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Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlich ausgestalteten Hybridantriebssträngen für Kraftfahrzeuge bekannt. Im Allgemeinen weist ein entsprechender Antriebsstrang mindestens eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens eine Elektromaschine auf. Hierbei weist die Verbrennungskraftmaschine eine Antriebswelle und die Elektromaschine einen Rotor und einen Stator auf. Die Verbrennungskraftmaschine bzw. die Antriebswelle und/oder der Elektromotor bzw. der Rotor ist zur Übertragung eines Drehmomentes jeweils einzeln und/oder auch zeitweise gemeinsam mit einer Hauptabtriebswelle wirksam verbindbar. Insbesondere beim reinen Elektroantrieb des Kraftfahrzeuges ist die Verbrennungskraftmaschine ausgeschaltet oder wird zumindest nicht für den Antrieb des Kraftfahrzeuges genutzt.
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Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht (
DE 10 2012 016 988 A1 ), ist nun ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug bekannt, der im Wesentlichen die bereits oben aufgeführten Komponenten aufweist. Bei diesem bekannten Hybridantriebsstrang ist die Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen mittig bzw. zentral angeordnet. Radial innenliegend zur Elektromaschine des Hybridantriebsstrang bzw. zum Rotor ist ein Planetenradgetriebe vorgesehen bzw. sind dessen wesentliche Komponenten entsprechend angeordnet. Im Wesentlichen sind koaxial zur zentral vorgesehenen Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine das Sonnenrad, die Planetenräder bzw. das Hohlrad des Planetenradgetriebes vorgesehen, nämlich insbesondere im radial zum Rotor liegenden entsprechenden inneren Bereich des Antriebsstranges. Die Verbrennungskraftmaschine bzw. die Antriebswelle und/oder der Elektromotor bzw. der Rotor sind zur Übertragung eines Drehmomentes mit einer Hauptabtriebswelle wirksam verbindbar. Hierzu sind weitere Zwischenwellen bzw. ein Zwischengetriebe vorgesehen, die bzw. das dem Planetenradgetriebe nachgeschaltet ist. Der Rotor des Elektromotors ist im Wesentlichen mit dem Sonnenrad des Planetenradgetriebes oder einem Planetenträgersteg eines Planetenrades über eine vorgesehene Kopplungsvorrichtung wirksam verbindbar. Über die dem Planetenradgetriebe nachgeschalteten Zwischenwellen bzw. über das nachgeschaltete Zwischengetriebe wird dann das entsprechende Drehmoment im Endeffekt auf die Hauptabtriebswelle entsprechend übertragen.
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Weiterhin ist im Stand der Technik ein Hybridantriebsstrang bekannt (
DE 10 2011 115 078 A1 ), bei dem zwei Elektromaschinen vorgesehen sind. Auch ist hier ein Planetenradgetriebe vorgesehen, wobei nun die wesentlichen Komponenten des Planetenradgetriebes, insbesondere die Planetenräder und das mit den Planetenrädern in Eingriff stehende Hohlrad außerhalb der Bereiche der Elektromotoren angeordnet und/oder vorgesehen sind. Zusätzlich ist dieser bekannte Antriebsstrang konstruktiv sehr aufwendig und benötigt eine Vielzahl von einzelnen Kopplungsvorrichtungen und/oder eine Vielzahl von weiteren separaten Wellen bzw. weiteren Zwischenwellen zur Übertragung der entsprechenden Drehmomente auf die Hauptabtriebswelle.
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Schließlich ist aus der
DE 100 52 393 A1 ein Hybridantriebsstrang bekannt, der auch zwei Elektromotoren aufweist, die bzw. deren Rotoren mit den Eingangswellen eines Doppelkupplungsgetriebes wirksam verbindbar sind. Hierzu sind im radial innenliegenden Bereich der Rotoren der Elektromotoren separate Kupplungsvorrichtungen vorgesehen bzw. angeordnet. Auch dieser Hybridantriebsstrang ist konstruktiv sehr aufwendig, insbesondere ist dessen axiale Länge entsprechend groß ausgebildet und benötigt einen entsprechend großen Bauraum.
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Die im Stand der Technik bekannten Hybridantriebsstränge sind daher noch nicht optimal ausgebildet, insbesondere ist der Hybridantriebsstrang, von dem die Erfindung ausgeht (
DE 10 2012 016 988 A1 ), konstruktiv ebenfalls sehr aufwendig bzw. weist dieser Antriebsstrang ebenfalls eine bestimmte axiale Länge/Dimensionierung auf. Damit sind nicht nur die Herstellungskosten entsprechend hoch, sondern der erforderliche notwendige Bauraum, insbesondere aufgrund der hier dem Planetenradgetriebe nachgeschalteten weiteren Zwischenwellen bzw. des nachgeschalteten weiteren Zwischengetriebes, ist entsprechend hoch und vergrößert auch den damit verbundenen Montageaufwand. Weiterhin ist der im Stand der Technik bekannte Hybridantriebsstrang, von dem die Erfindung ausgeht, also das dort beschriebene „Wellen-Konzept“ im Wesentlichen ein batteriebasierendes Parallel-Hybridgetriebekonzept. Zur vollen Leistungsentfaltung ist daher eine sehr leistungsfähige Batterie notwendig, insbesondere damit das Getriebe bzw. das Kraftfahrzeug hier auch sehr dynamische Fahrleistungen bei sehr guten Wirkungsgraden realisieren kann. Dennoch ist nicht für alle Fahrzustände des Hybridantriebsstranges ein optimaler Wirkungsgrad bzw. ein optimaler Betriebszustand erreicht, letzteres insbesondere unter Berücksichtigung hoher Systemdrehzahlen und einem entsprechenden Aufwand in der Verzahnungsauslegung und der Fertigung der einzelnen Komponenten des Planetenradgetriebes bzw. des hier nachgeschalteten Zwischengetriebes. Im Endeffekt ist daher einerseits der Konstruktionsaufwand und der notwendige erforderliche Bauraum für den im Stand der Technik bekannten Hybridantriebsstrang sowie der Montageaufwand sehr groß, so dass die damit verbundenen Kosten ebenfalls entsprechend erhöht sind, wobei andererseits bestimmte Betriebszustände bzw. bestimmte Fahrzustände noch verbesserungsfähig sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den zuvor genannten Hybridantriebsstrang, von dem die Erfindung ausgeht, nun derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die Flexibilität des Einsatzes erhöht ist, insbesondere der Wirkungsgrad für bestimmte Betriebszustände bzw. bestimmte Fahrzustände optimiert ist, wobei insbesondere zugleich der Konstruktions- und Montageaufwand sowie der erforderliche axiale Bauraum verringert ist.
