DE102016221288A1

DE102016221288A1 - Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102016221288A1
Application number: DE102016221288.5A
Authority: DE
Inventors: Norbert Scholz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassendeine drehbar in einem Gehäuse gelagerte Eingangswelle (1), die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte Ausgangswelle (2, 2'), die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist,eine erste elektrische Maschine (10) mit einem gehäusefesten ersten Stator (11) und einem drehbar dazu gelagerten ersten Rotor (12),eine zweite elektrische Maschine (20) mit einem gehäusefesten zweiten Stator (21) und einem drehbar dazu gelagerten zweiten Rotor (22),einen ersten Planetensatz (100) mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne (110), einem ersten Hohlrad (120) und einem ersten Steg (130), auf welch letzterem erste Planetenräder (131; 131a, 131b), die einerseits mit der ersten Sonne (110) und andererseits mit dem ersten Hohlrad (120) kämmen, drehbar gelagert sind, und wobei die erste Sonne (110) mit dem ersten Rotor (12) und eines der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente (120, 130) mit der Ausgangswelle (2) verbunden und das andere der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente (120, 130) über eine erste Kupplung (31) mit der ersten Sonne (110) schaltbar gekoppelt ist und wobei der zweite Rotor (22) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das nicht mit der Ausgangswelle (2, 2') verbundene übrige erste Planetensatz-Element (120, 130) über eine zweite Kupplung (32) schaltbar mit der Eingangswelle (1) gekoppelt und über eine erste Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend

- eine drehbar in einem Gehäuse gelagerte Eingangswelle, die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,
- eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte Ausgangswelle, die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist,
- eine erste elektrische Maschine mit einem gehäusefesten ersten Stator und einem drehbar dazu gelagerten ersten Rotor,
- eine zweite elektrische Maschine mit einem gehäusefesten zweiten Stator und einem drehbar dazu gelagerten zweiten Rotor,
- einen ersten Planetensatz mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne, einem ersten Hohlrad und einem ersten Steg, auf welch letzterem erste Planetenräder, die einerseits mit der ersten Sonne und andererseits mit dem ersten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, und

Eine derartige Antriebsanordnung ist bekannt aus der WO 2014/184852 A1 .
Bei der bekannten Antriebsanordnung liegen Eingangswelle und Ausgangswelle parallel zueinander. Die erste elektrische Maschine sowie der erste Planetensatz sind koaxial zur Eingangswelle angeordnet. Die zweite elektrische Maschine ist achsparallel zur Ausgangswelle sowie zur ersten elektrischen Maschine angeordnet. Die erste Sonne ist mit dem ersten Rotor verbunden. Die beiden als „übrige erste Planetensatzelemente“ bezeichneten Elemente sind somit das erste Hohlrad und der erste Steg. Das erste Hohlrad ist mit der Eingangswelle verbunden und diese ist über die erste Kupplung mit dem ersten Rotor bzw. der ersten Sonne schaltbar gekoppelt. Dadurch ist der erste Planetensatz in sich verblockbar, d.h. er kann ohne interne Rotationen als Block (insbesondere mit der Drehzahl der Eingangswelle) umlaufen. Der erste Steg ist über eine Zahnradstufe mit der als Vorgelegewelle ausgebildeten Ausgangswelle verbunden. Über eine weitere Zahnradstufe ist auch der zweite Rotor mit der Ausgangswelle verbunden. In der Terminologie des Anspruchs ist bei