DE102016212993A1

DE102016212993A1 - Hybridmodul, Antriebsstrang sowie Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102016212993A1
Application number: DE102016212993.7A
Authority: DE
Inventors: Götz Rathke; Marco Grethel; Markus Baehr; Dominik Herkommer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridmodul (10), umfassend ein Doppelkupplungsgetriebe (50) mit einer einer ersten Kupplung (60) zugeordneten ersten Welle (62) und einer einer zweiten Kupplung (70) zugeordneten zweiten Welle (72), eine elektrische Maschine (40) sowie eine erste Kopplungseinrichtung (20) sowie eine zweite Kopplungseinrichtung (30), die zur trennbaren Übertragung eines Drehmomentes auf das Hybridmodul (10) eingerichtet sind, wobei ein jeweiliges antriebseitiges Modul (21, 31) der beiden Kopplungseinrichtungen (20, 30) drehfest mit einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar oder verbunden ist, und ein abtriebseitiges (22) Modul der ersten Kopplungseinrichtung (20) drehfest mit einem Rotor (41) der elektrischen Maschine (40) verbunden ist, der wiederum an das Doppelkupplungsgetriebe (50) gekoppelt ist, und ein abtriebseitiges Modul (32) der zweiten Kopplungseinrichtung (30) drehfest mit der zweiten Welle (72) des Doppelkupplungsgetriebes (50) verbunden ist, so dass ein von einer Verbrennungskraftmaschine aufgebrachtes Drehmoment über die erste Kopplungseinrichtung (20) auf das Doppelkupplungsgetriebe (50) leitbar ist, und ein von der elektrischen Maschine (40) erzeugtes Drehmoment über das Doppelkupplungsgetriebe (50) sowie über die zweite Kopplungseinrichtung (30) dem Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridmodul für einen Antriebsstrang, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung den Antriebsstrang mit dem erfindungsgemäßen Hybridmodul sowie ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs.
Durch die zunehmende Notwendigkeit der Einsparung fossiler Ressourcen sowie der Minderung von Abgasen steigt die Nachfrage nach Kraftfahrzeugen, bei denen der Betrieb eines Verbrennungsmotors mit dem Betrieb einer elektrischen Maschine kombinierbar ist. Zu diesem Zweck werden Hybridmodule benötigt, die die Ankopplung einer Brennkraftmaschine an ein Getriebe sowie damit kombinierbar den Betrieb einer elektrischen Maschine ermöglichen. Moderne Kraftfahrzeuge verfügen außerdem über ein Doppelkupplungsgetriebe, mit welchem Schaltvorgänge effizienter durchführbar sind.
Zurzeit erhältliche Hybridmodule, die durch Ankopplung eines Verbrennungsmotors an einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs einen Elektromotorbetrieb mit einem Verbrennungsmotorbetrieb kombinieren können, bestehen meist aus einem Elektromotor, einer Trennkupplung, deren Betätigungssystem, Lager und Gehäusekomponenten, die die drei Hauptkomponenten zu einer funktionstüchtigen Einheit verbinden. Der Elektromotor ermöglicht das elektrische Fahren, Leistungszuwachs zum Verbrennungsmotorbetrieb und Rekuperieren. Die Trennkupplung und deren Betätigungssystem sorgen für das Ankuppeln oder Abkuppeln des Verbrennungsmotors.
Bei Fahrzeugen mit Doppelkupplungsgetriebe und Hybridantrieb kommen üblicherweise drei Reibkupplungen zum Einsatz, nämlich eine erste Reibkupplung zum Verbinden und Trennen eines Verbrennungsmotors und eines Antriebsstrangs sowie der elektrischen Maschine, und die beiden den jeweiligen Teilgetrieben des Doppelkupplungsgetriebes zugeordneten einzelnen Reibkupplungen.
Der WO 2008/ 052 909 A1 ist ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug entnehmbar, der einen Verbrennungsmotor mit einer elektrischen Maschine mechanisch verbindet. Dabei ist eine Klauenkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angeordnet.
Die DE 10 2009 002 805 A1 offenbart einen Parallel-Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge mit einem im Antriebsstrang angeordneten Fahrzeuggetriebe sowie einer mit einer Getriebeeingangswelle antriebsverbundenen Elektromaschine. Dabei werden vier Kupplungen verwendet, von denen zwei als Reibkupplungen Bestandteile des Doppelkupplungsgetriebes sind, sowie eine zusätzliche Reibkupplung und ein Freilauf. Die extra angeordnete Reibungskupplung und der Freilauf wirken direkt auf die elektrische Maschine.