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Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist nun zunächst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Es sind nun zunächst zwei Elektromaschinen (Elektromotoren) vorgesehen. Zusätzlich zu der – ersten – Elektromaschine ist daher nun eine weitere, auch einen Rotor und einen Stator aufweisende – zweite – Elektromaschine vorgesehen. Weiterhin ist ein weiteres Planetenradgetriebe, nämlich ein zweites Planetenradgetriebe vorgesehen. Der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang weist daher zunächst zwei Elektromaschinen, nämlich eine erste und eine zweite Elektromaschine sowie zwei Planetenradgetriebe, nämlich ein erstes und ein zweites Planetenradgetriebe auf. Das erste Planetenradgetriebe ist nun insbesondere im wesentlichen radial innenliegend zum Rotor der ersten Elektromaschine und das zweite Planetenradgetriebe im wesentlichen radial innenliegend zum Rotor der zweiten Elektromaschine vorgesehen und/oder angeordnet. Anders ausgedrückt, die wesentlichen Komponenten der jeweiligen Planetenradgetriebe sind in den jeweils radial innenliegenden Bereichen der jeweiligen Elektromaschine vorgesehen. Die Drehmomentübertragung bzw. die Übertragung des Drehmomentes von der Verbrennungskraftmaschine bzw. von der Antriebswelle und/oder von dem jeweiligen Elektromotor bzw. von dem jeweiligen Rotor auf die Hauptabtriebswelle wird mit Hilfe einer vorgesehenen Haupttriebwelle realisiert, die als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei diese Haupttriebwelle koaxial zur Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen und/oder angeordnet ist. Die Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine bzw. von der Antriebswelle und von der ersten und/oder von der zweiten Elektromaschine bzw. von dem jeweiligen Rotor zur Hauptabtriebswelle wird daher über die Haupttriebwelle realisiert, was im Folgenden noch näher erläutert werden darf.
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Durch die Anordnung einer zweiten Elektromaschine und eines zweiten Planetenradgetriebes sowie die Anordnung einer Haupttriebwelle, die koaxial zur Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen bzw. angeordnet ist, werden entscheidende Vorteile erzielt. Einerseits kann der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang dadurch sehr kompakt gebaut werden, insbesondere der axial erforderliche Bauraum ist entsprechend minimiert, nämlich insbesondere dadurch, dass die beiden Planetenradgetriebe im Wesentlichen im inneren Bereich der Elektromaschinen, nämlich in den jeweiligen radial zu den Rotoren innenliegenden Bereichen vorgesehen bzw. angeordnet sind. Die Flexibilität zur Realisierung bestimmter Fahrzustände bzw. für spezifische Betriebszustände des Kraftfahrzeuges ist erheblich erhöht sowie deren Wirkungsgrade erheblich verbessert sind. Insbesondere durch die Anordnung einer zweiten Elektromaschine sowie den sich dadurch ergebenden möglichen weiteren Schaltzuständen, insbesondere in Verbindung mit den jeweiligen Komponenten beider Planetenradgetriebe, was im Folgenden noch näher erläutert werden darf, werden daher entscheidende Vorteilte erzielt.
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Die wesentlichen Komponenten des ersten und zweiten Planetenradgetriebes, insbesondere die jeweiligen Sonnenräder, Planetenräder sowie Hohlräder sind im Wesentlichen in den radial inneren Bereichen der Elektromaschinen, insbesondere im jeweiligen Bereich zwischen den Rotoren der jeweiligen Elektromaschinen und der Haupttriebwelle vorgesehen bzw. angeordnet. Hierdurch bedingt ist nicht nur der erforderliche axiale Bauraum des Hybridantriebsstranges in vorteilhafter Weise verringert bzw. minimiert, sondern der gesamte Hybridantriebsstrang kann sehr kompakt ausgeführt werden.
