DE102017130494A1

DE102017130494A1 - Hybrid-Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102017130494A1
Application number: DE102017130494.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Walter
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019120372A1; US11351853B2; CN111386205A; US20200398653A1; JP7009622B2; JP2020536011A; DE112018006453A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang (1), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:- eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einer Antriebswelle (3) zum Abgeben eines Drehmoments;- einen Generator (4) mit einer Generatorwelle (5) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;- eine elektrische Maschine (6) mit einer Rotorwelle (7) zum Abgeben eines Drehmoments;- ein Getriebe (8), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (3) und ein Drehmoment der Rotorwelle (7) zu übersetzen;- einen Abtrieb (9) als Verbraucher eines von der Verbrennungskraftmaschine (2) und/oder der elektrischen Maschine (6) eingegebenen Drehmoments; und- zumindest eine Trennkupplung (11,12) zum Zuschalten und Abschalten einer Drehmomentübertragung von der Antriebswelle (3) auf den Abtrieb (9). Der Hybrid-Antriebsstrang (1) ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) im Drehmomentfluss zwischen der Antriebswelle (3) und dem Getriebe (8) angeordnet ist.Mit dem hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang ist auf geringem Bauraum eine Vielzahl von Schaltzuständen bei beherrschbarer Komplexität der Einstellung der Schaltzustände ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
Aus dem Stand der Technik sind Hybrid-Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge bekannt, bei welchen eine Verbrennungskraftmaschine, meist ein Otto-Motor oder Diesel-Motor, und eine elektrische Maschine vorgesehen sind, wobei die elektrische Maschine über dessen Abtrieb, in der Regel zwei Antriebsrädern, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Die elektrische Maschine ist dabei parallel oder in Reihe geschaltet. Bei einem Parallel-Seriell-Hybrid ist eine elektrische Maschine zum eigenständigen Antrieb des Kraftfahrzeugs eingerichtet, zugleich aber auch ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine an den Abtrieb abgebbar. In einigen Anwendungen ist der Bauraum äußerst begrenzt und es erscheint vorteilhaft, eine elektrische Maschine einzusetzen, welche zu gering dimensioniert ist, um ein erforderliches Drehmoment zum Anfahren in jeder Situation bereitzustellen. Beispielsweise reicht aufgrund dieser Dimensionierung das Drehmoment der elektrischen Maschine bei einem Anfahren am Hang nicht aus. Dazu ist angedacht, die Verbrennungskraftmaschine zusätzlich oder allein zum Anfahren zu nutzen. Um das zu erreichen, wird ein sogenannter Drehmomentwandler (Torque Converter) eingesetzt. Ein solcher Drehmomentwandler weist in einer Ausführungsform motorseitig ein erstes Schaufelrad und abtriebseitig ein zweites Schaufelrad auf, wobei ein Drehmoment von dem ersten Schaufelrad nur mittels einer in Rotation versetzte Flüssigkeit auf das zweite Schaufelrad übertragbar ist. Auch wenn damit der Wirkungsgrad relativ gering ist, ist damit auf geringem Bauraum und mit wenigen Komponenten ein sanftes Anfahren ermöglicht. Zudem ist in einer solchen Konfiguration die elektrische Maschine als Hauptantrieb eingerichtet und die Verbrennungskraftmaschine greift nur ersetzend oder unterstützend ein, wenn das Drehmoment der elektrischen Maschine nicht ausreicht. Bei besonders wenig verfügbaren Bauraum wird die elektrische Maschine zudem als Generator benutzt, um den Akkumulator wieder aufzuladen. Währenddessen ist dann nur ein Antrieb mittels Verbrennungskraftmaschine und auch nur mit einem Teil des Drehmoments möglich. Alternativ ist kein Generator vorgesehen und der Akkumulator ist als Plug-in-Hybrid einzig über eine externe Energiequelle, also über eine Steckdose, aufladbar.
Es ist also angestrebt, möglichst viele der grundsätzlich verfügbaren Antriebsquellen nutzbar zu machen, auch wenn der verfügbare Bauraum sehr gering ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:

- eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebswelle zum Abgeben eines Drehmoments;
- einen Generator mit einer Generatorwelle zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;
- eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle zum Abgeben eines Drehmoments;
- ein Getriebe, welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle und ein Drehmoment der Rotorwelle zu übersetzen;
- einen Abtrieb als Verbraucher eines von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine eingegebenen Drehmoments; und
- zumindest eine Trennkupplung zum Zuschalten und Abschalten einer Drehmomentübertragung von der Antriebswelle auf den Abtrieb.

