DE102018219693A1

DE102018219693A1 - Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018219693A1
Application number: DE102018219693.1A
Authority: DE
Inventors: Georg-Friedrich Lührs; Dirk Zeise
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend- ein Gehäuse,- eine elektrische Maschine (14) mit einem gehäusefesten Stator (142) und einem radial innerhalb des Stators (142) angeordneten, drehbar gelagerten Rotor (141), der mit einer Elektromaschinen-Antriebswelle (40) gekoppelt ist,- eine mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) koppelbare Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20),- ein Differential (28) mit einem Sammelrad (26), welches mit der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) sowie, mittels einer schaltbaren Getriebeanordnung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist,- einen Planetensatz (38) mit einer mittels einer Kupplung (44) schaltbaren Sonne (381), einem Hohlrad (383) und einem mit der Elektromotor-Antriebswelle (40) verbundenen Steg (382), auf dem Planetenräder, die einerseits mit der Sonne (381) und andererseits mit dem Hohlrad (383) kämmen, drehbar gelagert sind.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass- der Rotor (141) mit dem Hohlrad (383) verbunden ist und- die Sonne (381) mittels der Kupplung (44) wahlweise entweder, in einer ersten Schaltstellung, mit dem Gehäuse oder, in einer zweiten Schaltstellung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) verbindbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend

- ein Gehäuse,
- eine elektrische Maschine mit einem gehäusefesten Stator und einem radial innerhalb des Stators angeordneten, drehbar gelagerten Rotor, der mit einer Elektromaschinen-Antriebswelle gekoppelt ist,
- eine mit einer Verbrennungskraftmaschine koppelbare Verbrennungsmotor-Antriebswelle,
- ein Differential mit einem Sammelrad, welches mit der Elektromaschinen-Antriebswelle sowie, mittels einer schaltbaren Getriebeanordnung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelt ist,
- einen Planetensatz mit einer mittels einer Kupplung schaltbaren Sonne, einem Hohlrad und einem mit der Elektromotor-Antriebswelle verbundenen Steg, auf dem Planetenräder, die einerseits mit der Sonne und andererseits mit dem Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einer solchen Antriebsanordnung ausgestatteten Kraftfahrzeugs, welches eine mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelte Verbrennungskraftmaschine aufweist.
Derartige Antriebsanordnungen und Betriebsverfahren sind bekannt aus der DE 10 2012 016 988 A1 .
Hybridfahrzeuge mit zwei Antriebsaggregaten, nämlich einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar ist, sind seit langem bekannt. Insbesondere ist das Prinzip des Parallelhybriden bekannt, bei dem sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch die elektrische Maschine in Drehmoment übertragender Weise mit dem Differential verbindbar sind. Die Verbindung kann dabei selektiv erfolgen, was zu einem rein elektrischen oder einem rein verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb führt, oder kombiniert, wobei sowohl die elektrische Maschine als auch die Verbrennungskraftmaschine gleichzeitig mit dem Differential verbunden sind. Innerhalb des kombinierten Betriebs sind der Boostbetrieb und der Rekuperationsbetrieb bekannt. Im Boostbetrieb liefern beide Antriebsaggregate positives Drehmoment an das Differential; im Rekuperationsbetrieb arbeitet die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb und nimmt vom Differential kinetische Energie ab, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Dies kann beispielsweise im Fall des Abbremsens des Kraftfahrzeugs erfolgen. Alternativ kann auch eine von der Verbrennungskraftmaschine bei deren Betrieb im optimalen Betriebspunkt geleistete, in der aktuellen Fahrsituation jedoch an den Antriebsrädern nicht verlangte Überschussleistung durch generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine rekuperiert werden.
Bei den meisten bekannten Konzepten des Parallelhybrids erfolgt die Ankopplung der beiden Antriebsaggregate über mehr oder weniger komplexe, leistungsverzweigte Getriebeanordnungen. Beispielhaft seien hier die DE 100 21 025 A1 sowie die WO 2008/046185 A1 angegeben. Leistungsverzweigte Getriebe umfassen stets wenigstens zwei elektrische Maschinen und eine Mehrzahl von Planetensätzen, deren einzelne Elemente über schaltbare Kupplungen miteinander oder über Bremsen mit einem Getriebegehäuse verbindbar sind. Auf diese Weise lassen sich die oben skizzierten Betriebsmodi und in diesen ggf. unterschiedliche Fahrstufen realisieren, wobei die Einstellung einer angemessenen Übersetzung in einem nachgeschalteten Schaltgetriebe oder durch entsprechend komplexen Aufbau des leistungsverzweigten Getriebes stufenlos in diesem erfolgen kann. Im Fall des nachgeschalteten Schaltgetriebes wird häufig auf Konzepte rein verbrennungsmotorischer Antriebsstränge zurückgegriffen, wie insbesondere auf das Doppelkupplungsgetriebe, welches eine zugkraftunterbrechungsfreie Schaltung ermöglicht. In der oben genannten DE 100 21 025 A1 wird anstelle eines Doppelkupplungsgetriebes zur Sicherstellung der Zugkraftunterbrechungsfreiheit die zweite elektrische Maschine verwendet.