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Zwischen der Haupttriebwelle und der Antriebswelle des Verbrennungsmotors ist eine weitere, insbesondere als Hohlwelle ausgebildete Durchtriebswelle ebenfalls koaxial zur Antriebswelle bzw. koaxial zur Haupttriebwelle vorgesehen und angeordnet. Über diese Durchtriebswelle ist mindestens ein Rotor der beiden Elektromaschinen mit der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine wirksam verbindbar, wodurch die Flexibilität für bestimmte Schalt- und/oder Betriebszustände des Hybridantriebsstranges wiederum erhöht ist, was ebenfalls im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Es ist nun zunächst eine erste Kopplungsvorrichtung vorgesehen, die insbesondere zentral angeordnet ist, wobei diese erste Kopplungsvorrichtung die Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine mit dem Rotor der ersten Elektromaschine oder mit der Durchtriebswelle wirksam verbindet. Zusätzlich ist diese erste Kopplungsvorrichtung auch in eine Neutralstellung verbringbar. Durch die Realisierung dieser drei unterschiedlichen Schaltstellungen der ersten Kopplungsvorrichtung kann eine Vielzahl von bestimmten Schaltzuständen sowohl für den reinen Elektrobetrieb, wie auch für den reinen Verbrennungsbetrieb und sogar für das sogenannte „parallele Fahren“ (Realisierung eines Verbrennungsbetriebs und eines Elektrobetriebs zumindest zeitweise zeitgleich) realisiert werden.
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Insbesondere ist das Sonnenrad des ersten Planetenradgetriebes als ein Festrad der Haupttriebwelle ausgebildet bzw. überträgt das entsprechende Drehmoment als funktional wirksames Festrad auf die Haupttriebwelle. Weiterhin ist eine zweite Kopplungsvorrichtung vorgesehen und über die zweite Kopplungsvorrichtung der Rotor der ersten Elektromaschine wirksam mit dem Sonnenrad oder auch wirksam mit einem Planetenträgersteg des Planetenrades des ersten Planetenradgetriebes verbindbar bzw. sind die genannten Komponenten miteinander drehfest koppelbar. Im Fall der Kopplung des Rotors der ersten Elektromaschine mit dem Sonnenrad ist insbesondere ein Elektroantrieb des Kraftfahrzeuges realisierbar, wobei bei der Kopplung des Rotors der ersten Elektromaschine mit dem Planetenträgersteg des Planetenrades des ersten Planetenradgetriebes insbesondere ein Verbrennungsbetrieb realisierbar ist.
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Weiterhin ist eine dritte Kopplungsvorrichtung vorgesehen. Diese dient insbesondere zur Realisierung von bestimmten Schaltzuständen bzgl. des zweiten Planetenradgetriebes. Das Sonnenrad des zweiten Planetenradgetriebes ist als ein Losrad der Haupttriebwelle ausgebildet, wobei über die dritte Kopplungsvorrichtung der Rotor der zweiten Elektromaschine wirksam mit dem Sonnenrad oder mit einem Planetenträgersteg des Planetenrades des zweiten Planetenradgetriebes verbindbar ist bzw. sind die genannten Komponenten miteinander drehfest koppelbar. Insbesondere der Planetenträgersteg ist mit einem Ende drehfest mit der Haupttriebwelle verbunden. Für den Fall, dass die dritte Kopplungsvorrichtung das Sonnenrad mit dem Rotor der zweiten Elektromaschine wirksam verbindet, ist insbesondere ein serieller Hybridbetrieb oder auch als weiterer Fahrzustand das sogenannte „parallele Fahren“ realisierbar, was im Folgenden noch näher erläutert werden darf. Für den Fall, dass die dritte Kopplungsvorrichtung den Planetenträgersteg des Planetenrades des zweiten Planetenradgetriebes mit dem Rotor wirksam verbindet, ist ebenfalls der Betriebszustand des sogenannten „parallelen Fahrens“ realisierbar, insbesondere aber auch noch andere spezifische Fahrzustände, was ebenfalls noch näher erläutert werden darf.
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Schließlich weist die Haupttriebwelle insbesondere ein im Wesentlichen mittig angeordnetes Ritzel auf, wobei das Ritzel, insbesondere mit einem Zwischenrad einer Zwischenwelle für die Übertragung des Drehmomentes auf die Hauptabtriebswelle in Eingriff steht bzw. das Zwischenrad der Zwischenwelle insbesondere mit einem Zahnkranz eines Abtriebsdifferetials in Eingriff steht, wobei in der bevorzugten Ausführungsform der Zahnkranz des Differentials und die entsprechenden Komponenten des Differentials dann die „Hauptabtriebswelle“ bilden bzw. die Hauptabtriebswelle dann durch die jeweiligen Komponenten des Differentials ausgebildet ist.
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Grundsätzlich gilt zunächst, dass mit Hilfe der ersten und/oder der zweiten Elektromaschine ein reiner Elektroantrieb und/oder mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine ein reiner Verbrennungsantrieb zum Antrieb des Kraftfahrzeugs realisierbar ist.
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Weiterhin ist ein „paralleles Fahren“ bzw. ein zeitlich paralleler Elektroantrieb und Verbrennungsantrieb ermöglicht, insbesondere zumindest zeitweise realisierbar.
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Schließlich ist zum Antrieb des Kraftfahrzeuges ein reiner Elektroantrieb über eine Elektromaschine und zumindest zeitweise zugleich auch ein Generatorbetrieb der anderen Elektromaschine mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, insbesondere ein sogenannter „serieller Hybridbetrieb“ realisierbar.