Der Hybrid-Antriebsstrang ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Generator im Drehmomentfluss zwischen der Antriebswelle und dem Getriebe angeordnet ist.
Bei dem hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang sind eine Verbrennungskraftmaschine mit einer um eine Verbrennerachse rotierbaren Antriebswelle, beispielsweise eine Kurbelwelle, ein Generator mit einer um eine Generatorachse rotierbaren Generatorwelle und eine elektrische Maschine mit einer um eine Rotorachse rotierbaren Rotorwelle vorgesehen. Die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine sind gemeinsam über ein Getriebe, beispielsweise ein Zahnradstufengetriebe, mit einem Abtrieb verbunden. In einem Kraftfahrzeug bildet der Abtrieb beispielsweise ein Antriebsrad, bevorzugt zwei Antriebsräder einer gemeinsamen Radachse, also beispielsweise Vorderachse oder Hinterachse, oder auch, bevorzugt zuschaltbar und abschaltbar, alle Räder in einem Allradantrieb.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Maschine direkt an das Getriebe eingangsseitig angeflanscht, sodass eine axial bauraumsparende Anordnung erreicht ist.
Das Getriebe ist mit einer starren Übersetzung oder mit einer veränderlichen, beispielsweise schaltbaren, Übersetzung ausgeführt. Die Antriebswelle und die Rotorwelle sind an einer gemeinsamen Eingangsseite des Getriebes zur Drehmomentabgabe angeschlossen. Besonders bevorzugt sind die Antriebswelle und die Rotorwelle zueinander fluchtend ausgerichtet. In einer Ausführungsform weist die Rotorwelle zusätzlich ein, bevorzugt starres, Übersetzungsgetriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, auf, mittels welchem die Drehzahlbereiche der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine in den gleichen Bereich überführt sind.
Der hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang weist zumindest eine Trennkupplung auf, welche es ermöglicht, eine Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Abtrieb zu unterbrechen. Somit muss die erhebliche träge Masse der Verbrennungskraftmaschine nicht dauerhaft mitgeschleppt werden und es ist ein rein elektrisches Fahren ermöglicht.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass der Generator im Drehmomentfluss zwischen Abtrieb und dem Getriebe angeordnet ist. Der Generator ist beispielsweise mit seiner Generatorachse parallel zu der Verbrennerachse angeordnet, beispielsweise als Riemen-Starter-Generator. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator koaxial zu der Antriebswelle angeordnet. Der Generator ist beispielsweise im Vergleich zu der eingangs genannten Variante, welche einen Drehmomentwandler aufweist, bauraumneutral anstelle des Drehmomentwandlers eingesetzt. Reicht das Drehmoment der elektrischen Maschinen nicht aus, so kann die Verbrennungskraftmaschine zugeschaltet werden, womit das erforderliche Drehmoment allein von der Verbrennungskraftmaschine an den Abtrieb abgebbar ist oder ein unterstützendes Drehmoment abgebbar ist, welches zusammen mit dem Drehmoment der elektrischen Maschine über das gemeinsame Getriebe in den Abtrieb eingeleitet wird. Weiterhin ist mittels der Trennkupplung ein Schaltzustand erreichbar, welcher weiter unten beschrieben ist, in welchem die Verbrennungskraftmaschine abgekuppelt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Generator auch als elektrischer Antriebsmotor betreibbar. Damit ist von dem Generator im Drehmomentabgabebetrieb zusätzlich zum Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine oder allein (abhängig von der Anordnung der Trennkupplung) ein unterstützendes Drehmoment abgebbar, welches über das gemeinsame Getriebe in den Abtrieb eingeleitet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine einzige Trennkupplung vorgesehen. Diese ist gemäß nachfolgender Beschreibung als erste Trennkupplung oder als zweite Trennkupplung ausgeführt. Es sei daher darauf hingewiesen, dass der Begriff zweite Trennkupplung nicht bedeutet, dass eine erste Trennkupplung vorgesehen sein muss. In der Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wider.