DE102016221060A1

DE102016221060A1 - Hybridantriebsstrang für ein hybridgetriebenes Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016221060A1
Application number: DE102016221060.2A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hummel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-04-26
Also published as: WO2018077904A1; EP3532327B1; CN109863055B; CN109863055A; US20190263247A1; EP3532327A1; US10882387B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang für ein hybridgetriebenes Fahrzeug, mit einem mittels Schaltelemente in unterschiedliche Übersetzungsstufen umschaltbaren Getriebe (1), insbesondere Handschaltgetriebe, das über eine Brennkraftmaschinen-Welle (3) mit einer Brennkraftmaschine (7), über eine Elektromaschinen-Welle (9) mit einer Elektromaschine (11) sowie über eine Ausgangswelle (13) mit zumindest einer Fahrzeugachse (VA) trieblich verbindbar ist, wobei die Brennkraftmaschinen-Welle (3) und eine mit der Ausgangswelle (13) trieblich verbundene Abtriebswelle (17) über Stirnzahnradsätze verbindbar sind, die mittels der Schaltelemente schaltbar sind und jeweils Radebenen (V1 bis V4, E1, E2) bilden. Erfindungsgemäß weisen die Radebenen (V1 bis V4, E1, E2) eine erste und eine zweite Hybrid-Radebene (E1, E2) auf, die jeweils zusätzlich mit der Elektromaschinen-Welle (9) trieblich verbindbar sind. Die Elektromaschine (11) ist unter Bildung eines ersten Lastpfads (L1) über die erste Hybrid-Radebene (E1) mit der Brennkraftmaschine (7) verbindbar und unter Bildung eines zweiten Lastpfads (L2) über die Hybrid-Radebene (E2) mit der Brennkraftmaschine (7) verbindbar, während gleichzeitig die mit der Ausgangswelle (13) verbundene Abtriebswelle (17) vom jeweiligen Lastpfad (L1, L2) entkoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang für ein hybridgetriebenes Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der EP 2 792 523 A2 ist ein gattungsgemäßer Hybridantriebsstrang für ein hybridgetriebenes Fahrzeug bekannt. Dieser weist ein mittels Schaltelemente in unterschiedliche Übersetzungsstufen umschaltbares Getriebe auf, das über eine Brennkraftmaschinen-Welle mit einer Brennkraftmaschine, über eine Elektromaschinen-Welle mit einer Elektromaschine sowie über eine Ausgangswelle mit zumindest einer Fahrzeugachse trieblich verbindbar ist. Die Brennkraftmaschinen-Welle ist über, Radebenen bildende Stirnzahnradsätze mit einer Abtriebswelle verbindbar. Diese treibt wiederum über eine Stirnradstufe auf die Ausgangswelle ab. Die Radebenen des Hybridgetriebes weisen eine Hybrid-Radebene auf, die trieblich mit der Elektromaschinen-Welle verbunden ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hybridantriebsstrang bereitzustellen, der in einer im Vergleich zum Stand der Technik baulich einfachen, bauraumgünstigen Konstruktion größere Freiheitsgrade in der Funktionalität aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 weisen die Radebenen V1 bis V4, E1, E2 eine erste und eine zweite Hybrid-Radebene E1, E2 auf. Diese sind zusätzlich mit der Elektromaschinen-Welle trieblich verbindbar und so ausgelegt, dass die Elektromaschine unter Bildung eines ersten Lastpfads L1 über die erste Hybrid-Radebene E1 mit der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Alternativ dazu kann die Elektromaschine unter Bildung eines zweiten Lastpfads L2 mit der Brennkraftmaschine verbunden werden. Bei geschaltetem ersten oder zweiten Lastpfad L1, L2 , ist die mit der Ausgangswelle verbundene Abtriebswelle vom jeweiligen Lastpfad L1, L2 entkoppelt.
Beispielhaft kann der erste Lastpfad L1 für einen Standlade-Betrieb ausgelegt sein, bei dem die Brennkraftmaschine in einer Momentenflußrichtung über die erste Hybrid-Radebene E1 mit der Elektromaschine verbunden ist. Die erste Hybrid-Radebene E1 ist dabei so ausgelegt, dass sich eine große Übersetzung von der Brennkraftmaschine zur Elektromaschine ergibt.
Demgegenüber kann der zweite Lastpfad L2 für einen Brennkraftmaschinen-Start ausgelegt sein, bei dem die Elektromaschine in einer Momentenflußrichtung über die zweite Hybrid-Radebene E2 mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die zweite Hybrid-Radebene E2 ist dabei so ausgelegt, dass sich eine große Übersetzung von der Elektromaschine zur Brennkraftmaschine ergibt.
Zudem sind mittels der ersten und zweiten Hybrid-Radebenene E1, E2 elektromotorische Übersetzungsgänge mit einem hohen Drehmoment zum Anfahren sowie mit langen Übersetzungen für hohe Geschwindigkeiten bereitstellbar. Außerdem sind mittels der ersten und zweiten Hybrid-Radebenene E1, E2 elektromotorische Übersetzungsgänge für einen Boost-Betrieb von der Elektromaschine zum Fahrzeugrad sowie für einen Rekuperations-Betrieb vom Fahrzeugrad zur Elektromaschine bereitstellbar.
In einer technischen Umsetzung kann die jeweilige Hybrid-Radebene E1, E2 aus einem auf der Abtriebswelle angeordneten abtriebsseitigen Zahnrad, einem auf der Brennkraftmaschinen-Welle angeordneten antriebsseitigen Zahnrad und einem auf der Elektromaschinen-Welle angeordneten Zahnrad aufgebaut sein. Das auf der Elektromaschinen-Welle angeordnete Zahnrad kann als ein Loszahnrad auf der Elektromaschinen-Welle drehgelagert sein und mittels des Schaltelements SE-A von der Elektromaschinen-Welle abkoppelbar sein oder damit koppelbar sein.