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Im Endeffekt sind die eingangs genannten Nachteile vermieden und entsprechende Vorteile erzielt.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sowie bestimmte Fahrzustände/Betriebszustände anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung nun näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
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1 in schematischer Darstellung den erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang mit den jeweiligen einzelnen Komponenten, wobei die Kopplungsvorrichtungen eine jeweilige Neutralstellung einnehmen,
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2 in schematischer Darstellung den an Hybridantriebsstrang aus 1 im Betriebszustand bzw. Fahrzustand des reinen Elektroantriebs mit beiden wirksam geschalteten Elektromaschinen,
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3 den Hybridantriebsstrang aus 1 in schematischer Darstellung im Fahrzustand mit realisiertem reinen Verbrennungsantrieb,
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4 den Hybridantriebsstrang aus 1 in schematischer Darstellung im Fahrzustand mit einem – im Vergleich zu 3 – anders ausgestaltetem reinen Verbrennungsantrieb,
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5 den Hybridantriebsstrang aus 4 mit zusätzlich zugeschaltetem Elektroantrieb, also den Betriebszustand bzw. Fahrzustand „paralleles Fahren“, in schematischer Darstellung,
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6 im Wesentlichen den Hybridantriebsstrang aus 3 in schematischer Darstellung, wobei im Vergleich zu 3 hier nun die zweite Elektromaschine zugeschaltet ist, also der Betriebszustand „paralleles Fahren“ realisiert ist,
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7 im Wesentlichen den Hybridantriebsstrang in schematischer Darstellung aus 6, wobei allerdings nur die zweite Kopplungsvorrichtung einen anderen Schaltzustand einnimmt, also einen anderen Betriebszustand „paralleles Fahren“,
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8 einen sogenannten „seriellen Hybridbetrieb“ des Kraftfahrzeuges, nämlich den Antriebsstrang aus 1 in schematischer Darstellung, wobei zum Antrieb des Kraftfahrzeugs der Elektroantrieb über die erste Elektromaschine realisiert wird und die zweite Elektromaschine über die Verbrennungskraftmaschine als Generator betrieben wird, und
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9 einen anderen „seriellen Hybridbetrieb“ in schematischer Darstellung, wobei hier (im Unterschied zu 8) die erste Elektromaschine als Generator genutzt wird und die zweite Elektromaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges verwendet wird.
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Die 1 bis 9 zeigen – zumindest teilweise – einen Hybridantriebsstrang 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug.
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Der Antriebsstrang 1 weist eine Verbrennungskraftmaschine 2 (bzw. einen Verbrennungsmotor) und eine – erste – Elektromaschine 3 auf. Die erste Elektromaschine 3 weist einen Rotor 3a und einen Stator 3b auf, wie dies aus den 1 bis 9 und den dortigen stark schematisierten Darstellungen ersichtlich ist.
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Weiterhin ist ein – erstes – Planetenradgetriebe 4 vorgesehen, wobei das erste Planetenradgetriebe 4 im Wesentlichen zum Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 radial innen liegend vorgesehen und/oder angeordnet ist. Anders gedrückt, das erste Planetengetriebe 4 bzw. die wesentlichen Komponenten des ersten Planetenradgetriebes 4 sind insbesondere im radial inneren Bereich der ersten Elektromaschine 3 angeordnet bzw. vorgesehen.
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Wie dies aus den 1 bis 9 gut zu erkennen ist, ist das Sonnenrad 4a, das Planetenrad 4b bzw. das Hohlrad 4c des ersten Planetenradgetriebes 4 sowie auch der Planetenradträgersteg 4d des Planetenrades 4b im Wesentlichen im inneren Bereich der ersten Elektromaschine 3, insbesondere radial innen liegend zum Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 angeordnet. Zum Antrieb des Kraftfahrzeuges ist eine Hauptabtriebswelle 5 vorgesehen, die bei der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform als Differenzialabtriebswelle ausgeführt ist bzw. zumindest teilweise einen Zahnkranz 5a aufweist.
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Die Verbrennungskraftmaschine 2 und/oder die Elektromaschine 3 ist zur Übertragung eines Drehmomentes mit der Hauptabtriebswelle 5 wirksam verbindbar, insbesondere über weitere Komponenten, was im Folgenden noch ausführlich erläutert werden wird. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist eine Antriebswelle 2a auf, die im Wesentlichen mittig bzw. zentral angeordnet und/oder vorgesehen ist.
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Die eingangs genannten Nachteile sind nun im Wesentlichen zunächst dadurch vermieden, dass eine weitere einen Rotor 6a und einen Stator 6b aufweisende – zweite – Elektromaschine 6 und ein weiteres – zweites – Planetenradgetriebe 7 vorgesehen sind, wobei das weitere – zweite – Planetenradgetriebe 7 im Wesentlichen im inneren Bereich der zweiten Elektromaschine 6 radial innen liegend vorgesehen und/oder angeordnet ist, wobei eine Haupttriebwelle 8 vorgesehen und als Hohlwelle 8a ausgebildet ist, wobei die Haupttriebwelle 8 koaxial zur Antriebswelle 2a der Verbrennungskraftmaschine 2 vorgesehen und/oder angeordnet ist, und wobei die Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine 2 und von der ersten und/oder von der zweiten Elektromaschine 3 bzw. 6 zur Hauptabtriebswelle 5 über die Haupttriebwelle 8 realisierbar ist. Hierdurch werden nun bestimmte Nachteile vermieden bzw. bestimmte Vorteile erzielt, wie bereits eingangs erläutert.