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist eine erste der Trennkupplungen verbrennerseitig zu dem Generator angeordnet, und eine Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle und der Generatorwelle mittels der Trennkupplung unterbrechbar ist, wobei bevorzugt die erste Trennkupplung axial überlappend mit dem Generator verbunden ist.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennkupplung verbrennerseitig angeordnet, das heißt zwischen der Antriebswelle und der Generatorwelle des Generators. Damit ist zwar die Verbrennungskraftmaschine von dem Abtrieb abkuppelbar, aber die Generatorwelle ist dauerhaft mit dem Abtrieb verbunden. Ein Aufladebetrieb mittels Zusammenwirken von Verbrennungskraftmaschine und Generator ist also nur dann möglich, wenn zugleich die Antriebswelle mit dem Abtrieb verbunden ist. Allerdings ist es auch möglich, das verbrennerseitig erzeugte Drehmoment von dem Widerstandsmoment des Generators zum Erzeugen einer Ladespannung aufzunehmen, sodass kein oder nur ein Teil des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine an den Abtrieb abgegeben wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dann der Generator als elektrischer Antriebsmotor betreibbar, sodass nicht oder nicht allein die Verbrennungskraftmaschine zur Abgabe eines (unterstützenden) Drehmoments eingerichtet ist, sondern auch der Generator als elektrischer Antriebsmotor ein (unterstützendes) Drehmoment abgeben kann. Die Trennkupplung ist, sofern es die einzige Trennkupplung ist, bevorzugt als Reibkupplung, beispielsweise Lamellenkupplung, ausgeführt, sodass zum einen die Generatorwelle zu der Antriebswelle nicht synchronisiert werden muss und zum anderen ein relativ sanfter Drehmomentanstieg trotz einer Minimaldrehzahl der Antriebswelle (etwa die Leerlaufdrehzahl) erreichbar ist. Zudem ist die Reibkupplung dazu geeignet, über den Generator als Startergenerator angelassen zu werden, wobei die Antriebswelle über diese Reibkupplung schlupfend anlassbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist getriebeseitig zu dem Generator eine zweite der Trennkupplungen angeordnet ist, mittels welcher eine Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe unterbrechbar ist.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass der Begriff zweite Trennkupplung nicht bedeutet, dass eine erste Trennkupplung vorgesehen sein muss. Die vorgeschlagene zweite Trennkupplung ist gemäß einer Ausführungsform die einzige Trennkupplung im Drehmomentfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennkupplung getriebeseitig angeordnet, das heißt zwischen der Generatorwelle des Generators und der Eingangsseite des Getriebes.
Die zweite Trennkupplung ist nun also getriebeseitig zu dem Generator angeordnet. Das heißt der Generator ist mittels dieser zweiten Trennkupplung von dem Getriebe abkuppelbar jedoch nicht mittels dieser zweite Trennkupplung von der Antriebswelle abkuppelbar. Diese zweite Trennkupplung ermöglicht ein Aufladen eines Akkumulators mittels der Verbrennungskraftmaschine während zugleich mittels der elektrischen Maschine ein Drehmoment an den Abtrieb abgebbar ist. Hierbei ist also bei entsprechender elektrischer Beschaltung auch eine elektrische Weiterfahrt möglich, wenn der Akkumulator leer ist beziehungsweise aus regelungstechnischen Gründen keine Nutzspannung abgeben kann. Dies ist dadurch erreichbar, indem die erzeugte elektrische Spannung an dem Generator mittels des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, zumindest teilweise, direkt zur Versorgung der elektrischen Maschine abgegeben wird. Wird die zweite Trennkupplung geschlossen, so ist ein alleiniges Antreiben des Abtriebs mittels der Verbrennungskraftmaschine und des Generators (als elektrisch Antriebsmotor) oder ein Boosten, also eine Abgabe eines unterstützenden Drehmoments bei gleichzeitiger Abgabe eines Drehmoments über die Rotorwelle der elektrischen Maschine, möglich. Weiterhin ist es möglich, mittels der Verbrennungskraftmaschine einen Teil des Drehmoments dem Abtrieb zur