DE102015201931A1

DE102015201931A1 - Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102015201931A1
Application number: DE102015201931.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Aringsmann; Klaus Kalmbach; Daniel Mooz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-04
Also published as: CN107000567A; US10569637B2; CN107000567B; US20170326962A1; WO2016124383A1

Abstract

Antriebssystem (1) für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen Verbrennungsmotor (3), einen Elektromotor (5), und eine Kupplungsvorrichtung (9), welche ein Reibkraftschlusselement (13) und ein Formschlusselement (15), welches parallel zu dem Reibkraftschlusselement (13) geschaltet ist, aufweist, wobei die Kupplungsvorrichtung (9) zur Einkopplung des Verbrennungsmotors (3) in das Antriebssystem (1) eingerichtet ist und in wenigstens folgende Zustände schaltbar ist: geöffnetes Formschlusselement (15) und geschlossenes Reibkraftschlusselement (13) zum Starten und/oder Synchronisieren des Verbrennungsmotors (3), geschlossenes Formschlusselement (15) und geschlossenes Reibkraftschlusselement (13) bei laufendem, synchronisierten Verbrennungsmotor (3) zum Erzeugen eines verbrennungsmotorischen Abtriebs und geöffnetes Formschlusselement (15) und geöffnetes Reibkraftschlusselement (13) bei stehendem Verbrennungsmotor (3) zum rein elektromotorischen Antrieb des Fahrzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug. Unter Hybridfahrzeug wird im Folgenden ein Kraftfahrzeug verstanden, das ein Antriebssystem mit mindestens einem Elektromotor und mindestens einem Verbrennungsmotor zum Antrieb des Hybridfahrzeugs aufweist. Je nach Konzept kann dabei das Hybridfahrzeug phasenweise vom Elektromotor oder Verbrennungsmotor alleine oder von beiden gemeinsam angetrieben werden, wobei eine Kupplungsvorrichtung zur Einkopplung des Verbrennungsmotors in das Antriebssystem vorhanden ist.
Verbreitet werden Kupplungen eingesetzt, um den Verbrennungsmotor antriebstechnisch von dem Antriebssystem abzutrennen oder dessen Drehmoment für Antriebszwecke einzukoppeln. Beispielsweise werden dazu Reibkupplungen eingesetzt. Aufgrund des großen zu übertragenden Drehmomentes laufen die Reibkupplungen bei diesen Anwendungen im Allgemeinen in Öl. Dies bietet unter anderem den Vorteil einer guten Wärmeabfuhr der entstehenden Reibwärme von der Kupplung, um diese in dem erforderlichen Leistungsspektrum kompakt, insbesondere in Hinblick auf deren Außendurchmesser, gestalten zu können. In Öl laufende Systeme erlauben dabei zwar eine gute Wärmeabfuhr, erfordern jedoch die Interaktion mit Systemen für Öltransport und Ölaufnahme. Ferner besteht ein möglicher systembedingter Energiebedarf durch Planschverluste bewegter Teile im Öl und den Energieverbrauch einer Ölpumpe sowie Reibungsverluste an eine Ölturbine.
Die DE 10 2007 010 307 B3 offenbart eine Schaltkupplungsanordnung für vorgelegige Getriebe in Kraftfahrzeugen zur drehfesten Verbindung einer Welle mit einem daran gelagerten Drehglied, wobei die Schaltkupplungsanordnung aufweisend eine Schaltmuffe, die mit der Welle drehfest verbunden, in Bezug auf die Welle axial verschieblich gelagert und mit einer ersten Verzahnung versehen ist, ein Kupplungskörper, der mit einem Drehglied drehfest verbunden und mit einer zweiten Verzahnung versehen ist, die zur drehfesten Verbindung von Welle und Drehglied mit der ersten Verzahnung in Eingriff bringbar ist, und eine Sperr-Synchronisierungseinrichtung, die einen Synchronring mit einer Reibfläche aufweist, mittels dessen die Drehzahl der Welle und des Drehgliedes synchronisierbar sind, bevor die erste und die zweite Verzahnung in Eingriff gebracht werden, wobei die Sperr-Synchronisierungseinrichtung ferner ein Sperrglied aufweist, das mit der Schaltmuffe über eine Rastierung gekoppelt ist und das mit dem Synchronring in Drehrichtung über eine Sperrflächenpaarung gekoppelt ist, aufweist, wobei die Sperrflächenpaarung zwischen dem Sperrglied und einem Synchronglied ausgebildet ist, das in axialer Richtung mit dem Sperrglied und in Drehrichtung mit dem Synchronring gekoppelt ist.
