DE102017003290A1

DE102017003290A1 - Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102017003290A1
Application number: DE102017003290.4A
Authority: DE
Inventors: Olaf Heldmann; Christian RUEBSAM
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108691967A; US20180281580A1

Abstract

Ein Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug umfasst ein Stufengetriebe (25), das eine Eingangswelle (1) zur Ankopplung an einen Verbrennungsmotor und eine Abtriebswelle (15) zur Ankopplung an ein Fahrwerk aufweist, und ein schaltbares Planetengetriebe (27), das eine erste Anschlusswelle (28) zur Ankopplung an eine elektrische Maschine (26) und eine an die Abtriebswelle (15) des Stufengetriebes (25) drehfest gekoppelte zweite Anschlusswelle (31) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug, insbesondere ein Getriebeaggregat in P3- Anordnung.
Je nachdem, an welcher Stelle eine elektrische Maschine in den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs eingegliedert ist, wird zwischen P1-, P2, P3- oder P4-Anordnungen unterschieden. Diese Anordnungen unterscheiden sich in ihren Vor- und Nachteilen und in den Anforderungen, die sie an die elektrische Maschine stellen. Bei P1- und P2-Anordnungen treiben elektrische Maschine und Verbrennungsmotor über eine gemeinsame Welle ein Stufengetriebe an. Bei der P2-Anordnung enthält diese gemeinsame Welle eine Kupplung, die es erlaubt, den Verbrennungsmotor abzukoppeln und das Fahrzeug rein elektrisch anzutreiben. Solange diese Kupplung geschlossen ist, laufen Verbrennungsmotor und elektrische Maschine mit derselben Drehzahl. Die Schwankungsbreite der Drehzahl der elektrischen Maschine ist dieselbe wie beim Verbrennungsmotor und ermöglicht Antriebs- und Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine bei jeder Fahrzeuggeschwindigkeit, allerdings mit jeweils durch Verluste des Stufengetriebes begrenztem Wirkungsgrad.
Effizienzeinbußen durch das Stufengetriebe können durch eine P3-Anordnung vermieden werden, bei der die elektrische Maschine am Ausgang des Stufengetriebes angreift. Hier ist die Drehzahl der elektrischen Maschine proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit, so dass es insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, etwa beim Einparken oder Berganfahren, schwierig ist, die nötige Antriebsleistung allein mit Hilfe der elektrischen Maschine aufzubringen.
Zwar kann durch starke Untersetzung der elektrischen Maschine die Leistung, die diese bei niedriger Geschwindigkeit liefern kann, erhöht werden, doch ergeben sich dann bei hoher Fahrgeschwindigkeit extrem hohe Drehzahlen, die zu Beschädigung oder Zerstörung der elektrischen Maschine führen können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein kompaktes Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug zu schaffen, das sowohl effizienten Antriebs- und Rekuperationsbetrieb ermöglicht als auch eine hohe elektrische Antriebsleistung auch bei niedriger Fahrgeschwindigkeit bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug mit einem Stufengetriebe, das eine Eingangswelle zur Ankopplung an einen Verbrennungsmotor und eine Abtriebswelle zur Ankopplung an ein Fahrwerk aufweist, und mit einem schaltbaren Planetengetriebe, das eine erste Anschlusswelle zur Ankopplung an eine elektrische Maschine und eine an die Abtriebswelle des Stufengetriebes drehfest gekoppelte zweite Anschlusswelle aufweist.
Indem bei dem Planetengetriebe ein Hohlrad wahlweise an ein Getriebegehäuse oder an einen Planetenträger gekoppelt wird, sind einerseits ein Übersetzungsverhältnis, das für hohe elektrische Antriebsleistung bei niedriger Geschwindigkeit geeignet ist, und andererseits ein für Antriebs- und Rekuperationsbetrieb in einem weiten Intervall höherer Fahrgeschwindigkeiten geeignetes Übersetzungsverhältnis realisierbar.
Das für höhere Fahrgeschwindigkeiten geeignete Übersetzungsverhältnis ist vorzugsweise dasjenige, in dem das Hohlrad an den Planetenträger gekoppelt ist. In dieser Stellung ist das Planetengetriebe verlustfrei, da seine Räder nicht aneinander abrollen, sondern en bloc rotieren. Diese Stellung sollte daher während des überwiegenden Teils der Betriebszeit des Getriebeaggregats eingestellt sein. In den Zeiten langsamer Fahrt, die normalerweise nur einen kleinen Teil der Gesamtbetriebszeit des Getriebeaggregats ausmachen, können Reibungsverluste, die durch das Abrollen der Räder des Planetengetriebes verursacht werden, eher toleriert werden.
