DE102016216313A1

DE102016216313A1 - Mehrstufiger Hybrid-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016216313A1
Application number: DE102016216313.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Petersen; Jörg Möckel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN107791819B; CN107791819A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auch einen mehrstufigen Hybrid-Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Eingangsstufe (100), umfassend – eine mit einer Verbrennungskraftmaschine koppelbare Stufeneingangswelle (102), – eine mit einer nachfolgenden Stufe (200) gekoppelte Stufenausgangswelle (104), – eine elektrische Maschine (110) mit einem basisfesten Stator (111) und einem radial innerhalb des Stators (111) drehbar angeordneten Rotor (112) und – einen Planetensatz (120) mit einer Sonne (121), einem Hohlrad (122) und einem Steg (123), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (124), die einerseits mit der Sonne (121) und andererseits mit dem Hohlrad (122) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei die Sonne (121) mit dem Rotor (112), das Hohlrad (122) mit der Stufeneingangswelle (102) und der Steg (123) mit der Stufenausgangswelle (104) gekoppelt ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine den Rotor (112) mit der Sonne (121) koppelnde, erste Kupplung (131) dem Planetensatz (120) axial benachbart angeordnet ist, eine den Rotor (112) mit der Stufenausgangswelle (104) koppelnde, zweite Kupplung (132) der ersten Kupplung (131) axial benachbart angeordnet ist und der Planetensatz (120) und die Kupplungen (131, 132) sowohl radial als auch axial innerhalb des Rotors (112) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Hybrid-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug
mit einer Eingangsstufe, umfassend

– eine mit einer Verbrennungskraftmaschine koppelbare Stufeneingangswelle,
– eine mit einer nachfolgenden Stufe gekoppelte Stufenausgangswelle,
– eine elektrische Maschine mit einem basisfesten Stator und einem radial innerhalb des Stators drehbar angeordneten Rotor und
– einen Planetensatz mit einer Sonne, einem Hohlrad und einem Steg, auf dem eine Mehrzahl von Planeten, die einerseits mit der Sonne und andererseits mit dem Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind,

Ein derartiger Hybrid-Antriebsstrang ist bekannt aus der EP 1 640 202 A1 .
Bei der Auslegung moderner Hybrid-Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge ist man bestrebt, eine hinreichende Anzahl von Gängen und Betriebsmoden zur Verfügung zu stellen, um allen denkbaren Fahrsituationen in möglichst energieeffizienter und für den Benutzer komfortabler Weise gerecht werden zu können. Häufig ist ein solcher Antriebsstrang daher mit mehreren Stufen ausgebildet, wobei den unterschiedlichen Stufen unterschiedliche funktionale Aufgaben zukommen. Allen Konzepten gemeinsam ist jedoch der Wunsch nach einem möglichst geringem Bauraumbedarf, was im Hinblick auf die oft große Anzahl von Schaltelementen, wie Bremsen und Kupplungen, Getriebeelementen, wie Planetensätzen, und Antriebsaggregaten, wie elektrischen Maschinen, jedoch häufig schwer zu realisieren ist.