Verfügung zu stellen und einen Teil des Drehmoments über den Generator abzunehmen, um den Akkumulator aufzuladen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist die Antriebswelle nur mittelbar über die abkuppelbare Generatorwelle mit dem Umschlingungsgetriebe verbunden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine nur mittelbar über die Generatorwelle mit dem Abtrieb verbunden. Hierzu ist bevorzugt die Generatorwelle koaxial zu der Antriebswelle angeordnet. Diese Anordnung erlaubt eine besonders kleine Bauweise und erfüllt dennoch mit der zumindest einen Trennkupplung die gewünschten Drehmomentverläufe, wie sie eingangs beschrieben sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl eine erste als auch eine zweite Trennkupplung vorgesehen, also im Drehmomentfluss links und rechts des Generators. Damit ist sowohl ein Aufladen während einer Drehmomentabgabe von der Rotorwelle an den Abtrieb als auch ein rein elektrisches Boosten, also mittels des von der Verbrennungskraftmaschine abgekuppelten Generators, welcher als elektrischer Antriebsmotor betreibbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs sind eine erste und eine zweite Trennkupplung nach der obigen Beschreibung im Drehmomentfluss also vor und hinter dem Generator angeordnet. Bevorzugt ist die erste Trennkupplung und/oder die zweite Trennkupplung eine formschlüssige Kupplung oder eine form-kraftschlüssige Kupplung ist.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine Trennkupplung als formschlüssige Drehmomentkupplung ausgeführt, sodass die zu verbindenden Wellen zumindest in einem engen Winkelgeschwindigkeitsbereich zueinander synchronisiert werden müssen. Beispielsweise ist die Trennkupplung als Klauenkupplung ausgeführt. Besonders bevorzugt ist die Trennkupplung form-kraftschlüssig ausgeführt, beispielsweise als eine sogenannte Wedge Clutch. Eine Wedge-Clutch weist einen Nabenkonus und einen (abgerundet) polygonen Mitnehmerkonus auf, welcher, bevorzugt mit einem als Festkörperfeder ausgeführten korrespondierenden ausgeführten, Aufnahmekonus axial einführbar ist. Bei einer solchen Wedge Clutch sind Relativdrehzahlen von 20 bis 30 U/min [Umdrehungen pro Minute] schaltbar, weil der Eingriff nicht rein formschlüssig, sondern kraftschlüssig gebildet ist.
Weil die Drehzahl des Generators frei einregelbar ist, ist eine Relativdrehzahl zwischen Antriebswelle und/oder Eingangsseite des Getriebes auf null regelbar oder zumindest ausreichend nah an Null heranführbar, sodass ein Schalten einer solchen Trennkupplung in (nahezu) jedem Zustand möglich ist. Eine Trennkupplung, bei welcher ein Schlupf bei großen Relativdrehzahlen zulässig ist, ist daher nicht notwendig. Eine (eher) formschlüssige Trennkupplung ist deutlich weniger aufwendig hinsichtlich der Beschaltung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die verbrennerseitige (erste) Trennkupplung eine Reibkupplung und die getriebeseitige (zweite) Trennkupplung eine (kraft-) formschlüssige Kupplung. Weil der Generator in seiner Drehzahl fein abgestimmt ansteuerbar ist, ist auch bei anliegender Drehzahl an der zweiten Trennkupplung ein Synchronisieren ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Trennkupplung als (kraft-) formschlüssige Kupplung und die zweite Trennkupplung als Reibkupplung ausgeführt, wobei die Generatorwelle auf die erforderliche Drehzahl der Antriebswelle gebracht wird. Mittels der zweiten Trennkupplung ist die anliegende Drehzahl an der Antriebswelle (und der Getriebewelle) konventionell über die Reibkupplung relativ sanft in den Abtrieb einleitbar.
In einer weiteren Alternative sind beide Trennkupplungen als (kraft-) formschlüssige Kupplungen ausgeführt, wobei bevorzugt zumindest eine der beiden Trennkupplung als Wedge-Clutch ausgeführt ist. Sofern getriebeausgangsseitig, also zwischen Getriebe und Abtriebe eine weitere schlupfende Kupplung, beispielsweise eine Reibkupplung beziehungsweise eine Rutschkupplung, oder ein Drehmomentwandler vorgesehen ist, ist kein ungewünscht plötzlicher Drehmomentanstieg am Abtrieb spürbar.