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Es sind daher nunmehr zwei Elektromaschinen nämlich eine erste Elektromaschine 3 und eine zweite Elektromaschine 6 vorgesehen sowie auch ein erstes Planetenradgetriebe 4 und ein zweites Planetenradgetriebe 7 vorgesehen ist. Hierbei sind die Ausdrücke „erste bzw. erstes“ und „zweite bzw. zweites“ nicht einschränkend gemeint, hierauf darf hingewiesen werden. Beide Elektromaschinen, also die erste Elektromaschine 3 sowie die zweite Elektromaschine 6 sind insbesondere auch zum jeweiligen Antrieb des Kraftfahrzeugs, nämlich zu Realisierung eines Elektroantriebs vorgesehen, wobei diese dann ein entsprechendes Drehmoment auf die Hauptabtriebswelle 5 übertragen. Die erste und/oder zweite Elektromaschine 3 und/oder 6 sind aber auch als Generatoren einsetzbar. Die verschiedenen Betriebszustände werden im Folgenden noch näher erläutert.
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Durch die oben beschriebenen Merkmale wird zunächst erreicht, dass ein sehr kompakt bauender Hybridantriebsstrang 1 realisierbar ist, mit möglichst geringen axialen Abmessungen, wobei verschiedene Betriebszustände nun optimal realisierbar sind, insbesondere dadurch, dass zwei Elektromaschinen 3 und 6 sowie zwei Planetenradgetriebe 4 und 7 vorgesehen und ausgebildet sind.
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Das zweite Planetenradgetriebe 7 weist im Wesentlichen – ebenso wie das erste Planetenradgetriebe 4 – nun ein Sonnenrad 7a, mindestens ein Planetenrad 7b, ein Hohlrad 7c und mindestens einen Planetenträgersteg 7d auf. Vorzugsweise weisen die Planetenradgetriebe 4 bzw. 7 mehrere Planetenräder 4b bzw. 7b sowie mehrere Planetenträgerstege 4d bzw. 7d auf. Die wesentlichen Komponenten des ersten und zweiten Planetenradgetriebes 4 bzw. 7, insbesondere das jeweilige Sonnenrad 4a bzw. 7a, das mindestens eine jeweilige Planetenrad 4b bzw. 7b und das jeweilige eine Hohlrad 4c bzw. 7c des jeweiligen Planetenradgetriebes 4 bzw. 7 sind nun im Wesentlichen im Bereich zwischen den Rotoren 3a bzw. 6a der jeweiligen Elektromaschine 3 bzw. 6 und der Haupttriebwelle 8 vorgesehen und/oder angeordnet, also in dem jeweiligen radial innenliegenden Bereichen der Elektromaschinen 3 und 6 sowie aus den 1 bis 9 ersichtlich. Durch diese Anordnung der wesentlichen Komponenten des ersten und zweiten Planetenradgetriebes 4 und 7 ist eine sehr kompakte Bauform des Hybridantriebsstranges 1 erzielbar.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass zwischen der Haupttriebwelle 8 und der Antriebswelle 2a des Verbrennungsmotors 2 eine als weitere Hohlwelle 9a ausgebildete Durchtriebswelle 9 koaxial zur Antriebswelle 2a bzw. koaxial zur Haupttriebwelle 8 vorgesehen und/oder angeordnet ist.
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Wie die 1 bis 9 zeigen ist die Durchtriebswelle 9 im Wesentlichen als Hohlwelle 9a ausgebildet und im Wesentlichen zwischen der Antriebswelle 2a und der Haupttriebwelle 8 über entsprechende nicht näher bezeichnete Lager gelagert. Mit Hilfe der Durchtriebswelle 9 ist nun ein Rotor der beiden Elektromaschinen, hier insbesondere der Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 mit der Antriebswelle 2a der Verbrennungskraftmaschine 2 wirksam verbindbar (vgl. 8). Zur Realisierung der zuvor genannten Verbindung ist insbesondere eine erste Kopplungsvorrichtung 10 vorgesehen.
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Wie die 1 bis 9 zeigen ist die erste Kopplungsvorrichtung 10 am in den 1 bis 9 dargestellten linken Ende der Antriebswelle 2a bzw. am jeweiligen linken Ende der Haupttriebwelle 8 bzw. der Durchtriebswelle 9 vorgesehen und über einen Aktuator AZ entsprechend betätigbar.
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Weiterhin ist eine zweite Kopplungsvorrichtung 11 und eine dritte Kopplungsvorrichtung 12 vorgesehen. Die zweite Kopplungsvorrichtung 11 ist durch einen Aktuator A1 und die dritte Kopplungsvorrichtung 12 durch einen Aktuator A2 entsprechend betätigt. Alle drei Kopplungsvorrichtungen 10 bis 12 weisen eine jeweilige Neutralstellung und eine erste und zweite Schaltstellung (aus der jeweiligen Neutralstellung dann nach links bzw. rechts verschoben) auf. Hierdurch sind bestimmte Betriebszustände des Hybridantriebsstranges 1 realisierbar, die im Folgenden näher erläutert werden dürfen.
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Bevor die einzelnen Betriebszustände näher erläutert werden, darf noch folgendes ausgeführt werden: Wie in den 1 bis 9 dargestellt weist, die Haupttriebwelle 8 ein Ritzel 8b aufweist, das mit einem Zwischenrad 13a einer Zwischenwelle 13 in Eingriff steht. Mit Hilfe des Zwischenrades 13a bzw. der Zwischenwelle 13 ist das Drehmoment von der Haupttriebwelle 8 im Wesentlichen auf die Hauptabtriebswelle 5, insbesondere auf den Zahnkranz 5a eines als Hauptabtriebswelle 5 ausgeführten Differentialabtriebes übertragbar, so wie dies aus den 1 bis 9 ersichtlich ist. Denkbar ist, dass die Hauptabtriebswelle 5 hier auch auf eine andere Art und Weise ausgebildet ist, also nicht unbedingt mit Hilfe eines Zahnkranzes 5a als Teil einer Differentialabtriebswelle realisiert ist.
