DE102018214793A1

DE102018214793A1 - Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102018214793A1
Application number: DE102018214793.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hanke; Christian Meißner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend- eine elektrische Maschine (10),- eine erste Eingangswelle (1), die mittels einer Hauptkupplung (60) mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,- eine mit dem Rotor (12) verbundene, zweite Eingangswelle (2),- eine oder mehrere mit einer Ausgangswelle (4) verbundenen Triebwellen (3; 3a, 3b), die mittels einer Mehrzahl von schaltbaren Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar sind,- einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz (100) mit einer mit dem Rotor (12) verbundenen Sonne (110), einem Hohlrad (120) und einem mit der ersten Eingangswelle (1) verbundenen Steg (130), wobei- mittels einer ersten Schaltkupplung (61) eine erste (31) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) schaltbar ist,- mittels einer zweiten Schaltkupplung (62) das Losrad (322) einer zweiten (32) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist,- mittels einer dritten Schaltkupplung (63) das Losrad (332) einer dritten der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist,- mittels einer vierten Schaltkupplung (64) das Losrad (322) der zweiten Gang-Stirnradstufe (32) oder das Losrad (322') einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe (32') mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist,- mittels einer fünften Schaltkupplung (65) das Losrad (332) der dritten Gang-Stirnradstufe (33) mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist und- mittels einer sechsten Schaltkupplung (66) der Steg (130) mit der Sonne (110) koppelbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug.
Zur Emissionsreduzierung von Fahrzeugen kommen verstärkt Hybridantriebskonzepte zum Einsatz. Diese sind allerdings aufgrund ihrer Komplexität meist entweder sehr kostenintensiv oder wenig effizient. Mit sogenannten DHT-Getrieben (Dedicated Hybrid Transmission) versucht man, die Möglichkeiten einer Kombination aus Verbrennungsmotor und elektrischer Traktionsmaschine optimal auszunutzen, anstatt herkömmliche, für rein verbrennungsmotorischen Betrieb ausgelegte Antriebsstränge durch eine oder mehrere elektrische Maschinen und deren Ankopplung zu erweitern.
Bei der Umsetzung werden unterschiedliche Konzepte verfolgt, wie sie beispielsweise in der DE 10 2013 211 975 A1 , der DE 10 2013 223 462 A1 oder der DE 10 2014 214 147 A1 offenbart sind. Nachteilig bei diesen genannten Konzepten ist, dass sie entweder eine vergleichsweise niedrige Anzahl an Betriebsmodi aufweisen oder eine hohe Anzahl an Schaltelementen und großen Bauraum benötigen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Konzept für einen DHT-Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, bei dem mehrere feste verbrennungsmotorische Gänge, mehrere feste elektrische Gänge sowie mehrere variable Fahrbereiche bei geringem Bauraumbedarf und geringer Komplexität realisiert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung gem. Anspruch 1 gelöst, d.h. eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend

- eine elektrische Maschine mit einem festen Stator und einem drehbar dazu gelagerten Rotor,
- eine drehbar gelagerte, erste Eingangswelle, die mittels einer Hauptkupplung mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,
- eine drehbar gelagerte, mit dem Rotor verbundene, zweite Eingangswelle,
- eine oder mehrere drehbar in dem Gehäuse gelagerte, mit einer Ausgangswelle verbundenen Triebwellen, die mittels einer Mehrzahl von als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildeten, schaltbaren Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar sind,
- einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer mit dem Rotor verbundenen Sonne, einem Hohlrad und einem mit der ersten Eingangswelle verbundenen Steg, auf welch letzterem ein Satz Planetenräder, die einerseits mit der Sonne und andererseits mit dem Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind,

- mittels einer ersten Schaltkupplung eine erste der Gang-Stirnradstufen schaltbar ist,
- mittels einer zweiten Schaltkupplung das Losrad einer zweiten der Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist,
- mittels einer dritten Schaltkupplung das Losrad einer dritten der Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist,
- mittels einer vierten Schaltkupplung das Losrad der zweiten Gang-Stirnradstufe oder das Losrad einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe mit dem Hohlrad koppelbar ist,
- mittels einer fünften Schaltkupplung das Losrad der dritten Gang-Stirnradstufe mit dem Hohlrad koppelbar ist und
- mittels einer sechsten Schaltkupplung der Steg mit der Sonne koppelbar ist.

Wie für Hybridantriebe definitionsgemäß erforderlich, sind eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine vorgesehen. Anders als bei anderen Konzepten kommt die vorliegende Erfindung mit einer einzigen elektrischen Maschine aus. Jedem dieser beiden Antriebsaggregate ist eine eigene Eingangswelle zugeordnet. Die hier als erste Eingangswelle bezeichnete Eingangswelle ist über eine Hauptkupplung mit der Verbrennungskraftmaschine koppelbar. Sie soll daher auch als verbrennungsmotorische Eingangswelle bezeichnet werden. Die hier als zweite Eingangswelle bezeichnete Eingangswelle ist mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden und soll daher auch als elektromotorische Eingangswelle bezeichnet werden. Die Verbindung des Rotors mit der zweiten Eingangswelle kann direkt, über eine feste Stirnradstufe oder über einen (weiteren) Planetensatz erfolgen.