Zum Starten des Verbrennungsmotors kommen im Allgemeinen spezielle elektrische Startermotoren zum Einsatz.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug und ein Verfahren zum Antreiben eines Hybridfahrzeugs mit dem Antriebssystem zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und dem auf ein Verfahren gerichteten unabhängigen Anspruch 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Elektromotor, und eine Kupplungsvorrichtung, welche ein Reibkraftschlusselement und ein Formschlusselement, welches parallel zu dem Reibkraftschlusselement geschaltet ist, auf. Die Kupplungsvorrichtung ist zur Einkopplung des Verbrennungsmotors in des Antriebssystem eingerichtet und in wenigstens folgende Zustände schaltbar: geöffnetes Formschlusselement und geschlossenes Reibkraftschlusselement zum Starten und/oder Synchronisieren des Verbrennungsmotors; geschlossenes Formschlusselement und geschlossenes Reibkraftschlusselement oder geschlossenes Formschlusselement und geöffnetes Reibkraftschlusselement bei laufendem, synchronisierten Verbrennungsmotor zum Erzeugen eines verbrennungsmotorischen Abtriebs und geöffnetes Formschlusselement und geöffnetes Reibkraftschlusselement bei stehendem Verbrennungsmotor zum rein elektromotorischen Antrieb des Fahrzeugs.
Das Antriebssystem weist somit einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor auf, die eingerichtet sind, das Hybridfahrzeug anzutreiben. Das Antriebssystem kann das Hybridfahrzeug aber auch ausschließlich durch den Elektromotor oder den Verbrennungsmotor antreiben. Beispielsweise kann das Hybridfahrzeug bei einer geringen geforderten Antriebsleistung, bei geringeren geforderten Reichweiten, im Stadtbetrieb oder dergleichen mit dem Elektromotor angetrieben werden. Der Verbrennungsmotor kann für diese Betriebsart mittels der Kupplungsvorrichtung abgekoppelt und ausgeschaltet werden, im abgekoppelten Zustand des Verbrennungsmotors kann eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors sich im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment im Wesentlichen einflussfrei von der Drehzahl und dem Drehmoment einer Abtriebswelle zur Übertragung des Drehmoments von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor drehen. Wird die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors benötigt, beispielsweise zum Beschleunigen oder für das Fahren mit hohen Geschwindigkeiten, kann der Verbrennungsmotor zugestartet und eingekoppelt werden. Das Antriebssystem kann ohne einen gesonderten elektrischen Startermotor für den Verbrennungsmotor auskommen. Der Verbrennungsmotor kann daher durch den Elektromotor gestartet werden. Um den Verbrennungsmotor zu starten, bzw. bei laufendem Betrieb des Antriebssystems auf die erforderliche Drehzahl zu synchronisieren ist ein Reibkraftschlusselement vorgesehen, das die drehzahlflexible Übertragung eines Drehmomentes von dem Elektromotor auf den Verbrennungsmotor ermöglicht. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, kann dessen Antriebsmoment zum Antrieb des Hybridfahrzeugs genutzt werden. Um das Reibkraftschlusselement kompakt zu halten, ist es eher zum Starten und Synchronisieren des Verbrennungsmotors als zum permanenten Übertragen des vollen potentiellen Antriebsdrehmomentes des Verbrennungsmotors ausgelegt. Daher ist im Antriebssystem dem Reibkraftschlusselement ein Formschlusselement parallel geschaltet vorgesehen, so dass die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors auch durch das Formschlusselement übertragen werden kann. Das Reibkraftschlusselement und das Formschlusselement sind demnach getriebetechnisch, was ihre Drehmomentübertragung anbetrifft, parallel geschaltet angeordnet. Bei gestartetem und synchronisiertem Verbrennungsmotor kann das Formschlusselement, beispielsweise eine Verzahnung oder Verriegelung oder jedes anderes geeignete Mittel, geschlossen werden, so dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors dann zunächst parallel von dem Formschlusselement und dem Reibkraftschlusselement übertragbar ist. Das Reibkraftschlusselement kann schließlich auch entlastet oder geöffnet werden, so dass dann das Drehmoment des Verbrennungsmotors lediglich über das Formschlusselement übertragen wird. Des spart Energie für die Kupplungsaktuatorik da diese in dem Zustand inaktiv ist.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, mittels eines Reibkraftschlusses einen Synchronlauf zwischen Bauteilen mit (Anfangs-)Relativdrehzahl herzustellen. Ist der Synchronlauf erreicht, kann das Formschlusselement, insbesondere eine Verzahnung, einspuren, und somit einen Formschluss herstellen, womit das volle Drehmoment formschlüssig übertragen werden kann. Das Prinzip der Synchronisierung wird hier genutzt, um die Anforderungen an die Schleppstartfähigkeit zu realisieren, der Formschluss wird dazu genutzt, das volle Drehmoment des Verbrennungsmotors zu übertragen. Hierbei soll das Drehmoment für den Schleppstart vergleichsweise klein bleiben, um die Reibpaarung entsprechend nicht für das volle Drehmoment auszulegen zu müssen. Sobald Formschluss in der Kupplungsvorrichtung hergestellt ist, kann das volle Drehmomentpotenzial des Verbrennungsmotors über das Formschlusselement genutzt werden.