Die o.g., gattungsbildende Druckschrift offenbart einen Hybrid-Antriebsstrang, dessen Eingangsstufe einen Planetensatz und eine elektrische Maschine umfasst. Eingangsseitig ist diese Eingangsstufe mittels ihrer Stufeneingangswelle mit einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere über deren Kurbelwelle, koppelbar. Ausgangsseitig ist die Eingangsstufe über ihre Stufenausgangswelle mit einer nachfolgenden Antriebsstufe gekoppelt, deren konkreter Aufbau im Kontext der vorliegenden Erfindung nicht relevant ist. Bei der bekannten Eingangsstufe sind der Planetensatz und die elektrische Maschine axial benachbart zueinander angeordnet, wobei der Planetensatz eingangsseitig und die elektrische Maschine ausgangsseitig in der Eingangsstufe angeordnet ist. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass unter Aufwendung vertretbaren, axialen Bauraums lediglich eine vergleichsweise schwache elektrische Maschine Einsatz finden kann. Stärkere elektrische Maschinen mit einer größeren Anzahl an Wicklungen vergrößern den benötigten Bauraum entsprechend. Diese Problematik verschärft sich weiter, wenn in Betracht gezogen wird, Schaltelemente, insbesondere Kupplungen, in die Eingangsstufe zu integrieren, um unterschiedliche Betriebsmoden realisieren zu können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrang in Bezug auf seine Eingangsstufe derart weiterzubilden, dass die Anzahl verfügbarer Betriebsmoden sowie die elektrische Leistungsstärke vergrößert wird, ohne dass dies zu übermäßiger, axialer Bauraumvergrößerung führen würde.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine den Rotor mit der Sonne koppelnde, erste Kupplung dem Planetensatz axial benachbart angeordnet ist,
eine den Rotor mit der Stufenausgangswelle koppelnde, zweite Kupplung der ersten Kupplung axial benachbart angeordnet ist und
der Planetensatz und die Kupplungen sowohl radial als auch axial innerhalb des Rotors angeordnet sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Zur Erhöhung der Anzahl realisierbarer Betriebsmoden sind zunächst zwei Kupplungen vorgesehen. Die erste Kupplung koppelt den Rotor mit der Sonne, die zweite Kupplung koppelt den Rotor mit der Stufenausgangswelle. Hieraus ergibt sich, unabhängig vom Aufbau der nachfolgenden Antriebsstufen eine Verdopplung der realisierbaren Gänge sowie die Möglichkeit zwischen parallelhybriden, stufenlosen und elektrischen Betriebsmoden zu wählen. Sind beide Kupplungen geschlossen, arbeitet der Antriebsstrang im parallelhybriden Modus. In diesem Modus sind die Sonne und der Steg des Planetensatzes drehfest miteinander verbunden, sodass der gesamte Planetensatz als Block mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine umläuft. Dies gilt auch für den Rotor der elektrischen Maschine, die auf diese Weise nach bekanntem parallelhybriden Prinzip motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Ist lediglich die erste Kupplung geschlossen und die zweite dagegen geöffnet, arbeitet das System in einem stufenlosen Betriebsmodus. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über das Hohlrad in den Planetensatz ein- und über den Steg ausgeleitet, wobei die elektrische Maschine über die Sonne eine variable Momentenabstützung und daher eine stufenlos variable Übersetzungsänderung bietet. Ist hingegen die erste Kupplung geöffnet und die zweite geschlossen, kann das System in einem rein elektrischen Betrieb arbeiten. Das Moment der elektrischen Maschine wird unmittelbar an die Stufenausgangswelle geliefert. Die Rotation des mitdrehenden Steges ist dabei unschädlich, weil auch die Sonne aufgrund der geöffneten ersten Kupplung freiläuft.
Um eine ansprechende elektrische Leistung zu erzielen, wird eine elektrische Maschine mit vergleichsweise langen Abmessungen benötigt. Erfindungsgemäß sind die mechanischen Komponenten der Eingangsstufe, d.h. der Planetensatz und die beiden Kupplungen, radial innerhalb des Rotors angeordnet, wobei die axiale Länge des Rotors genügend Raum bietet, um die mechanischen Komponenten in für die oben erläuterte Wellenanbindung günstiger Weise einander axial benachbart anzuordnen.
Auf diese Weise lassen sich eine größere Vielfalt von Betriebsmoden bei gleichzeitiger Erhöhung der elektrischen Leistung realisieren, ohne dass damit eine axiale Bauraumvergrößerung verbunden wäre.
Um auch den radialen Bauraum möglichst gering zu halten ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine, der Planetensatz und die Kupplungen koaxial zueinander angeordnet sind.
Wie oben erwähnt, sollen die mechanischen Komponenten der Eingangsstufe im Hinblick auf die Anbindung ihrer Wellen möglichst günstig zueinander angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist gegeben, wenn, wie bevorzugt vorgesehen, der Planetensatz stufeneingangsseitig, die zweite Kupplung stufenausgangsseitig und die erste Kupplung axial zwischen dem Planetensatz und der zweiten Kupplung angeordnet ist.