der bekannten Antriebsanordnung also der erste Steg das „eine der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente“ und das erste Hohlrad das „andere der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente“, welches nicht mit der Ausgangswelle verbunden ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „verbunden“ im Sinne einer drehzahlkonstanten Verbindung, beispielsweise über eine Festverbindung oder eine unveränderliche Übersetzungsstufe, benutzt. Im Gegensatz dazu umfasst der Begriff „gekoppelt“ sowohl derartige, drehzahlkonstante, als auch schalt- oder variierbare Verbindungen. Ist konkret der letztere Fall gemeint, wird in der Regel das entsprechende Schaltelement, insbesondere eine Bremse oder eine Kupplung, explizit angegeben und/oder die Kopplung explizit als „schaltbar“ spezifiziert. Ist hingegen konkret der erstere Fall gemeint, wird in der Regel auf die Verwendung des Begriffs „gekoppelt“ zugunsten des konkreten Begriffs „verbunden“ verzichtet. Die Verwendung des Begriffs „gekoppelt“ ohne Angabe eines konkreten Schaltelementes deutet somit in der Regel auf den beabsichtigten Einschluss beider Fälle hin. Diese Unterscheidung erfolgt allein zugunsten der besseren Verständlichkeit und insbesondere zur Verdeutlichung, wo das Vorsehen einer schalt- oder variierbaren Verbindung anstelle einer in der Regel leichter realisierbaren, drehzahlkonstanten Verbindung zwingend erforderlich ist. Die obige Definition des Begriffs „verbunden“ ist daher keinesfalls so eng auszulegen, dass willkürlich zu Umgehungszwecken eingefügte Schaltelemente aus seinem Wortsinn ausführen.
Als „Bremse“ werden allgemein Schalelemente bezeichnet, mit denen ein drehbares Element wenigstens unidirektional am Gehäuse festlegbar ist. Mit „Kupplung“ werden hingegen Schaltelemente bezeichnet, mittels derer zwei relativ zum Gehäuse drehbare Wellen in schaltbarer Weise verbindbar sind.
Mit der bekannten Antriebsanordnung lassen sich ein parallelhybrider Festgang, ein leistungsverzweigter Betriebsmodus mit kontinuierlicher Übersetzung und ein rein elektrischer Betriebsmodus, bei dem lediglich die ausgangsseitige elektrische Maschine zum Einsatz kommt, realisieren. Ein seriellhybrider Betriebsmodus sowie ein rein elektrischer Modus, der beide elektrischen Maschinen nutzt, ist mit der bekannten Anordnung nicht realisierbar.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Antriebsanordnung derart weiterzubilden, dass ein größeres Spektrum an Betriebsmodi realisierbar ist, insbesondere soll zumindest ein seriellhybrider Modus sowie ein rein elektrischer Modus, der beide elektrischen Maschinen nutzt, ermöglicht werden, insbesondere um die Start-Eigenschaften und die batterieelektrische Zugkraft zu verbessern.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das nicht mit der Ausgangswelle verbundene übrige erste Planetensatz-Element über eine zweite Kupplung schaltbar mit der Eingangswelle gekoppelt und über eine erste Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Das nicht mit der Ausgangswelle verbundene übrige erste Planetensatz-Element kann entweder das erste Hohlrad oder der erste Steg sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung sieht vor, durch die Hinzunahme von zwei Schaltelementen, die auf dasselbe Planetensatzelement des ersten Planetensatzes wirken und daher bei vielen Ausführungsformen in sehr kompakter Weise bauraumsparend zusammengefasst werden können, die Funktionalitäten der gattungsgemäßen Antriebsanordnung deutlich zu erweitern.
Die nachfolgende Schalttabelle (Tabelle 1) gibt einen Überblick über die realisierbaren Betriebsmodi. Tabelle 1