Den in den beiden genannten Dokumenten dargestellten Antriebseinheiten ist gemeinsam, dass diese eine Klauenkupplung sowie auch Reibungskupplungen verwenden. In beiden Ausführungsformen ist es nötig, bei rein elektrischem Fahrbetrieb und der Absicht, in diesem Fahrbetrieb die Verbrennungsmaschine zu starten, den Start der Verbrennungsmaschine mittels eines extra angeordneten elektrischen Starters zu realisieren, wobei die Klauenkupplung die Verbindung zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und der Verbrennungskraftmaschine öffnet. Zur Reduzierung des benötigten Bauraums des Hybridmoduls, insbesondere der axialen Länge und möglichst auch der zur Herstellung des Hybridmoduls aufzuwendenden Kosten ist es erstrebenswert, weniger Reibungskupplungen einzusetzen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass auch eine geringere Anzahl von Betätigungseinrichtungen im Hybridmodul vorzusehen ist, was sich ebenfalls in reduzierender Weise auf den Bauraum sowie die Herstellungskosten auswirkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Hybridmodul sowie einen damit ausgerüsteten Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben dieses Antriebsstrangs zur Verfügung zu stellen, mit denen in einem geringen Bauraum, insbesondere mit einer geringen axialen Länge, und unter vertretbaren Herstellungskosten ein sicherer Betrieb des Antriebsstrangs und insbesondere ein zuverlässiges Starten einer Verbrennungskraftmaschine aus einem rein elektrischen Betrieb des Hybridmoduls heraus möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Hybridmodul nach Anspruch 1 und durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang nach Anspruch 8 gelöst. Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem das Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs nach Anspruch 9 zur Verfügung gestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hybridmoduls sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Antriebsstrangs ist in Unteranspruchs 10 angegeben.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Das erfindungsgemäße Hybridmodul umfasst ein Doppelkupplungsgetriebe mit einer einer ersten Kupplung zugeordneten ersten Welle und einer einer zweiten Kupplung zugeordneten zweiten Welle, eine elektrische Maschine sowie eine erste Kopplungseinrichtung und eine zweite Kopplungseinrichtung, die zur trennbaren Übertragung eines Drehmoments, insbesondere eines Drehmoments einer Verbrennungskraftmaschine, auf das Hybridmodul eingerichtet sind. Dabei ist ein jeweiliges antriebsseitiges Modul der beiden Kopplungseinrichtungen drehfest mit einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar oder verbunden. Ein abtriebsseitiges Modul der ersten Kopplungseinrichtung ist drehfest mit einem Rotor der elektrischen Maschine verbunden. Dieser Rotor ist wiederum an das Doppelkupplungsgetriebe gekoppelt. Ein abtriebsseitiges Modul der zweiten Kopplungseinrichtung ist drehfest mit der zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes verbunden, sodass ein von einer Verbrennungskraftmaschine aufgebrachtes Drehmoment über die erste Kopplungseinrichtung auf das Doppelkupplungsgetriebe leitbar ist und ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment über das Doppelkupplungsgetriebe sowie über die zweite Kopplungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine zuleitbar ist, sodass diese unter Nutzung des Drehmoments startbar ist.
Der Rotor der elektrischen Maschine ist über die beiden Kupplungen des Doppelkupplungsgetriebes mit dessen beiden Wellen verbindbar oder verbunden.
Eine jeweilige Kopplungseinrichtung ist hierbei als eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung ausgestaltet, die zur Übertragung des Drehmoments schließbar ist und zur Unterbrechung des Drehmoment-Flusses öffenbar ist. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das abtriebseitige Modul der zweiten Kopplungseinrichtung drehfest und dabei unmittelbar bzw. direkt mit der zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes verbunden ist, das heißt, ohne eine Zwischenschaltung einer weiteren Kupplung.
Zur Erläuterung der Erfindung ist anzumerken, dass die Bezeichnungen der ersten Welle und der zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes dabei nicht auf bestimmte Zuordnungen zu Gängen des Doppelkupplungsgetriebes eingeschränkt sind.
Das erfindungsgemäße Hybridmodul kann dabei derart ausgeführt sein, dass wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen eine Klauenkupplung ist, sodass das jeweilige antriebsseitige Modul der jeweiligen Kopplungseinrichtung eine erste Seite der Klauenkupplung ist und das jeweilige abtriebseitige Modul der Kopplungseinrichtung eine zweite Seite der Klauenkupplung ist. In anderen Ausgestaltungsvarianten der Kopplungseinrichtungen können diese auch als Klauenkupplungen mit Freilauf bzw. schaltbarem Freilauf ausgestaltet sein.
In der Ausführung mit Klauenkupplungen können beide verwendete Kopplungseinrichtungen ein gemeinsames antriebsseitiges Modul aufweisen. Ein solches gemeinsames antriebseitiges Modul kann zum Beispiel eine beidseitig wirkende Schiebemuffe sein.
Außerdem kann zur weiteren Minimierung des benötigten Bauraums des Hybridmoduls vorgesehen sein, dass ein Betätigungselement zu Betätigung wenigstens einer der Kopplungseinrichtungen mit einem Aktor des Doppelkupplungsgetriebes mechanisch oder hydraulisch verbunden ist. So kann zum Beispiel mit einer als Betätigungselement ausgestalteten Schiebemuffe eine Betätigungsstange in mechanischer Wirkverbindung stehen. Diese Betätigungsstange kann zum Beispiel eine Zug- oder Schubstange sein, die mit Getriebeaktorik in Verbindung steht.
Die Betätigungsstange kann durch einen Zugang im Inneren des Getriebes über eine Schaltschiene mit Schaltgabel bewegt werden. Dadurch werden Kosten sowie Bauraum zur Anordnung einer Betätigungseinrichtung für eine Kopplungseinrichtung eingespart.
Vorzugsweise wird dadurch ein Hybridmodul derart kurzer axialer Länge zur Verfügung gestellt, welches weitestgehend oder sogar vollständig in dem von einem Starter der elektrischen Maschine umschlossenen Raum unterbringbar ist.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Hybridmoduls ist vorgesehen, dass wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen eine Sperrsynchronisationseinrichtung ist.