Das Planetengetriebe sollte ferner auch in eine Stellung schaltbar sein, in der das Hohlrad frei drehbar ist. In dieser Stellung ist die Drehmomentübertragung zwischen Fahrwerk und elektrischer Maschine unterbrochen; sie kann daher zum Schutz der elektrischen Maschine bei extrem hoher Fahrgeschwindigkeit gewählt werden.
Zum Ankoppeln des Hohlrads an das Getriebegehäuse ist vorzugsweise eine Lamellenkupplung vorgesehen.
Um das Hohlrad an den Planetenträger anzukoppeln, kann eine Klauenkupplung vorgesehen sein, insbesondere in Form einer aus Stufengetrieben an sich bekannten Sperrsynchronisiereinrichtung.
Zum Schutz der elektrischen Maschine kann eine Überwachungseinheit vorgesehen sein, die bei Überschreitung einer Grenzgeschwindigkeit die erste Anschlusswelle von der Abtriebswelle abkoppelt, vorzugsweise durch Einstellen der frei drehbaren Stellung des Hohlrades.
Um die Anforderungen an das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes zu reduzieren, kann die zweite Anschlusswelle an die Abtriebswelle über ein Losrad der Antriebswelle gekoppelt sein.
Dieses Losrad sollte auch für eine der Übersetzungsstufen des Stufengetriebes nutzbar sein und dazu durch eine Synchronisiereinrichtung an die Antriebswelle ankoppelbar sein.
Das Losrad kämmt vorzugsweise mit einem Rad der Abtriebswelle oder einer Vorgelegewelle des Stufengetriebes, das kleiner als das Losrad ist.
Vorzugsweise ist das Losrad größer als die Mehrzahl der Räder auf der Antriebswelle.
Eine Rückwärtsgangwelle kann normalerweise kürzer sein als andere Wellen, insbesondere die Antriebswelle, des Stufengetriebes. Das Planetengetriebe kann daher platzsparend untergebracht werden, wenn des mit der Rückwärtsgangwelle in axialer Richtung überlappt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs mit einem Getriebeaggregat gemäß der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung des Planetengetriebes des Getriebeaggregats.

1 zeigt einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs. Eine Antriebswelle 1 des Antriebsstrangs ist an einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor über eine ebenfalls nicht dargestellte Kupplung, typischerweise eine Lamellenkupplung, ankoppelbar. Die Antriebswelle 1 trägt mehrere Zahnräder 2-7, darunter zwei als Festräder 2, 3 und die übrigen, größeren als Losräder 4-7. Zwischen je zwei Losrädern 4, 5 bzw. 6, 7 befindet sich jeweils eine doppelt wirkende Sperrsynchronisiereinrichtung 8 bzw. 9.
Das kleinere der beiden Festräder 2 kämmt gleichzeitig mit einem Losrad 11 einer Rückwärtsgangwelle 10. Eine Sperrsynchronisiereinrichtung 13 dient zum drehfesten Ankoppeln des Losrads 11 an die Rückwärtsgangwelle 10. Ein Abtriebsritzel 12 der Rückwärtsgangwelle 10 kämmt, in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, mit einem Zahnrad 16 einer Abtriebswelle 15.
Eine Vorgelegewelle 17 trägt mit den Festrädern 2, 3 kämmende Losräder 18, 19, mit den Losrädern 4-7 kämmende Festräder 20-23, eine Sperrsynchronisiereinrichtung 24 zum Ankoppeln jeweils eines der Losräder 18, 19 an die Vorgelegewelle 17 und ein Abtriebsritzel 24.