Die geringere geforderte Drehmomentübertragung durch das Reibkraftschlusselement auf Grund der Drehmomentübertragung des laufenden Verbrennungsmotors durch das Formschlusselement ermöglicht eine kompaktere Gestaltung des Reibkraftschlusselementes und der Kupplungsvorrichtung insgesamt. Die ”X-Maß-Kette” kann dadurch verringert werden, auch, indem die Kupplungsvorrichtung so kompakt dimensioniert werden kann, dass sie innerhalb eines Rotorträgers des Elektromotors platziert werden kann. Ferner kann durch die Aufteilung der Kupplungsvorrichtung mit einer Trennung in kompaktes Reibkraftschlusselement und Formschlusselement der Energieeintrag von der Kupplungsvorrichtung in den Bereich des Elektromotors reduziert werden, was mehr Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung ermöglicht. Durch die optimale Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes ist auch die Umsetzung zusätzlicher Systemfunktionen, wie z. B. eine Rotorkühlung am Elektromotor basierend auf einem wassergekühlten Gehäusesteg, radial und axial möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung läuft die Kupplung trocken, d. h. ist Öltauchbadfrei, vorgesehen. Mittels dieser konstruktiven Gestaltung können Planschverluste, die beim Bewegen von Komponenten im Öl und der damit verbundenen Reibung entstehen würden, vermieden werden. Ferner kann die Antriebsenergie für eine zugeordnete Ölpumpe eingespart werden. Der Wirkungsgrad des Antriebssystems kann auf diese Weise verbessert werden. Durch die Übertragung des Drehmoments des Verbrennungsmotors im Fahrbetrieb mittels des Formschlusselementes kann das Reibschlusselement auch ohne das Vorsehen eines Ölbades mit der dabei durch das Öl gegebenen Wärmeabführung vorteilhaft kompakt gestaltet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist so ein Teil eines Rotors des Elektromotors indirekt wassergekühlt. Das im Antriebssystem vorgesehene Formschlusselement zur Übertragung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors ermöglicht eine kompakte Ausführung des Reibkraftschlusselementes, welches lediglich zum Übertragen des verhältnismäßig geringen Anschleppmoments zum Starten des Verbrennungsmotors ausgelegt zu werden braucht. Der damit frei werdende Bauraum kann genutzt werden, um zusätzliche Funktionen des Antriebssystems vorzusehen. Es kann zum Beispiel eine indirekte Rotorkühlung, insbesondere basierend auf einem wassergekühlten Gehäusesteg, vorgesehen werden. Die Wasserkühlung ermöglicht eine besonders kompakte Gestaltung, da der Wärmeübergang zum Fluid groß ist. Räumlich große Kühlrippen, die bei einer Luftkühlung verbreitet vorgesehen werden, können entfallen, was zur weiteren Kompaktheit des Systems und einem kostengünstigen Aufbau beiträgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Kupplungsvorrichtung wenigstens teilweise innerhalb eines Rotors des Elektromotors oder ist sogar darin angeordnet. Unter Rotor wird hier auch ein Rotorträger eingeschlossen. Dadurch kann die Erstreckung des Antriebssystems in Richtung der Achse des Rotors verringert werden. Die ”X-Maß-Kette” betreffend das Antriebssystem kann reduziert werden, was vorteilhaft im Hinblick auf geringe Abmessungen des Antriebssystems und dessen Bauraumbedarf ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Reibkraftschlusselement mit einem ersten rotatorischen Kupplungselement und einem zweiten rotatorischen Kupplungselement gebildet, die koaxial zueinander angeordnet und aufeinander zu und voneinander weg verlagerbar vorgesehen sind, wobei das erste Kupplungselement einen Außenkonus und das zweite Kupplungselement einen Innenkonus aufweist, die miteinander zur Drehmomentübertragung in Kontakt bringbar sind.
Im Folgenden wird zur Verbesserung des Textflusses teilweise des erste rotatorische Kupplungselement als erstes Kupplungselement und das zweite rotatorische Kupplungselement als zweites Kupplungselement bezeichnet.