Die verbrennungsmotorische Eingangswelle ist über schaltbare Gang-Stirnradstufen mit einer oder mehreren Triebwellen verbunden, die ihrerseits, z.B. über je eine feste Stirnradstufe, mit der Ausgangswelle verbunden ist bzw. sind, wobei die Ausgangswelle typischerweise mit dem Eingangskorb eines Differenzials verbunden ist. Die Gang-Stirnradstufen sind als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildet, wobei in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung unterschiedliche Verteilungen von Los- und Festrädern auf Eingangs- und Triebwellen realisiert sind.
Ein Kernstück des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs bildet ein als Plus-Getriebe ausgebildeter Planetensatz, der in üblicher Weise mit Sonne, Hohlrad und Steg ausgebildet sein kann. Sein Steg ist mit der ersten Eingangswelle, d.h. der verbrennungsmotorischen Eingangswelle verbunden. Seine Sonne ist mit der zweiten Eingangswelle, d.h. der elektromotorischen Eingangswelle verbunden. Das bedeutet, dass beide Eingangswellen durch Verblockung des Planetensatzes, wie weiter unten noch näher beschrieben, direkt miteinander gekoppelt werden können.
Weiter sind sechs Schaltkupplungen vorgesehen, mit welchen die Gang-Stirnradstufen schaltbar sind, d.h. mittels derer das jeweilige Losrad mit der es tragenden Welle und/oder dem Hohlrad des Planetensatzes koppelbar ist. Die erfindungswesentliche, spezielle Anordnung dieser Schaltkupplungen entspricht der obigen Auflistung. Man beachte, dass der Begriff der Schaltkupplung in diesem Zusammenhang rein funktional zu verstehen ist. Insbesondere darf der Begriff hier nicht einschränkend als separate Baueinheit ausgelegt werden. Wie weiter unten noch näher erläutert werden soll, sind Ausführungsformen denkbar und bevorzugt, bei denen mehrere (funktionale) Schaltkupplungen zu einem Modul zusammengefasst sind. Durch geschickte Zusammenfassung von (funktionalen) Schaltkupplungen insbesondere zu (konstruktiven) Doppelkupplungseinheiten mit einem zweiseitig wirksamen, axial verschieblichen, vorzugsweise formschlüssigen Schiebeelement, kann eine erhebliche Teile- und Bauraumeinsparung erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Gestaltung realisiert im Wesentlichen ein einfaches Dreigang-Getriebe, wobei die Übersetzungslücke zwischen je zwei der drei verbrennungsmotorischen Festgänge, in denen die Antriebsübersetzung von der jeweils aktvierten Gang-Stirnradstufe bestimmt wird, durch einen Modus mit variabler Übersetzung überbrückt wird. In diesen beiden variablen Modi wird das Moment der Verbrennungskraftmaschine über den Steg (direkt) in den Planetensatz ein- und über das Hohlrad aus ihm ausgeleitet, wobei die im Planetensatz realisierte Übersetzung durch die Rotation der Sonne mittels der elektrischen Maschine bestimmt wird. Auf diese Weise lassen sich alle Gangwechsel durch Schaltungsvorgänge in relativrotationsfreien Zuständen der betroffenen Schaltkupplungen durchführen. Letztere können deshalb als formschlüssige Kupplungen, insbesondere als einfache Klauenkupplungen, insbesondere ohne mechanische Synchronisationseinrichtungen, ausgestaltet werden. Solche Klauenkupplungen sind mechanisch besonders einfach, robust, platzsparend und kostengünstig. Analoges gilt im Übrigen auch für die Hauptkupplung.
Weitere Modi, insbesondere drei rein elektrische Betriebsmodi mit denselben drei Festgang-Übersetzungen, die sich von korrespondierenden Hybrid-Modi allein durch den geöffneten Zustand der Hauptkupplung unterscheiden, sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls realisierbar. Die rein verbrennungsmotorischen Modi unterscheiden sich von besagten Hybrid-Modi jeweils nur in der Schaltstellung einer einzigen Schaltkupplung.
Auch die Ansteuerung der Haupt- und Schaltkupplungen vereinfacht sich durch die Erfindung erheblich: So sind mit Vorteil Systeme realisierbar, bei denen die Hauptkupplung mittels eines ersten Aktors betätigbar ist und sämtliche Schaltkupplungen über eine gemeinsame Schaltwalze mittels eines zweiten Aktors betätigbar sind. Haupt- und Schaltkupplungen müssen unabhängig voneinander schaltbar sein; für die Schaltkupplungen lässt sich ein optimales Schaltverfahren entwerfen, bei dem sämtliche Modi dadurch erreicht werden können, dass bei jedem Übergang nur eine einzige Schaltkupplung betätigt wird. Ein solches Schaltverfahren lässt sich ohne weiteres auf einer einzelnen Schaltwalze realisieren. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Ansteuerungsvarianten denkbar bis hin zu einer individuellen Aktorik für jede funktionale Schaltkupplung, was derzeit jedoch als weitgehend unwirtschaftlich angesehen wird.