Besonders bevorzugt sind die Kupplungen als Lamellenkupplungen mit jeweils einem einen Satz Innenlammen tragenden Innenlamellenträger und einem einen Satz Außenlamellen tragenden Außenlamellenträger ausgebildet, wobei die Außenlamellen und die Innenlamellen alternierend ineinandergreifen und die Lamellen auf ihrem jeweiligen Lamellenträger axial verschieblich angeordnet sind. Es ist dies die übliche Bauweise von Lamellenkupplungen. Der Vorteil der Lamellenkupplungen liegt in der Möglichkeit Ihres schlupfenden Betriebs, sodass bei geeignetem Kupplungsmanagement ein Wechsel zwischen den Betriebsmoden lastkraftunterbrechungsfrei erfolgen kann.
Hinsichtlich der konstruktiven Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzeptes hat der Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung. Besonders bevorzugt wird jedoch, dass der Innenlamellenträger der ersten Kupplung auf einer die Sonne tragenden Welle und ihr Außenlamellenträger am Rotor fixiert ist. Die die Sonne tragende Welle, nachfolgend auch als Sonnenwelle bezeichnet, erstreckt sich aus dem Planetensatz in Richtung der ersten Kupplung und bietet den Fixierungsraum für deren Innenlamellenträger. Der Rotor umgibt erfindungsgemäß sämtliche mechanischen Komponenten der Eingangsstufe in unmittelbarer radialer Nachbarschaft, sodass die Fixierung des Außenlamellenträgers der ersten Kupplung an ihm keinerlei Schwierigkeiten bereitet.
Der Innenlamellenträger der zweiten Kupplung ist hingegen bevorzugt unmittelbar auf der Stufenausgangswelle und ihr Innenlamellenträger am Rotor fixiert. Die Stufenausgangswelle bildet bevorzugt eine Zentralwelle, die den Planetensatz und die Kupplungen und damit natürlich auch den Rotor zentral durchsetzt und stufeneingangsseitig über den Planetensatz hinausragt. Zwar ist eine derart lange Ausbildung der Stufenausgangswelle in Hinblick auf das oben erläuterte Anbindungskonzept nicht erforderlich. Eine solche Zentralwelle kann jedoch zur Lagerung der mechanischen Komponenten genutzt werden.
So ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innenlamellenträger der ersten Kupplung die Sonnenwelle, auf welcher er fixiert ist axial überragt und in seinem überragenden Abschnitt mittels eines Rillenkugellagers gegen die Stufenausgangswelle gelagert ist. Die bevorzugte Wahl eines Rillenkugellagers ist in dessen Eignung begründet, zusätzlich zu den hauptsächlich abgestützten Radialkräften auch gewisse Axialkräfte aufzunehmen, die aufgrund der unter akustischen Gesichtspunkten vorteilhaften Schrägverzahnung der Sonne auf die Sonnenwelle und damit auf den Innenlamellenträger wirken.
Mit ähnlichem gedanklichen Hintergrund ist bevorzugt vorgesehen, dass der Steg einen axial erstreckten Fuß aufweist, mit dessen Innenseite er an der Stufenausgangswelle fixiert ist und gegen dessen Außenseite die Sonne mittels eines Rillenkugellagers gelagert ist. Auch hier dient das Rillenkugellager der Aufnahme von Axialkräften.
Die oben erläuterte Erstreckung der Stufenausgangswelle stufeneingangsseitig über den Planetensatz hinaus, kann genutzt werden, um die Stufeneingangswelle gegen die Stufenausganswelle radial zu lagern. An dieser Stelle ist eine reine Radiallagerung hinreichend, sodass Radialbauraum einsparende Nadellager Verwendung finden können.
In axialer Hinsicht ist bevorzugt vorgesehen den Steg gegen einen das Hohlrad tragenden Endflansch der Stufeneingangswelle axial zu lagern. Der Endflansch kann zusätzlich auch auf seiner dem Planetensatz gegenüber liegenden Seite gegenüber dem Gehäuse axial gelagert sein.