Das auf der Elektromaschinen-Welle angeordnete Schaltelement SE-A kann beidseitig schaltbar sein und in Axialrichtung zwischen den Loszahnrädern der beiden Hybrid-Radebenen E1, E2 angeordnet sein. Das Schaltelement SE-A kann entweder in einer ersten Schaltstellung das Loszahnrad der ersten Hybrid-Radebene E1 mit der Elektromaschinen-Welle koppeln oder in einer zweiten Schaltstellung das Loszahnrad der zweiten Hybrid-Radebene E2 mit der Elektromaschinen-Welle koppeln.
Bevorzugt ist es, wenn die Elektromaschinen-Welle gänzlich frei von darauf drehfest angeordneten Festzahnrädern der Stirnzahnradsätze ist, die die Radebenen des Getriebes bilden.
Zudem ist es bevorzugt, wenn das Getriebe als ein reines Stirnradgetriebe, ausgelegt ist, bei dem die Brennkraftmaschinen-Welle, die Elektromaschinen-Welle und die Ausgangswelle ausschließlich über Stirnzahnradsätze miteinander trieblich verbindbar sind. Auf diese Weise wird eine einfach aufgebaute Getriebestruktur erzielt, die im Vergleich zu einem Planetengetriebe wesentlich effizienter betreibbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die beiden Hybrid-Radebenen in der Axialrichtung unmittelbar benachbart sein und zusammen zu einem gemeinsamen Teilgetriebe T zusammengefasst sein, das im Getriebe-Betrieb stillgelegt ist, das heißt vom Antriebsstrang abgekoppelt ist. Zur Realisierung eines solchen Teilgetriebes T kann jede der Hybrid-Radebenen E1, E2 jeweils ein auf der Abtriebswelle angeordnetes abtriebsseitiges Zahnrad aufweisen, das als Loszahnrad ausgeführt ist und mittels eines Schaltelementes SE-B mit der Abtriebswelle koppelbar ist. Zudem können auch die auf der Brennkraftmaschinen-Welle angeordneten antriebsseitigen Zahnräder der beiden Hybrid-Radebenen E1, E2 als Loszahnräder ausgeführt sein. Diese sind bevorzugt gemeinsam drehfest auf einer antriebsseitigen Hohlwelle angeordnet, die koaxial auf der Brennkraftmaschinen-Welle drehgelagert ist und über genau ein Schaltelement, nämlich SE-C, mit der Brennkraftmaschinen-Welle koppelbar ist. Das oben erwähnte, auf der Abtriebswelle angeordnete Schaltelement SE-B kann beidseitig schaltbar ausgeführt sein und in Axialrichtung zwischen den abtriebsseitigen Loszahnrädern der beiden Hybrid-Radebenen E1, E2 angeordnet sein.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann die jeweilige Hybrid-Radebene E1, E2 zusammen mit einer weiteren Radebene V3, V4 zu einem ersten und zu einem zweiten Teilgetriebe T1, T2 zusammengefasst sein. Die ersten und zweiten Teilgetriebe T1, T2 sind im Getriebe-Betrieb deaktivierbar, das heißt vom Antriebsstrang abkoppelbar oder stilllegbar. Die oben erwähnte weitere Radebene ist im Gegensatz zur jeweiligen Hybrid-Radebene E1, E2 gegenüber der Elektromaschinen-Welle anbindungsfrei und weist ein auf der Abtriebswelle drehgelagertes abtriebsseitiges Loszahnrad auf, das mittels eines Schaltelementes SE-D, SE-E mit der Abtriebswelle koppelbar ist. Bevorzugt ist es, wenn das auf der Abtriebswelle angeordnete Schaltelement SE-D, SE-E beidseitig schaltbar ist und in der Axialrichtung zwischen den auf der Abtriebswelle drehgelagerten abtriebsseitigen Loszahnrädern der Hybrid-Radebene E1, E2 und der weiteren Radebene V3, V4 angeordnet ist.
Die oben erwähnte weitere Radebene V3, V4 kann zudem ein auf der Brennkraftmaschinen-Welle drehgelagertes antriebsseitiges Loszahnrad aufweisen. Dieses ist mittels eines Schaltelementes SE-F mit der Brennkraftmaschinen-Welle koppelbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn die auf der Brennkraftmaschinen-Welle drehgelagerten antriebsseitigen Loszahnräder der jeweiligen Hybrid-Radebene E1, E2 und der weiteren Radebene V3, V4 auf einer gemeinsamen antriebsseitigen Hohlwelle drehfest angeordnet sind, die auf der Brennkraftmaschinen-Welle koaxial drehgelagert sind und über genau ein Schaltelement SE-F mit der Brennkraftmaschinen-Welle koppelbar ist.
Bevorzugt kann das auf der Brennkraftmaschinen-Welle angeordnete Schaltelement SE-F beidseitig schaltbar sein und in Axialrichtung zwischen den antriebsseitigen Hohlwellen der beiden Teilgetriebe T1, T2 angeordnet sein.
Das auf der Elektromaschinen-Welle angeordnete Schaltelement kann beliebig realisiert sein, zum Beispiel als eine lastschaltbare Freikupplung in Kombination mit einer Kupplung, als eine lastschaltbare Doppelkupplung oder als eine nicht lastschaltbare Doppelsynchronisierung. Zudem kann die Elektromaschine antriebsseitig oder abtriebsseitig im Getriebe angebunden sein. Bei einer antriebsseitigen Anbindung kann das auf der Elektromaschinen-Welle angeordnete Zahnrad der Hybrid-Radebene E1, E2 mit einem auf der Brennkraftmaschinen-Welle drehgelagerten antriebsseitigen Loszahnrad kämmen. Bei einer abtriebsseitigen Anbindung kann das auf der Elektromaschinen-Welle angeordnete Zahnrad der Hybrid-Radebene E1, E2 mit einem auf der Abtriebswelle drehgelagerten abtriebsseitigen Loszahnrad kämmen.