Modus B1 K1 K2

ELVA ○ ○ X

PAR 1 X X ○

PAR 2 ○ X X

SER 1 ○ X ○

2MM 1 X ○ X

1MS 1 ○ ○ X

1MS2 ○ X ○
Dabei bedeuten B1 erste Bremse, K1 erste Kupplung, K2 zweite Kupplung, O Schaltelement offen, X Schaltelement geschlossen, ELVA einfache Leistungsverzweigung mit ausgangsgekoppelter elektrischer Maschine, PAR parallel hybrider Modus, 1MS elektrischer Modus mit einer aktiven elektrischen Maschine und einer geschleppten elektrischen Maschine oder Welle und 2MM elektrischer Modus mit zwei (potentiell) aktiven elektrischen Maschinen (Momentenaddition). Zur detaillierten Erläuterung der einzelnen Betriebsmodi wird auf den speziellen Teil der Beschreibung verwiesen, wo insbesondere der jeweilige Momentenfluss unter rein beispielhafter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen diskutiert wird.
Bevorzugt ist der erste Planetensatz ein einfacher Planetensatz mit ersten Planetenrädern, die jeweils sowohl mit der ersten Sonne als auch mit dem ersten Hohlrad kämmen. Bei dieser Ausführungsform ist, wie auch bei der gattungsbildenden Antriebsanordnung, der erste Steg das „eine der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente“ und das erste Hohlrad das „andere der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente“, welches nicht mit der Ausgangswelle verbunden ist. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass der erste Steg mit der Ausgangswelle verbunden ist und die Eingangswelle über die erste Kupplung mit der ersten Sonne und über die zweite Kupplung mit dem ersten Hohlrad schaltbar gekoppelt ist, wobei das erste Hohlrad zudem über die erste Bremse am Gehäuse festlegbar ist.
Es ist jedoch auch möglich und bei einer alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass das erste Hohlrad mit der Ausgangswelle verbunden ist und die Eingangswelle über die erste Kupplung mit der ersten Sonne und über die zweite Kupplung mit dem ersten Steg schaltbar gekoppelt ist, wobei der erste Steg zudem über die erste Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Dies setzt allerdings, wenn mit denselben Schaltvorgängen dieselben Betriebsmodi und Übersetzungen erzielt werden sollen, voraus, dass der erste Planetensatz ein Doppelplanetensatz mit einem ersten Satz erster Planetenrädern und einem zweiten Satz erster Planetenräder ist, wobei die Planetenräder des ersten Satzes von Planetenrädern einerseits mit der ersten Sonne und andererseits mit den Planetenrädern des zweiten Satzes von Planetenrädern kämmen und wobei die Planetenräder des zweiten Satzes von Planetenrädern einerseits mit dem ersten Hohlrad und andererseits mit den Planetenrädern des ersten Satzes von Planetenrädern kämmen. Funktional und insbesondere im Hinblick auf die realisierbaren Betriebsmodi und Übersetzungen sind beide Varianten dann gleichwertig.
Hinsichtlich der Relativanordnung von Ein- und Ausgangswelle sind unterschiedliche Varianten denkbar. Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ausgangswelle als eine parallel zur Eingangswelle angeordnete Vorgelegewelle mit einem mit dem außenverzahnten ersten Steg kämmenden ersten Eingangsrad ausgebildet ist. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für den Quereinbau der Antriebsanordnung im Fahrzeug, insbesondere bei angetriebener Vorderachse.
Der zweite Rotor kann dabei direkt am ersten Eingangsrad der Ausgangswelle angreifen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Eingangsrad zudem mit einem mit dem zweiten Rotor verbundenen Koppelrad kämmt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausgangswelle ein zweites Eingangsrad trägt, das mit einem mit dem zweiten Rotor verbundenen Koppelrad kämmt. Diese Variante erlaubt eine größere Flexibilität bei der Anbindung der zweiten elektrischen Maschine.
Die beiden letztgenannten Ausführungsformen sind vor allem realisierbar, wenn die beiden elektrischen Maschinen parallel zueinander angeordnet sind, nämlich die erste elektrische Maschine koaxial zur Eingangswelle und die zweite elektrische Maschine achsparallel oder koaxial zur Ausgangswelle, wobei Ein- und Ausgangswelle parallel zueinander liegen. Es sind jedoch auch Varianten denkbar, bei denen die elektrischen Maschinen koaxial zueinander angeordnet sind. Dies setzt jedoch voraus, dass die zweite elektrische Maschine nicht direkt, sondern über einen zweiten Planetensatz mit der Ausgangswelle verbunden ist. Dessen Drehachse liegt koaxial zur Eingangswelle. So kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Planetensatz mit drei zweiten Planetensatz-Elementen, nämlich einer zweiten Sonne, einem zweiten Hohlrad und einem zweiten Steg, auf welche letzterem ein Satz zweiter Planetenräder, die einerseits mit der zweiten Sonne und andererseits mit dem zweiten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, koaxial zu dem ersten Planetensatz angeordnet ist, wobei die zweiten Sonne mit dem zweiten Rotor, das zweite Hohlrad mit dem Gehäuse und der zweite Steg mit der Ausgangswelle verbunden ist.
Diese Ausführungsform lässt sich mit parallelen Ein- und Ausgangswellen, wie zuvor beschrieben, kombinieren. Hierzu erfolgt die Verbindung zwischen zweitem Steg und Ausgangswelle über eine Außenverzahnung des mit dem zweiten Steg verbundenen ersten Stegs, die mit dem ersten Eingangsrad der Ausgangswelle kämmt. Alternativ können Ein- und Ausgangswelle aber auch koaxial zueinander angeordnet sein. Dies bietet sich insbesondere für den Längseinbau der Antriebsanordnung in einem Fahrzeug, insbesondere mit Hinterradantrieb an. Bei dieser Ausführungsform kann der zweite Steg direkt mit der Ausgangswelle verbunden sein. Allerdings ist zu beachten, dass bei einer solchen Ausgestaltung in Kombination mit der Verwendung eines einfachen Planetensatzes als erstem Planetensatz die erste Bremse nicht unmittelbar am ersten Hohlrad sondern nur mittelbar über die zweite Kupplung angreifen kann. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Eingangswelle über die erste Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Allerdings entfällt dadurch der erste parallelhybride Festgang PAR 1. Dies stellt funktional jedoch keinen großen Verlust dar, da PAR 1 ohnehin nicht drehzahlsynchron aus ELVA schaltbar ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Rotor über eine zweite Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Hierdurch ergibt sich ein weiterer parallelhybrider Festgang. Die nachfolgende Schalttabelle (Tabelle 2) gibt einen Überblick über die dann realisierbaren Betriebsmodi. Tabelle 2