Bevorzugt sind die Kupplungen bei einer Weiterbildung der Erfindung jeweils mit einer Fliehölhaube versehen. Diese umfasst einen ölgefüllten Raum, der einseitig durch eine axial fest mit einem Betätigungskolben der Kupplung verbundene Wand begrenzt und im Stillstand des Antriebsstrangs im Wesentlichen drucklos ist. Bei Betrieb des Antriebsstrangs wird durch die auf das Öl in der Fliehölhaube wirkenden Zentrifugalkräfte ein Öldruck und damit eine Axialkraft auf die Wand aufgebaut. Diese wirkt der eigentlichen, hydraulischen Betätigungskraft auf den Betätigungskolben entgegen und kompensiert somit deren durch die Zentrifugalkräfte im Hydrauliksystem aufgebauten Kraftanteil. Eine ungewollte Betätigung der Kupplung allein aufgrund von Fliehkräften ist damit auch in Fällen ausgeschlossen, in denen eine Rückstellfeder schwach ausgebildet ist oder in denen auf eine solche vollständig verzichtet wird, was beides im Hinblick auf eine Bauraumeinsparung vorteilhaft und daher bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Topologie des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
2 eine konstruktive Darstellung einer Ausführungsform des Antriebsstrangs von 1 im Hauptschnitt,
3 eine vergrößerte Detaildarstellung der Eingangsstufe des Antriebsstrangs von 2 im Hauptschnitt und
4 die Eingangsstufe von 3 im Querschnitt entlang der Schnittlinie IV-IV.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die Topologie einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 10. Der Antriebsstrang 10 umfasst eine Eingangsstufe 100 und eine Folgestufe 200.
Die Eingangsstufe 100 umfasst eingangsseitig eine Stufeneingangswelle 102, ausgangsseitig eine Stufenausgangswelle 104, eine elektrische Maschine 110 mit einem gehäusefesten Stator 111 und einem drehbar dazu gelagerten, innenliegenden Rotor 112 sowie einen Planetensatz 120, der bei der gezeigten Ausführungsform als einfacher Planetensatz mit einer Sonne 121, einem Hohlrad 122 und einem Steg 123 ausgebildet ist, auf welch letzterem ein Satz Planeten 124 drehbar gelagert ist und einerseits mit der Sonne 121 und andererseits mit dem Hohlrad 122 kämmen.
Die Stufeneingangswelle 102 ist mit dem Hohlrad 122 fest verbunden. Die Stufenausgangswelle 104 ist mit dem Steg 123 fest verbunden. Der Rotor 112 der elektrischen Maschine 110 ist über eine erste Eingangsstufenkupplung 131 mit der Sonne 121 gekoppelt. Zudem ist er über eine zweite Eingangsstufenkupplung 132 mit der Stufenausgangswelle 104 gekoppelt. Die Kupplungen 131, 132 sind einander axial benachbart angeordnet und gemeinsam dem Planetensatz 120 axial benachbart angeordnet. Insbesondere ist der Planetensatz 120 eingangsseitig in der Eingangsstufe 100 und die zweite Eingangsstufenkupplung 132 ausgangsseitig in der Eingangsstufe 100 angeordnet. Die erste Eingangsstufenkupplung 131 ist axial zwischen dem Planetensatz 120 und der zweiten Eingangsstufenkupplung 132 angeordnet.
Der Planetensatz 120 sowie die beiden Kupplungen 131, 132 sind sowohl axial als auch radial vollständig innerhalb des Rotors 112 angeordnet, wie dies in 1 durch den punktiert dargestellten Kasten angedeutet ist.
Die Folgestufe 200 umfasst eingangsseitig eine Stufeneingangswelle 202 und ausgangsseitig eine Stufenausgangswelle 204. Zudem umfasst die Folgestufe 200 einen als Ravigneaux-Satz ausgebildeten Planetensatz 220 mit einer ersten Sonne 221a, einer zweiten Sonne 221b, einem Hohlrad 222 und einem Steg 223. Auf dem Steg 223 sind zwei Sätze von Planeten drehbar gelagert. Ein erster Satz Langplaneten 224a kämmt einerseits mit der ersten Sonne 221a und andererseits mit dem Hohlrad 222. Ein zweiter Satz Kurzplaneten kämmt einerseits mit der zweiten Sonne 221b und andererseits mit den Langplaneten 224a.