Aber auch in einer Ausführung mit einer starren Verbindung zwischen Generatorwelle beziehungsweise getriebeseitigem Kupplungspartner der zweiten Trennkupplung, ist eine Beschaltung möglich, in welcher ein ungewünscht plötzlicher Drehmomentanstieg nicht an den Abtrieb weitergegeben wird. Beispielsweise wird die zweite Trennkupplung getrennt, um die Verbrennungskraftmaschine mittels des (Starter-) Generators anzulassen. Alternativ ist ein separater Anlasser vorgesehen und die erste Trennkupplung getrennt. Wenn die zweite Trennkupplung geschlossen ist, während die Antriebswelle mittels der ersten Trennkupplung von der Generatorwelle getrennt ist, wird die erste Trennkupplung geschlossen, sobald die Antriebswelle eine zu dem Abtrieb (etwa) gleiche Drehzahl erreicht. Alternativ bleibt die zweite Trennkupplung offen während die erste Trennkupplung vom Zeitpunkt des Anlassens an oder einem späteren (unabhängig vom Abtrieb synchronisierten) Zeitpunkt an geschlossen bleibt. Erst wenn dann eine Drehzahlangleichung zwischen Getriebeeingangsseite und Generatorwelle erreicht ist, schließt die zweite Trennkupplung. Die Drehzahl der Getriebeeingangswelle ist über die elektrische Maschine präzise ansteuerbar einstellbar und/oder über eine elektrische Motorbremse (Rekuperation). Die Schaltvorgänge sind dabei derart schnell ausführbar, dass der Fahrer von der Drehzahlangleichung nichts merkt. Um zu vermeiden, dass eine in dem, bevorzugt starren, Drehmomentstrang zwischengeschaltete Zahnpaarung eines schaltbaren Stirnradgetriebes in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung steht, wenn ein Drehmoment übertragen werden soll, ist mittels der elektrischen Maschine und/oder des Generators eine langsame und/oder drehmomentschwache Drehung vor der Einleitung eines gewünschten (größeren) Drehmoments durchführbar, sodass die Zahnpaarung ohne Drehmomentsprung in Eingriff gebracht ist.
Solche von (kraft-) formschlüssigen Kupplung haben den Vorteil, dass sie besonders geringen Bauraum benötigen und wenig zusätzliche Komponenten zu einem ordnungsgemäßen Betrieb benötigen. Allein eine axiale Stellvorrichtung, beispielsweise ein schaltbares Druckventil hin zu einer Druckquelle, ist notwendig, um die Trennkupplung zu schließen beziehungsweise zu öffnen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist das Getriebe ausgangsseitig unlösbar mit dem Abtrieb verbunden.
Bei dieser Ausführungsform, ausdrücklich mit jeder der vorgenannten Ausführungsformen kompatibel ist, ist abtriebseitig des Getriebes keine weitere Trennkupplung, insbesondere keine Reibkupplung vorgesehen. Bei einem Getriebe mit einer veränderbaren Übersetzung und/oder einem rein elektrischen Anfahren, beispielsweise mittels elektrischer Maschine und gegebenenfalls zusätzlich mittels des Generators als elektrischem Antriebsmotor, ist ein sanftes Anfahren rein elektrisch steuerbar ermöglicht und damit kein Wirkungsgradverlust über eine dauerhaft zwischengeschaltete Kupplung, insbesondere Reibkupplung, notwendig. Damit ist zwischen der elektrischen Maschine und dem Abtrieb eine starre Drehmomentübertragung geschaffen, wobei abgesehen von den Getriebeelementen, und es sind keine Wirkungsgradverluste geschaffen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist das Getriebe ein Umschlingungsgetriebe.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform ist ein Umschlingungsgetriebe zwischen dem der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, mittels welchem eine stufenlos veränderbare Übersetzung einstellbar ist. Ein solches Umschlingungsgetriebe ist beispielsweise als CVT (engl.: continuous variable transmission) bezeichnet.
Dadurch ist eine elektrische Maschine mit einer geringen Drehzahl und/oder einer geringen Drehzahlspanne einsetzbar, wodurch eine elektrische Maschine kleiner Baugröße einsetzbar ist. Alternativ ist ein Planetengetriebe zwischen Umschlingungsgetriebe und elektrische Maschine zwischen geschaltet, sodass die Drehzahl der elektrischen Maschine im Vergleich zu einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine hoch und zugleich ein Drehmoment gering ist. Das Planetengetriebe übersetzt das Drehmoment und untersetzt die Drehzahl auf die gewünschten Werte, beispielsweise (getriebeeingangsseitig) ein Drehzahlbereich von 3.000 U/min [dreitausend Umdrehungen pro Minute] bis 7.000 U/min einsetzbar bei einem maximalen Drehmoment von 250 Nm. Ein Planetengetriebe erlaubt eine große Drehzahluntersetzung auf geringem axialen Bauraum bei, aufgrund der wenigen Zahnpaarungen, im Vergleich zu Stirnradgetrieben hohem Wirkungsgrad.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist im Drehmomentfluss zwischen der Rotorwelle und dem Getriebe eine dritte Trennkupplung angeordnet und die Rotorwelle ist unter Umgehung des Umschlingungsgetriebes direkt mit dem Abtrieb, bevorzugt unlösbar, verbunden.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Rotorwelle und der Eingangsseite des Getriebes eine dritte Trennkupplung vorgesehen, mittels welcher ein Abkuppeln der Rotorwelle von der Getriebeeingangsseite ermöglicht ist. Weiterhin ist eine Drehmomentübertragung von der elektrischen Maschine direkt auf den Abtrieb mittels eines Direktgangs ermöglicht, sodass größere Wirkungsgradverluste über das Getriebe umgangen sind. Der so gebildete Direktgang zwischen elektrischen Maschine und dem Abtrieb ist eingerichtet entweder für ein Anfahren zur Vergrößerung des verfügbaren Drehmoments oder für die (normale) elektrische Fahrt, bei welcher eine relativ hohe Drehzahl an den Antriebsrädern gefordert ist aber kein hohes Drehmoment. Für den jeweils anderen Fall ist dann der Drehmomentfluss über die geschlossene dritte Trennkupplung über das Getriebe geleitet.