Sind das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement voneinander beabstandet, ist der Reibschluss zur Übertragung eines Drehmomentes getrennt. Wenn sich das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement berühren, kann ein Drehmoment per Reibschluss zwischen beiden übertragen werden. Je starker beide Kupplungselemente beispielsweise durch einen entsprechenden Aktor gegeneinander gepresst werden, desto höher wird das reibschlüssig übertragbare Drehmoment. Die konusförmige Ausführung ermöglicht dabei eine Erhöhung der Reibfläche zwischen beiden Kupplungselementen bei einem bestimmten Durchmesser, was für eine Bauraumreduzierung und eine geringe Massenträgheit im Hinblick auf das dynamische Systemverhalten vorteilhaft ist. Ferner können dadurch die Anpresskräfte zwischen den Kupplungselementen entsprechend dem Steigungswinkel von dem Außenkonus und Innenkonus über die Druckkraft des Aktors hinaus erhöht werden. Die Gestaltung der Kupplungselemente mit Innenkonus und Außenkonus als Reibpaarung ermöglicht ferner einen kleinen Kupplungsdurchmesser im Vergleich zu einem Aufbau mit kreisscheibenartig gestalteten Reibflächen, was vorteilhaft im Hinblick auf eine kompakte Gestaltung des Antriebssystems ist. Das erste rotatorische Kupplungselement kann zur Übertragung des Drehmomentes von dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor mit einer Welle gekoppelt sein.
Am ersten rotatorischen Kupplungselement oder am zweiten rotatorischen Kupplungselement kann eine Verzahnung und dem jeweils anderen Kupplungselement drehfest zugeordnet eine Sperrklinke zum Arretieren in der Verzahnung vorgesehen sein. Damit kann ein Formschluss zwischen dem ersten rotatorischen Kupplungselement und dem zweiten rotatorischen Kupplungselement gebildet werden. Der Formschluss wird bevorzugt dann gebildet, wenn beide Kupplungselemente im Wesentlichen synchronisiert sind, um einen Verschleiß an den Reibflächen der Synchronisationseinheit, insbesondere an der Verzahnung bzw. an der Sperrklinke, gering zu halten sowie ungewollten Schlupf zu unterbinden. Das Synchronisieren kann durch die Drehmomentübertragung mittels des Innenkonus und Außenkonus erfolgen. Ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten rotatorischen Kupplungselement und dem zweiten rotatorischen Kupplungselement direkt gebildet oder eine formschlüssige Verbindung des zweiten rotatorischen Kupplungselementes mit einer Welle zur Übertragung des Drehmomentes von dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor, sind die formschlüssige und die reibkraftschlüssige Verbindung beider Kupplungselemente parallel geschaltet. Nun kann beispielsweise die reibkraftschlüssige Verbindung durch Trennen des Innenkonus von dem Außenkonus oder eine geeignete Kupplung gelöst werden und ein zugeordneter Aktor kann dann entlastet werden. Das Abschalten des Aktors ermöglicht Energieeinsparungen. Ein weiterer Vorteil des Antriebssystems kann realisiert werden, wenn die formschlüssige Verbindung für größere zu übertragende Drehmomente ausgelegt wird als die reibkraftschlüssige Verbindung. Beispielsweise kann die reibkraftschlüssige Verbindung für das Starten des Verbrennungsmotors des Hybridfahrzeugs zum Einsatz kommen. Ist der Verbrennungsmotor gestartet, kann die formschlüssige Verbindung hergestellt werden und die im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden höheren Drehmomente können dann von der formschlüssigen Verbindung übertragen werden. Dies ermöglicht es, die reibkraftschlüssige Verbindung kompakt, abgestimmt lediglich für das kleine Drehmoment, das beim Starten des Verbrennungsmotors auftritt, auszulegen. Der Bauraum kann damit reduziert und die Kosten des Antriebssystems des Hybridfahrzeugs gesenkt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sperrklinke achsparallel zu den rotatorischen Kupplungselementen verfahrbar angeordnet. Dadurch können Zentrifugalkrafteinwirkungen resultierend aus der Drehung der Kupplungselemente auf die Stellung der Sperrklinke minimiert werden, was deren Arretierung in einer Stellung und Verfahrbarkeit erleichtert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Aktor vorgesehen, der eingerichtet ist, das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement gegeneinander zu pressen. Dadurch kann auf einen zweiten Aktor zum Lösen des ersten Kupplungselementes von dem zweiten Kupplungselement, der dem ersten Aktor entgegenwirkt, verzichtet werden, wenn ein aktives Trennen beider Kupplungselemente gewünscht ist und nicht alleine durch eine Rückstellfeder realisiert ist. Durch die entsprechende Geometrie, z. B. des Winkels der Phase am ersten oder zweiten Kupplungselement, kann die notwendige Aktorkraft auf ein Minimum reduziert werden. Die Reduzierung der notwendigen Aktorkraft, wie auch die Reduzierung des notwendigen Bauraumes für die Kupplungsvorrichtung führen zu einer großen Freiheit hinsichtlich der Aktorauswahl.