Die Stufeneingangswelle 202 der Folgestufe 200 ist über eine erste Folgestufenkupplung 231 mit der ersten Sonne 221a gekoppelt. Zudem ist die Stufeneingangswelle 202 über eine zweite Folgestufenkupplung 232 mit dem Hohlrad 222 gekoppelt. Das Hohlrad 222 ist außerdem über eine erste Bremse 241 am Gehäuse festlegbar. Die Stufenausganswelle 204 ist mit dem Steg 223 fest verbunden. Die zweite Sonne 221b ist über eine zweite Bremse 242 am Gehäuse festlegbar.
In Montageendstellung im Kraftfahrzeug ist die Stufeneingangswelle 102 der Eingangsstufe 100 typischerweise über ein Zwei-Massen-Schwungrad mit der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine verbunden. Die Stufenausgangswelle 104 der Eingangsstufe 100 ist mit der Stufeneingangswelle 202 der Folgestufe 200 verbunden. Die Stufenausgangswelle 204 der Folgestufe ist mit weiteren Abtriebskomponenten, insbesondere einem Differential, verbunden.
Mit dem Antriebsstrang der in 1 gezeigten Topologie lassen sich acht lastschaltbare, hybride Gänge, von denen 4 parallelhybrider Natur und 4 stufenloser Natur sind, sowie vier lastschaltbare rein elektrische Gänge realisieren. Hierzu bietet die Folgestufe 200 vier unterschiedliche Schaltkonstellationen ihrer Schaltelemente, nämlich:

– Geschlossene erste Folgestufenkupplung 231, geschlossene erste Bremse 241 und ansonsten geöffnete Folgestufen-Schaltelemente. In dieser Schaltkonstellation wird ein von der Eingangsstufe 100 eingeleitetes Drehmoment über die geschlossene erste Folgestufenkupplung 231 und die erste Sonne 221a in den Ravigneaux-Satz 220 eingeleitet, der aufgrund des über die erste Bremse 241 festgelegten Hohlrades 222 als einfache Übersetzungsstufe wirkt. Das übersetzte Moment wird über den Steg 223 an die Stufenausgangswelle 204 und über diese an den weiteren Abtrieb geleitet.
– Geschlossene erste Folgestufenkupplung 231, geschlossene zweite Bremse und im Übrigen geöffnete Folgestufen-Schaltelemente. Bei dieser Schaltkonstellation wird ein von der Eingangsstufe 100 über die Folgestufeneingangswelle 202 eingeleitetes Moment über die erste Folgestufenkupplung 231 und die erste Sonne 221a in den Ravigneaux-Satz 220 eingeleitet. Dieser wirkt aufgrund der über die zweite Bremse 242 festgelegten zweiten Sonne 221b als reine Übersetzungsstufe, jedoch mit anderem Übersetzungsverhältnis als im vorgenannten Fall. Das übersetzte Moment wird über den Steg 232 an die Folgestufenausgangswelle 204 und über diese an weitere Abtriebskomponenten geleitet.
– Geschlossene zweite Folgestufenkupplung 232, geschlossene zweite Bremse 242 und im Übrigen geöffnete Folgenstufen-Schaltelemente. Bei dieser Schaltkonstellation wird ein von der Eingangsstufe 100 über die Folgestufeneingangswelle 202 eingeleitetes Drehmoment über die zweite Folgestufenkupplung 232 und das Hohlrad 222 in den Ravigneaux-Satz 220 eingeleitet. Die Momentenabstützung erfolgt über die mittels der zweiten Bremse 242 am Gehäuse festgelegten zweiten Sonne 221b. Das übersetzte Moment wird über den Steg 232 an die Folgestufenausgangswelle 204 und über diese an die weiteren Abtriebskomponenten geleitet.
– Geschlossene erste und zweite Folgestufenkupplung 231, 232 und geöffnete Bremsen 241, 242. Bei dieser Schaltkonstellation ist der Ravigneaux-Satz 220 verblockt und läuft mit der Drehzahl der Folgestufeneingangswelle 202 um. Folglich rotiert auch die Folgestufenausgangswelle 204 in diesem Direktgang mit der Eingangsdrehzahl.