Modus B1 K1 K2 B2

ELVA ○ ○ X ○

PAR 1 X X ○ ○

PAR 2 ○ X X ○

PAR 3 ○ ○ X X

SER 1 ○ X ○ ○

2MM 1 X ○ X ○

1MS 1 ○ ○ X ○

1MS2 ○ X ○ ○
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
3: eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
4: eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
5: eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
6: eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine Grundform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in stark schematisierter Darstellung. In einem nicht näher dargestellten Gehäuse sind eine Eingangswelle 1 und parallel dazu eine Ausgangswelle 2 drehbar gelagert. Die Eingangswelle 1 ist mit einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines Hybridfahrzeugs koppelbar. Die Ausgangswelle 2 ist mit einem weiteren Abtrieb des Hybridfahrzeugs koppelbar. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt dies über ein Ausgangsrad 3 der Ausgangswelle 2, welches mit der Außenverzahnung eines Differenzialkorbs eines nachgeschalteten Differenzials 4 kämmt.
Zentrale Elemente der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sind eine erste elektrische Maschine 10 und eine zweite elektrische Maschine 20. Die erste elektrische Maschine 10 umfasst einen gehäusefesten Stator 11 und einen drehbar dazu gelagerten Rotor 12. Die zweite elektrische Maschine 20 umfasst einen gehäusefesten Stator 21 und einen drehbar dazu gelagerten Rotor 22. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die elektrischen Maschinen 10, 20 parallel zueinander angeordnet. Insbesondere ist die erste elektrische Maschine 10 koaxial zur Eingangswelle 1 und die zweite elektrische Maschine 20 achsparallel zur Ausgangswelle 2 angeordnet. Die elektrischen Maschinen 10, 20 sind über eine nicht dargestellte Leistungselektronik mit elektrischem Energiespeicher elektrisch miteinander verbunden.
Die dargestellte Antriebsanordnung weist weiter einen ersten Planetensatz 100 auf. Der erste Planetensatz 100 umfasst eine erste Sonne 110, ein erstes Hohlrad 120 und einen ersten Steg 130, auf dem Planetenräder 131 drehbar gelagert sind. Der erste Planetensatz 100 ist bei der Ausführungsform von 1 als einfacher Planetensatz ausgestaltet. Der erste Planetensatz 100 ist koaxial zur Eingangswelle 1 sowie zur ersten elektrischen Maschine 10 angeordnet. Insbesondere ist er axial zwischen diesen beiden Einheiten positioniert. Die erste Sonne 110 ist fest mit dem ersten Rotor 12 verbunden. Der erste Rotor 12 und damit auch die erste Sonne 110 sind über eine erste Kupplung schaltbar mit der Eingangswelle 1 gekoppelt. Der erste Steg 130 weist eine Außenverzahnung auf, über welche er mit einem ersten Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 kämmt. Der erste Steg 130 ist somit über die genannte Zahnradstufe mit der Ausgangswelle 2 verbunden. Das erste Hohlrad 120 weist keine feste Verbindung zu anderen Elementen auf. Vielmehr ist es über eine erste Bremse 41 schaltbar mit dem Gehäuse gekoppelt und über eine zweite Kupplung 32 schaltbar mit der Eingangswelle gekoppelt.
Die Ausgangswelle 2 trägt bei der dargestellten Ausführungsform ein zweites Eingangsrad 6, welches mit einem Koppelrad 7 kämmt, das fest mit dem zweiten Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine 20 verbunden ist. Bei der in 2 gezeigten Abwandlung der Ausführungsform von 1 greift das Koppelrad 7 gemeinsam mit der Außenverzahnung des ersten Stegs 130 am ersten Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 an, sodass bei dieser Ausführungsform das zweite Eingangsrad 6 der Ausgangswelle 2 entfällt. Funktional sind beide Ausführungsformen gleichwertig. Der Fachmann wird im Einzelfall die Vorteile eines weniger komplexen Aufbaus (2) und die Vorteile einer flexibleren Übersetzungswahl zur Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine 20 (1) gegeneinander abzuwägen wissen.
Nachfolgend sollen die unterschiedlichen Betriebsmodi und der sich jeweils ergebene Momentenfluss diskutiert werden, die bei einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung durch Betätigung der Schaltelemente, d.h. der ersten Kupplung 31, der zweiten Kupplung 32 und der ersten Bremse 41, realisierbar sind.