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor eingerichtet, das erste Kupplungselement und das zweite Kupplungselement auch voneinander weg zu ziehen. Dies dient zum Trennen der Kupplungselemente. Ebenso ist es möglich, dass die Kupplungselemente durch eine Feder oder dergleichen dem Aktor entgegenwirkend auseinander verlagert werden, wenn der Aktor die Kupplungselemente nicht oder mit einer Kraft unter einem bestimmten Kraftwert zusammendrückt. Zum auseinander Verlagern der Kupplungselemente kann ebenso ein zweiter Aktor vorgesehen sein, der dem ersten Aktor entgegenwirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktor als elektromotorischer Aktor oder als hydraulischer Aktor ausgeführt. Eine hydraulische Ausführung ermöglicht besonders hohe Stellkräfte. Mittels einer elektromechanischen Ausführung lässt sich eine hohe Dynamik im Hinblick auf ein schnelles Stellverhalten besonders gut realisieren. Bei der elektromechanischen Ausführung kann ein Elektromotor mit einem geeigneten Getriebe zur Umsetzung der Rotationsbewegung des Elektromotors in eine lineare Stellbewegung vorgesehen sein. Ferner ist eine Ausführung des Aktors als pneumatisch arbeitender Aktor möglich, was Vorteile im Hinblick auf einen technisch sehr einfachen Aufbau bieten kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sperrklinke so vorgesehen, dass sie bei einer festgelegten Kraft des Aktors oder festgelegten axialen Kraft des ersten rotatorischen Kupplungselements oder des zweiten rotatorischen Kupplungselementes verrastet. Eine verrastbare Ausführung der Sperrklinke bietet den Vorteil, dass die Stellkraft des Aktors reduziert oder sogar auf Null gesetzt werden kann, wobei die beiden Kupplungselemente bei Reibschluss verrastet bleiben. Auf Grund der niedrigeren daraus resultierenden Belastung des Aktors kann dieser damit kompakter, d. h. platzsparender, mit einer geringeren Leistung und kostengünstiger ausgeführt werden. Insgesamt wird auf diese Weise der Energieverbrauch durch den Aktor reduziert. Ferner wird die Betriebssicherheit des Antriebssystems erhöht.
Beispielsweise ist ein Federelement, insbesondere ein Federring vorgesehen, das bei Überschreiten der festgelegten axialen Kraft von einer Phase an dem ersten rotatorischen Kupplungselement oder zweiten rotatorischen Kupplungselement so verlagert wird, dass die Sperrklinke in eine Verrastungsposition kommen kann. Das Federelement weist beispielsweise federgelagerte Stifte oder einen Federring auf. Im Falls der Ausführung als Federring kann dieser elastisch in eine ihn aufnehmende Wellennut hineingedrückt werden. Die Sperrklinke schiebt sich dabei mit über das Federelement. Die im Vorhergehenden erläuterten Weiterbildungen und Vorteile in Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung sind auch auf ein erfindungsgemäßes Verfahren anzuwenden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Antreiben eines Hybridfahrzeugs unter Nutzung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems die Schritte des Antreibens des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors bei Übertragung des Drehmomentes des Elektromotors; Antreiben des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors und gleichzeitiges Zustarten des Verbrennungsmotors bei Übertragung des Drehmomentes durch Reibschluss mittels des Reibkraftschlusselementes und des Antreibens des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors und Verbrennungsmotors bei Übertragung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors durch Formschluss mittels des Formschlusselementes auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt im Verfahrensschritt (b) eine wenigstens temporäre Drehmomentüberhöhung des Elektromotors. Dabei wird das Drehmoment des Elektromotors an dessen Abtriebswelle im Nennpunkt für eine kurze Dauer von beispielsweise 0,5 bis 3 Sekunden um einen Betrag von beispielsweise 20 bis 70 Prozent über das Nenndrehmoment erhöht. Eine relativ kurze Dauer kombiniert mit einer verhältnismäßig geringen Drehmomentüberhöhung lassen die Temperatur des Elektromotors im unkritischen Bereich verbleiben, so dass dieser keinen Schaden nimmt.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Antriebssystems hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. in den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Von den Figuren zeigen:
1 ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung;
2 einen Ausschnitt des Antriebssystems für ein Hybridfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung; und
3 einen Ausschnitt des Antriebssystems für ein Hybridfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen räumlichen Schnittdarstellung.