Mittels der Eingangsstufe 100 lassen sich mit drei Schaltkonstellationen zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse und insgesamt drei unterschiedliche Betriebsmoden realisieren, die mit den zuvor erläuterten vier Gängen der Folgestufe 200 jeweils kombinierbar sind. Es sind dies:

– Geschlossene erste Eingangsstufenkupplung 131 und geschlossene Eingangsstufenkupplung 132. Bei dieser Schaltkonstellation sind die Sonne 121 und der Steg 123 des Planetensatzes 120 aneinander festgelegt, sodass der Planetensatz 120 als Block mit der Drehzahl der Eingangsstufeneingangswelle 102 umläuft. Ein zusätzliches Drehmoment der elektrischen Maschine (positiv oder negativ) kann in bekannter parallelhybrider Weise über die geschlossene zweite Eingangsstufenkupplung 132 auf die Eingangsstufenausgangswelle 104 gegeben werden. Gemeinsam mit den vier in der Folgestufe 200 realisierbaren Gängen ergeben sich also 4 parallelhybride Gänge, wobei sowohl Boosten als auch Rekuperieren möglich ist.
– Geschlossene erste Eingangsstufenkupplung 131 und geöffnete zweite Eingangsstufenkupplung 132. Bei dieser Schaltkonstellation wird das über die Eingangsstufeneingangswelle eingeleitete Moment der Verbrennungskraftmaschine über das Hohlrad 122 in den Planetensatz 120 eingeleitet und über deren Steg 123 an die Eingangsstufenausgangswelle 104 ausgeleitet, wobei über die aufgrund der geschlossenen ersten Eingangsstufenkupplung 131 mit dem Rotor 112 verbundene Sonne 121 eine variabel Momentenabstützung erfolgt. Somit wird ein stufenloser Übersetzungsbereich in der Eingangsstufe 100 realisiert. Zusammen mit den vier in der Folgestufe 200 realisierbaren Gängen ergeben sich vier stufenlose Übersetzungsbereiche.
– Geschlossene zweite Eingangsstufenkupplung 132 und geöffnete erste Eingangsstufenkupplung 131. Bei dieser Schaltkonstellation ist der Planetensatz 120 aufgrund der freilaufenden Sonne 121 wirkungslos geschaltet, sodass lediglich elektrisch erzeugtes Drehmoment vom Rotor 112 über die geschlossene zweite Eingangsstufenkupplung 132 an die Eingangsstufenausgangswelle 104 geleitet wird. Zusammen mit den vier in der Folgestufe 200 realisierbaren Gängen ergeben sich somit vier rein elektrische Gänge.

Insgesamt ergeben sich somit acht hybridische Gänge, davon vier klassisch parallelhybrid und vier stufenlos, sowie vier rein elektrische Gänge. Insbesondere bei Wahl der Schaltelemente als Lamellenkupplungen bzw. –bremsen sind alle Gänge lastschaltbar. Ein Anfahren kann elektrisch oder hybrid mit „geared-neutral“, d.h. mit Kupplungsunterstützung erfolgen. In den vier parallelhybriden Gängen ist eine Rekuperation jederzeit möglich. Ein Boosten ist in allen parallelhybriden Gängen möglich. Ebenso kann bei geschlossenen Eingangsstufenkupplungen 131, 132 und geöffneten Folgestufenkupplungen 231, 232 ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine 110 im Stand des Fahrzeugs, d.h. ein Standladen der elektrischen Energiespeicher, erfolgen.
2 zeigt einen Antriebsstrang 10 mit der in 1 dargestellten Topologie in einer speziellen konstruktiven Ausführungsform im Hauptschnitt. 2 dient im Wesentlichen der Identifizierung der einzelnen konstruktiven Elemente mit den im Kontext von 1 erläuterten funktionalen Elementen.
3 zeigt in vergrößerter Detaildarstellung die unter Bauraumaspekten besonders günstige Ausgestaltung der Eingangsstufe 100 des Antriebsstrangs 10 von 2. Deutlich erkennbar ist, dass sämtliche mechanischen Komponenten der Eingangsstufe 100, d.h. der Planetensatz 120 sowie die Eingangsstufenkupplungen 131, 132, vollständig axial und radial innerhalb des Rotors 120 angeordnet sind, wobei die drei genannten Elemente zueinander eine im Hinblick auf die Wellenanbindung besonders günstige, koaxiale, axial benachbarte Anordnung einnehmen.