Das obige Hybridkonzept kann aufbauend auf einem herkömmlichen Handschaltgetriebe in einfacher Weise realisiert werden und speziell für den Frontantrieb genutzt werden. Die Hinterachse kann gegebenenfalls mechanisch entkoppelt von der Vorderachse sein, jedoch über separate Elektromaschinen antreibbar ist, um einen Vierradantrieb zu realisieren. Im obigen Hybridkonzept kann die Elektromaschine bevorzugt am Getriebeende positioniert sein.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Getriebestruktur eines als Stirnrad-Handschaltgetriebe ausgeführten Hybridgetriebes;
2 in einer Ansicht entsprechend der 1 ein zweites Ausführungsbeispiel des Hybridgetriebes; und
3 und 4 jeweils eine Abwandlung der 2.

In der 1 ist ein Handschaltgetriebe 1 gezeigt, das Bestandteil eines Hybridantriebsstranges eines nicht dargestellten hybridgetriebenen Kraftfahrzeugs ist. Das mittels Schaltelemente in unterschiedliche Übersetzungsstufen umschaltbare Getriebe 1 ist über eine Brennkraftmaschinen-Welle 3 mit zwischengeschalteter Trennkupplung 4 und Torsionsdämpfer 5 mit einer Brennkraftmaschine 7 verbunden sowie über eine Elektromaschinen-Welle 9 mit einer Elektromaschine 11 verbunden. Die Elektromaschine 11 kann für eine Drehmomentwandlung ein in der 1 dargestelltes Planeten-Vorgelege 12 aufweisen. Zudem ist das Getriebe 1 ausgangsseitig über eine Ausgangswelle 13 mit einer Vorderachse VA des Kraftfahrzeugs trieblich verbunden. Die Ausgangswelle 13 steht als Ritzelwelle mit dem Kegeltrieb eines Vorderachsdifferenzials 15 in Wirkverbindung.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, sind die Brennkraftmaschinen-Welle 3, die Elektromaschinen-Welle 9 sowie eine zwischengeordnete Abtriebswelle 17 zueinander achsparallel angeordnet. Die Abtriebswelle 17, die Elektromaschinen-Welle 9 sowie die Ausgangswelle 13 sind über Stirnzahnradsätze miteinander trieblich verbindbar, die über die Schaltelemente schaltbar sind. Die Stirnzahnradsätze bilden zueinander parallel angeordnete Radebenen V1 bis V4 und E1 sowie E2, die sich gemäß der 1 in der Axialrichtung allesamt zwischen der Brennkraftmaschine 7 und der Elektromaschine 11 befinden.
Nachfolgend ist die in der 1 gezeigte Getriebestruktur des Hybridgetriebes 1 beschrieben: So sind in der 1 die Brennkraftmaschinen-Welle 3 und die Abtriebswelle 17 über Radebenen V1 bis V4 miteinander verbunden, die jeweils aus miteinander kämmenden Los- und Festzahnrädern aufgebaut sind. Die Loszahnräder der Radebenen V1 bis V4 sind über Schaltelemente SE-H und SE-G mit der jeweils tragenden Welle 3, 17 koppelbar. Die Radebenen V1 bis V4 sind anbindungsfrei gegenüber der Elektromaschinen-Welle 9.
Zudem sind zwei Hybrid-Radebenen E1, E2 vorgesehen. Jede Hybrid-Radebene E1, E2 weist ein auf der Abtriebswelle 17 angeordnetes abtriebsseitiges Zahnrad 19, 21 auf, das jeweils mit einem auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 angeordneten antriebsseitigen Zahnrad 23, 25 und mit jeweils einem koaxial zur Elektromaschinen-Welle 9 angeordneten (elektromaschinenseitigen) Loszahnrad 27, 29 kämmt. Die antriebsseitige Zahnräder 23, 25 der Hybrid-Radebenen E1, E2 sind als Loszahnräder auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 drehgelagert. Zwischen den elektromaschinenseitigen Loszahnrädern 27, 29 der Hybrid-Radebenen E1, E2 ist ein beidseitig schaltbares Schaltelement SE-A angeordnet, mit dem entweder die erste Hybrid-Radebene E1 oder die zweite Hybrid-Radebene E2 mit der Elektromaschinen-Welle 9 koppelbar ist. Die Abtriebswelle 17 treibt über eine Stirnradstufe St auf die Ausgangswelle 13 ab.
In der in der 1 gezeigten Neutralstellung des Schaltelements SE-A ist die Elektromaschinen-Welle 9 vom Antriebsstrang abgekoppelt. Auf diese Weise ist die Elektromaschinen-Welle 9 im Getriebe-Betrieb stillgelegt, d.h. deaktiviert. Dadurch reduziert sich vorteilhaft das Trägheitsmoment des verbleibenden aktivierten Getriebes. Die Zahnräder der Hybrid-Radebenen E1, E2 bleiben jedoch aktiviert, d.h. diese werden trotz stillgelegter Elektromaschine 11 im Getriebe-Betrieb mitgedreht.