Zum Zwecke der weiteren Erläuterung sei angenommen, dass die erste Gang-Stirnradstufe für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die zweite Gang-Stirnradstufe und die zweite Gang-Stirnradstufe für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die dritte Gang-Stirnradstufe. Mit anderen Worten entspricht die erste Gang-Stirnradstufe einem ersten (Fest-) Gang, die zweite Gang-Stirnradstufe einem zweiten (Fest-) Gang und die dritte Gang-Stirnradstufe einem dritten (Fest-) Gang.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Losräder aller Stirnradstufen auf der ersten Eingangswelle zu lagern. Sämtliche Losräder hier anzuordnen hat den Vorteil, dass auch die zugeordneten Schaltkupplungen in enger Nachbarschaft zueinander positioniert sind, sodass die oben bereits erwähnte Zusammenfassung mehrerer Schaltkupplungen zu komplexeren Baueinheiten erleichtert wird.
Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Losrad wenigstens einer der Gang-Stirnradstufen auf der ersten Eingangswelle und das Losrad wenigstens einer anderen der Gang-Stirnradstufen auf einer Triebwelle gelagert ist. Eine solche Auslagerung auf die Triebwelle bietet sich insbesondere in Fällen an, in denen eine funktionale Schaltkupplung nicht mit einer anderen funktionalen Schaltkupplung zu einer konstruktiven Baueinheit zusammengefasst werden soll. Eine solche Ausführungsform soll weiter unten beschrieben werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Gang-Stirnradstufe verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes und die dritte Gang-Stirnradstufe elektromaschinenseitig des Planetensatzes angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist besonders bauraumgünstig und gewichtssparend, da sie mit nur genau drei Gang-Stirnradstufen auskommt.
So sind bei einer solchen Ausführungsform mit beidseitig des Planetensatzes verteilter Anordnung der Gang-Stirnradstufen bevorzugt auch tatsächlich genau drei Gang-Stirnradstufen vorgesehen, wobei insbesondere mittels der ersten Schaltkupplung das Losrad der ersten Gang-Stirnradstufe mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist. Dies stellt die kompakteste Gestaltung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung dar. Hier lassen sich zum einen die erste und die zweite Schaltkupplung - verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes - und zum anderen die dritte und die sechste Schaltkupplung - elektromaschinenseitig des Planetensatzes - zu je einer Doppelkupplungseinheit zusammenfassen. Tatsächlich sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die erste und die zweite Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die dritte und die sechste Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
Die Zusammenfassung zweier (funktionaler) Schaltkupplungen zu einer (konstruktiven) Doppelkupplungseinheit bedeutet im Kontext der vorliegenden Beschreibung, dass mit einer solchen Doppelkupplungseinheit genau drei Kopplungszustände einstellbar sind, nämlich ein erster Kopplungszustand, in dem die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet und die andere geschlossen ist, ein zweiter Kopplungszustand, in dem umgekehrt die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geschlossen und die andere geöffnet ist, und ein dritter Kopplungszustand, in dem beide der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet sind. Dies lässt sich beispielsweise durch ein zweiseitig wirksames, axial verschiebliches Kupplungselement realisieren, welches zwischen zwei korrespondierenden Kupplungspartnern angeordnet ist und je nach Axialstellung entweder das eine, das andere oder keines der Partnerelemente - bevorzugt formschlüssig - momentenübertragend kontaktiert.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass alle Gang-Stirnradstufen verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes angeordnet sind. Funktional ist diese Variante gleichwertig mit der zuvor genannten, besonders bevorzugten Ausführungsform. Allerdings benötigt sie eine zusätzliche Gang-Stirnradstufe, die hier als weitere Gang-Stirnradstufe bezeichnet wird und im Grunde eine Verdopplung der zweiten Gangstirnradstufe darstellt, mit der sie übersetzungsgleich ist. Bei verbrennungsmaschinenseitiger Anordnung aller, d.h. auch der dritten Gangs-Stirnradstufe ist das Losrad der nun zwischen der ersten und der dritten Gang-Stirnradstufe angeordneten, zweiten Gang-Stirnradstufe nicht mehr für eine Kopplung mit dem Hohlrad zugänglich. Hierfür muss also eigens die weitere Gang-Stirnradstufe zur Verfügung gestellt werden, die sich ansonsten allerdings nicht von der zweiten Gang-Stirnradstufe unterscheidet. Bei einer solchen Gestaltung sind bevorzugt die erste und die zweite Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
Wie erläutert, ist mit der zusätzlichen Gang-Stirnradstufe ein Zuwachs an axialem Bauraumbedarf verbunden. Um einem solchen Zuwachs an axialem Bauraumbedarf entgegenzuwirken, kann eine zweite Triebwelle Einsatz finden. Mit anderen Worten ist bei einer solchen Ausführungsform vorgesehen, dass zwei parallele Triebwellen mit der Ausgangswelle verbunden sind, deren erste über die erste Gang-Stirnradstufe und deren zweite über die zweite, die dritte und die weitere Gang-Stirnradstufe mit der ersten Eingangswelle koppelbar sind. Das Losrad der die erste Eingangswelle mit der ersten Triebwelle koppelnden, ersten Gang-Stirnradstufe ist bevorzugt auf besagter erster Triebwelle gelagert. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass mittels der ersten Schaltkupplung das Losrad der ersten Gang-Stirnradstufe mit der ihm zugeordneten Triebwelle koppelbar ist. Hierdurch kann der axiale Bauraumbedarf wieder verringert werden. Bei einer solchen Ausführungsform sind bevorzugt die zweite und die dritte Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die Topologie einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Diese umfasst eine erste Eingangswelle 1, die über eine Hauptkupplung 60 mit der Kurbelwelle einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist. Die erste Eingangswelle 1 soll hier auch als verbrennungsmotorische Eingangswelle 1 bezeichnet werden.