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Wie aus den 1 bis 9 ebenfalls ersichtlich ist, ist das Sonnenrad 4a des ersten Planetenradgetriebes 4 als ein „Festrad“ der Haupttriebwelle 8 ausgebildet, wobei über die zweite Kopplungsvorrichtung 11 der Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 wirksam mit dem Sonnenrad 4a oder mit einem Planetenträgersteg 4d des Planetenrades 4b des ersten Planetenradgetriebes 4 verbindbar ist. Weiterhin ist das Sonnenrad 7a des zweiten Planetenradgetriebes 7 als ein Losrad der Haupttriebwelle 8 ausgebildet, wobei über die dritte Kopplungsvorrichtung 12 der Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 wirksam mit dem Sonnenrad 7a oder mit einem Planetenträgersteg 7d des Planetenrades 7b des zweiten Planetenradgetriebes 7 verbindbar ist. Hierbei ist insbesondere der Planetenträgersteg 7d mit einem Ende drehfest mit der Haupttriebwelle 8 verbunden. Aufgrund dieser Ausbildung bzw. Anordnung der wesentlichen Komponenten der jeweiligen Planetenradgetriebe 4 bzw. 7 können nun bestimmte Betriebszustände bzw. Fahrzustände auf einfache Weise realisiert werden.
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Weiterhin ist mit Hilfe der ersten Kopplungsvorrichtung 10 die Antriebswelle 2a der Verbrennungskraftmaschine mit dem Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 oder mit der Durchtriebswelle 9 wirksam verbindbar. Die erste Kopplungsvorrichtung 10 in eine Neutralstellung verbringbar, insbesondere zur Realisierung anderer Betriebszustände des Hybridantriebsstranges 1. An dieser Stelle darf darauf hingewiesen werden, dass die Rotoren 3a und 6a (Rotorwellen) der ersten und zweiten Elektromaschine 3 und 6 radial nach innen verlaufende Stege 3c bzw. 6c aufweisen. Hierbei ist der Steg 3c über die erste und zweite Kopplungsvorrichtung 10 und 11 mit den jeweiligen Komponenten wirksam koppelbar bzw. der Steg 6c über die dritte Kopplungsvorrichtung 12 mit den jeweiligen Komponenten wirksam koppelbar bzw. ist mit der Durchtriebswelle 9 bereits fest verbunden.
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Die verschiedenen Betriebszustände, insbesondere die bevorzugten Betriebszustände/Fahrzustände des Hybridantriebsstranges 1 dürfen nun in dem Folgenden anhand der 2 bis 9 näher erläutert werden, wobei die jeweiligen Kraftflüsse bzw. Übertragungen der jeweiligen Drehmomente über die durchgezogenen dickeren Linien/Momentenflüsse, die in den 2 bis 9 durch entsprechende verstärkte Linien dargestellt sind, ersichtlich sind:
So zeigt die 2 einen mit Hilfe der ersten und der zweiten Elektromaschine 3 und 6 realisierten reinen Elektroantrieb des Kraftfahrzeuges, wobei in den 3 und 4 ein mit Hilfe der Verbrennungskraftmaschine 2 realisierter reiner Verbrennungsantrieb zum Antrieb des Kraftfahrzeuges dargestellt ist.
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Aus 2 ist deutlich ersichtlich, dass die erste Kopplungsvorrichtung 10 in ihrer Neutralstellung, die zweite Kopplungsvorrichtung 11 in ihrer rechten Schaltstellung und die dritte Kopplungsvorrichtung 12 in ihrer linken Schaltstellung steht. Hierdurch kann ein reiner Elektroantrieb das Kraftfahrzeug über den Hybridantriebsstrang 1 realisiert werden, nämlich über den Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 über die entsprechend geschlossene zweite Kopplungsvorrichtung 11, die den Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 mit dem Sonnenrad 4a des ersten Planetenradgetriebes 4 wirksam verbindet, wobei das Sonnenrad 4a dann die Haupttriebwelle 8 bzw. das Ritzel 8b entsprechend antreibt. Für den in 2 gezeigten bevorzugten Anwendungsfall wird der Elektroantrieb auch mit Hilfe der zweiten Elektromaschine 6 realisiert, denn hier ist die dritte Kopplungsvorrichtung 12 in ihrer linken Schaltstellung und koppelt wirksam den Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 mit dem Sonnenrad 7a des zweiten Planetenradgetriebes 7. Das Sonnenrad 7a überträgt das Drehmoment auf das Planetenrad 7b und von hier aus über den Planetenradträgersteg 7d auf die Haupttriebwelle 8 und das dortige Ritzel 8b. Von dem Ritzel 8b erfolgt die Drehmomentübertragung über das Zwischenrad 13a bzw. über die Zwischenwelle 13 auf die Hauptabtriebswelle 5 bzw. den dortigen Zahnkranz 5a des entsprechenden Differentials. Der Betriebszustand, der hier in 2 gezeigt ist, ist ein reiner Elektroantrieb, bevorzugt realisiert durch den Einsatz beider Elektromaschinen 3 und 6.
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Die 3 und 4 zeigen nun einen reinen Verbrennungsbetrieb zum Antrieb des Kraftfahrzeuges.