Eine solche Sperrsynchronisationseinrichtung wird auch als Schiebemuffeneinheit bezeichnet. Eine Schiebemuffe wird hier mit einem Synchronisationsring in Wirkverbindung gebracht. Ein solcher Synchronisationsring ist mit einer konusförmigen Reibfläche ausgestattet, auf die bei Verschiebung der Schiebemuffe erhöhte Reibkräfte wirken, so dass es zu einer zunächst rutschenden Mitnahme Synchronisationsring kommt, bis die Drehzahlen von An- und Abtrieb aneinander angeglichen sind. Nach erfolgter Angleichung der Drehzahlen werden Verzahnungen miteinander in Eingriff gebracht, sodass Drehmomente bzw. Drehzahlen übertragen werden können. Eine solche Sperrsynchronisationseinrichtung ist somit ebenfalls öffenbar und schließbar und erfüllt demzufolge die Funktion einer Kupplung hinsichtlich der unterbrechenbaren Übertragung von Drehmomenten und Drehzahlen.
In der Ausgestaltung mit wenigstens einer Kopplungseinrichtung als Sperrsynchronisationseinrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Hybridmodul weiterhin ein Zweimassenschwungrad mit einer Primärseite und einer Sekundärseite aufweist und zumindest ein Übertragungselement der Sperrsynchronisationseinrichtung derart axial verschiebbar ist, dass mit ihm die Sekundärseite in Bezug zur Primärseite rotatorisch fixierbar ist. Dadurch lässt sich eine Relativbewegung der Sekundärseite in Bezug zur Primärseite, die einer Drehzahlangleichung dienen soll, blockieren. Dies lässt sich insbesondere durch die Betätigung eines mit der Sperrsynchronisationseinrichtung verbundenen Schaltelements realisieren. Durch eine Blockierung einer Relativbewegung zwischen Sekundärseite und Primärseite wird erreicht, dass ein kritischer Eigenfrequenzbereich des Zweimassenschwungrades stark verringert wird und demzufolge beim Starten des Verbrennungsmotors aus dem Betrieb der elektrischen Maschine mehr Möglichkeiten hinsichtlich der gefahrenen Drehzahlen bestehen. In entsprechender Weise kann dann auch das Zweimassenschwungrad ausgelegt werden.
Um sicherzustellen, dass die Übertragung des Drehmoments nur entlang eines bestimmten Drehmoment-Pfades erfolgt. ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Schiebemuffenverzahnung und eine rotorseitige Verzahnung eines mit dem Rotor verbundenen Verbindungsteils der Sperrsynchronisationseinrichtung derart ausgestaltet sind, dass ihr gegenseitiger Eingriff bei Übertragung eines Drehmoments von der Schiebemuffenverzahnung auf die rotorseitige Verzahnung formschlüssig stabilisiert ist, und bei Übertragung eines Drehmoments von der rotorseitigen Verzahnung auf die Schiebemuffenverzahnung ihr gegenseitiger Eingriff formschlüssig verhindert ist. Die Schiebemuffe ist dabei axial verschiebbar, um ihre Verzahnung mit der rotorseitigen Verzahnung in Eingriff bringen zu können und somit auf die rotorseitige Verzahnung ein Drehmoment aufbringen zu können. Die erfindungsgemäß realisierte formschlüssige Stabilisierung erfolgt durch einen schrägen Verlauf der Zahnflanken der Schiebemuffenverzahnung und der rotorseitigen Verzahnung derart, dass bei Übertragung eines Drehmoments von der Schiebemuffenverzahnung auf die rotorseitige Verzahnung beide Verzahnungen durch herrschende Kraftkomponenten in Richtung auf die jeweils andere Verzahnung bzw. das die jeweils andere Verzahnung tragende Bauteil bewegt werden. Damit ist sichergestellt, dass sich die Verzahnungen nicht voneinander durch axiales Verschieben insbesondere der Schiebemuffe lösen, und somit ein Drehmoment von der Schiebemuffe sicher auf den Rotor der elektrischen Maschine übertragen werden kann.
Sollten sich die Drehzahlen derart ändern, dass die rotorseitige Verzahnung gegen die Schiebemuffenverzahnung drückt, so werden beide Verzahnungen durch herrschende Kraftkomponenten voneinander wegbewegt, sodass sie außer Eingriff gelangen.
Damit ist sichergestellt, dass keine Drehmoment-Übertragung von der rotorseitigen Verzahnung auf die Schiebemuffenverzahnung erfolgen kann.
Zwischen der Schiebemuffe und einer wellenseitigen Verzahnung eines mit einer zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes verbundenen Übertragungselementes kann dieses Wirkprinzip umgekehrt realisiert sein, sodass gewährleistet ist, dass eine Drehmoment-Übertragung von der wellenseitigen Verzahnung auf die Schiebemuffenverzahnung erfolgen kann und dass kein Drehmoment von der Schiebemuffe auf die zweite Welle des Doppelkupplungsgetriebes übertragen werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem erfindungsgemäßen Hybridmodul zur Verfügung gestellt. Das Hybridmodul ist mit der Verbrennungskraftmaschine mechanisch über die erste Kopplungseinrichtung sowie die zweite Kopplungseinrichtung verbunden.
Ein derartiger Antriebsstrang ist aufgrund des geringen Bauraums und insbesondere der geringen axialen Länge des Hybridmoduls ebenfalls mit einem relativ geringen Bauraum bzw. einer geringen axialen Länge ausführbar.
Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einer Verbrennungskraftmaschine und/ oder einer elektrischen Maschine bereitgestelltes und über ihre Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher zuschaltbar und abschaltbar zu übertragen. Ein Verbraucher ist zum Beispiel ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs oder ein elektrischer Generator zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das Antriebsrad bildet dann das Antriebsaggregat, wobei dessen Trägheitsenergie mittels der Reibkupplung auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, übertragbar ist. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsaggregaten vorgesehen, welche mittels der Reibkupplung in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden kann.