Verbrennungsmaschinenseitig der Hauptkupplung 60 kann zum unabhängigen Start der Verbrennungskraftmaschine bzw. zur Ausübung der Funktion einer herkömmlichen Lichtmaschine eine Starter/Generator-Einheit 70 angekoppelt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Ankopplung über eine Stirnradstufe. Alternativ und sogar bevorzugt ist eine koaxiale Starter/Generator-Einheit einsetzbar.
Weiter umfasst die dargestellte Antriebsanordnung eine zweite Eingangswelle 2, die über eine feste Stirnradstufe 20 mit dem Rotor 12 einer elektrischen Maschine 10 verbunden ist, deren Stator 11 fest in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet ist. Die zweite Eingangswelle 2 soll hier auch als elektromotorische Eingangswelle 2 bezeichnet werden. Anstatt über die feste Stirnradstufe 20 kann die Anbindung der elektrischen Maschine 10 beispielsweise über einen Planetensatz erfolgen.
Die Eingangswelle 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform über drei schaltbare Gang-Stirnradstufen, nämlich eine erste Gang-Stirnradstufe 31, eine zweite Gang-Stirnradstufe 32 und eine dritte Gang-Stirnradstufe 33 mit einer Triebwelle 3 gekoppelt, die ihrerseits über eine weitere feste Stirnradstufe 40 mit der Ausgangswelle 4 verbunden ist. Die Ausgangswelle 4 führt zu einem Differenzial 50, über welches die Antriebsmomente der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine 10 auf nicht dargestellte, angetriebene Räder übertragbar sind.
Die Gang-Stirnradstufen 31, 32, 33 umfassen jeweils ein Festrad 311, 321 bzw. 331 und ein Losrad 312, 322 bzw. 332, wobei jedes Festrad 311, 321, 331 drehfest mit der es tragenden Triebwelle 3 verbunden und jedes Losrad 312, 322, 332 drehbar auf der es tragenden, ersten Eingangswelle 1 gelagert und über nachfolgend näher zu erläuternde Schaltkupplungen mit dieser und/oder mit Elementen eines Planetensatzes 100 koppelbar ist.
Der Planetensatz 100 ist als ein Plus-Getriebe ausgebildet. Er umfasst eine Sonne 110, ein Hohlrad 120 und einen Steg 130, auf dem ein Satz Planetenräder 131 gelagert ist. Zur Erzielung der Plus-Wirkung umfasst besagter Satz Planetenräder 131 zwei Teilsätze, deren erster einerseits mit der Sonne 110 und andererseits mit den Planeten des zweiten Teilsatzes kämmt, und deren zweiter einerseits mit den Planeten des ersten Teilsatzes und andererseits mit dem Hohlrad 120 kämmt. Der Steg 130 ist fest mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle 1 verbunden, die sich beiderseits von ihm erstreckt. Die Sonne 110 ist fest mit der elektromotorischen Eingangswelle 2 verbunden. Das Hohlrad 120 weist keine Festverbindung mit einer der Eingangswellen 1, 2 auf, sondern ist, wie nachfolgend zu erläutern, mit den Losrädern unterschiedlicher Gang-Stirnradstufen und/oder mit dem Steg 130 koppelbar. Der Steg 130 seinerseits ist alternativ entweder mit dem Hohlrad 120 oder mit der Sonne 110 koppelbar.