1 zeigt ein Antriebssystem 1 für ein Hybridfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung. Des Antriebssystem 1 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen Verbrennungsmotor 3 und einen Elektromotor 5 auf, die im Bild beide schematisch als Rechtecke dargestellt sind. Es können im Sinne der vorliegenden Erfindung mehr als ein Verbrennungsmotor 3 und ein Elektromotor 5 im Antriebssystem 1 vorgesehen sein. Der Verbrennungsmotor 3 und der Elektromotor 5 sind eingerichtet, ihre Drehmomente zum Antrieb des Hybridfahrzeugs an einer im Bild rechts als Linie dargestellten Abtriebswelle 7 zur Verfügung zu stellen. Eine Kupplungsvorrichtung 9 ist im Antriebssystem 1 dem Verbrennungsmotor 3 und dem Elektromotor 5 zwischengeschaltet vorgesehen, so dass sie eine rotatorische und drehmomentmäßige Entkopplung der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 3 von dem Elektromotor 5 und der Abtriebswelle 7 ermöglicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ein automatisiertes Vorgelegegetriebe 11 dem Elektromotor 5 nachgeschaltet vorgesehen, das eine Drehzahl- bzw. Drehmomentanpassung der von dem Verbrennungsmotor 3 und dem Elektromotor 5 an einer Welle 43 bereitgestellten Antriebsleistung zur Abtriebswelle 7 ermöglicht.
Die Kupplungsvorrichtung 1 weist ein Reibkraftschlusselement 13 und ein Formschlusselement 15, welches parallel zu dem Reibkraftschlusselement 13 geschaltet ist, auf. Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren mehr im Detail dargestellt. Die Kupplungsvorrichtung 1 mit dem Reibkraftschlusselement 13 und dem Formschlusselement 15 ermöglicht es, mittels Reibschluss am Reibkraftschlusselement 13 den Verbrennungsmotor 3, beispielsweise aus dem Stillstand heraus, zu beschleunigen. Ist der Verbrennungsmotor 3 auf eine geeignete Drehzahl herauf beschleunigt, kann dann das Formschlusselement 15 zur formschlüssigen Einkupplung des Verbrennungsmotors 3 in Eingriff gebracht werden. Das Formschlusselement 15 ermöglicht dann die Übertragung auch von großen Drehmomenten des Verbrennungsmotors 3. Dadurch kann das Reibkraftschlusselement 13 für ein geringeres zu übertragendes Drehmoment ausgelegt werden und vorteilhaft mit geringem Bauraumbedarf dimensioniert werden. Ferner wird die am Reibkraftschlusselement 13 entstehende Reibungswärme gering gehalten und damit insbesondere auch der Bereich des Elektromotors 5 wenig durch das Reibkraftschlusselement 13 erwärmt.
2 zeigt einen Ausschnitt des Antriebssystems 1 für ein Hybridfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung. Dargestellt ist ein oberhalb einer Symmetrielinie 19 angeordneter Ausschnitt des Antriebssystems 1. Die Symmetrielinie 19 zeigt die Rotationsachse für das Gesamtsystem eines Rotors 17 mit einem Rotorträger des Elektromotors 5 und der Kupplungsvorrichtung 9. Der Rotor 17 soll hier den Rotorträger mit einschließen. Die Kupplungsvorrichtung 9 ist im Bild unterhalb des dargestellten Abschnitts des Rotors 17 dargestellt und verläuft hier demnach innerhalb des Rotors 17 des Elektromotors 5.
Die Kupplungsvorrichtung 9 weist ein erstes rotatorisches Kupplungselement 21 und ein zweites rotatorisches Kupplungselement 23 auf, die koaxial zueinander angeordnet und aufeinander zu und voneinander weg verlagerbar vorgesehen sind. Am ersten Kupplungselement 21 ist ein Außenkonus 25 vorgesehen und am zweiten Kupplungselement 23 ist ein Innenkonus 27 vorgesehen. Die Anordnung der Konen 25, 27 in Bezug auf die Kupplungselemente 21, 23 kann dabei vorzugsweise auch anders herum sein. In der Schnittdarstellung von 2 ist das erste Kupplungselement 21 schräg rechts unterhalb des zweiten Kupplungselementes 23 erkennbar. Außenkonus 25 und Innenkonus 27 verlaufen dabei im Bild schräg nach rechts oben. Werden Außenkonus 25 und Innenkonus 27 gegeneinander gepresst, kann mittels Reibschluss ein Drehmoment über das erste Kupplungselement 21 und das zweite Kupplungselement 23 ein Drehmoment per Reibschluss übertragen werden. Dabei kann, je nach Drehmoment und je nach Anpresskraft, ein rotatorischer Schlupf zwischen den beiden Kupplungselementen 21, 23 möglich sein.