Weiterhin wird zur Lösung der oben genannten Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs zur Verfügung gestellt, bei dem die Verbrennungskraftmaschine bei elektrischem Betrieb des Antriebsstranges folgendermaßen gestartet wird:
Die erste Kopplungseinrichtung sowie die zweite Kopplungseinrichtung werden geöffnet oder sind bereits geöffnet.
Die erste Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes wird geschlossen, und die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes wird geöffnet.
Die Gänge, die der zweiten Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes zugeordnet sind, werden ausgelegt.
Die zweite Kopplungseinrichtung wird geschlossen.
Die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes wird geschlossen.
Dadurch wird ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment über die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes sowie über die zweite Kopplungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine für ihren Start zugeführt.
Demzufolge ist es nicht mehr notwendig, die Verbrennungskraftmaschine mittels eines extra dafür vorgesehenen elektrischen Starters zu starten. Dies ist auch ohne Einsatz einer zusätzlichen Reibkupplung realisierbar.
Zwecks Start der Verbrennungskraftmaschine bei Fahrt mit rein elektrischem Antrieb muss demnach zunächst auf einen der ersten Welle zugeordneten Gang geschaltet werden. Danach wird durch Synchronisieren und Einlegen der Verbindung zwischen Verbrennungskraftmaschine und der zweiten Welle die Rotation der zweiten Welle gestoppt. Durch das Schließen der zweiten Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes kann nun ein Anlass-Drehmoment auf die Verbrennungskraftmaschine ausgeübt werden. Vorzugsweise ist dabei das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment der benötigten Leistung anzupassen, um eine negative Beschleunigung des Fahrzeugs zu vermeiden. Nachdem die Verbrennungskraftmaschine die Leerlaufdrehzahl überschritten hat und autark läuft, kann die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes geöffnet werden und die Kopplungseinrichtung zwischen Verbrennungskraftmaschine und der zweiten Welle gelöst werden. Nach Erreichen der Drehzahl der elektrischen Maschine durch die Verbrennungskraftmaschine kann die Kopplungseinrichtung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine wieder geschlossen werden. Der Komfort dieses Vorgangs kann erhöht werden, wenn zum Starten und Ankoppeln der Verbrennungskraftmaschine die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes in Schlupf gebracht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Antriebsstrangs ist vorgesehen, dass wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen als eine Sperrsynchronisationseinrichtung ausgebildet ist und das Hybridmodul des Antriebsstrangs ein Zweimassenschwungrad mit einer Primärseite und einer Sekundärseite aufweist. Es wird zumindest ein Element der Sperrsynchronisationseinrichtung derart axial verschoben, dass mit ihm die Sekundärseite des Zweimassenschwungrades in Bezug zu dessen Primärseite rotatorisch fixiert wird. Dadurch ergibt sich die bereits beschriebene Blockade des Zweimassenschwungrads und die Reduktion des kritischen Eigenfrequenzbereichs insbesondere beim Anfahren der Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine.
Insgesamt lässt sich somit ein Hybridmodul sowie ein Antriebsstrang zur Verfügung stellen, die nicht auf eine weitere Reibkupplung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine angewiesen sind, sondern stattdessen eine kostengünstigere sowie bauraumsparende formschlüssige Kupplung in Form einer Klauenkupplung, einer Klauenkupplung mit Synchroneinheit oder eines schaltbaren Freilaufs nutzen.
Eine derartige Kopplungseinrichtung als Verbindungselement zwischen einem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine kann auch als bidirektional schaltbarer Freilauf ausgestaltet sein.
Diese Kopplungseinrichtung ist beim rein elektrischen Fahren geöffnet und beim Fahren mittels der Verbrennungskraftmaschine geschlossen. Die Kopplungseinrichtung sollte dabei derart ausgestaltet sein, dass sie ein Drehmoment in beide Richtungen übertragen kann, um einen sogenannten Zugbetrieb, der durch den Antrieb mittels Verbrennungsmotor realisiert ist, und einen sogenannten Schubbetrieb, bei dem ein Drehmoment auf den Verbrennungsmotor übertragen wird, wie zum Beispiel bei längeren Bergabfahrten, auszuführen.
Des Weiteren ist eine Kopplungseinrichtung zwischen dem Verbrennungsmotor und der zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes angeordnet, welche zum Starten des Verbrennungsmotors während der Fahrt dient. Vorzugsweise ist diese Kopplungseinrichtung eine Klauenkupplung mit Synchroneinheit, da hier die Drehzahlen der Wellen des Doppelkupplungsgetriebes beim Einlegen der entsprechenden Gänge synchronisiert werden sollten.
Demzufolge werden für die Kopplungseinrichtungen nur drei Zustände realisiert, nämlich indem beide Kopplungseinrichtungen geöffnet sind oder indem nur die Kopplungseinrichtung zwischen Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine geschlossen ist oder nur die Kopplungseinrichtung zwischen Verbrennungskraftmaschine und der zweiten Welle des Doppelkupplungsgetriebes geschlossen ist.