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3 zeigt den Antrieb des Kraftfahrzeuges über die Antriebswelle 2a der Verbrennungskraftmaschine 2, wobei hier die erste Kopplungsvorrichtung 10 in ihrer linken Schaltstellung und die zweite Kopplungsvorrichtung 11 auch in ihrer linken Schaltstellung steht. Der Kraftfluss geht hier dann über die Antriebswelle 2a über die erste Kopplungsvorrichtung 10 über den Planetenradträgersteg 4d bzw. das Planetenrad 4b auf das Sonnenrad 4a und von hier aus über die Haupttriebwelle 8 bzw. über das Ritzel 8b und dann über das Zwischenrad 13a bzw. über die Zwischenwelle 13 auf die Hauptabtriebswelle 5 bzw. den Zahnkranz 5a des Differentials. Der in 3 dargestellte Betriebszustand wird insbesondere als reiner Verbrennungsantrieb für eine maximale Geschwindigkeit (Vmax bei Verbrennungsantrieb) des Kraftfahrzeuges realisiert.
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Hingegen zeigt 4, zwar nun auch zunächst einen reinen Verbrennungsbetrieb zum Antrieb des Kraftfahrzeuges, (wie 3), aber es ist ein anderer Kraftfluss/Drehmomentenfluss realisiert. Die erste Kopplungsvorrichtung 10 ist in ihrer rechten Schaltstellung und koppelt daher die Antriebswelle 2a wirksam mit der Durchtriebswelle 9. Von der Durchtriebswelle 9 wird über die in der rechten Schaltstellung sich befindende dritte Kopplungsvorrichtung 12 der Kraftfluss dann realisiert von der Durchtriebswelle 9 über den Planetenradträgersteg 7d bzw. das Planetenrad 7b auf die Haupttriebwelle 8 bzw. auf das Ritzel 8b und von hier aus wiederum über die Zwischenwelle 13 bzw. über das Zwischenrad 13a auf die Hauptabtriebswelle 5, wie bereits oben erläutert. Dieser in 4 dargestellte Betriebszustand wird insbesondere für durchschnittliche Geschwindigkeiten eines Kraftfahrzeuges bei einem Verbrennungsantrieb realisiert.
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Die 5 bis 7 zeigen insbesondere ein „paralleles Fahren“ bzw. einen „parallelen Antrieb“ des Kraftfahrzeuges, nämlich die Anwendung des Elektroantriebes und des Verbrennungsantriebes zumindest zeitweise zeitgleich. Dies ist gut ersichtlich aus den in den 5 bis 7 realisierten bzw. hier dargestellten jeweiligen Kraftflüssen.
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So zeigt die 5 eine sich in der rechten Schaltstellung befindende erste Kopplungsvorrichtung 10 und eine sich in der rechten Schaltstellung befindende dritte Kopplungsvorrichtung 12 und den von der Verbrennungskraftmaschine 2 realisierten Kraftfluss, so wie im Wesentlichen bereits zu 4 beschrieben, nämlich von der Antriebswelle 2a über die Durchtriebswelle 9 über das Planetenrad 7b bzw. den Planetenradträgersteg 7d auf das Ritzel 8b der Haupttriebswelle 8 bis hin zur Hauptabtriebswelle 5 über die Zwischenwelle 13. Zusätzlich in 5 wird nun auch der Elektroantrieb genutzt, nämlich mit Hilfe der ersten Elektromaschine 3. Die in der rechten Schaltstellung sich befindende zweite Kopplungsvorrichtung 11 koppelt den Rotor 3a der ersten Elektromaschine 3 mit dem Losrad 4a des ersten Planetenradgetriebes 4, wodurch ein Kraftfluss auf die Haupttriebwelle 8 bzw. das Ritzel 8b und dann über die Zwischenwelle 13 ebenfalls auf die Hauptabtriebswelle 5 realisiert wird.
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Das sogenannte „parallele Verfahren“ bzw. den Betriebszustand des „parallelen Fahrens“ zeigt ebenfalls nun auch die 6. Der in 6 dargestellte Betriebszustand wird insbesondere bei einer Höchstgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges für das parallele Fahren realisiert. Die erste Kopplungsvorrichtung 10 ist in ihrer linken Schaltstellung, die zweite Kopplungsvorrichtung 11 ebenfalls in ihrer linken Schaltstellung und die dritte Kopplungsvorrichtung 12 in ihrer rechten Schaltstellung. Dadurch wird der Kraftfluss des Verbrennungsantriebes realisiert über die Verbrennungskraftmaschine 2 bzw. die Antriebswelle 2a, teilweise über den Steg 3c (wie auch in 3 und 7) bis zum Planetenträgersteg 4d und von hier aus über das Planetenrad 4b und das Sonnenrad 4a auf die Haupttriebwelle 8 bzw. das Ritzel 8b usw. Der elektrische Antrieb wird durch die zweite Elektromaschine 6 realisiert, nämlich der entsprechende Kraftfluss über den dortigen Rotor 6a, über die dritte Kopplungsvorrichtung 12 auf das Planetenrad 7b und über den Planetenradträgersteg 7d auf die Haupttriebwelle 8 bzw. auf das Ritzel 8b usw. Vom Ritzel 8b wird dann der jeweilige Kraftfluss wiederum über die Zwischenwelle 13 bzw. über das Zwischenrad 13a auf die Hauptabtriebswelle 5 realisiert, wie bereits mehrfach beschrieben.
