der Drehzahl eine negative Erhöhung des Momentes des Elektromotors bewirkt und andersherum.
Sowohl in der 5, 6 als auch in der 7 sind die Momente als Relativwerte zu dem Drehmoment des Verbrennungsmotors, also als M/M_ICE angegeben und damit in Prozent angegeben.
In der 7 ist ein Zeitschrieb zur Illustration des Übergangs von dem Betriebszustand L1 als ein Ladezustand in den Hybrid-Betriebszustand/Gang 1 während eines Anfahrvorgangs des Fahrzeugs aus dem Stand dargestellt. Bei dem Übergang bleiben die dritte Kupplungseinrichtung K3 und die erste Feststelleinrichtung B5 geschlossen. Die zweite Feststelleinrichtung B6 wird bei dem Übergang mit Schlupf geschlossen und nimmt damit die Funktion einer Reibkupplung für das Anfahren ein. Ausgehend von dem Betriebszustand L1 wird der Elektromotor EM als Generator betrieben, so dass das Moment EM/M_IST zunächst negativ ist. Die Drehzahl des Elektromotors n_EM und der zweiten Feststelleinrichtung B6 nehmen jeweils einen konstanten positiven Wert ein. Das Anfahren erfolgt durch ein schlupfendes Schließen der zweiten Feststelleinrichtung B6 mit einem zeitgleichen Erhöhen des Moments des Elektromotors EM. Dabei reduziert sich zunächst das negative Moment des Elektromotors, kann den Wert Null erreichen und kann auch positive Werte annehmen. Das Anfahren des Fahrzeugs erfolgt mit dem Schlupf der zweiten Feststelleinrichtung B6. Sobald die zweite Feststelleinrichtung B6 geschlossen ist, ist der Hybrid-Betriebszustand/Gang 1 eingestellt. Der Anfahrvorgang wird durch einen Steuer- oder Regelkreis verbessert, welcher bei positiver Abweichung der Drehzahl des Verbrennungsmotors gegenüber einer Soll-Drehzahl das Moment des Elektromotors negativer werden lässt und andersherum.
Entsprechend der Hybridfunktion dieses Getriebes können unter anderem im Hybrid-Betriebszustand/Gang 1 die Leistung des Verbrennungsmotors und des Elektromotors beliebig gemischt werden um eine besonders gleichförmige oder auch besonders dynamische Fahrzeugbewegung zu erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: Eingangswelle
3: Ausgangswelle
4: Wand
A, B, C, D: Planetengetriebeabschnitte
AS, AH, AT: Wellen
BS, BH, BT: Wellen
CS, CH, CT: Wellen
DS, DH, DT: Wellen
B5, B6, B8: Feststelleinrichtungen
EM: Elektromotor
H: Hauptdrehachse
K1, K2, K3: Kupplungseinrichtungen
t: Zeit

Claims

Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit einem A-, B-, C- und D-Planetengetriebeabschnitt (A, B, C, D), wobei der A-Planetengetriebeabschnitt (A) eine AS-Welle, eine AH-Welle und eine AT-Welle aufweist, wobei der B-Planetengetriebeabschnitt (B) eine BS-Welle, eine BH-Welle und eine BT-Welle aufweist, wobei der C-Planetengetriebeabschnitt (C) eine CS-Welle, eine CH-Welle und eine CT-Welle aufweist, wobei der D-Planetengetriebeabschnitt (D) eine DS-Welle, eine DH-Welle und eine DT-Welle aufweist, mit einer Eingangswelle (2) zur Kopplung mit einem Verbrennungsmotor, mit einer Ausgangswelle (3) zur Kopplung mit einem Abtrieb, mit einer ersten, zweiten und dritten Kupplungseinrichtung (K1, K2, K3), mit einer ersten, zweiten und dritten Feststelleinrichtung (B5, B6, B8), wobei die AH-Welle mit der BT-Welle verbunden ist, wobei die Eingangswelle mit der AS-Welle und mit der DT-Welle drehfest verbunden ist, wobei die Ausgangswelle mit der CT-Welle und mit einem Kupplungsausgang der zweiten Kupplungseinrichtung (K2) drehfest verbunden ist, wobei die erste Kupplungseinrichtung (K1) einen Kupplungseingang aufweist, welcher mit der Eingangswelle und mit der AS-Welle und mit der DT-Welle drehfest verbunden ist, wobei die zweite Kupplungseinrichtung (K2) einen Kupplungseingang aufweist, welcher mit der DH-Welle drehfest verbunden ist, wobei die dritte Kupplungseinrichtung (K3) einen Kupplungseingang, welcher mit der AT-Welle drehfest verbunden ist, und einen Kupplungsausgang aufweist, welcher mit der BH-Welle und mit der CS-Welle und mit der DS-Welle drehfest verbunden ist, wobei die erste Feststelleinrichtung (B5) eine Laufseite aufweist, welche mit der BS-Welle drehfest verbunden ist, wobei die zweite Feststelleinrichtung (B6) eine Laufseite aufweist, wobei die Laufseite mit der CH-Welle drehfest verbunden ist, wobei die dritte Feststelleinrichtung (B8) eine