Neben dem bereits beschriebenen Starten der Verbrennungsmaschine über die zweite Welle des Doppelkupplungsgetriebes ist es auch möglich, die Verbrennungskraftmaschine im Stillstand des Fahrzeugs beziehungsweise beim sogenannten „Segeln“, bei dem der Antriebsstrang offen ist, direkt über die Kopplungseinrichtung zwischen Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine zu starten.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maß eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
1: ein erfindungsgemäßes Hybridmodul in schematischer Darstellung,
2: einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Hybridmodul mit einer doppelt wirkenden Klauenkupplung,
3: einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Hybridmodul mit einer einfach wirkenden Klauenkupplung sowie einem Freilauf,
4: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls,
5: den in 4 dargestellten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung,
6: Diagramme zu Betriebszuständen unterschiedlicher Elemente des Hybridmoduls beim Starten einer Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine,
7: Abwicklungen von Verzahnungen einer Sperrsynchronisationseinrichtung im nicht eingreifenden Zustand sowie im eingreifenden Zustand.
In 1 ist der generelle Aufbau eines erfindungsgemäßen Hybridmoduls und des dieses Hybridmodul umfassenden Antriebsstrangs dargestellt. Das Hybridmodul 10 umfasst einen Dämpfer 11, der auch als Zweimassenschwungrad ausgestaltet sein kann. Die Abtriebsseite des Dämpfers 11 ist mit einem antriebsseitigen Modul 21 der ersten Kopplungseinrichtung 20 mechanisch verbunden. Des Weiteren ist die Abtriebsseite des Dämpfers 11 mit einem antriebsseitigen Modul 31 der zweiten Kopplungseinrichtung 30 verbunden. Das abtriebsseitige Modul 22 der ersten Kopplungseinrichtung 20 ist drehfest mit dem Rotor 41 der elektrischen Maschine 40 verbunden. Der Rotor 41 ist abtriebsseitig mit der ersten Kupplung 60 sowie der zweiten Kupplung 70 des Doppelkupplungsgetriebes 50 verbunden. Die erste Kupplung 60 wirkt auf die ihr zugeordneten Gänge sowie die erste Welle 62. Die zweite Kupplung 70 wirkt auf die ihr zugeordneten Gänge und auf die zweite Welle 72. Die erste Welle 62 und die zweite Welle 72 weisen einen gemeinsamen Abtrieb 80 auf. Die erste Welle 62 ist die Antriebswelle des ersten Teilgetriebes 63, und die zweite Welle 72 ist die Antriebswelle des zweiten Teilgetriebes 73 des Doppelkupplungsgetriebes 50.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Hybridmoduls besteht darin, dass die zweite Welle 72, die der zweiten Kupplung 70 zugeordnet ist, direkt mit der zweiten Kopplungseinrichtung 30 bzw. deren abtriebseitigem Modul 32 in mechanischer Wirkverbindung steht.
Derart ist es möglich, durch Schließen der ersten Kopplungseinrichtung 20 ein Drehmoment von einer an das Hybridmodul 10 angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine 1 über die elektrische Maschine 40 dem Doppelkupplungsgetriebe 50 zuzuleiten, um ein Fahren mit lediglich der Verbrennungskraftmaschine durchzuführen.
Insofern lediglich die elektrische Maschine 40 dem Antrieb dient, ist die erste Kopplungseinrichtung 20 geöffnet. Soll bei diesem rein elektrischen Fahrbetrieb die Verbrennungskraftmaschine 1 gestartet werden, wird das von der elektrischen Maschine 40 realisierte Drehmoment über die zweite Kupplung 70 des Doppelkupplungsgetriebes 50 sowie über die zweite Kopplungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeleitet.
Es ist ersichtlich, dass zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 1 keine extra Reibkupplung vorzusehen ist, sondern lediglich die zweite Kopplungseinrichtung 30, die auch als Klauenkupplung oder Sperrsynchronisationseinrichtung ausgeführt sein kann.
Diese Alternativen sind in den 2 und 3 gezeigt. 2 zeigt dabei als erste Kopplungseinrichtung und zweite Kopplungseinrichtung eine Klauenkupplung 90, die eine erste Seite 91 sowie eine zweite Seite 92 aufweist. Zwischen diesen beiden Seiten 91, 92 ist eine Schiebemuffe 110 angeordnet. Je nach Stellung der Schiebemuffe 110 kann diese in Eingriff gebracht werden mit der ersten Seite 91 der Klauenkupplung 90 bzw. mit der zweiten Seite 92 der Klauenkupplung 90. Die Schiebemuffe 110 bildet somit ein gemeinsames antriebsseitiges Modul 93 aus. Es ist ersichtlich, dass die Schiebemuffe 110 immer nur mit einer der beiden Seiten 91, 92 der Klauenkupplung 90 im Eingriff stehen kann. Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei wie zu 1 beschrieben.
In 3 ist eine abgewandelte Ausführung dargestellt, bei der eine einseitig wirkende Klauenkupplung realisiert ist, indem lediglich die zweite Seite der Klauenkupplung 92 zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und der zweiten Welle 72 des Doppelkupplungsgetriebes realisiert ist. Zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und dem Rotor 41 der elektrischen Maschine 40 ist hier ein bidirektionaler Freilauf 94 angeordnet.
In 4 ist eine Ausführung des Hybridmoduls dargestellt, in welchem die erste Kopplungseinrichtung sowie auch die zweite Kopplungseinrichtung durch eine Sperrsynchronisationseinrichtung 100 realisiert ist. Auch hier ist eine Schiebemuffe 110 vorhanden, die eine Schiebemuffenverzahnung 111 aufweist. Diese kämmt mit einem Zwischenrad 120, welches zwischen der Schiebemuffe 110 und einer Sekundärseite einer hier nicht dargestellten Zweimassenschwungrades 200 angeordnet ist.