In der 1 sind die beiden Hybrid-Radebenen E1, E2 zu einem gemeinsamen Teilgetriebe T zusammengefasst, das im Getriebe-Betrieb komplett momentenfrei schaltbar ist, das heißt vom Antriebsstrang komplett abkoppelbar ist, so dass das Teilgetriebe T vollständig stillgelegt ist. Zur Realisierung des Teilgetriebes T sind in der 1 die beiden abtriebsseitigen Zahnräder 19, 21 der Hybrid-Radebenen E1, E2 als Loszahnräder auf der Abtriebswelle 17 drehgelagert. Zwischen den beiden abtriebsseitigen Zahnrädern 19, 21 der Hybrid-Radebenen E1 und E2 ist ein Schaltelement SE-B angeordnet, das beidseitig schaltbar ist und entweder die erste oder die zweite Hybrid-Radebene E1, E2 mit der Abtriebswelle koppeln kann. Zudem sind in der 1 die beiden antriebsseitigen Loszahnräder 23, 25 der Hybrid-Radebenen E1, E2 gemeinsam auf einer antriebsseitigen Hohlwelle 31 drehfest angeordnet, die koaxial auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 drehgelagert ist. Die antriebsseitige Hohlwelle 31 ist in bauteilreduzierter Weise über genau ein Schaltelement SE-C mit der Brennkraftmaschinen-Welle 3 koppelbar.
In der 2 sind im Unterschied zur 1 insgesamt zwei Teilgetriebe T1, T2 bereitgestellt, die im Getriebe-Betrieb jeweils komplett momentenfrei schaltbar sind, das heißt vom Antriebsstrang komplett abkoppelbar sind, so dass das erste Teilgetriebe T1 und/oder das zweite Teilgetriebe T2 vollständig stillgelegt ist. Im ersten Teilgetriebe T1 sind die erste Hybrid-Radebene E1 und eine weitere, unmittelbar axial benachbarte Radebene V4 zusammengefasst. Im zweiten Teilgetriebe T2 sind die zweite Hybrid-Radebene E2 sowie eine unmittelbar benachbarte weitere Radebene V3 miteinander zusammengefasst.
Im ersten Teilgetriebe T1 weist die Radebene V4 ein auf der Abtriebswelle 17 drehgelagertes abtriebsseitiges Loszahnrad 33 auf. Das abtriebsseitige Loszahnrad 33 der Radebene V4 und das abtriebsseitige Loszahnrad 19 der ersten Hybrid-Radebene E1 können über ein dazwischen angeordnetes beidseitig schaltbares Schaltelement SE-D alternierend mit der Abtriebswelle 17 gekoppelt werden. Sowohl die erste Hybrid-Radebene E1 als auch die Radebene V4 weisen auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 drehgelagerte antriebsseitige Loszahnräder 23, 35 auf, die gemeinsam drehfest auf einer antriebsseitigen ersten Hohlwelle 37 angeordnet sind. Diese ist auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 koaxial drehgelagert und über ein Schaltelement SE-F mit der Brennkraftmaschinen-Welle 3 koppelbar.
Das zweite Teilgetriebe T2 ist baugleich wie das erste Teilgetriebe T1 aufgebaut. Im zweiten Teilgetriebe T2 weist die Radebene V3 ein auf der Abtriebswelle 17 drehgelagertes abtriebsseitiges Loszahnrad 39 auf. Das abtriebsseitige Loszahnrad 39 der Radebene V3 und das abtriebsseitige Loszahnrad 21 der zweiten Hybrid-Radebene E2 können über ein dazwischen angeordnetes beidseitig schaltbares Schaltelement SE-E alternierend mit der Abtriebswelle 17 gekoppelt werden. Sowohl die zweite Hybrid-Radebene E2 als auch die Radebene V3 weisen auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 drehgelagerte antriebsseitige Loszahnräder 25, 41 auf, die gemeinsam drehfest auf einer antriebsseitigen zweiten Hohlwelle 43 angeordnet sind, die auf der Brennkraftmaschinen-Welle 3 koaxial drehgelagert ist und über das Schaltelement SE-F mit der Brennkraftmaschinen-Welle 3 koppelbar ist. Das für die beiden Hohlwellen 37, 43 gemeinsame Schaltelement SE-F ist beidseitig schaltbar und zwischen den beiden antriebsseitigen Hohlwellen 37, 43 angeordnet.
Wie aus der 2 weiter hervorgeht, werden die beiden elektromaschinenseitigen Zahnräder 27, 29 der Hybrid-Radebenen E1, E2 über eine Doppelkupplung geschaltet, die aus einer ersten Kupplung K1 und einer zweiten Kupplung K2 aufgebaut ist. Die Doppelkupplung weist einen Außenlamellenträger 45 auf, der drehfest an der Elektromaschinen-Welle 9 angebunden ist. Der Außenlamellenträger 45 wirkt mit zwei in Axialrichtung nebeneinander angeordneten Innenlamellenträger 47, 49 zusammen. Der Innenlamellenträger 49 ist zusammen mit dem elektromaschinenseitigen Zahnrad 27 der ersten Hybrid-Radebene E1 drehfest auf einer Hohlwelle 51 angeordnet. Demgegenüber ist der Innenlamellenträger 47 zusammen mit dem Zahnrad 29 der zweiten Hybrid-Radebene E2 drehfest auf einer Vollwelle 53 angeordnet, die sich koaxial durch die Hohlwelle 51 erstreckt.
Das in der 2 gezeigte Getriebe 1 weist insgesamt 16 Zahnräder, vier Synchronisierungen sowie zwei Kupplungen K1, K2 auf. In dem Getriebe 1 sind bis zu zehn verbrennungsmotorische Gänge schaltbar, das heißt die nachfolgend erläuterten sechs verbrennungsmotorischen Direkt-Gänge VM1 bis VM6, die lediglich eine Radebene nutzen, sowie die vier Verwindungs-Gänge VM7 bis VM10, die zumindest zwei Radebenen nutzen:

In den Direkt-Gängen VM1 und VM2 ist das Schaltelement SE-H nach links bzw. nach rechts geschaltet, während die beiden Teilgetriebe T1, T2 stillgelegt sind.

Im Direkt-Gang VM3 ist SE-F nach rechts und SE-D nach links geschaltet. Das heißt, dass das Teilgetriebe T1 aktiviert ist und das Teilgetriebe T2 deaktiviert ist. Gleiches trifft auch für den Direkt-Gang VM4 zu, bei dem SE-F nach rechts und SE-D ebenfalls nach rechts geschaltet sind.