In einem ersten Gang des so gebildeten Stufengetriebes 25 koppelt die Sperrsynchronisiereinrichtung 24 das Losrad 18 an die Vorgelegewelle 17, so dass Drehmoment von der Antriebswelle 1 über Räder 2, 18, 24, 16 zur Abtriebswelle 15 übertragen. In einem zweiten Gang koppelt die Sperrsynchronisiereinrichtung 24 das Losrad 19 an die Vorgelegewelle 17, und die Drehmomentübertragung erfolgt über die Räder 3, 19, 24, 16. In einem dritten Gang befindet sich die Sperrsynchronisiereinrichtung 24 in Neutralstellung; stattdessen koppelt die Sperrsynchronisiereinrichtung 8 das Losrad 4 an die Antriebswelle 1, und das Drehmoment fließt über die Räder 4, 20, 24, 16. Wie - auch unter Einbeziehung der weiteren Sperrsynchronisiereinrichtung 9 weitere Gänge gebildet werden, ist für den Fachmann aus 1 ablesbar.
Eine elektrische Maschine 26 ist an eine erste Anschlusswelle 28 eines Planetengetriebes 27 angeschlossen. Die Anschlusswelle 28 trägt ein Sonnenrad 29 des Planetengetriebes 27. Ein Planetenträger 30 ist mit einer zweiten Anschlusswelle 31 verbunden. An dem Planetenträger 30 montierte Planetenräder 32 kämmen in üblicher Weise jeweils sowohl mit dem Sonnenrad 29 als auch mit einem alle Planetenräder 32 umgebenden Hohlrad 33. Ein Zahnrad 34 der Anschlusswelle 31 ist - hier über eine einen axialen Versatz zwischen ihm und dem Zahnrad 7 ausgleichende Zwischenwelle 35 - mit dem Losrad 7 und, über letzteres, mit dem Festrad 23 der Vorgelegewelle 17 verbunden.
Gesehen aus einer zu den Wellen 1, 17 etc. radialen Richtung überlappt die Rückwärtsgangwelle 10 mit dem kleinsten Rad 2 auf der Antriebswelle 1 und dem nächstbenachbarten Rad 3. Um die elektrische Maschine 26 platzsparend unterzubringen, ist letztere so angeordnet, dass sie aus der radialen Richtung gesehen mit der Antriebswelle 1 oder der Vorgelegewelle 17, nicht aber mit der Rückwärtsgangwelle 10 überlappt. Um ein hohes Drehmoment erzeugen zu können, sollte die elektrische Maschine einen nicht zu kleinen Durchmesser haben. Um diesen bei gegebenen Außenabmessungen des gesamten Getriebes unterbringen zu können, überlappt die elektrische Maschine 26 gesehen in der radialen Richtung mit den kleineren unter denjenigen Rädern der Antriebswelle 1, die nicht mit der Rückwärtsgangwelle 10 überlappen, im Falle der 1 mit den Rädern 4, 5, 6, so dass zum Einkoppeln des Drehmoments der elektrischen Maschine 26 in das Getriebe nur das Rad 7 übrigbleibt.
2 zeigt ein detaillierteres Schema des Planetengetriebes 27. Ein gemeinsames Gehäuse von Stufengetriebe 25 und Planetengetriebe 27 ist mit 36 bezeichnet. An dem Gehäuse 36 ist eine erste Gruppe von Lamellen 38 einer sich um eine Achse 40 der elektrischen Maschine 26 erstreckenden Lamellenkupplung 37 drehfest montiert. Eine zweite Gruppe von Lamellen 39 ist mit dem Hohlrad 33 drehfest verbunden. Eine der beiden Gruppen, hier die Lamellen 39, ist zum Öffnen und Schließen der Lamellenkupplung 37 entlang der Achse 40 beweglich.
In der Darstellung der 2 ist die Kupplung 37 entlang der Achse 40 in einem Zwischenraum zwischen dem Hohlrad 33 und der elektrischen Maschine 26 angeordnet. So kann bei ausreichender Kupplungsfläche der Außendurchmesser der Kupplung 37 klein gehalten werden. Alternativ kann, je nach durch die Anordnung der Räder im Stufengetriebe 25, auch eine Anordnung platzsparender sein, bei der die Lamellenkupplung 37 sich rings um das Hohlrad 33 erstreckt.