Die Kupplungen 131, 132 sind als Lamellenkupplungen ausgebildet und weisen jeweils einen Innenlamellenträger 1311 bzw. 1321 und einen Außenlamellenträger 1312 bzw. 1322 auf. Auf den Innenlamellenträgern 1311, 1321 ist jeweils ein Satz Innenlamellen 1313, 1323 axial verschieblich gelagert. Auf den Außenlamellenträgern 1312, 1322 ist jeweils ein Satz Außenlamellen 1314, 1324 axial verschieblich gelagert. Innenlamellen 1313, 1323 und Außenlamellen 1314, 1324 sind alternierend ineinandergreifend angeordnet, um eine variable, reibschlüssige Momentenverbindung zwischen Innenlamellenträgern 1311, 1321 und Außenlamellenträgern 1312, 1322 zu gewährleisten.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Außenlamellenträger 1312, 1322 einstückig miteinander ausgebildet und am Rotor 112 festgelegt. Der Innenlamellenträger 1321 der zweiten Eingangsstufenkupplung 132 ist einstückig mit der Stufenausgangswelle 104 ausgebildet. Der Innenlamellenträger 1311 der ersten Eingangsstufenkupplung 131 ist als gesondertes Bauteil ausgebildet und drehfest, insbesondere über eine Steckverzahnung, mit einer Sonnenwelle 1211, welche die Sonne 121 trägt und ausgangsseitig aus dem Planetensatz 120 hinausragt, festgelegt. Er ist zudem in einem die Sonnenwelle 1211 axial überragenden Abschnitt mittels eines ersten Rillenkugellagers 141 gegen die Eingangsstufenausgangswelle 104 gelagert.
Der Steg 123 weist einen Fuß 1231 auf, welcher, insbesondere durch eine Steckverzahnung, drehfest auf der Eingangsstufenausgangswelle 104 fixiert ist und axial mit der Sonne 124 überlappt. Im Überlappungsbereich ist ein zweites Rillenkugellager 142 angeordnet, mit welchem die Sonne 124 gegen den Stegfuß 1231 und damit gegen die Eingangsstufenausgangswelle 104 gelagert ist.
Der Steg 123 weist auch eine Axiallagerung auf, nämlich gegen einen Endflansch 1021 der Eingangsstufeneingangswelle 102. Diese Axiallagerung erfolgt mittels eines ersten Axiallagers 151. Der Endflansch 1031 ist auf der gegenüberliegenden Seite mittels eines zweiten Axiallagers 152 gegen gehäusefeste Komponenten gelagert.
In 3 deutlich erkennbar ist, dass die Stufenausgangswelle 104 als Zentralwelle den Planetensatz 120, und die Kupplungen 131, 132 zentral durchsetzt. Sie erstreckt sich eingangsseitig noch über den Planetensatz 120 hinaus. Dies erlaubt eine Radiallagerung der Stufeneingangswelle 102 gegen die Stufenausgangswelle 104 mittels eines Radiallagers 143, welches, da es keine Axialkräfte aufnehmen muss, nicht als Rillenkugellager, sondern als radialen Bauraum einsparendes Nadellager o.Ä. ausgebildet sein kann.
Zur Kompensation von fliehkraftbedingten Betätigungskräften sind die Kupplungen 131, 132 jeweils mit einer Fliehölhaube 160 versehen.