Zur Darstellung eines leistungsverzweigten Betriebsmodus (ELVA in Tabelle 1) ist die zweite Kupplung 32 geschlossen, während die übrigen Schaltelemente geöffnet sind. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird daher über die Eingangswelle 1 und die geschlossene zweite Kupplung 32 zum ersten Hohlrad 120 und über dieses in den ersten Planetensatz 100 eingeleitet. Zugleich dient die erste Sonne 110 der Einleitung eines Drehmomentes von der ersten elektrischen Maschine 10 in den ersten Planetensatz 100. Je nachdem, ob die erste elektrische Maschine 10 (bei momentan als konstant betrachteter Drehzahl) motorisch oder generatorisch betrieben wird, trägt des eingeleitete Drehmoment ein positives oder ein negatives Vorzeichen. Der erste Steg 130 dient als Ausgangselement des ersten Planetensatzes 100, über den das kombinierte Moment an die Ausgangswelle 2 geleitet wird. Über das Koppelrad 7 wird zudem ein Drehmoment der zweiten elektrischen Maschine 20 auf die Ausgangswelle 2 geleitet. Dieses kann, je nach Betriebsart der zweiten elektrischen Maschine 20 positiv oder negativ sein.
Zur Darstellung eines ersten parallelhybriden Betriebsmodus (PAR 1 in Tabelle 1) sind die erste Bremse und die erste Kupplung geschlossen, während die zweite Kupplung geöffnet ist. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über die Eingangswelle 1 und die geschlossene erste Kupplung 31 an die erste Sonne 110 geleitet. Auch das Moment der ersten elektrischen Maschine 10 beaufschlagt die erste Sonne 110, die daher als einziges Eingangselement des ersten Planetensatzes 100 wirkt. Aufgrund des über die geschlossene erste Bremse 41 am Gehäuse festgelegten ersten Hohlrades 120 wirkt der erste Planetensatz 100 als einfache Übersetzungsstufe, dessen übersetztes Moment über seinen ersten Steg 130 in der oben bereits beschriebenen Weise an die Ausgangswelle 2 geliefert wird. Auch bezüglich eines zusätzlichen Momentes der zweiten elektrischen Maschine 20 wird auf das oben zum ELVA-Modus gesagte verwiesen.
Zur Darstellung eines zweiten parallelhybriden Betriebsmodus (PAR 2 in Tabelle 1) ist die erste Bremse 41 geöffnet, während beide Kupplungen 31, 32 geschlossen sind. Hierdurch entsteht eine drehfeste Verbindung zwischen der ersten Sonne 110 und dem ersten Hohlrad 120, sodass der erste Planetensatz 100 in sich verblockt ist und ohne innere Rotationen als Block mit der Drehzahl der Eingangswelle 1 umläuft. Das hierzu von der Verbrennungskraftmaschine eingeleitete Drehmoment kann in parallelhybrider Weise durch das von der ersten elektrischen Maschine 10 gelieferte Drehmoment unterstützt werden. Durch die Verblockung des ersten Planetensatzes 100 läuft auch dessen Steg 130 mit der Drehzahl der Eingangswelle 1 um und liefert das kombinierte Moment in zuvor beschriebener Weise an die Ausgangswelle 2. Bezüglich eines zusätzlichen Momentes der zweiten elektrischen Maschine 20 wird auf das oben zum ELVA-Modus gesagte verwiesen.
Zur Darstellung eines ersten seriellhybriden Betriebsmodus (SER 1 in Tabelle 1) ist die erste Kupplung 31 geschlossen, während die erste Bremse 41 und die zweite Kupplung 32 geöffnet sind. Aufgrund seines dadurch nicht abgestützten ersten Hohlrades 120 ist der erste Planetensatz 100 bei dieser Schaltung im Hinblick auf den Momentenfluss wirkungslos. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine läuft vielmehr über die Eingangswelle 1 und die geschlossene erste Kupplung 31 allein zur generatorisch betriebenen, ersten elektrischen Maschine 10. Die erzeugte elektrische Leistung wird über eine nicht dargestellte Leistungselektronik zur zweiten elektrischen Maschine 20 übertragen, die ihrerseits motorisch betrieben wird und ihr Drehmoment über das Koppelrad 7 zur Ausgangswelle 2 liefert.
Zur Darstellung eines ersten rein elektrischen Betriebsmodus mit zwei potenziell einsetzbaren elektrischen Maschinen (2MM 1 in Tabelle 1) ist die erste Kupplung 31 geöffnet, während die zweite Kupplung 32 und die erste Breme 41 geschlossen sind. Über die geschlossenen Schaltelemente 32, 41 ist die Eingangswelle 1 drehfest am Gehäuse festgelegt. Zugleich ist das erste Hohlrad 120 am Gehäuse festgelegt. Der erste Planetensatz 100 dient damit als einfache Übersetzungsstufe für ein von der ersten elektrischen Maschine 10 über die erste Sonne 110 eingeleitetes Drehmoment (der erste Rotor 12 kann aufgrund der geöffneten ersten Kupplung 31 rotieren). Das Drehmoment wird über den ersten Steg 130 in der zuvor beschriebenen Weise an die Ausgangswelle 2 geleitet. Zusätzlich kann über das Koppelrad 7 ein von der zweiten elektrischen Maschine 20 geliefertes Drehmoment an die Ausgangswelle 2 geleitet werden.