Neben der bereits erwähnten Hauptkupplung 60 weist die dargestellte Antriebsanordnung sechs funktionale Schaltkupplungen auf, nämlich eine erste Schaltkupplung 61, eine zweite Schaltkupplung 62, eine dritte Schaltkupplung 63, eine vierte Schaltkupplung 64, eine fünfte Schaltkupplung 65 und eine sechste Schaltkupplung 66. Die erste und zweite Schaltkupplung 61, 62 sind dabei ebenso wie die dritte und sechste Schaltkupplung 63, 66 zu je einer Doppelkupplungseinheit zusammengefasst, mit der genau drei Schaltzustände realisierbar sind, nämlich zwei Schaltzustände mit je einer geschlossenen und einer geöffneten sowie ein Schaltzustand mit zwei geöffneten Schaltkupplungen. Ein gleichzeitiges Schließen beider zusammengefasster Schaltkupplungen 61, 62 bzw. 63, 66 ist nicht vorgesehen.
Die erste und zweite Gang-Stirnradstufe 31, 32 sind verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes 100 angeordnet. die dritte Gang-Stirnradstufe ist elektromaschinenseitig des Planetensatzes 100 angeordnet. Die erste Schaltkupplung 61 koppelt das Losrad 312 der ersten Gang-Stirnradstufe 31 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle 1. Die zweite Schaltkupplung 62 koppelt das Losrad 322 der zweiten Gang-Stirnradstufe 32 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle 1. Die dritte Schaltkupplung 63 koppelt das Losrad 332 der dritten Gang-Stirnradstufe 33 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle 1. Die vierte Schaltkupplung 64 koppelt das Losrad 322 der zweiten Gang-Stirnradstufe 32 mit dem Hohlrad 120. Die fünfte Schaltkupplung 65 koppelt das Losrad 332 der dritten Gang-Stirnradstufe 33 mit dem Hohlrad 120. Die sechste Schaltkupplung 66 koppelt den Steg 130 des Planetensatzes 100 mit dessen Sonne, sodass ein Schließen der sechsten Kupplung zu einer Verblockung des Planetensatzes 100, d.h. zu dessen Umlauf ohne innere Relativrotationen, führt. Zugleich werden durch das Schließen der sechsten Kupplung 66 die beiden Eingangswellen 1, 2 drehfest miteinander verbunden.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die wesentlichen Betriebsmodi, die mit den in der Tabelle dargestellten Schaltungskonfigurationen der Hauptkupplung 60 und der Schaltkupplungen 61 bis 66 realisierbar sind. Dabei bedeutet x bzw. X: geschlossene Schaltkupplung, o bzw. O: geöffnete Schaltkupplung. Großbuchstaben zeigen dabei einen im Rahmen eines optimalen Schaltablaufs aktuell vorzunehmenden Schaltvorgang; Kleinbuchstaben zeigen einen im Rahmen eines optimalen Schaltablaufs bestehenbleibenden Schaltzustand an.

Modus \ Schaltkupplung	60	61	62	63	64	65	66
Standladen	x	ο	ο	ο	o	ο	x
Neutral	O	o	ο	ο	ο	ο	x
E 1	ο	X	ο	ο	ο	ο	x
HYB 1	X	x	ο	ο	ο	ο	x
VM 1	x	x	ο	ο	ο	ο	O
Temp 1	x	x	ο	ο	X	ο	ο
Vari 1	x	O	ο	ο	x	ο	ο
HYB 2	x	o	X	o	x	ο	ο
E 2	O	o	x	o	x	ο	ο
HYB 2	X	ο	x	o	x	ο	ο
VM 2	x	ο	x	ο	O	ο	ο
Temp 2	x	ο	x	ο	ο	X	o
Vari 2	x	ο	O	ο	ο	x	o
HYB 3	x	ο	ο	X	o	x	o
E 3	O	ο	ο	x	o	x	o
HYB 3	X	ο	ο	x	o	x	o
VM 3	x	ο	ο	x	ο	O	ο

Der Zustand „Standladen“ wird genutzt, wenn bei stehendem Fahrzeug die elektrische Maschine 10 rein generatorisch zum Aufladen der über eine Leistungselektronik mit der elektrischen Maschine 10 verbundenen, in 1 nicht dargestellten Batterien genutzt wird, wobei die hierfür erforderliche Leistung aus der Verbrennungskraftmaschine entnommen wird. Hierbei sind die Hauptkupplung 60 und die sechste Schaltkupplung 66 geschlossen. Die geschlossene sechste Schaltkupplung 66 bedeutet eine Kopplung zwischen der Sonne 110 und dem Steg 130, d.h. eine Verblockung des Planetensatzes 100, der dadurch ohne innere Relativdrehung als Block umläuft. Dieser Umlauf erfolgt aufgrund der geschlossenen Hauptkupplung 60 mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine. Über die feste Stirnradstufe 20 rotiert der Rotor 12 mit entsprechend übersetzter Drehzahl.
Zum Übergang in einen Neutralmodus muss nur die Hauptkupplung 60 geöffnet werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann danach abgeschaltet werden oder weiterlaufen.