Die zweite Anschlusswelle 31 umfasst einen Hohlwellenabschnitt 41, in dem ein Ende der ersten Anschlusswelle 28 drehbar gelagert ist. Der Planetenträger 30 ist an einem der elektrischen Maschine 26 zugewandten Ende des Hohlwellenabschnitts 41 angeordnet. Am entgegengesetzten Ende des Hohlwellenabschnitts 41 befinden sich das Zahnrad 34 und ein Muffenträger 42, an dem in von Sperrsynchonisiereinrichtungen bekannter Weise eine Schaltmuffe 43 drehfest, aber durch eine in eine umlaufende Ringnut eingreifende Schaltklaue 45 eines Aktuators axial verschiebbar angeordnet ist. Durch die axiale Verschiebung kann die Schaltmuffe 43 mit einer Schaltverzahnung 46 des Hohlrades 33 in Eingriff gebracht werden. Schaltmuffe 43 und Schaltverzahnung 46 bilden zusammen eine Klauenkupplung 44, die eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlrad 33 und der zweiten Anschlusswelle 31 herstellt. In dieser Eingriffstellung rotiert das gesamte Planetengetriebe 27 als ein starrer Block, so dass zwischen den ineinander eingreifenden Zahnrädern 29, 32, 33 keine Reibungsverluste auftreten.
In ebenfalls von Sperrsynchonisiereinrichtungen bekannter Weise kann zwischen dem Muffenträger 42 und der Schaltverzahnung 46 ein Synchronring 47 vorgesehen sein, der durch ein Vorrücken der Schaltmuffe 43 gegen die Schaltverzahnung 46 in reibschlüssigen Kontakt mit dem Hohlrad 33 gebracht wird und ein Vorrücken der Schaltmuffe 43 in die Schaltverzahnung 46 erst nach erfolgter Synchronisation erlaubt.
Im normalen Fahrbetrieb bei Geschwindigkeiten oberhalb einer Grenze von wenigen km/h ist die Lamellenkupplung 37 offen. Eine nicht dargestellte elektronische Steuereinheit steuert den Aktuator, um die Schaltmuffe 43 in einer Neutralstellung, außer Eingriff mit der Schaltverzahnung 46, zu halten, solange eine gewünschte Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Betrieb des Verbrennungsmotors in einem energieeffizienten Arbeitspunktintervall aufrecht erhalten werden kann. Wenn das Drehmoment des Verbrennungsmotors in diesem Arbeitspunktintervall nicht ausreicht, um die gewünschte Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, verstellt die Steuereinheit die Schaltmuffe 43 in die Eingriffstellung an der Schaltverzahnung 46 und betreibt die elektrische Maschine 26 als Motor, um das benötigte, aber vom Verbrennungsmotor nicht gelieferte Drehmoment bereitzustellen. Wenn das Drehmoment des Verbrennungsmotors in diesem Arbeitspunktintervall größer ist als zur Aufrechterhaltung der gewünschten Geschwindigkeit benötigt, kann die Steuereinheit die elektrische Maschine 26 bei in Eingriffstellung gehaltener Schaltmuffe 43 als Generator betreiben, um das überschüssige Drehmoment abzuschöpfen und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie zu nutzen.
Da die elektrische Maschine 26 an das Fahrwerk über das kleinste Zahnrad 23 der Vorgelegewelle 17 gekoppelt ist, kann auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten die Drehzahl der elektrischen Maschine 26 niedrig genug gehalten werden, um eine Überbeanspruchung durch Fliehkräfte zu vermeiden. Für den Fall, dass doch eine Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht wird, bei der eine Beschädigung der elektrischen Maschine 26 nicht ausgeschlossen werden kann, kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit in einem solchen Fall automatisch die Klauenkupplung 44 öffnet.
Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unter der oben erwähnten Grenze liegt, kann die Steuereinheit die Lamellenkupplung 37 schließen. So kann die elektrische Maschine 26 auch bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer Drehzahl laufen, die hoch genug ist, damit die elektrische Maschine 26 die Antriebsleistung, die z.B. beim Einparken des Fahrzeugs benötigt wird, allein erbringen kann. So kann insbesondere beim Einparken in geschlossenen Gebäuden der Verbrennungsmotor außer Betrieb bleiben und ein Ausstoß von Abgasen komplett vermieden werden.