Ersichtlich ist weiterhin, dass die erste Kupplung 60 sowie auch die zweite Kupplung 70 des Doppelkupplungsgetriebes beide von einem Kupplungsgehäuse 51 getragen werden, welches sich rotatorisch auf Lagern 52 abstützt, die auf der ersten Welle 62 sitzen. Dadurch wird eine sehr volumensparende Anordnung des Kupplungsgehäuses 51 realisiert.
Der ersten Kupplung 60 ist eine erste Betätigungseinrichtung 61, und der zweiten Kupplung 70 ist eine zweite Betätigungseinrichtung 71 zugeordnet.
Das Zweimassenschwungrad 200 weist eine Primärseite 201 auf, die mit der Abtriebsseite der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist. Mit der Primärseite 201 ist grundsätzlich die Sekundärseite 202 des Zweimassenschwungrads 200 rotatorisch verbunden. In 4 ist dabei ein Zustand dargestellt, bei dem die Sperrsynchronisationseinrichtung 100 lediglich mit der Sekundärseite 202 mechanisch verbunden ist.
Aus 5 ist das Funktionsprinzip der Sperrsynchronisationseinheit 100 ersichtlich. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Schiebemuffenverzahnung 111 bei einer Verschiebung nach links mit dem zweiten Synchronring 161 in Eingriff bringbar, um anliegende Drehzahlen zu synchronisieren. Bei weiterer Verschiebung nach links greift die Schiebemuffenverzahnung 111 in die wellenseitige Verzahnung 150, die drehfest mit der zweiten Welle 72 des Doppelkupplungsgetriebes über die dargestellte Keilwellenverzahnung verbunden ist. Der zweite Synchronring 161 und die die wellenseitige Verzahnung 150 entsprechen dabei der in 2 dargestellten zweiten Seite 92 der Klauenkupplung 90.
Die Verschiebung der Schiebemuffe 110 wird dadurch realisiert, dass im Inneren der Wellen 62, 72 eine Schubstange 170 verschoben wird, an der ein Mitnehmer 171 angeordnet ist, der eine Verschiebekraft auf die Schiebemuffe 110 bewirkt. Somit kann bei einer Verschiebung der Schiebemuffe nach links ein von der zweiten Welle 72 aufgebrachtes Drehmoment über die wellenseitige Verzahnung 150 auf die Schiebemuffe 110 aufgebracht werden. Von dieser kann das Drehmoment über das Zwischenrad 120 auf die Sekundärseite 202 des Zweimassenschwungrads 200 übertragen werden und von diesem auf ein hier nicht dargestelltes Verbrennungsaggregat, um dieses zu starten.
Bei einer Verschiebung der Schiebemuffe nach rechts gelangt die Schiebemuffenverzahnung 111 in Eingriff mit dem ersten Synchronring 160, um die anliegenden Drehzahlen zu synchronisieren. Bei weiterer Verschiebung nach rechts gelangt die Schiebemuffenverzahnung 111 in Eingriff mit der rotorseitigen Verzahnung 140. Über die zwischen der rotorseitigen Verzahnung 140 und einem Verbindungsteil 130 angeordnete Schweißnaht 172 wird das bereitgestellte Drehmoment über das Verbindungsteil 130 dem Rotor der elektrischen Maschine, der in dem Ausschnitt der 5 nicht dargestellt ist, zugeleitet.
Der erste Synchronring 160 und die die rotorseitige Verzahnung 140 entsprechen dabei der in 2 dargestellten ersten Seite 91 der Klauenkupplung 90.
Die Besonderheit der in 5 dargestellten Ausführungsform liegt darin, dass mittels Verschiebung des Übertragungselements 203 der Sperrsynchronisationseinrichtung 100, an dem auch die wellenseitige Verzahnung 150 angeordnet ist, dieses so weit in Richtung auf die Primärseite 201 des Zweimassenschwungrads 200 verschoben werden kann, dass das Übertragungselement 203 einen Reibschluss mit der Primärseite 201 erzeugt. Damit kann eine Relativ-Rotationsbewegung zwischen der Primärseite 201 und der Sekundärseite 202 verhindert werden, sodass der Eigenfrequenzbereich des Zweimassenschwungrads 200 stark verringert wird, was insbesondere beim Starten der Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine hilfreich ist.
In 6 sind in drei Diagrammen die Drehzahlen n, die Drehmomente M sowie die Schiebemuffenpositionen x_s den folgenden Phasen zugeordnet:

I: rein elektrisches Fahren
II: abbremsen
III: Starten der Verbrennungskraftmaschine bis zur Leerlaufdrehzahl über zweite Kupplung
IV: Hochbeschleunigen und Synchronisieren der Verbrennungskraftmaschine mit der elektrischen Maschine
V: Fahren mit gekoppelten Antriebsmaschinen.

Dabei ist der jeweilige Verlauf des Parameters der elektrischen Maschine 40, der ersten Welle 62 sowie der zweiten Welle 72 und der Verbrennungskraftmaschine 1 in den Diagrammen ersichtlich, in denen der Drehzahlverlauf über der Zeit sowie der Drehmoment-Verlauf über der Zeit dargestellt ist.
Im Zusammenhang mit dem Verlauf der Schiebemuffenposition x_s über der Zeit ist ersichtlich, dass die Position der Schiebemuffe auf Drehzahlen und Drehmomente Einfluss nimmt.
In 7 sind in den Teildarstellungen a) bis f) unterschiedliche Phasen des Eingriffs von Zahnflanken 108 einer Schiebemuffe 110 mit der rotorseitigen Verzahnung 140 dargestellt. Die Teildarstellungen a) und b) zeigen dabei den jeweiligen unteren Rand der rotorseitigen Verzahnung 140. Die Teildarstellungen e) und f) zeigen den oberen Rand der rotorseitigen Verzahnung 140.