Am zweiten rotatorischen Kupplungselement 23 ist eine Verzahnung 29 vorgesehen. Eine bei diesem Ausführungsbeispiel hülsenförmig gestaltete Sperrklinke 31 ist zum Arretieren in der Verzahnung 29 und zum Ausbildung des Formschlusses zwischen dem zweiten rotatorischen Kupplungselement 23 und der Welle 43 vorgesehen. Dazu ist eine Hülse 35 drehfest an der Welle 43 angeordnet und mit der Sperrklinke 31 an deren Innendurchmesser verzahnt.
Zur axialen Verlagerung des ersten rotatorischen Kupplungselementes 21 in Richtung auf das zweite rotatorische Kupplungselement 23 zu ist ein Aktor 33 vorgesehen. Der Aktor 33 arbeitet bei diesem Ausführungsbeispiel hydraulisch und ist in der Lage insbesondere eine hohe Druckkraft koaxial zu dem ersten rotatorischen Kupplungselement 21 auszuüben. Die Kraft des Aktors 33 wird über eine vorgesehene Hülse 35 drehentkoppelt durch eine vorgesehene Wälzlagerung 37 übertragen.
Die Sperrklinke 31 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so vorgesehen, dass sie bei einer festgelegten Kraft des Aktors 33 verrastet. Dazu ist ein Federelement 39 an der Sperrklinke 31 vorgesehen, das mit dem ersten rotatorischen Kupplungselement 21 verrastet, wenn die Sperrklinke 31 über eine bestimmte Position in Richtung auf das erste rotatorische Kupplungselement 21 verlagert wird.
Das Antriebssystem 1 ermöglicht eine flexible Übertragung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors 3 und eine Elektromotors 5 wahlweise per Reibschluss oder per Formschluss auf eine Welle 43. Dabei kann für die großen Drehmomente des Verbrennungsmotors 3 der Formschluss genutzt werden, was eine insgesamt kompakte Dimensionierung erlaubt.
3 zeigt einen Ausschnitt des Antriebssystems 1 für ein Hybridfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen räumlichen Schnittdarstellung. Durch die räumliche Darstellung lässt sich der schon anhand von 2 dargestellte Aufbau des Antriebssystems 1, insbesondere der Kupplungsvorrichtung 9 leichter im Detail erfassen.
Wie in 2 ist das erste Kupplungselement 21 schräg rechts unterhalb des zweiten Kupplungselementes 23 erkennbar. In dieser Darstellung kann man nun am im Bild rechten Rand des zweiten Kupplungselementes 23 die Verzahnung 29 erkennen. Die Sperrklinke 31 ist hülsenförmig gestaltet und kann von dem Aktor 33 im Bild nach links in einen Eingriff mit dem Kupplungselement 23 verschoben werden. Der Träger 40 koppelt bei diesem Ausführungsbeispiel die Sperrklinke 31 mit der Welle 43. Dazu ist die Sperrklinke 31 mit dem Träger 40 verzahnt und der Träger 40 über ein Vielzahnprofil drehfest mit der Welle 43 gekoppelt. Dadurch, dass die Sperrklinke 31 mit dem Träger 40 verzahnt ist, kann die Sperrklinke 31 das Antriebsmoment, dass von dem zweiten rotatorischen Kupplungselement 23 auf sie übertragen wird, unabhängig von ihrer Verschiebungsstellung entlang des Trägers 40 und damit auch entlang der Welle 43 auf den Träger 40 übertragen. Das erste rotatorische Kupplungselement 21 kann ebenfalls beispielsweise über den Träger 40 mit der Welle 43 gekoppelt sein. Dazu kann beispielsweise ein Einschieben der Sperrklinke 31, welche sich auf dem Träger 40 in einem sogenannten Vielzahnprofil verschieben lässt, in das erste rotatorische Kupplungselement 21 bei Ausbildung einer Klemmung zwischen der Sperrklinke 31 und dem ersten rotatorischen Kupplungselement 21 eine kraftschlüssige Verbindung realisiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
3: Verbrennungsmotor
5: Elektromotor
7: Abtriebswelle
9: Kupplungsvorrichtung
11: Vorgelegegetriebe
13: Reibkraftschlusselement
15: Formschlusselement
17: Rotor
19: Symmetrielinie
21: Erstes rotatorisches Kupplungselement
23: Zweites rotatorisches Kupplungselement
25: Außenkonus
27: Innenkonus
29: Verzahnung
31: Sperrklinke
33: Aktor
35: Hülse
37: Wälzlagerung
39: Federelement
40: Träger
41: Fase
42: Gehäuse
43: Welle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010307 B3 [0003]

Claims