Um aus dem Neutralmodus in einen ersten elektrischen Modus E1 zu gelangen, muss die erste Schaltkupplung 61 geschlossen werden. Bei stehender elektrischer Maschine erfolgt dies ohne Relativdrehungen innerhalb der ersten Schaltkupplung 61. Beim Fahren rotieren beide Eingangswellen 1, 2 mit der Drehzahl der elektrischen Maschine 10. Das Moment wird über die erste Gang-Stirnradstufe 31 an die Triebwelle 3 geleitet.
Zum Übergang in einen ersten hybriden Modus HYB 1 muss lediglich die Hauptkupplung 60 geschlossen werden. Dies kann mit einem Anschleppen der Verbrennungskraftmaschine verbunden sein. Diese kann jedoch auch anderweitig, z.B. über die Starter/Generatoreinheit 70 gestartet werden. Die Momentenübertragung auf die Triebwelle 3 erfolgt nach wie vor über die erste Gang-Stirnradstufe 31.
Um von dem ersten hybriden Modus HYB 1 in einen ersten, rein verbrennungsmotorischen Festgang-Modus VM 1 zu gelangen, muss lediglich die sechste Schaltkupplung 66 geöffnet werden. Die Momentenübertragung auf die Triebwelle erfolgt im Festgang-Modus VM 1 nach wie vor über die erste Gang-Stirnradstufe 31. Da das Hohlrad 120 im Modus HYB 1 aufgrund der geöffneten vierten und fünften Schaltkupplung 64, 65 frei drehen kann, erfolgt das Öffnen der sechsten Schaltkupplung 66 bei Lastfreiheit der elektrischen Maschine 10 kräftefrei.
Um vom ersten verbrennungsmotorischen Modus VM 1 zu einem ersten Modus mit variabler Übersetzung VARI 1 zu gelangen, sind im Folgenden zwei Schaltschritte erforderlich. Zunächst wird die vierte Schaltkupplung 64 geschlossen. Durch geeignete Wahl der Drehzahl der elektrischen Maschine kann dies ohne Relativdrehung innerhalb der vierten Schaltkupplung 64 erfolgen. Der resultierende Durchgangsmodus ist in der Tabelle mit TEMP 1 bezeichnet. Sodann wird die erste Schaltkupplung 61 geöffnet. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über den Steg 130 in den Planetensatz 100 ein- und über dessen Hohlrad 120 ausgeleitet. Aufgrund der geschlossenen vierten Schaltkupplung 64 erfolgt die Momentenübertragung auf die Triebwelle 3 über die zweite Gang-Stirnradstufe 32. Die dabei im Planetensatz 100 realisierte Übersetzung hängt ab von der Drehzahl der elektrischen Maschine 10, deren Moment über die Sonne 110 in den Planetensatz 100 eingeleitet wird. Auf diese Weise kann der variable Modus VARI 1 trotz Aktivierung der zweiten Gang-Stirnradstufe 32 im Zeitpunkt des Modenwechsels dieselbe Gesamtübersetzung realisieren wie der verbrennungsmotorische Festgang-Modus VM 1, sodass das Öffnen der ersten Schaltkupplung 61 kräftefrei erfolgen kann.
Durch Schließen der zweiten Schaltkupplung 62 erfolgt der Übergang in den zweiten hybriden Modus HYB 2, in dem sowohl verbrennungsmotorisches als auch elektromotorisches Moment über die zweite Gang-Stirnradstufe 32 auf die Triebwelle 3 geleitet werden kann. Aufgrund der geschlossenen zweiten und vierten Schaltkupplung 62, 64 sind in diesem Zustand das Hohlrad 120 und der Steg 130 zusammengekoppelt und der Planetensatz 100 dadurch verblockt. Die Übersetzung des zweiten hybriden Modus HYB 2 entspricht der Übersetzung der zweiten Gang-Stirnradstufe 32, die im ersten variablen Modus VARI 1 durch geeignete Wahl der Drehzahl der elektrischen Maschine 10 ebenfalls erreicht werden kann, sodass der Modenübergang ohne Relativdrehung innerhalb der zweiten Schaltkupplung 62 erfolgen kann.
Um vom zweiten Hybridmodus HYB 2 in einen zweiten elektromotorischen Modus E 2 zu gelangen, bei dem Moment der elektrischen Maschine 10 über die zweite Gang-Stirnradstufe 32 auf die Triebwelle 3 geleitet wird, muss lediglich die Hauptkupplung 60 geöffnet werden.
Soll vom zweiten Hybridmodus HYB 2 stattdessen in einen zweiten, rein verbrennungsmotorischen Modus VM 2 übergegangen werden, bedarf es stattdessen der Öffnung der vierten Schaltkupplung 64, was bei lastfreier Momentenregelung der elektrischen Maschine 10 kräftefrei erfolgen kann. Auch im Modus VM 2 erfolgt die Momentenübertragung über die zweite Gang-Stirnradstufe 32.