Die dritte Trennkupplung ist bevorzugt eine (kraft-) formschlüssige Kupplung wie sie oben beschrieben ist. Die Rotorwelle ist dann also zunächst zu der Getriebeeingangswelle zu synchronisieren, bevor die dritte Trennkupplung geschlossen werden kann.
Hin zu dem Abtrieb ist die Rotorwelle in dem Direktgang bevorzugt mittels einer Stirnradstufe mit einem besonders geringen Wirkungsgradverlust verbunden. Die Rotorwelle ist dabei bevorzugt über diesen Direktgang unlösbar mit dem Abtrieb verbunden. Das heißt es keine weitere Trennkupplung zwischen der elektrischen Maschine und der dem Abtrieb vorgesehen. Wird die dritte Trennkupplung geschlossen, so läuft weiterhin ein Drehmoment über diesen Direktgang zu dem Abtrieb. Der damit verbundene Wirkungsgradverlust ist über das zusätzliche Drehmoment von dem Generator und/oder der Verbrennungskraftmaschine ausgleichbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist die elektrische Maschine und/oder der Generator in beiden Drehrichtungen betreibbar ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die elektrische Maschine ebenfalls rückwärts betreibbar. Alternativ oder ergänzend ist der Generator als Antriebsmotor in beiden Drehrichtungen betreibbar. Daraus folgt, dass kein Umkehrgetriebe notwendig ist, indem dann einzig elektrisch eine Rückwärtsfahrt möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Umschlingungsgetriebe, beispielsweise gemäß obiger Beschreibung, ist für den die rückwärtige Drehrichtung eine Trennkupplung, beispielsweise eine dritte Trennkupplung gemäß der obigen Beschreibung, vorgesehen, sodass das Umschlingungsgetriebe allein in eine Richtung betrieben ist. Dies erleichtert die Auslegung des Umschlingungsgetriebes, weil stets das gleiche Trum des Umschlingungsmittels das Lasttrum bildet und somit ist ein gesteigerter Wirkungsgrad ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Hybrid-Antriebsstrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei der Abtrieb zumindest ein Antriebsrad aufweist.
Kraftfahrzeuge mit einem Hybrid-Antriebsstrang weisen aufgrund der Vielzahl der einzelnen Antriebskomponenten einen sehr geringen Bauraum auf. Daher ist es besonders vorteilhaft, einen Hybrid-Antriebsstrang kleiner Baugröße beziehungsweise mit einer flexibel gestaltbaren Anordnung der Komponenten zu verwenden.
Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Funktionseinheiten in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der hier vorgeschlagene Hybrid-Antriebsstrang ist kompakt gestaltbar und ist besonders flexibel hinsichtlich der Anordnung der Komponenten.
Bevorzugt ist der Generator axial überlappend koaxial zu der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Ein Drehmomentwandler, und bevorzugt auch eine schlupfende Kupplung, sind im gesamten Hybrid-Antriebsstrang nicht vorgesehen. Dadurch werden ein kompakter Aufbau und ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Zudem ist ein einfaches Konzept einer Trennkupplung einsetzbar, mit welchem schlupffrei alle gewünschten Schaltzustände einstellbar sind.
Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio. Bekannte Voll-Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3, der Audi A3 e-tron oder der Toyota Yaris Hybrid.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in

1: schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid-Antriebsstrang in Längsanordnung; und
2: schematisch Hybrid-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug in Queranordnung.