Antriebssystem (1) für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen Verbrennungsmotor (3), einen Elektromotor (5), und eine Kupplungsvorrichtung (9), welche ein Reibkraftschlusselement (13) und ein Formschlusselement (15), welches parallel, insbesondere koaxial, zu dem Reibkraftschlusselement (13) geschaltet ist, aufweist, wobei die Kupplungsvorrichtung (9) eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor (3) in das Antriebssystem (1) einzukuppeln und in wenigstens folgende Zustände geschaltet zu werden: a) geöffnetes Formschlusselement (15) und geschlossenes Reibkraftschlusselement (13) zum Starten und/oder Synchronisieren des Verbrennungsmotors (3), b) geschlossenes Formschlusselement (15) und geschlossenes Reibkraftschlusselement (13) oder geschlossenes Formschlusselement (15) und geöffnetes Reibkraftschlusselement (13) bei laufendem, synchronisierten Verbrennungsmotor (3) zum Erzeugen eines verbrennungsmotorischen Abtriebs und c) geöffnetes Formschlusselement (15) und geöffnetes Reibkraftschlusselement (13) bei stehendem Verbrennungsmotor (3) zum rein elektromotorischen Antrieb des Fahrzeugs.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Kupplungsvorrichtung (9) trocken läuft.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Teil eines Rotors (17) des Elektromotors (5), insbesondere indirekt, wassergekühlt ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplungsvorrichtung (9) wenigstens teilweise innerhalb des Rotors (17) verläuft, insbesondere darin angeordnet ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reibkraftschlusselement (13) mit einem ersten rotatorischen Kupplungselement (21) und einem zweiten rotatorischen Kupplungselement (23) gebildet ist, die koaxial zueinander angeordnet und aufeinander zu und voneinander weg verlagerbar vorgesehen sind, wobei das erste rotatorische Kupplungselement (21) einen Außenkonus (25) und das zweite rotatorische Kupplungselement (23) einen Innenkonus (27) aufweist, die miteinander zur Drehmomentübertragung in Kontakt bringbar sind.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 5 wobei am ersten rotatorischen Kupplungselement (21) oder am zweiten rotatorischen Kupplungselement (23) eine Verzahnung (29) vorgesehen und dem jeweils anderen Kupplungselement (21, 23) drehfest zugeordnet eine Sperrklinke (31) zum Arretieren in der Verzahnung (29) und damit zur Ausbildung des Formschlusses zwischen dem ersten rotatorischen Kupplungselement (21) und dem zweiten rotatorischen Kupplungselement (23) oder dem zweiten rotatorischen Kupplungselement (23) und einer Welle (43) zur Übertragung des Drehmomentes von dem Verbrennungsmotor (3) und dem Elektromotor (5) vorgesehen ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, dass die Sperrklinke (31) achsparallel zu den rotatorischen Kupplungselementen (21, 23) verfahrbar angeordnet ist.
Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein Aktor (33) vorgesehen ist, der eingerichtet ist, das erste Kupplungselement (21) und das zweite Kupplungselement (23) gegeneinander zu pressen.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, wobei der Aktor (33) eingerichtet ist, das erste Kupplungselement (21) und das zweite Kupplungselement (23) auch voneinander weg zu ziehen.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Aktor (33) als elektromotorischer Aktor oder als hydraulischer Aktor ausgeführt ist.
Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Sperrklinke (31) so vorgesehen ist, dass sie bei einer festgelegten Kraft des Aktors (33) oder festgelegten axialen Kraft des ersten rotatorischen Kupplungselements (21) oder des zweiten rotatorischen Kupplungselementes (23) verrastet.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 11, wobei ein Federelement (39) vorgesehen ist, das bei Überschreiten der festgelegten axialen Kraft von einer Fase (41) an dem ersten rotatorischen Kupplungselement (21), an dem zweiten rotatorischen Kupplungselement (23) oder einer verschiebbar angeordneten Hülse (35) so verlagert wird, dass die Sperrklinke (31) in eine Verrastungsposition kommen kann.
Verfahren zum Antreiben eines Hybridfahrzeugs unter Nutzung eines Antriebssystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: (a) Antreiben des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors (5) bei Übertragung des Drehmomentes des Elektromotors (5); (b) Antreiben des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors (5) und gleichzeitiges Zustarten des Verbrennungsmotors (3) bei Übertragung des Drehmomentes durch Reibschluss mittels des Reibkraftschlusselementes (13); (c) Antreiben des Hybridfahrzeugs mittels des Elektromotors (5) und Verbrennungsmotors (3) bei Übertragung des Drehmomentes des Verbrennungsmotors (5) durch Formschluss mittels des Formschlusselementes (15).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Verfahrensschritt (b) eine wenigstens temporäre Drehmomentüberhöhung des Elektromotors (5) erfolgt.
Hybridfahrzeug mit einem Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.