Zum Übergang in einen zweiten Modus mit variabler Übersetzung VARI 2 bedarf es erneut zweier Schaltvorgänge. Zunächst wird ein weiterer Durchgangsmodus TEMP 2 durch Schließen der fünfen Schaltkupplung 65 erreicht. Sodann erfolgt der Übergang in den Zielmodus VARI 2 durch Öffnen der zweiten Schaltkupplung 62. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über den Steg 130 in den Planetensatz 101 und über dessen Hohlrad 120 ausgeleitet. Aufgrund der geschlossenen fünften Schaltkupplung 65 erfolgt die Momentenübertragung auf die Triebwelle 3 über die dritte Gang-Stirnradstufe 33. Die im Planetensatz 100 realisierte Übersetzung hängt ab von der Drehzahl der elektrischen Maschine 10, deren Moment über die Sonne 110 in den Planetensatz 100 eingeleitet wird. Analog zu den Erläuterungen weiter oben können auch die hiesigen Schaltvorgänge kräftefrei bzw. ohne Relativdrehung in der betroffenen Schaltkupplung erfolgen, was im Übrigen auch für die nachfolgend beschriebenen Modenübergänge gilt.
Der Übergang in einen dritten hybriden Modus HYB 3 erfolgt durch Schließen der dritten Schaltkupplung 63. Aufgrund der geschlossenen Schaltkupplungen 63, 65 ist der Planetensatz 100 verblockt und die Eingangswellen 1, 2 laufen mit derselben Drehzahl, d. h. mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, wobei beide Antriebsaggregate Moment an die dritte Gang-Stirnradstufe 31 liefern.
Um vom dritten Hybridmodus HYB 3 in einen dritten rein elektrischen Modus E 3 zu gelangen, bedarf es lediglich der Öffnung der Hauptkupplung 60.
Soll stattdessen vom dritten Hybridmodus HYB 3 in einen dritten verbrennungsmotorischen Festgang-Modus VM 3 übergegangen werden, muss die fünfte Schaltkupplung 65 geöffnet werden.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Sie soll lediglich im Hinblick auf ihre Unterschiede zur zuvor erläuterten, besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 diskutiert werden.
Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform besteht darin, dass sämtliche Gang-Stirnradstufen 31, 32, 33 verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes 100 angeordnet sind. Entsprechend sind auch die am Losrad der dritten Gang-Stirnradstufe 33 ansetzenden Schaltkupplungen 63 und 65 verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes 100 angeordnet. Allerdings wird dadurch eine direkte Kopplung des Losrades 322 der zweiten Gang-Stirnradstufe 32 mit dem Hohlrad 120 (mittels der vierten Schaltkupplung 64) verunmöglicht. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit einer weiteren Gang-Stirnradstufe 32', die quasi ein Duplikat der zweiten Gang-Stirnradstufe 32 darstellt und deren Losrad nun mittels einer axial verlagerten vierten Schaltkupplung 64 mit dem Hohlrad 120 koppelbar ist. Die zusätzliche Gang-Stirnradstufe 32' führt zu einer Vergrößerung des axialen Bauraumbedarfs.
Der Fachmann wird sich aufgrund der Erläuterungen zur Ausführungsform von 1 die realisierbaren Betriebsmodi und zugeordneten Schaltzustände ohne Weiteres durch Analogiebetrachtung herleiten können.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, mit der der zuvor erläuterte Nachteil der axialen Bauraumvergrößerung im Kontext der Ausführungsform von 2 wenigstens teilweise behoben werden kann. Im Unterschied zur Ausführungsform von 2 wird bei der Ausführungsform von 3 die erste Gang-Stirnradstufe 31 zu einer zusätzlichen Triebwelle hin verlagert. Die Ausführungsform von 3 hat somit zwei Triebwellen, nämlich eine erste Triebwelle 3a, an der die erste Gang-Stirnradstufe 31 ansetzt, und eine zweite Triebwelle 3b, an der die zweite, die dritte und die weitere Gang-Stirnradstufe 32, 32', 33 ansetzen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist auch die Verteilung von Los- und Festrad 311, 312 der ersten Gang-Stirnradstufe 31 im Vergleich zu den zuvor erläuterten Ausführungsformen umgekehrt. Hier ist das Festrad 311 auf der verbrennungsmotorischen Eingangswelle 1 fixiert, während das Losrad 312 auf der ersten Triebwelle 3a gelagert ist. Folglich ist auch die erste Schaltkupplung 31 in den Bereich der ersten Triebwelle 3a verlagert.
Die einstellbaren Betriebsmodi und die zugehörigen Schaltkonstellationen wird sich der Fachmann auf Basis der obigen Erläuterungen ohne Schwierigkeiten durch Analogiebetrachtungen herleiten können.
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. Insbesondere ist dem Fachmann die Verteilung der Los- und Festräder der Gang-Stirnradstufen weitgehend freigestellt, wobei jedoch nicht bei allen denkbaren Varianten mehrere funktionale Schaltkupplungen zu vorteilhaften Doppelkupplungseinheiten zusammenfassbar sind.