In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 14 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 1 dargestellt, bei welchem eine Verbrennungskraftmaschine 2 und eine elektrische Maschine 6 in einer Längsanordnung, also mit ihrer Verbrennerachse 22 und Rotorachse 24 parallel zu der Längsachse 21 des Kraftfahrzeugs 14 ausgerichtet. Die Generatorachse 23 ist hierbei ebenfalls fluchtend und mit der Verbrennerachse 22 und der Rotorachse 24 angeordnet. Die elektrische Maschine 6 ist mit ihrer Rotorwelle 7 eingangsseitig mit einem ersten Kegelscheibenpaar 18 eines als Umschlingungsgetriebe ausgeführten Getriebes 8 verbunden, welches ein Drehmoment stufenlos veränderbar mittels des Umschlingungsmittels 17 und des zweiten Kegelscheibenpaars 19 überträgt. Ausgangsseitig ist des Getriebe 8, hier mittels eines Stirnradgetriebes 30 mit einem Abtrieb 9 verbunden. Der Abtrieb 9 umfasst in der Darstellung ein Differenzial 25, welches ein Drehmoment bedarfsgerecht ein Drehmoment zu einem linken Vorderrad 15 und zu einem rechten Vorderrad 26 aufzweigt. Gemäß einer optionalen Ausführungsform ist die Hinterachse, also auch das linke Hinterrad 27 und das rechte Hinterrad 28 als Abtrieb 9 zuschaltbar oder dauerhaft für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs 14 nutzbar. Zwischen der Verbrennungskraftmaschine 2 beziehungsweise deren Antriebswelle 3 und dem eingangsseitigen ersten Kegelscheibenpaar 18 ist ein Generator 4 zwischengeschaltet, welcher bevorzugt als elektrischer Antriebsmotor nutzbar ist. Hierbei ist zwischen der Generatorwelle 5 und der Antriebswelle 3 eine erste Trennkupplung 11 vorgesehen, welche gemäß einer Ausführungsform eine kraft-formschlüssige Trennkupplung ist. Zwischen der Generatorwelle 5 und dem eingangsseitigen ersten Kegelscheibenpaar 18 ist weiterhin eine zweite Trennkupplung 12 vorgesehen, welche beispielsweise als Reibkupplung ausgeführt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Trennkupplung 11 eine Reibkupplung, beispielsweise eine koaxial überlappende Lamellenkupplung innerhalb des Rotors des Generators, und die zweite Trennkupplung 12 eine kraft-) formschlüssige Kupplung. Besonders bevorzugt sind beide Trennkupplungen 11 und 12 (kraft-) formschlüssig ausgeführt. Optional ist hier eine dritte Trennkupplung 13 zwischen der Rotorwelle 7 und dem eingangsseitigen ersten Kegelscheibenpaar 18 vorgesehen, wobei ein Direktgang 31 (dargestellt mit gestricheltem Pfeil), beispielsweise über ein Stirnradgetriebe, zwischen der Rotorwelle 7 und dem Abtrieb 9 gebildet ist. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Hybrid-Antriebstrang 1 vor der Fahrerkabine 20 beziehungsweise teils unterhalb der Fahrerkabine 20 angeordnet. Bevorzugt ist die Darstellung gegenüber einer tatsächliche Ausführungsform in Längsrichtung gestreckt dargestellt, sodass die Verbrennungskraftmaschine 2 und die elektrische Maschine 7 vor der Fahrerkabine 20 Platz finden.
In 2 ist ein Hybrid-Antriebstrang 1 schematisch dargestellt, welcher für eine Queranordnung eingerichtet ist, als wo die Verbrennerachse 22, Rotorachse 24 und hier auch der Generatorachse 23 quer zu der Längsachse 21 in einem Kraftfahrzeug 14 (vergleiche 1) angeordnet werden kann. Entsprechend ist der Abtrieb 9 mit dem Schaltschema eines Differenzial 25 angedeutet. Unabhängig davon ist in einer weiteren optionalen Alternative zu der in 1 gezeigten Anordnung des Hybrid-Antriebstrangs 1, ist hier ein Getriebe 8 gezeigt, welches beispielsweise ein schaltbares Stufengetriebe ist. Ein Umschlingungsgetriebe ist hier ebenfalls einsetzbar. Weiterhin weist im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 der Generator 4 einzig getriebeseitig die zweite Trennkupplung 12 auf (und keine erste Trennkupplung 11 wie in 1). Diese zweite Trennkupplung 12 ermöglicht ein Aufladen des Akkumulators mittels der Verbrennungskraftmaschine 2, während die elektrische Maschine 6 ein Drehmoment an den Abtrieb 9 abgibt. Unabhängig davon weist in einer weiteren optionalen Alternative zu dem in 1 gezeigten Hybrid-Antriebstrang 1 die Antriebswelle 3 zudem ein Zweimassenschwungrad 29 auf, welches Drehmomentschwingungen dämpft, sodass eine entsprechende Schwingungslast nicht auf die Generatorwelle 5, das Getriebe 8 und den Abtrieb 9 übertragen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen gemäß 1 und 2 zu einer anderen Zusammensetzung der Komponenten im Rahmen der obigen Ausführungsformen zusammenstellbar sind, bevorzugt die optionalen Merkmale beider Darstellungen jeweils austauschbar beziehungsweise einzeln ergänzbar sind.