In den folgenden Direkt-Gängen VM5 und VM6 ist das Teilgetriebe T2 aktiviert und das Teilgetriebe T1 deaktiviert. Beim Direkt-Gang VM5 ist SE-F nach links und SE-E nach links geschaltet. Beim Direkt-Gang VM6 ist SE-F nach links und SE-E nach rechts geschaltet.
Von den folgenden vier verbrennungsmotorischen Verwindungs-Gängen VM7 bis VM10 ist im Gang VM7 das Schaltelement SE-F nach rechts geschaltet, die Kupplungen K1 und K2 betätigt und das Schaltelement SE-E nach links geschaltet. Beim Verwindungs-Gang VM8 sind SE-F nach rechts geschaltet, die beiden Kupplungen K1, K2 betätigt und SE-E nach rechts geschaltet. Im Verwindungs-Gang VM9 sind SE-F nach links geschaltet, die beiden Kupplungen K1, K2 betätigt und SE-D nach links geschaltet. Im Verwindungs-Gang VM10 sind SE-F nach links geschaltet, die beiden Kupplungen K1, K2 betätigt und SE-D nach rechts geschaltet.
Im rein elektromotorischen Betrieb des in der 2 gezeigten Getriebes 1 können bis zu 8 elektromotorische Gänge geschaltet werden, das heißt die folgenden zwei Direkt-Gänge EM1, EM2 und die sechs Verwindungs-Gänge EM3 bis EM8:
So ist im Direkt-Gang EM1 die Kupplung K1 betätigt und das Schaltelement SE-D nach links geschaltet. Im Direkt-Gang EM2 ist die Kupplung K2 betätigt und das Schaltelement SE-E nach links geschaltet. Im elektromotorischen Verwindungs-Gang EM3 ist die Kupplung K1 betätigt und SE-D nach rechts geschaltet. Im Verwindungs-Gang EM4 ist die Kupplung K1 betätigt und SE-F nach rechts geschaltet sowie SE-H nach links geschaltet. Im Verwindungs-Gang E5 ist die Kupplung K1 betätigt, SE-F nach rechts geschaltet sowie SE-H nach rechts geschaltet. Im Verwindungs-Gang EM6 ist die Kupplung K2 betätigt sowie SE-E nach rechts geschaltet. Im Verwindungs-Gang EM7 ist die zweite Kupplung K2 betätigt, SE-F nach links geschaltet sowie SE-H nach links geschaltet. Im Verwindungs-Gang EM8 ist die Kupplung K2 betätigt, SE-F nach links geschaltet sowie SE-H nach rechts geschaltet.
Aus den obigen verbrennungsmotorischen Gängen VM1 bis VM10 und den elektromotorischen Gängen EM1 bis EM8 können in Kombination bis zu 28 hybridische Gänge realisiert werden, in denen elektromotorische und verbrennungsmotorische Gänge in Kombination geschaltet sind.
Nachfolgend sind spezielle Fahrbetriebsarten hervorgehoben, die mittels des in der 2 gezeigten Getriebes realisierbar sind:

So ist mit der in der 2 gezeigten Getriebestruktur ein Standladen der Elektromaschine 11 ermöglicht, sofern das Fahrzeug im Fahrzeugstillstand ist, zum Beispiel an einer Ampel oder im Stau. In diesem Fall kann beispielhaft das Schaltelement SE-F nach rechts betätigt werden, um die Brennkraftmaschinen-Welle 3 mit der ersten Hybrid-Radebene E1 zu verbinden. Zugleich wird die Kupplung K1 (bestehend aus dem Außenlamellenträger 45 und dem Innenlamellenträger 49) geschlossen, um die erste Hybrid-Radebene E1 mit der Elektromaschinen-Welle 9 zu verbinden. Dadurch ist ein Lastpfad L1 gebildet, der einen Momentenfluss von der Brennkraftmaschine 7 über die Brennkraftmaschinen-Welle 3, die erste Hybrid-Radebene E1, die geschlossene Kupplung K1 bis zur Elektromaschine 11 leitet.

Zudem ist mit Hilfe der Elektromaschine 11 ein Brennkraftmaschinen-Start durchführbar. Die Elektromaschine 11 kann die Brennkraftmaschine 7 über einen Lastpfad L2 starten, bei dem beispielhaft die zweite Kupplung K2 (bestehend aus dem Außenlamellenträger 45 und dem Innenlamellenträger 47) geschlossen ist und das Schaltelement SE-F nach links betätigt ist.
Ferner kann in der 2 ein Schaltvorgang zwischen den verbrennungsmotorischen Gängen 1 bis 6 mit Hilfe der Elektromaschine 11 zugkraftunterbrechungsfrei erfolgen, und zwar z.B. mit Hilfe der elektromotorischen Gänge EM1, EM2, die beim verbrennungsmotorischen Schalten als Stützgänge wirken. Ein solcher Schaltvorgang wird mit einem Öffnen der Trennkupplung 4 gestartet, um die Brennkraftmaschine 7 vom Getriebe 1 zu entkoppeln. Ein eingelegter elektromotorischer Stützgang stellt während des zwischen den verbrennungsmotorischen Gängen erfolgenden Schaltvorgangs einen Stützlastpfad bereit, der von der Elektromaschine 11 zur Antriebsseite verläuft. Während des Schaltvorgangs (das heißt die Brennkraftmaschine 7 ist mittels der Trennkupplung 4 vom Antriebsstrang abgekoppelt) kann somit die Elektromaschine 11 ein Antriebsmoment erzeugen, das über den Stütz-Lastpfad zur Abtriebsseite übertragen wird.