4 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Eingangsstufe 100 von 3 gemäß der Schnittlinie IV-IV in 3. Deutlich erkennbar ist die Integration des Planetensatzes 120 in den Rotor 112, wobei zur optimierten Lastverteilung neun Planeten 124 Einsatz finden.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsstrang
100: Eingangsstufe
102: Stufeneingangswelle von 100
1021: Endflansch von 102
104: Stufenausgangswelle von 100
110: elektrische Maschine
111: Stator
112: Rotor
120: Planetensatz
121: Sonne
1211: Sonnenwelle
122: Hohlrad
123: Steg
1231: Stegfuß
124: Planet
131: erste Eingangsstufenkupplung
1311: Innenlamellenträger von 131
1312: Außenlamellenträger von 131
1313: Innenlamelle von 131
1314: Außenlamelle von 131
132: zweite Eingangsstufenkupplung
1321: Innenlamellenträger von 132
1322: Außenlamellenträger von 132
1323: Innenlamelle von 132
1324: Außenlamelle von 132
141: erstes Rillenkugellager
142: zweites Rillenkugellager
143: Radiallager
151: erstes Axiallager
152: zweites Axiallager
160: Fliehölhaube
200: Folgestufe
202: Stufeneingangswelle von 200
204: Stufenausgangswelle von 200
220: Ravigneaux-Satz
221a: erste Sonne
221b: zweite Sonne
222: Hohlrad
223: Steg
224a: Langplanet
224b: Kurzplanet
231: erste Folgestufenkupplung
232: zweite Folgestufenkupplung
241: erste Bremse
242: zweite Bremse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1640202 A1 [0002]

Claims

Mehrstufiger Hybrid-Antriebsstrang (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Eingangsstufe (100), umfassend – eine mit einer Verbrennungskraftmaschine koppelbare Stufeneingangswelle (102), – eine mit einer nachfolgenden Stufe (200) gekoppelte Stufenausgangswelle (104), – eine elektrische Maschine (110) mit einem basisfesten Stator (111) und einem radial innerhalb des Stators (111) drehbar angeordneten Rotor (112) und – einen Planetensatz (120) mit einer Sonne (121), einem Hohlrad (122) und einem Steg (123), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (124), die einerseits mit der Sonne (121) und andererseits mit dem Hohlrad (122) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei die Sonne (121) mit dem Rotor (112), das Hohlrad (122) mit der Stufeneingangswelle (102) und der Steg (123) mit der Stufenausgangswelle (104) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Rotor (112) mit der Sonne (121) koppelnde, erste Kupplung (131) dem Planetensatz (120) axial benachbart angeordnet ist, eine den Rotor (112) mit der Stufenausgangswelle (104) koppelnde, zweite Kupplung (132) der ersten Kupplung (131) axial benachbart angeordnet ist und der Planetensatz (120) und die Kupplungen (131, 132) sowohl radial als auch axial innerhalb des Rotors (112) angeordnet sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (110), der Planetensatz (120) und die Kupplungen (131, 132) koaxial zueinander angeordnet sind.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetensatz (120) stufeneingangsseitig, die zweite Kupplung (132) stufenausgangsseitig und die erste Kupplung (131) axial zwischen dem Planetensatz (120) und der zweiten Kupplung (132) angeordnet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungen (131, 132) als Lamellenkupplungen mit jeweils einem einen Satz Innenlamellen (1313; 1323) tragenden Innenlamellenträger (1311; 1321) und einem einen Satz Außenlamellen (1314; 1324) tragenden Außenlamellenträger (1312; 1322) ausgebildet sind, wobei die Außenlamellen (1314; 1324) und die Innenlamellen (1313; 1323) alternierend ineinandergreifend und die Lamellen (1313; 1314; 1323, 1324) auf ihrem jeweiligen Lamellenträger (1311, 1312; 1321, 1322) axial verschieblich angeordnet sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenlamellenträger (1321) der zweiten Kupplung (132) auf der Stufenausgangswelle (102) und ihr Außenlamellenträger (1322) am Rotor (112) fixiert ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenlamellenträger (1311) der ersten Kupplung (131) auf einer die Sonne (121) tragenden Welle (1211) und ihr Außenlamellenträger (1312) am Rotor (112) fixiert ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenlamellenträger (1311) der ersten Kupplung (131) die die Sonne (121) tragende Welle (1211) axial überragt und in seinem überragenden Abschnitt mittels eines ersten Rillenkugellagers (141) gegen die Stufenausgangswelle gelagert ist.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (123) einen axial erstreckten Fuß (1231) aufweist, mit dessen Innenseite er an der Stufenausgangswelle (104) fixiert ist und gegen dessen Außenseite die Sonne (121) mittels eines zweiten Rillenkugellagers (142) gelagert ist.
Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenausgangswelle (104) den Planetensatz (120) und die Kupplungen (131, 132) zentral durchsetzt und stufeneingangsseitig über den Planetensatz (120) hinausragt.
Antriebsstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufeneingangswelle (102) gegen die Stufenausgangswelle (104) radialgelagert ist.