Mit dem hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang ist auf geringem Bauraum eine Vielzahl von Schaltzuständen bei beherrschbarer Komplexität der Einstellung der Schaltzustände ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Hybrid-Antriebsstrang
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Antriebswelle
4: Generator
5: Generatorwelle
6: elektrische Maschine
7: Rotorwelle
8: Getriebe
9: Abtrieb
11: erste Trennkupplung
12: zweite Trennkupplung
13: dritte Trennkupplung
14: Kraftfahrzeug
15: linkes Vorderrad
16: rechtes Vorderrad
17: Umschlingungsmittel
18: erstes Kegelscheibenpaar
19: zweites Kegelscheibenpaar
20: Fahrerkabine
21: Längsachse
22: Verbrennerachse
23: Generatorachse
24: Rotorachse
25: Differential
27: linkes Hinterrad
28: rechtes Hinterrad
29: Zweimassenschwungrad
30: Stirnradstufengetriebe
31: Direktgang

Claims

Hybrid-Antriebsstrang (1), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einer Antriebswelle (3) zum Abgeben eines Drehmoments; - einen Generator (4) mit einer Generatorwelle (5) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie; - eine elektrische Maschine (6) mit einer Rotorwelle (7) zum Abgeben eines Drehmoments; - ein Getriebe (8), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (3) und ein Drehmoment der Rotorwelle (7) zu übersetzen; - einen Abtrieb (9) als Verbraucher eines von der Verbrennungskraftmaschine (2) und/oder der elektrischen Maschine (6) eingegebenen Drehmoments; und - zumindest eine Trennkupplung (11,12) zum Zuschalten und Abschalten einer Drehmomentübertragung von der Antriebswelle (3) auf den Abtrieb (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) im Drehmomentfluss zwischen der Antriebswelle (3) und dem Getriebe (8) angeordnet ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1, wobei eine erste der Trennkupplungen (11) verbrennerseitig zu dem Generator (4) angeordnet ist, und eine Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle (3) und der Generatorwelle (5) mittels der Trennkupplung (11) unterbrechbar ist, wobei bevorzugt die erste Trennkupplung (11) axial überlappend mit dem Generator (4) verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei getriebeseitig zu dem Generator (4) eine zweite der Trennkupplungen (12) angeordnet ist, mittels welcher eine Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (2) und dem Getriebe (8) unterbrechbar ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach Anspruch 2 und 3, wobei die Antriebswelle (3) nur mittelbar über die abkuppelbare Generatorwelle (5) mit dem Umschlingungsgetriebe (8) verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach Anspruch 4, wobei die erste Trennkupplung (11) und/oder die zweite Trennkupplung (12) eine formschlüssige Kupplung, bevorzugt eine Klauenkupplung, oder eine form-kraftschlüssige Kupplung, bevorzugt eine Wedge-Clutch, ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (8) ausgangsseitig unlösbar mit dem Abtrieb (9) verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (8) ein Umschlingungsgetriebe ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Drehmomentfluss zwischen der Rotorwelle (7) und dem Getriebe (8) eine dritte Trennkupplung (13) angeordnet ist und die Rotorwelle (7) unter Umgehung des Umschlingungsgetriebes (8) direkt mit dem Abtrieb (9), bevorzugt unlösbar, verbunden ist.
Hybrid-Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (6) und/oder der Generator (4) in beiden Drehrichtungen betreibbar ist.
Kraftfahrzeug (14) umfassend einen Hybrid-Antriebsstrang (1) nach Anspruch 9, wobei der Abtrieb (9) zumindest ein Antriebsrad (15,16) aufweist.