Beim Hangaufwärtsfahren am Hang kann die elektrische Maschine 26 bei geschlossener Lamellenkupplung 37 einen erheblich größeren Beitrag zur Antriebsleistung liefern als in der Eingriffstellung der Schaltmuffe 43 liefern und so eine zügige Bergauffahrt auch bei begrenzter Leistung des Verbrennungsmotors ermöglichen. Bei Fahrt hangabwärts vergrößert das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 27 die Verzögerungswirkung im Generatorbetrieb, so dass auch an einem steilen Hang die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden kann, ohne dass Bremsen oder das Schleppmoment des Verbrennungsmotors zu Hilfe genommen werden müssen. So kann die bei der Hangabfahrt freigesetzte potentielle Energie zu einem großen Teil in elektrische Energie umgewandelt und zur erneuten Nutzung gespeichert werden.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2: Zahnrad (Festrad)
3: Zahnrad (Festrad)
4: Zahnrad (Losrad)
5: Zahnrad (Losrad)
6: Zahnrad (Losrad)
7: Zahnrad (Losrad)
8: Sperrsynchronisiereinrichtung
9: Sperrsynchronisiereinrichtung
10: Rückwärtsgangwelle
11: Zahnrad (Losrad)
12: Abtriebsritzel
13: Sperrsynchronisiereinrichtung
14: -
15: Abtriebswelle
16: Zahnrad
17: Vorgelegewelle
18: Zahnrad (Losrad)
19: Zahnrad (Losrad)
20: Zahnrad (Festrad)
21: Zahnrad (Festrad)
22: Zahnrad (Festrad)
23: Zahnrad (Festrad)
24: Abtriebsritzel
25: Stufengetriebe
26: elektrische Maschine
27: Planetengetriebe
28: erste Anschlusswelle
29: Sonnenrad
30: Planetenträger
31: zweite Anschlusswelle
32: Planetenrad
33: Hohlrad
34: Zahnrad
35: Zwischenwelle
36: Gehäuse
37: Lamellenkupplung
38: Lamelle
39: Lamelle
40: Achse
41: Hohlwellenabschnitt
42: Muffenträger
43: Schaltmuffe
44: Klauenkupplung
45: Schaltklaue
46: Schaltverzahnung
47: Synchronring

Claims

Getriebeaggregat für ein Hybridfahrzeug mit einem Stufengetriebe (25), das eine Eingangswelle (1) zur Ankopplung an einen Verbrennungsmotor und eine Abtriebswelle (15) zur Ankopplung an ein Fahrwerk aufweist, und mit einem schaltbaren Planetengetriebe (27), das eine erste Anschlusswelle (28) zur Ankopplung an eine elektrische Maschine (26) und eine an die Abtriebswelle (15) des Stufengetriebes (25) drehfest gekoppelte zweite Anschlusswelle (31) aufweist.
Getriebeaggregat nach Anspruch 1, bei dem das Planetengetriebe (27) zwischen einer Stellung, in der ein Hohlrad (33) drehfest an ein Getriebegehäuse (36) gekoppelt ist, und einer Stellung, in der das Hohlrad (33) drehfest an einen Planetenträger (30) gekoppelt ist, schaltbar ist.
Getriebeaggregat nach Anspruch 2, bei dem das Planetengetriebe (27) in eine Stellung schaltbar ist, in der das Hohlrad (33) frei drehbar ist.
Getriebeaggregat nach Anspruch 2 oder 3, mit einer Lamellenkupplung (37), durch die das Hohlrad (33) an das Getriebegehäuse (36) ankoppelbar ist.
Getriebeaggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einer Klauenkupplung (44), durch die das Hohlrad (33) an den Planetenträger (30) ankoppelbar ist.
Getriebeaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuereinheit zum Abkoppeln der ersten Anschlusswelle (28) von der Abtriebswelle (15) bei Überschreitung einer Grenzgeschwindigkeit.
Getriebeaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Anschlusswelle (31) an die Abtriebswelle (15) über ein Losrad (7) der Antriebswelle (1) gekoppelt ist.
Getriebeaggregat nach Anspruch 7, mit einer Synchronisiereinrichtung (9), durch die das Losrad (7) an die Antriebswelle (1) ankoppelbar ist.
Getriebeaggregat nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Losrad (7) mit einem Rad (23) der Abtriebswelle oder einer Vorgelegewelle (17) des Stufengetriebes (25) kämmt, das kleiner als das Losrad (7) ist.
Getriebeaggregat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Losrad (7) größer als die Mehrzahl der Räder (2-7) auf der Antriebswelle (1) ist.
Getriebeaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Planetengetriebe (27) in axialer Richtung mit einer Rückwärtsgangwelle (10) überlappt.