Der obige Sachverhalt ist nachfolgend anhand eines zugkraftunterbrechungsfreien Schaltvorgangs zwischen dem dritten und vierten verbrennungsmotorischen Gang erläutert, bei dem der elektromotorische zweite Gang EM2 als Stützgang wirkt: So ist im Getriebe 1 der 2 im verbrennungsmotorischen dritten Gang VM3 das Schaltelement SE-F nach rechts und das Schaltelement SE-D nach links geschaltet. Dadurch verläuft ein Lastpfad von der Brennkraftmaschine 7, dem Teilgetriebe T1, der Abtriebswelle 17 bis zum abtriebsseitigen Stirnradtrieb St, während das Teilgetriebe T2 deaktiviert (stillgelegt) ist. Zu Beginn des Schaltvorgangs wird die Trennkupplung 4 gelöst und das Schaltelement SE-D in seine Neutralstellung geschaltet. Zudem wird der als Stützgang wirkende elektromotorische Gang EM2 eingelegt, das heißt die Lamellenkupplung K2 geschlossen und das Schaltelement SE-E nach links geschaltet, und die Elektromaschine 11 hochgefahren. Dadurch erfolgt eine Lastübertragung von der Elektromaschine 11 zur Abtriebsseite, bei der die Elektromaschine 11 ein beliebig einstellbares Moment erzeugt.
Der Schaltvorgang in den Zielgang VM4 wird fortgesetzt, indem das Schaltelement SE-D von seiner Neutralstellung nach rechts geschaltet wird. Damit ist ein Lastpfad von der Brennkraftmaschine 7 über das Schaltelement SE-F, die Radebene V4, das Schaltelement SE-D sowie die Abtriebswelle 17 bis zum abtriebsseitigen Stirnradtrieb St vorbereitet. Zum Ende des Schaltvorgangs wird die Trennkupplung 4 wieder geschlossen, das heißt die Brennkraftmaschine 7 zugeschaltet, sowie die Elektromaschine 11 wieder heruntergefahren, so dass der Zielgang VM4 geschaltet ist und abermals eine Lastübertragung von der Brennkraftmaschine 7 zur Abtriebsseite erfolgt.
Von daher kann im Getriebe 1 der 2 jede Schaltung mittels eines elektromotorischen Stützgangs gestützt werden, und zwar im Unterschied zur 1, in der speziell ein Schaltvorgang zwischen dem verbrennungsmotorischen dritten Gang VM3 und dem verbrennungsmotorischen vierten Gang VM4, das heißt zwischen den Hybrid-Radebenen E1 und E2, nicht mittels eines elektromotorischen Gangs gestützt werden kann. In dem in der 1 gezeigten Getriebe 1 kann während des obigen Schaltvorgangs von der Elektromaschine 11 kein Stütz-Lastpfad bereitgestellt werden, da sowohl die Brennkraftmaschine 7 als auch die Elektromaschine 11 über ein gemeinsames Schaltelement SE-B auf die Abtriebswelle 17 abtreiben. Somit ist in der 1 kein zugkraftunterbrechungsfreies Schalten zwischen dem dritten und vierten verbrennungsmotorischen Gang möglich.
Zudem ist mittels des in der 2 gezeigten Getriebes 1 ein elektromotorisches Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand oder ein Boost-Betrieb ermöglicht, bei der für einzelne verbrennungsmotorische Gänge mehrere elektromotorische Gänge zum Boosten zur Verfügung stehen.
Anhand der folgenden 3 bis 5 sind Abwandlungen des in der 3 gezeigten Getriebes 1 beschrieben:

So sind in der 3 die beiden elektromaschinenseitigen Zahnräder 27, 29 der Hybrid-Radebenen E1, E2 nicht über eine Doppelkupplung (2) oder über eine Doppelsynchronisierung (2) mit der Elektromaschinen-Welle 9 verbindbar, sondern anstelle dessen mittels einer Freilaufkupplung F und einer Lamellenkupplung K. Die Lamellenkupplung K weist einen Außenlamellenträger 45 auf, der sowohl an der Elektromaschinen-Welle 9 als auch an der Hohlwelle 51 drehfest angebunden ist. Der Außenlamellenträger 45 wirkt auf einen Innenlamellenträger 47. Dieser ist zusammen mit dem Zahnrad 29 der Hybrid-Ebene 1 auf der Vollwelle 53 drehfest angeordnet, die sich koaxial durch die Hohlwelle 51 erstreckt. Das elektromaschinenseitige Zahnrad 27 der ersten Hybridradebene E1 ist über die Freilaufkupplung F mit der Hohlwelle 51 verbindbar. Der Freilaufkupplung F ist ein Schaltelement SE-I zugeordnet, das in zwei Betriebsstellungen schaltbar ist: In der gezeigten Betriebsstellung ist eine Drehmomentübertragung von der Elektromaschinen-Welle 9 über den Außenlamellenträger 45 und über die Hohlwelle 51 in Richtung auf das elektromaschinenseitige Zahnrad 27 der ersten Hybrid-Radebene E1 ermöglicht und in Gegenrichtung die Freilauffunktion aktiviert, das heißt eine Drehmomentübertragung unterbunden. Sofern also die mit der Hohlwelle 51 verbundene Freilaufkupplungs-Innenseite 58 schneller dreht als das elektromaschinenseitige Zahnrad 27, treibt die Hohlwelle 51 das Zahnrad 27 an. In einer zweiten Betriebsstellung ist das Schaltelement SE-I in der 3 nach links geschaltet. In diesem Fall ist eine Drehmomentübertragung in beiden Richtungen ermöglicht. Sowohl in der 3 als auch in der 2 sind die elektromotorischen Gänge lastschaltbar, während in der 1 die elektromotorischen Gänge nicht lastschaltbar sind.