Laufseite aufweist, wobei die Laufseite mit der AT-Welle und mit einem Kupplungseingang der dritten Kupplungseinrichtung (K3) drehfest verbunden ist, wobei der Antriebsstrang (1) einen Elektromotor (EM) aufweist, wobei der Elektromotor (EM) eine Abtriebsseite aufweist, wobei die Abtriebsseite mit einem Kupplungsausgang der ersten Kupplungseinrichtung (K1) und mit der AT-Welle und mit der Laufseite der dritten Feststelleinrichtung und mit dem Kupplungseingang der dritten Kupplungseinrichtung drehfest verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem A-Planetengetriebeabschnitt die AS-Welle als ein Sonnenrad, die AH-Welle als ein Hohlrad und die AT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet ist, und/oder in dem B-Planetengetriebeabschnitt die BS-Welle als ein Sonnenrad, die BH-Welle als ein Hohlrad und die BT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet ist, und/oder in dem C-Planetengetriebeabschnitt die CS-Welle als ein Sonnenrad, die CH-Welle als ein Hohlrad und die CT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet ist, und/oder in dem D-Planetengetriebeabschnitt die DS-Welle als ein Sonnenrad, die DH-Welle als ein Hohlrad und die DT-Welle als ein Planetenradträger ausgebildet ist.
Antriebstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der A-Planentengetriebeabschnitt (A), der B-Planentengetriebeabschnitt (B), der C-Planetengetriebeabschnitt (C), der D-Planentengetriebeabschnitt (D), die Eingangswelle (2), die Ausgangswelle (3) und/oder der Elektromotor (EM) koaxial zu einer Hauptdrehachse (H) des Antriebsstrangs (1) angeordnet ist bzw. sind
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (EM) in axialer Richtung zwischen der dritten (B8) und der ersten Feststelleinrichtung (B5) angeordnet ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (EM) in axialer Richtung getriebeeingangsseitig zu der dritten Feststelleinrichtung (B8) angeordnet ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Feststelleinrichtung (B8) als eine formschlüssige Feststelleinrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Betriebszustand (Eneu) geschaltet werden kann, wobei die erste und die dritte Feststelleinrichtung (B5, B8) geöffnet, die zweite Feststelleinrichtung geschlossen (B6), die erste und zweite Kupplungseinrichtung geöffnet (K1, K2) und die dritte Kupplungseinrichtung (K3) geschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster CVT-Betriebszustand (CVT1) geschaltet werden kann, wobei die erste und die zweite Feststelleinrichtung (B5, B6) geschlossen und die dritte Feststelleinrichtung (B8) geöffnet ist und wobei die erste, zweite, dritte Kupplungseinrichtung (K1, K2, K3) geöffnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter CVT-Betriebszustand (CVT2) geschaltet werden kann, wobei die zweite und die dritte Feststelleinrichtung (B6, B8) geöffnet und die erste Feststelleinrichtung (B5) geschlossen ist und wobei die erste und dritte Kupplungseinrichtung (K1, K3) geöffnet und die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen sind.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter CVT-Betriebszustand (CVT3) geschaltet werden kann, wobei die erste, die zweite und die dritte Feststelleinrichtung (B5, B6, B8) geöffnet sind und wobei die erste Kupplungseinrichtung (K1) geöffnet und die zweite und die dritte Kupplungseinrichtung (K2, K3) geschlossen sind.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ladebetriebszustand (L1) geschaltet werden kann, wobei die erste Feststelleinrichtung (B5) geschlossen und die zweite und die dritte Feststelleinrichtung (B6, B8) geöffnet sind und wobei die dritte Kupplungseinrichtung (K3) geschlossen und die erste und die zweite Kupplungseinrichtung (K1, K2) geöffnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebszustandswechsel von einem Hybrid-Betriebszustand 7 zu einem Hybrid-Betriebszustand 8 über den dritten CVT-Betriebszustand (CVT3) erfolgt, wobei in dem dritten CVT-Betriebszustand (CVT3) die Laufseite der dritten Feststelleinrichtung (B8) über eine Ansteuerung des Elektromotors (EM) und des Verbrennungsmotors (ICE) auf eine Null-Drehzahl gebracht wird und betätigt wird, um den Antriebsstrang (1) in den Hybrid-Betriebszustand 8 zu schalten.