Bezugszeichenliste

1: erste Eingangswelle
2: zweite Eingangswelle
3: Triebwelle
3a: erste Triebwelle
3b: zweite Triebwelle
4: Ausgangswelle
10: elektrische Maschine
11: Stator von 10
12: Rotor von 10
20: feste Stirnradstufe
31: erste Gangstirnradstufe
311: Festrad von 31
312: Losrad von 31
32: zweite Gangstirnradstufe
321: Festrad von 32
322: Losrad von 32
32': weitere Gangstirnradstufe
321': Festrad von 32'
322': Losrad von 32'
33: dritte Gangstirnradstufe
331: Festrad von 33
332: Losrad von 33
40: feste Stirnradstufe
50: Differential
60: Hauptkupplung
61: erste Schaltkupplung
62: zweite Schaltkupplung
63: dritte Schaltkupplung
64: vierte Schaltkupplung
65: fünfte Schaltkupplung
66: sechste Schaltkupplung
70: Starter/Generator
100: Planetensatz
110: Sonne von 100
120: Hohlrad von 100
130: Steg von 100
131: Planetenräder auf 130

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013211975 A1 [0003]
DE 102013223462 A1 [0003]
DE 102014214147 A1 [0003]

Claims

Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend - eine elektrische Maschine (10) mit einem festen Stator (11) und einem drehbar dazu gelagerten Rotor (12), - eine drehbar gelagerte, erste Eingangswelle (1), die mittels einer Hauptkupplung (60) mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist, - eine drehbar gelagerte, mit dem Rotor (12) verbundene, zweite Eingangswelle (2), - eine oder mehrere drehbar in dem Gehäuse gelagerte, mit einer Ausgangswelle (4) verbundenen Triebwellen (3; 3a, 3b), die mittels einer Mehrzahl von als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildeten, schaltbaren Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar sind, - einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz (100) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer mit dem Rotor (12) verbundenen Sonne (110), einem Hohlrad (120) und einem mit der ersten Eingangswelle (1) verbundenen Steg (130), auf welch letzterem ein Satz Planetenräder (131), die einerseits mit der Sonne (110) und andererseits mit dem Hohlrad (120) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei - mittels einer ersten Schaltkupplung (61) eine erste (31) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) schaltbar ist, - mittels einer zweiten Schaltkupplung (62) das Losrad (322) einer zweiten (32) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist, - mittels einer dritten Schaltkupplung (63) das Losrad (332) einer dritten der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist, - mittels einer vierten Schaltkupplung (64) das Losrad (322) der zweiten Gang-Stirnradstufe (32) oder das Losrad (322') einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe (32') mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist, - mittels einer fünften Schaltkupplung (65) das Losrad (332) der dritten Gang-Stirnradstufe (33) mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist und - mittels einer sechsten Schaltkupplung (66) der Steg (130) mit der Sonne (110) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gang-Stirnradstufe (31) für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die zweite Gang-Stirnradstufe (32) und die zweite Gang-Stirnradstufe (32) für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die dritte Gang-Stirnradstufe (33).
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Gang-Stirnradstufe (31, 32) verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes (100) und die dritte Gang-Stirnradstufe (33) elektromaschinenseitig des Planetensatzes (100) angeordnet sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau drei Gang-Stirnradstufen (31, 32, 33) vorgesehen sind, wobei mittels der ersten Schaltkupplung (61) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes (100) angeordnet sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass genau vier Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) vorgesehen sind, wobei mittels der ersten Schaltkupplung (31) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Triebwellen (3a, 3b) mit der Ausgangswelle (4) verbunden sind, deren erste (3a) über die erste Gang-Stirnradstufe (31) und deren zweite (3b) über die zweite (32), die dritte (33) und die weitere Gang-Stirnradstufe (32') mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten Schaltkupplung (61) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ihm zugeordneten Triebwelle (3b) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) konstruktiv zu einer Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind, mittels derer genau drei Kopplungszustände einstellbar sind, nämlich ein erster Kopplungszustand, in dem die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet und die andere geschlossen ist, ein zweiter Kopplungszustand, in dem umgekehrt die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geschlossen und die andere geöffnet ist, und ein dritter Kopplungszustand, in dem beide der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet sind.
Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schaltkupplung (61, 62) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die dritte und die sechste Schaltkupplung (63, 66) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind.
Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schaltkupplung (61,62) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung (64, 65) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind.
Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Schaltkupplung (62, 63) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung (64, 65) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) als formschlüssige Schaltkupplungen ausgebildet sind.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkupplung (60) als formschlüssige Hauptkupplung ausgebildet sind.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkupplung (60) mittels eines ersten Aktors betätigbar ist und sämtliche Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) über eine gemeinsame Schaltwalze mittels eines zweiten Aktors betätigbar sind.