In den Teildarstellungen a), c) und e) befindet sich die Zahnflanke 180 der Schiebemuffe 110 noch außerhalb des Eingriffs mit der rotorseitigen Verzahnung 140. In diesem Zustand befindet sich zwischen der Zahnflanke 180, der Schiebemuffe 110 und der rotorseitigen Verzahnung 140 jeweils noch der zweite Synchronring 161.
In den Teildarstellungen b), d) und f) ist die Zahnflanke 180 der Schiebenmuffe 110 in Eingriff gebracht worden mit der rotorseitigen Verzahnung 140. Dies ist insbesondere aus den Teildarstellungen b) und d) ersichtlich, bei denen die Zahnflanke 180 in der hier dargestellten Anordnung von unten gegen die rotorseitige Verzahnung 140 drückt. Dadurch kann ein Drehmoment von der Schiebemuffe 110 auf die rotorseitige Verzahnung 140 ausgeübt werden. Ersichtlich ist hier eine sogenannte Hinterlegung 181 zwischen der Zahnflanke 180 und der rotorseitigen Verzahnung 140, die zu den in Teildarstellung d) gezeigten Kraftverhältnissen führt. Von der Zahnflanke 180 wird eine Normalkraft 190 auf die rotorseitige Verzahnung 140 aufgebracht. Durch den schrägen Verlauf der Berührungsfläche existiert weiterhin eine Tangentialkraft 191, die auf die rotorseitige Verzahnung 140 in Richtung auf den zweiten Synchronring 161 wirkt beziehungsweise umgekehrt die Zahnflanke 180 der Schiebemuffe 110 in Richtung auf die rotorseitige Verzahnung 140 schiebt. Dadurch ist gewährleistet, dass die hier kämmenden Zahnflanken im Eingriff bleiben.
Insofern sich die Drehzahlverhältnisse derart ändern sollten, dass sich die rotorseitige Verzahnung 140 schneller drehte als die Schiebemuffe 110, würde das bedeuten, dass die schräge Kante 182 der rotorseitigen Verzahnung 140 mit der schrägen Kante 182 an der Zahnflanke 180 der Schiebemuffe 110 zur Anlage gelangt. Es ist ersichtlich, dass aufgrund der dargestellten Winkelverhältnisse in einem solchen Fall die rotorseitige Verzahnung 140 wie ein Keil auf die Zahnflanke 180 der Schiebemuffe 110 wirken würde und diese somit in eine Position schieben würde, die im Wesentlichen derjenigen in den Teildarstellungen a) beziehungsweise c) entspricht.
Demzufolge ist gewährleistet, dass kein Drehmoment von der rotorseitigen Verzahnung 140 auf die Schiebemuffe 110 übertragen werden kann.
Mit der hier vorgeschlagenen Erfindung lässt sich somit ein Hybridmodul sowie ein Antriebsstrang zur Verfügung stellen, die nicht auf eine weitere Reibkupplung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine angewiesen sind, sondern stattdessen eine kostengünstigere sowie bauraumsparende formschlüssige Kupplung in Form einer Klauenkupplung, einer Klauenkupplung mit Synchroneinheit oder eines schaltbaren Freilaufs nutzen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
10: Hybridmodul
11: Dämpfer
20: erste Kopplungseinrichtung
21: antriebseitiges Modul der ersten Kopplungseinrichtung
22: abtriebseitiges Modul der ersten Kopplungseinrichtung
30: zweite Kopplungseinrichtung
31: antriebseitiges Modul der zweiten Kopplungseinrichtung
32: abtriebseitiges Modul der zweiten Kopplungseinrichtung
40: elektrische Maschine
41: Rotor
50: Doppelkupplungsgetriebe
51: Kupplungsgehäuse
52: Lager
60: erste Kupplung
61: erste Betätigungseinrichtung
62: erste Welle
63: erstes Teilgetriebe
70: zweite Kupplung
71: zweite Betätigungseinrichtung
72: zweite Welle
73: zweites Teilgetriebe
80: gemeinsamer Abtrieb
90: Klauenkupplung
91: erste Seite der Klauenkupplung
92: zweite Seite der Klauenkupplung
93: gemeinsames antriebseitiges Modul
94: bidirektionaler Freilauf
100: Sperrsynchronisationseinrichtung
110: Schiebemuffe
111: Schiebemuffenverzahnung
120: Zwischenrad
130: Verbindungsteil
140: rotorseitige Verzahnung
150: wellenseitige Verzahnung
160: Erster Synchronring
161: Zweiter Synchronring
170: Schubstange
171: Mitnehmer
172: Schweißnaht
180: Zahnflanke
181: Hinterlegung
182: Schräge Kante
190: Normalkraft
191: Tangentialkraft
200: Zweimassenschwungrad
201: Primärseite
202: Sekundärseite
203: Übertragungselement der Sperrsynchronisationseinrichtung
I: rein elektrisches Fahren
II: abbremsen der Welle 2
III: Starten der Verbrennungskraftmaschine bis zur Leerlaufdrehzahl über zweite Kupplung
IV: Hochbeschleunigen und Synchronisieren der Verbrennungskraftmaschine mit der elektrischen Maschine
V: Fahren mit gekoppelten Antriebsmaschinen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/052909 A1 [0005]
DE 102009002805 A1 [0006]

Claims

Hybridmodul (10), umfassend ein Doppelkupplungsgetriebe (50) mit einer einer ersten Kupplung (60) zugeordneten ersten Welle (62) und einer einer zweiten Kupplung (70) zugeordneten zweiten Welle (72), eine elektrische Maschine (40) sowie eine erste Kopplungseinrichtung (20) sowie eine zweite Kopplungseinrichtung (30), die zur trennbaren Übertragung eines Drehmomentes, insbesondere eines Drehmomentes einer Verbrennungskraftmaschine (1), auf das Hybridmodul (10) eingerichtet sind, wobei ein jeweiliges antriebseitiges Modul (21, 31) der beiden Kopplungseinrichtungen (20, 30) drehfest mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) verbindbar oder verbunden ist, und ein abtriebseitiges (22) Modul der ersten Kopplungseinrichtung (20) drehfest mit einem Rotor (41) der elektrischen Maschine (40) verbunden ist, der wiederum an das Doppelkupplungsgetriebe (50) gekoppelt ist, und ein abtriebseitiges Modul (32) der zweiten Kopplungseinrichtung (30) drehfest mit der zweiten Welle (72) des Doppelkupplungsgetriebes (50) verbunden ist, so dass ein von einer Verbrennungskraftmaschine aufgebrachtes Drehmoment über die erste Kopplungseinrichtung (20) auf das Doppelkupplungsgetriebe (50) leitbar ist, und ein von der elektrischen Maschine (40) erzeugtes Drehmoment über das Doppelkupplungsgetriebe (50) sowie über die zweite Kopplungseinrichtung (30) der Verbrennungskraftmaschine für deren Start zuführbar ist.