Zur Darstellung eines ersten rein elektrischen Betriebsmodus mit nur einer aktiven elektrischen Maschine (1MS 1 in Tabelle 1) sind die erste Kupplung 31 und die erste Bremse 41 geöffnet, während die zweite Kupplung 32 geschlossen ist. Rein schaltungstechnisch entspricht dieser Betriebsmodus dem oben bereits diskutierten leistungsverzweigten Betriebsmodus ELVA, wobei jedoch mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine und folglich stillstehender Eingangswelle 1. Wird in diesem Modus die zweite elektrische Maschine 20 motorisch betrieben, wirkt dies über das erste Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 auf den ersten Planetensatz 100 zurück, sodass der erste Rotor 12 mitgedreht wird und ein aus dem Schleppbetrieb der ersten elektrischen Maschine 10 resultierendes Reaktionsmoment am ersten Hohlrad 120 über die geschlossene zweite Kupplung 32 an der Eingangswelle 1 und damit auch an der Verbrennungskraftmaschine anliegt. Das Reaktionsmoment ist in seiner Höhe auf das Losbrech-Moment der Verbrennungskraftmaschine beschränkt. Wie dem Fachmann bekannt ist, liegt bei einem einfachen Planetensatz, wenn an einer seiner Zentralwellen ein Moment anliegt, an allen seinen Zentralwellen ein Moment an. Beim motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 10 wird daher am ersten Hohlrad 120 ein Teilmoment eingeleitet, das in einem festen Verhältnis zum Schleppmoment an der ersten Sonne 110 und zum Reaktionsmoment am ersten Hohlrad 120 steht. Sofern dieser Modus primär zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt oder ein Rückwärtsdrehen der Verbrennungskraftmaschine unterbunden werden soll, kann die Momentenabstützung durch Schließen der ersten Bremse 41 verbessert werden. In der Praxis dient dieser Modus jedoch als reiner Durchgangsmodus zum Starten der Verbrennungskraftmaschine, sodass sich eine Festlegung der Eingangswelle 1 über die erste Bremse 41 am Gehäuse verbietet. Zum rein elektrischen Fahren mit nur einer elektrischen Maschine wird in der Praxis der nachfolgend beschriebene Modus 1MS 2 genutzt.
In einem zweiten rein elektrischen Betriebsmodus mit nur einer aktiven elektrischen Maschine (1MS 2 in Tabelle 1) ist die erste Kupplung 31 geschlossen, während die erste Bremse 41 und die zweite Kupplung 32 geöffnet sind. Rein schaltungstechnisch entspricht dieser Modus dem oben bereits diskutierten seriellen Betriebsmodus SER 1, jedoch mit abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine. Die Eingangswelle 1 steht daher still und hält über die geschlossene erste Kupplung 31 auch den ersten Rotor 12 fest. Daher kann nur von der zweiten elektrischen Maschine 20 Drehmoment über das Koppelrad 7 an die Ausgangswelle 2 geleitet werden. Da dies über das erste Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 zu einer Rotation des ersten Steges 130 führt, müssen die zweite Kupplung 32 und die erste Bremse 41 geöffnet sein, um trotz der am ersten Rotor 12 festgehaltenen ersten Sonne 110 eine Rotation des ersten Hohlrades 120 zu ermöglichen. So wird lediglich das erste Hohlrad 120 mitgeschleppt.
3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine 20 gegenüber den Ausführungsformen von 1 und 2 verändert ist. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite elektrische Maschine 20 koaxial zur ersten elektrischen Maschine 10 und dem ersten Planetensatz 100 angeordnet. Der zweite Rotor 22 ist hierbei nicht über ein einfaches Koppelrad mit der Ausgangswelle 2 sondern über einen zweiten Planetensatz 200 angeschlossen. Der zweite Planetensatz 200 ist als einfacher Planetensatz ausgebildet und weist eine zweite Sonne 210, ein zweites Hohlrad 220 und einen zweiten Steg 230 auf, auf dem zweite Planetenräder 231, die einerseits mit der zweiten Sonne 210 und andererseits mit dem zweiten Hohlrad 220 kämmen, drehbar gelagert sind. Die zweite Sonne 210 ist fest mit dem zweiten Rotor 22 verbunden. Das zweite Hohlrad 220 ist am Gehäuse festgelegt. Der zweite Planetensatz 200 dient somit stets als einfache Übersetzungsstufe und ist mit seinem zweiten Steg 230 mit dem ersten Steg 130 des ersten Planetensatzes 100 verbunden. Ein von der zweiten elektrischen Maschine 20 stammendes Moment wird daher stets über den zweiten Steg 230 auf das erste Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 übertragen. Im Übrigen kann jedoch vollumfänglich auf die obigen Erläuterungen, insbesondere zu den erreichbaren Betriebsmodi und den entsprechenden Schaltzuständen verwiesen werden.