In der 4 ist die Elektromaschine 11 nicht mehr abtriebsseitig an das Getriebe 1 angebunden (wie in den 1 bis 3), sondern antriebsseitig an das Getriebe 1 angebunden. Bei einer solchen antriebsseitigen Anbindung kämmen die elektromaschinenseitigen Zahnräder 27, 29 der Hybrid-Radebenen E1 und E2 nicht mehr mit den abtriebsseitigen Zahnrädern 19, 21 der Hybrid-Radebenen E1 und E2, sondern mit den antriebsseitigen Zahnrädern 23, 25 der Hybrid-Radebenen E1 und E2.
In den 1 bis 4 ist ein elektromotorischer Rückwärtsgang bereitgestellt, bei dem die Elektromaschine 11 in umgekehrter Richtung zu betreiben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2792523 A2 [0002]

Claims

Hybridantriebsstrang für ein hybridgetriebenes Fahrzeug, mit einem mittels Schaltelemente in unterschiedliche Übersetzungsstufen umschaltbaren Getriebe (1), insbesondere Handschaltgetriebe, das über eine Brennkraftmaschinen-Welle (3) mit einer Brennkraftmaschine (7), über eine Elektromaschinen-Welle (9) mit einer Elektromaschine (11) sowie über eine Ausgangswelle (13) mit zumindest einer Fahrzeugachse (VA) trieblich verbindbar ist, wobei die Brennkraftmaschinen-Welle (3) und eine mit der Ausgangswelle (13) trieblich verbundene Abtriebswelle (17) über Stirnzahnradsätze verbindbar sind, die mittels der Schaltelemente schaltbar sind und jeweils Radebenen (V1 bis V4, E1, E2) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Radebenen (V1 bis V4, E1, E2) eine erste und eine zweite Hybrid-Radebene (E1, E2) aufweisen, die jeweils zusätzlich mit der Elektromaschinen-Welle (9) trieblich verbindbar sind, und dass die Elektromaschine (11) unter Bildung eines ersten Lastpfads (L1) über die erste Hybrid-Radebene (E1) mit der Brennkraftmaschine (7) verbindbar ist und unter Bildung eines zweiten Lastpfads (L2) über die Hybrid-Radebene (E2) mit der Brennkraftmaschine (7) verbindbar ist, während gleichzeitig die mit der Ausgangswelle (13) verbundene Abtriebswelle (17) vom jeweiligen Lastpfad (L1, L2) entkoppelt ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Hybrid-Radebene (E1, E2) jeweils ein auf der Abtriebswelle (17) angeordnetes abtriebsseitiges Zahnrad (19, 21), ein auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) angeordnetes antriebsseitiges Zahnrad (23, 25) und ein zur Elektromaschinen-Welle (9) koaxial angeordnetes elektromaschinenseitiges Zahnrad (27, 29) aufweist, und dass insbesondere das elektromaschinenseitige Zahnrad (27, 29) als Loszahnrad drehgelagert ist und mittels dem Schaltelement (SE-A), insbesondere eine nicht lastschaltbare Synchronisierung, von der Elektromaschinen-Welle (9) abkoppelbar ist oder damit koppelbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Elektromaschinen-Welle (9) angeordnete Schaltelement (SE-A) beidseitig schaltbar ist und in Axialrichtung zwischen den elektromaschinenseitigen Loszahnrädern (27, 29) der beiden Hybrid-Radebenen (E1, E2) angeordnet ist, wobei das Schaltelement (SE-A) in einer Neutralstellung von den beiden Hybrid-Radebenen (E1, E2) abgekoppelt ist und das Schaltelement (SE-A) entweder in einer ersten Schaltstellung das Loszahnrad (27) der ersten Hybrid-Radebene (E1) mit der Elektromaschinen-Welle (9) koppelt oder in einer zweiten Schaltstellung das Loszahnrad (29) der zweiten Hybrid-Radebene (E2) mit der Elektromaschinen-Welle (9) koppelt.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen-Welle (9) frei von drehfest darauf angeordneten Festzahnräder der die Radebenen bildenden Stirnzahnradsätze ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (17) über eine Stirnradstufe (St) mit der Ausgangswelle (13) verbunden ist, und dass insbesondere sämtliche Radebenen (V1 bis V4, E1, E2) in der Axialrichtung zwischen der Stirnradstufe (St) und der Elektromaschine (11) angeordnet sind, und/oder dass die erste und zweite Hybrid-Radebene (E1, E2) unmittelbar axial benachbart an der Elektromaschine (11) angeordnet sind.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Abtriebswelle (17) angeordnete abtriebsseitige Zahnrad (19, 21) der ersten und zweiten Hybrid-Radebene (E1, E2) ein Loszahnrad ist, das mittels eines Schaltelements (SE-B) mit der Abtriebswelle (17) koppelbar oder davon abkoppelbar ist, und/oder dass das auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) angeordnete antriebsseitige Zahnrad (23, 25) der ersten und zweiten Hybrid-Radebene (E1, E2) ein Loszahnrad ist, das mittels eines Schaltelements (SE-C) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Abtriebswelle (17) angeordnete Schaltelement (SE-B) beidseitig schaltbar ist und in Axialrichtung zwischen den abtriebsseitigen Loszahnrädern (19, 21) der beiden Hybrid-Radebenen (E1, E2) angeordnet ist, wobei das Schaltelement (SE-B) entweder in einer ersten Schaltstellung das abtriebsseitige Loszahnrad (19) der ersten Hybrid-Radebene (E1) mit der Abtriebswelle (17) koppelt oder in einer zweiten Schaltstellung das abtriebsseitige Loszahnrad (21) der zweiten Hybrid-Radebene (E2) mit der Abtriebswelle (17) koppelt.