Hybridmodul nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen (20, 30) eine Klauenkupplung (90) ist, so dass das jeweilige antriebseitige Modul (21, 31) der Kopplungseinrichtung (20, 30) eine erste Seite (91) der Klauenkupplung (90) ist und das jeweilige abtriebseitige Modul (22, 32) der Kopplungseinrichtung (20, 30) eine zweite Seite (92) der Klauenkupplung (90) ist.
Hybridmodul nach Anspruch 2, wobei beide Kopplungseinrichtungen (20, 30) ein gemeinsames antriebseitiges Modul (93) aufweisen.
Hybridmodul nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei ein Betätigungselement zur Betätigung wenigstens einer der Kopplungseinrichtungen (20, 30) mit einem Aktor des Doppelkupplungsgetriebes (50) mechanisch oder hydraulisch verbunden ist.
Hybridmodul nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen 20, 30 eine Sperrsynchronisationseinrichtung 100 ist.
Hybridmodul nach Anspruch 5, wobei das Hybridmodul (10) ein Zweimassenschwungrad (200) mit einer Primärseite (201) und einer Sekundärseite (202) aufweist, und zumindest ein Übertragungselement (203) der Sperrsynchronisationseinrichtung (100) derart axial verschiebbar ist, dass mit ihm die Sekundärseite (202) in Bezug zur Primärseite (201) rotatorisch fixierbar ist.
Hybridmodul nach Anspruch 6, wobei eine Schiebemuffenverzahnung (111) und eine rotorseitige Verzahnung (140) eines mit dem Rotor (41) verbundenen Verbindungsteils (130) der Sperrsynchronisationseinrichtung (100) derart ausgestaltet sind, dass ihr gegenseitiger Eingriff bei Übertragung eines Drehmoments von der Schiebemuffenverzahnung (111) auf die rotorseitige Verzahnung (140) formschlüssig stabilisiert ist, und bei Übertragung eines Drehmoments von der rotorseitigen Verzahnung (140) auf die Schiebemuffenverzahnung (111) ihr gegenseitiger Eingriff formschlüssig verhindert ist.
Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und einem Hybridmodul (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Hybridmodul (10) mit der Verbrennungskraftmaschine (1) mechanisch über die erste Kopplungseinrichtung (20) sowie die zweite Kopplungseinrichtung (30) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs gemäß Anspruch 8, bei dem die Verbrennungskraftmaschine (1) bei elektrischem Betrieb des Antriebsstrangs derart gestartet wird, dass – die erste Kopplungseinrichtung (20) sowie die zweite Kopplungseinrichtung (30) geöffnet werden oder sich bereits im geöffneten Zustand befinden, – die erste Kupplung (60) des Doppelkupplungsgetriebes (50) geschlossen wird, und die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes geöffnet wird, – die Gänge, die der zweiten Kupplung (70) des Doppelkupplungsgetriebes (50) zugeordnet sind, ausgelegt werden, – die zweite Kopplungseinrichtung (30) geschlossen wird, und – die zweite Kupplung (70) des Doppelkupplungsgetriebes (50) geschlossen wird, so dass von der elektrischen Maschine (40) erzeugtes Drehmoment über die zweite Kupplung (70) des Doppelkupplungsgetriebes (50) sowie über die zweite Kopplungseinrichtung (30) der Verbrennungskraftmaschine (1) für deren Start zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs nach Anspruch 9, bei dem wenigstens eine der beiden Kopplungseinrichtungen (20, 30) als eine Sperrsynchronisationseinrichtung (100) ausgebildet ist und das Hybridmodul (10) des Antriebsstrangs ein Zweimassenschwungrad (200) mit einer Primärseite (201) und einer Sekundärseite (202) aufweist, und zumindest ein Übertragungselement (203) der Sperrsynchronisationseinrichtung (100) derart axial verschoben wird ist, dass mit ihm die Sekundärseite (202) in Bezug zur Primärseite (201) rotatorisch fixiert wird.