Die Ausführungsformen der 4 und 5 unterscheiden sich von den zuvor diskutierten Ausführungsformen vor allem durch die koaxiale Anordnung der Ausgangswelle 2' zur Eingangswelle 1. Diese Varianten sind insbesondere für den Längseinbau im Kraftfahrzeug, insbesondere mit angetriebener Hinterachse geeignet. Die Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine 20 erfolgt, wie zuvor im Kontext von 3 beschrieben, über einen zweiten Planetensatz 200, dessen Steg 230 hier jedoch direkt und nicht über eine Zahnradstufe mit der Ausgangswelle 2' verbunden ist. Die Ausführungsformen der 4 und 5 unterscheiden sich untereinander im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des ersten Planetensatzes 100. Dieser ist bei der Ausführungsform von 4 als Doppelplanetensatz ausgebildet, auf dessen erstem Steg 130 zwei Sätze von Planetenrädern 131a, 131b drehbar gelagert sind. Die Planetenräder 131a des ersten Satzes kämmen einerseits mit der ersten Sonne 110 und andererseits mit den Planetenrädern 131b des zweiten Satzes, welche ihrerseits zudem mit dem ersten Hohlrad 120 kämmen. Hierdurch wird eine Modifikation in der Anbindung der einzelnen Wellen des ersten Planetensatzes 100 erforderlich. Insbesondere tauschen das erste Hohlrad 120 und der erste Steg 130 im Hinblick auf die Anbindung ihre Rolle im Vergleich zu den zuvor diskutierten Ausführungsbeispielen. So ist bei der Ausführungsform von 4 das erste Hohlrad 120 mit der Ausgangswelle 2' verbunden, während der erste Steg 130 über die erste Bremse 41 am Gehäuse festlegbar und über die zweite Kupplung 32 schaltbar mit der Eingangswelle gekoppelt ist. Die realisierbaren Betriebsmodi bleiben jedoch, wie der Fachmann erkennen wird, unter Beibehaltung derselben Schaltkonstellationen unverändert erhalten.
Wie 5 zeigt, ist die Erhaltung der im Wesentlichen gleichen Funktionalitäten bei koaxialer Wellenanordnung auch unter Verwendung eines einfachen Planetensatzes als ersten Planetensatz 100 möglich. Hierzu bleiben die Wellenanbindungen des ersten Planetensatzes 100 im Wesentlichen wie im Kontext der 1-3 erhalten. Hieraus ergibt sich jedoch, dass eine direkte Kopplung des ersten Hohlrades 120 mit dem Gehäuse über die erste Bremse 41 konstruktiv nicht möglich ist. Bei der Ausführungsform von 5 wird daher eine indirekte Kopplung des zweiten Hohlrades 120, nämlich über die zweite Kupplung 32 und die erste Bremse 41, mit dem Gehäuse vorgenommen. Eine Festlegung des ersten Hohlrades 120 am Gehäuse erfolgt daher nur, wenn sowohl die zweite Kupplung 32 als auch die erste Bremse 41, die unmittelbar an der Eingangswelle 1 angreift, geschlossen sind. Folglich kann bei dieser Ausführungsform der Betriebsmodus PAR 1 (vgl. Tabelle 1) nicht realisiert werden. Im Übrigen kann jedoch bzgl. der Funktionalität der gezeigten Antriebsanordnung vollumfänglich auf die obigen Erläuterungen verwiesen werden.
6 schließlich zeigt eine Erweiterung der vorliegenden Erfindung um eine zweite Bremse 42, mittels welcher der erste Rotor 12 am Gehäuse festlegbar ist. 1 zeigt die genannte Erweiterung am Beispiel der Grundform von 1. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die zweite Bremse 42 auch durch Erweiterung sämtlicher anderer diskutierter Ausführungsformen eingesetzt werden kann. Durch die zweite Bremse 42 ergibt sich, wie aus obiger Tabelle 2 ersichtlich, ein zusätzlicher parallelhybrider Betriebsmodus PAR 3. In diesem Betriebsmodus sind die erste Kupplung 31 und die erste Bremse 41 geöffnet, wohingegen die zweite Kupplung 32 und die zweite Bremse 42 geschlossen sind. Über die geschlossene zweite Bremse 42 sind der erste Rotor 12 und die erste Sonne 110 am Gehäuse festgelegt. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird von der Eingangswelle 1, die wegen der geöffneten ersten Kupplung 31 von den vorgenannten, festgehaltenen Elementen entkoppelt ist, über die geschlossene zweite Kupplung an das erste Hohlrad 120 geleitet. Dieses kann wegen der geöffneten ersten Bremse 41 rotieren. Der erste Planetensatz 100 dient wegen seiner festgehaltenen ersten Sonne 110 als reine Übersetzungsstufe für das über das erste Hohlrad 120 eingeleitete Drehmoment. Das übersetzte Drehmoment wird über den ersten Steg 130 und das erste Eingangsrad 5 an die Ausgangswelle 2 geleitet. Über das Koppelrad 7 kann zudem in parallelhybrider Weise ein Moment der zweiten elektrischen Maschine 20 auf die Ausgangswelle 2 gebracht werden.
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