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Schließlich zeigt die 7 im Wesentlichen insbesondere auch einen Betriebszustand des „parallelen Fahrens“, allerdings bei einer geringeren Geschwindigkeit für das Kraftfahrzeug als bei 6. Die erste Kopplungsvorrichtung 10 befindet sich in ihrer linken Schaltstellung, die zweite Kopplungsvorrichtung 11 in ihrer rechten Schaltstellung und die dritte Kopplungsvorrichtung 12 in ihrer linken Schaltstellung. Der Verbrennungsantrieb bzw. Kraftfluss erfolgt daher dann über die Antriebswelle 2a, über teilweise den Steg 3c auf das Sonnenrad 4a bis zur Haupttriebwelle 8 bzw. bis zum Ritzel 8b. Der elektrische Antrieb bzw. Kraftfluss erfolgt über die zweite Elektromaschine 6, hier über den Rotor 6a bzw. den Steg 6c, über die dritte Kopplungsvorrichtung 12 auf das Sonnenrad 7a, von hier aus auf das Planetenrad 7b und über den Planetenradträgersteg 7d auf die Haupttriebwelle 8 bzw. auf das Ritzel 8b. Über das Ritzel 8b ist dann der jeweilige Kraftfluss zur Übertragung des gesamten Drehmomentes über die Zwischenwelle 13 bzw. über das Zwischenrad 13a auf die Hauptabtriebswelle 5 entsprechend realisiert.
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Schließlich zeigen die 8 und 9 den sogenannten „seriellen Hybridantrieb“ eines Kraftfahrzeuges bzw. die entsprechende Realisierung des „seriellen Hybridantriebs“ mit dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang 1. Hierbei wird insbesondere eine der beiden Elektromaschinen 3 bzw. 6 zum Elektroantrieb des Kraftfahrzeuges und die andere als Generator verwendet bzw. eingesetzt, wobei die als Generator eingesetzte Elektromaschine, insbesondere dann von der Verbrennungskraftmaschine 2 entsprechend angetrieben wird.
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In 8 ist die zweite Kopplungsvorrichtung 11 in ihrer linken Schaltstellung, daher treibt die erste Elektromaschine 3 über den Rotor 3a bzw. den Steg 3c, dann den Planetenradträgersteg 4d, das Planetenrad 4b und das Sonnenrad 4a an. Von Sonnenrad 4a geht der Kraftfluss dann auf die Haupttriebwelle 8 bzw. auf das Ritzel 8b. Die erste Elektromaschine 3 wird daher zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt. In 8 wird die zweite Elektromaschine 6 nun als Generator eingesetzt wird, nämlich über die in der rechten Schaltstellung sich befindende erste Kopplungsvorrichtung 10, wird die zweite Elektromaschine 6 bzw. der Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 angetrieben, nämlich von der Antriebswelle 2a der Verbrennungskraftmaschine 2, wobei der Kraftfluss von der Antriebswelle 2a auf die Durchtriebswelle 9, insbesondere von hier aus direkt über den Steg 6c auf den Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 geht, da die dritte Kopplungsvorrichtung 12 sich in ihrer Neutralstellung befindet.
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Schließlich zeigt die 9 den Einsatz der ersten Elektromaschine 3 als Generator, hier wird nämlich von der Verbrennungskraftmaschine 2 über die Antriebswelle 2a bei sich in der linken Schaltstellung befindender erster Kopplungsvorrichtung 10 der Rotor 3a über den Steg 3c angetrieben. Der Elektroantrieb des Kraftfahrzeuges erfolgt über die zweite Elektromaschine 6, nämlich bei sich in linker Schaltstellung befindender dritter Kopplungsvorrichtung 12 ist der Rotor 6a der zweiten Elektromaschine 6 über den Steg 6c wirksam gekoppelt mit dem Sonnenrad 7a über das Planetenrad 7b wird dann über den Planetenradträgersteg 7d der Kraftfluss auf die Haupttriebwelle 8 bzw. auf das Ritzel 8b und von hier aus über die Zwischenwelle 13 bzw. über das Zwischenrad 13a auf die Hauptabtriebswelle 5 realisiert.
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Im Ergebnis können mit dem in den 1 bis 9 dargestellten Hybridantriebsstrang 1 verschiedene spezifische Betriebszustände/Fahrzustände in optimaler Weise realisiert werden, wobei die eingangs genannten Vorteile erzielt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridantriebsstrang
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 2a
- Antriebswelle
- 3
- erste Elektromaschine
- 3a
- Rotor
- 3b
- Stator
- 3c
- Steg
- 4
- erstes Planetenradgetriebe
- 4a
- Sonnenrad
- 4b
- Planetenrad
- 4c
- Hohlrad
- 4d
- Planetenträgersteg
- 5
- Hauptabtriebswelle
- 5a
- Zahnkranz
- 6
- zweite Elektromaschine
- 6a
- Rotor
- 6b
- Stator
- 6c
- Steg
- 7
- zweites Planetenradgetriebe
- 7a
- Sonnenrad
- 7b
- Planetenrad
- 7c
- Hohlrad
- 7d
- Planetenträgersteg
- 8
- Haupttriebwelle
- 8a
- Hohlwelle
- 8b
- Ritzel
- 9
- Durchtriebswelle
- 9a
- Hohlwelle
- 10
- erste Kopplungsvorrichtung
- 11
- zweite Kopplungsvorrichtung
- 12
- dritte Kopplungsvorrichtung
- 13
- Zwischenwelle
- 13a
- Zwischenrad
- AZ
- Aktuator
- A1
- Aktuator
- A2
- Aktuator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012016988 A1 [0003, 0006]
- DE 102011115078 A1 [0004]
- DE 10052393 A1 [0005]