Antriebsstrang nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hybrid-Radebenen (E1, E2) Bestandteile eines gemeinsamen Teilgetriebes (T) sind, das während des Getriebe-Betriebs stilllegbar ist, das heißt von der Brennkraftmaschine (7) und von der Abtriebsseite abkoppelbar ist, und dass insbesondere im Teilgetriebe (T) die auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) angeordneten antriebsseitigen Loszahnräder (23, 25) der beiden Hybridradebenen (E1, E2) gemeinsam auf einer Hohlwelle (31) drehfest angeordnet sind, die koaxial auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) drehgelagert ist und über genau ein Schaltelement (SE-C) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelbar ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hybrid-Radebene (E1, E2) jeweils eine weitere Radebene (V3, V4) unmittelbar benachbart ist, die gegenüber der Elektromaschinen-Welle (9) anbindungsfrei ist und ein auf der Abtriebswelle (17) drehgelagertes abtriebsseitiges Loszahnrad (33, 39) aufweist, das mittels eines Schaltelements (SE-D, SE-E) mit der Abtriebswelle (17) koppelbar ist, und dass insbesondere das auf der Abtriebswelle (17) angeordnete Schaltelement (SE-D, SE-E) beidseitig schaltbar ist und in Axialrichtung zwischen den auf der Abtriebswelle (17) drehgelagerten abtriebsseitigen Loszahnrädern (19, 21, 33, 39) der jeweiligen Hybrid-Radebene (E1, E2) und der zugeordneten weiteren Radebene (V3, V4) angeordnet ist, wobei das Schaltelement (SE-D, SE-E) in einer Neutralstellung von der Hybrid-Radebene (E1, E2) und von der weiteren Radebene (V3, V4) abgekoppelt ist und das Schaltelement (SE-D, SE-E) entweder in einer ersten Schaltstellung das abtriebsseitige Loszahnrad (33, 39) der weiteren Radebene (V3, V4) mit der Abtriebswelle (17) koppelt oder in einer zweiten Schaltstellung das abtriebsseitige Loszahnrad (19, 21) der Hybrid-Radebene (E1, E2) mit der Abtriebswelle (17) koppelt.
Antriebsstrang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hybrid-Radebene (E1) mit der zugeordneten weiteren Radebene (V4) ein erstes Teilgetriebe (T1) bildet, und dass die zweite Hybrid-Radebene (E2) mit der zugeordneten weiteren Radebene (V3) ein zweites Teilgetriebe (T2) bildet, und dass die Teilgetriebe (T1, T2) während des Getriebe-Betriebs stilllegbar ist, das heißt vom Antriebsstrang abkoppelbar ist, und dass insbesondere in jedem der Teilgetriebe (T1, T2) die weitere Radebene (V3, V4) ein auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) drehgelagertes antriebsseitiges Loszahnrad (35, 41) aufweist, das mittels eines Schaltelements (SE-F) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelbar ist, und dass insbesondere die auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) drehgelagerten Loszahnräder (35, 41, 23, 25) der Hybrid-Radebene (E1, E2) und der weiteren Radebene (V3, V4) auf einer abtriebsseitigen Hohlwelle (37, 43) drehfest angeordnet sind, die auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koaxial drehgelagert ist und über genau ein Schaltelement (SE-F) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Brennkraftmaschinen-Welle (3) angeordnete Schaltelement (SE-F) beidseitig schaltbar ist und in Axialrichtung zwischen den antriebsseitigen Hohlwellen (37, 43) der beiden Teilgetriebe (T1, T2) angeordnet ist, wobei das Schaltelement (SE-F) in einer Neutralstellung von beiden Hohlwellen (37, 43) abgekoppelt ist und das Schaltelement (SE-F) entweder in einer ersten Schaltstellung die antriebsseitige Hohlwelle (37) des ersten Teilgetriebes (T1) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelt oder in einer zweiten Schaltstellung die antriebsseitige Hohlwelle (43) des zweiten Teilgetriebes (T2) mit der Brennkraftmaschinen-Welle (3) koppelt.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen-Welle (9) über ein erstes Schaltelement (F; K1) mit der ersten Hybridebene (E1) und mit einem zweiten Schaltelement (K; K2) mit der zweiten Hybridebene (E2) verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromaschinenseitige Zahnrad (27) der ersten Hybridebene (E1) auf einer zur Elektromaschinen-Welle (9) koaxialen Hohlwelle (51), insbesondere drehfest, angeordnet, ist, und dass insbesondere die Hohlwelle (51) über das erste Schaltelement, insbesondere eine Kupplung (K1), mit der Elektromaschinen-Welle (9) verbindbar ist, und dass das Zahnrad (29) der zweiten Hybridebene (E2) auf einer koaxial durch die Hohlwelle (51) geführten Vollwelle (53) drehfest angeordnet ist, und dass die Vollwelle (53) über das zweite Schaltelement, insbesondere eine Kupplung (K2; K), mit der Elektromaschinen-Welle (9) verbindbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement eine Freilaufkupplung (F) ist, und dass das elektromaschinenseitige Zahnrad (27) der ersten Hybridradebene (E1) über die Freilaufkupplung (F) mit der drehfest an der Elektromaschinen-Welle (9) angebundenen Hohlwelle (51) verbindbar ist, und dass der Freilaufkupplung (F) ein Schaltelement (SE-I) zugeordnet ist, wobei das Schaltelement (SE-I) in einer ersten Schaltstellung eine Drehmomentübertragung von der Elektromaschinen-Welle (9) auf die Hohlwelle (51) zulässt und in Gegenrichtung unterbindet, und in einer zweiten Schaltstellung die Drehmomentübertragung in beide Richtungen zulässt.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement eine Kupplung (K) ist, mit der die Vollwelle (53) mit der Elektromaschinen-Welle (9) verbindbar ist, wobei insbesondere der Außenlamellenträger (45) der Kupplung (K) sowohl an der Elektromaschinen-Welle (9) als auch an der Hohlwelle (51) fest angebunden ist.