1: Eingangswelle
2: Ausgangswelle, Vorgelegewelle
2': Ausgangswelle
3: Ausgangsrad von 2
4: Differenzial
5: erstes Eingangsrad von 2
6: zweites Eingangsrad von 2
10: erste elektrische Maschine
11: erster Stator
12: erster Rotor
20: zweite elektrische Maschine
21: zweiter Stator
22: zweiter Rotor
31: erste Kupplung
32: zweite Kupplung
41: erste Bremse
42: zweite Bremse
100: erster Planetensatz
110: erste Sonne
120: erstes Hohlrad
130: erster Steg
131: erste Planetenräder
131a: erste Planetenräder eines ersten Satzes von Planetenrädern
131b: erste Planetenräder eines zweiten Satzes von Planetenrädern
200: zweiter Planetensatz
210: zweite Sonne
220: zweites Hohlrad
230: zweiter Steg
231: zweite Planetenräder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/184852 A1 [0002]

Claims

Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend - eine drehbar in einem Gehäuse gelagerte Eingangswelle (1), die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist, - eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte Ausgangswelle (2, 2'), die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist, - eine erste elektrische Maschine (10) mit einem gehäusefesten ersten Stator (11) und einem drehbar dazu gelagerten ersten Rotor (12), - eine zweite elektrische Maschine (20) mit einem gehäusefesten zweiten Stator (21) und einem drehbar dazu gelagerten zweiten Rotor (22), - einen ersten Planetensatz (100) mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne (110), einem ersten Hohlrad (120) und einem ersten Steg (130), auf welch letzterem erste Planetenräder (131; 131a, 131b), die einerseits mit der ersten Sonne (110) und andererseits mit dem ersten Hohlrad (120) kämmen, drehbar gelagert sind, und wobei die erste Sonne (110) mit dem ersten Rotor (12) und eines der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente (120, 130) mit der Ausgangswelle (2) verbunden und das andere der beiden übrigen ersten Planetensatz-Elemente (120, 130) über eine erste Kupplung (31) mit der ersten Sonne (110) schaltbar gekoppelt ist und wobei der zweite Rotor (22) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht mit der Ausgangswelle (2, 2') verbundene übrige erste Planetensatz-Element (120, 130) über eine zweite Kupplung (32) schaltbar mit der Eingangswelle (1) gekoppelt und über eine erste Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Planetensatz (100) ein einfacher Planetensatz mit ersten Planetenrädern (131) ist, die jeweils sowohl mit der ersten Sonne (110) als auch mit dem ersten Hohlrad (120) kämmen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steg (130) mit der Ausgangswelle (2, 2') verbunden ist und die Eingangswelle (1) über die erste Kupplung (31) mit der ersten Sonne (110) und über die zweite Kupplung (32) mit dem ersten Hohlrad (120) schaltbar gekoppelt ist, wobei das erste Hohlrad (120) zudem über die erste Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Planetensatz (100) ein Doppelplanetensatz mit einem ersten Satz erster Planetenrädern (131a) und einem zweiten Satz erster Planetenräder (131b) ist, wobei die Planetenräder (131a) des ersten Satzes von Planetenrädern einerseits mit der ersten Sonne (110) und andererseits mit den Planetenrädern (131b) des zweiten Satzes von Planetenrädern kämmen und wobei die Planetenräder (131b) des zweiten Satzes von Planetenrädern einerseits mit dem ersten Hohlrad (120) und andererseits mit den Planetenrädern (131a) des ersten Satzes von Planetenrädern kämmen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Hohlrad (120) mit der Ausgangswelle (2') verbunden ist und die Eingangswelle (1) über die erste Kupplung (31) mit der ersten Sonne (110) und über die zweite Kupplung (32) mit dem ersten Steg (130) schaltbar gekoppelt ist, wobei der erste Steg (130) zudem über eine erste Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (2) als eine parallel zur Eingangswelle (1) angeordnete Vorgelegewelle mit einem mit dem außenverzahnten ersten Steg (130) kämmenden ersten Eingangsrad (5) ausgebildet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsrad (5) zudem mit einem mit dem zweiten Rotor (22) verbundenen Koppelrad (7) kämmt.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (2) ein zweites Eingangsrad (6) trägt, das mit einem mit dem zweiten Rotor (22) verbundenen Koppelrad (7) kämmt.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Planetensatz (200) mit drei zweiten Planetensatz-Elementen, nämlich einer zweiten Sonne (210), einem zweiten Hohlrad (220) und einem zweiten Steg (230), auf welche letzterem ein Satz zweiter Planetenräder (231), die einerseits mit der zweiten Sonne (210) und andererseits mit dem zweiten Hohlrad (220) kämmen, drehbar gelagert sind, koaxial zu dem ersten Planetensatz (100) angeordnet ist, wobei die zweiten Sonne (210) mit dem zweiten Rotor (22), das zweite Hohlrad (220) mit dem Gehäuse und der zweite Steg (230) mit der Ausgangswelle (2, 2') verbunden ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 9, soweit nicht rückbezogen auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (2') koaxial zur Eingangswelle (1) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 10, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (1) über die erste Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (12) über eine zweite Bremse (42) am Gehäuse festlegbar ist.