Die DE 10 2010 046 766 A1 offenbart einen Hybridantriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die koaxial zueinander und einander axial benachbart angeordnet sind. Jedes dieser Antriebsaggregate ist mittelbar mit einer ihm zugeordneten Antriebswelle gekoppelt, wobei die Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine diejenige der elektrischen Maschine koaxial durchsetzt. Jede der Antriebswellen weist mehrere Antriebswellen-Gangräder auf, die mit jeweils einem zugeordneten Abtriebswellen-Gangrad einer als parallele Vorgelegewelle angeordneten Abtriebswelle kämmen. Die so gebildeten Gangradpaarungen sind jeweils schaltbar ausgestaltet, indem jeweils ein Gangrad jeder Paarung als Festrad und das andere Gangrad jeder Paarung als Losrad auf der zugeordneten Welle angeordnet ist, wobei das jeweilige Losrad mittels einer schaltbaren Kupplung drehfest mit seiner zugeordneten Welle verbindbar ist. Durch geeignete Ansteuerung der Kupplungen und der Antriebsaggregate lassen sich deren Momente mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen, die jeweils durch die ausgewählte Gangradpaarung vorgegeben sind, auf die Abtriebswelle übertragen. Deren Abtriebswellen-Ausgangsrad kämmt mit dem Eingangsrad einer Ausgangswelle, die den nachfolgenden Abtriebsstrang antreibt und beispielsweise mit einem nachgeordneten Differential verbunden sein kann. Während die Kopplung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und ihrer zugeordneten Antriebswelle abgesehen von einer schaltbaren Kupplung weitgehend direkt ist, ist die Antriebswelle der elektrischen Maschine indirekt über einen Planetensatz mit dieser gekoppelt. Insbesondere ist der Rotor der elektrischen Maschine drehfest mit der Sonne des Planetensatzes verbunden, während sein Steg drehfest mit der Elektromaschinen-Antriebswelle verbunden ist. Außerdem ist das Hohlrad des Planetensatzes mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle verbunden, sodass beide Antriebswege nicht unabhängig voneinander sind. Neben dieser fehlenden Unabhängigkeit ist auch der erhebliche axiale Bauraum der bekannten Vorrichtung nachteilig; dieser rührt im Wesentlichen von dem axialen Platzbedarf der vielen, axial nebeneinander angeordneten Gangwellenräder her. Deren Anzahl ist durch die erwünschte Anzahl schaltbarer Gänge des bekannten Antriebsstrangs vorgegeben.
Die eingangs genannte, gattungsbildende Druckschrift offenbart eine Antriebsanordnung, die einen deutliche geringeren axialen Bauraum benötigt. Parallel zur Verbrennungsmotor-Antriebswelle sind zwei Abtriebswellen mit je zwei als Losräder ausgebildeten Abtriebswellen-Gangrädern und einem Abtriebswellen-Ausgangsrad angeordnet. Auf der Verbrennungsmotor-Antriebswelle sind zwei als Festräder ausgebildete Antriebswellen-Gangräder angeordnet, von denen jedes mit je einem der Abtriebswellen-Gangräder der beiden Abtriebswellen kämmt. Sie beiden Abtriebswellen-Ausgangsräder kämmen mit einem Sammelrad, welches als ein drehfest mit dem Differentialkorb des Differentials verbundenes Tellerrad ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich Moment der Verbrennungskraftmaschine über vier wählbare Festgänge auf das Differential übersetzen. Auch die von einer zuschaltbaren Verlängerung der Verbrennungsmotor-Antriebswelle koaxial durchsetzte Elektromotor-Antriebswelle trägt ein Ausgangsrad, welches mit einem Zwischenrad einer parallelen Zwischenwelle kämmt, welches seinerseits ebenfalls mit dem Sammelrad kämmt. Die Elektromaschinen-Antriebswelle ist dabei über einen schaltbaren Planetensatz, dessen Steg drehfest mit der Elektromaschinen-Antriebswelle verbunden und dessen Hohlrad am Gehäuse festgelegt ist, mit dem Rotor einer elektrischen Maschine gekoppelt. Insbesondere ist der Rotor über ein Kupplung wahlweise entweder, in einer ersten Schaltstellung, mit der Sonne oder, in einer zweiten Schaltstellung, mit dem Steg verbindbar. Zudem ist die Verbrennungsmotor-Eingangswelle mittels einer Hauptkupplung direkt mit dem Rotor verbindbar bzw. von diesem lösbar.
Ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung kann in mehreren verbrennungsmotorischen Gängen, verschiedenen hybriden Betriebsmodi und im rein elektrischen Betrieb betrieben werden. Auch ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine bei stehendem Fahrzeug ist möglich. Als problematisch haben sich jedoch Situationen erwiesen, in denen bei weitgehend entleerten elektrischen Energiespeichern eine langsame Schleichfahrt abgefragt wird, wie dies z.B. in Stausituationen der Fall sein kann.
Idealerweise sollte in solchen Situationen elektrisch gefahren werden, da der verbrennungsmotorische Betrieb hier ineffizient ist und der Fahrkomfort leidet. Eine rein elektrische Fahrt ist im geschilderten Szenario jedoch aufgrund der leeren Batterien nicht möglich und keiner der möglichen Hybrid-Modi deckt diesen Geschwindigkeitsbereich befriedigend ab.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Antriebsanordnung derart weiterzubilden, dass auch bei entleerten elektrischen Energiespeichern eine effiziente und komfortable Schleichfahrt ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass

- der Rotor mit dem Hohlrad verbunden ist und
- die Sonne mittels der Kupplung wahlweise entweder, in einer ersten Schaltstellung, mit dem Gehäuse oder, in einer zweiten Schaltstellung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle verbindbar ist.

Dies ermöglicht ein Verfahren zum Betrieb eines eine solche Antriebsanordnung enthaltenden Kraftfahrzeugs, welches eine mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelte Verbrennungskraftmaschine aufweist,
bei dem in der zweiten Schaltstellung der Kupplung und bei entkoppelten Abtriebswellen-Gangrädern ein Moment der Verbrennungskraftmaschine über den Planetensatz auf das Elektromaschinen-Antriebswellenrad übersetzt wird, wobei das Übersetzungsverhältnis durch Einstellung des negativen Momentes der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine gesteuert wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Im Fokus der Erfindung steht die Kupplung zur Schaltung des Planetensatzes. Deren Funktionalität sowie in der Folge die Anbindungen des Planetensatzes werden gegenüber dem gattungsbildenden Stand der Technik radikal verändert. Nach wie vor ist der Steg drehfest an die Elektromotor-Antriebswelle angebunden. Das Hohlrad ist jedoch nicht länger am Gehäuse, sondern am Rotor festgelegt. Insbesondere kann der Rotor eine das Hohlrad bildende Innenverzahnung aufweisen. Die Sonne wird zum einzig schaltbaren Planetensatzelement. Insbesondere kann sie mittels der Kupplung entweder am Gehäuse festgelegt oder mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle verbunden werden. In der erstgenannten Schaltstellung wirkt der Planetensatz aufgrund der am Gehäuse festgelegten Sonne als einfache Übersetzungsstufe zwischen seinem Hohlrad und seinem Steg. Ein Moment der elektrischen Maschine wird also über diesen Weg vom mit dem Hohlrad verbundenen Rotor zu der mit dem Steg verbundenen Elektromotor-Antriebswelle übersetzt. Diese Schaltstellung wäre also für einen rein elektrischen Betriebsmodus zu wählen. In dem oben geschilderten, problematischen Szenario wäre hingegen die zweitgenannte Schaltstellung zu wählen. Der Planetensatz, dessen Sonne in dieser Schaltstellung mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle verbunden ist, wirkt hier als Verteilergetriebe. Insbesondere wird ein Moment der Verbrennungskraftmaschine über die Sonne in den Planetensatz eingeleitet und einerseits über den Steg auf die Elektromotor-Antriebswelle und andererseits über das Hohlrad auf den Rotor verteilt. Die Momenten- und damit auch Drehzahlverteilung ist abhängig vom Verhältnis der mechanischen Widerstände an den Planetensatz-Ausgangselementen. Während der am Steg anliegende Widerstand im Wesentlichen durch die Straßenverhältnisse, insbesondere die Steigung, vorgegeben ist, kann der mechanische Widerstand der elektrischen Maschine bedarfsgerecht eingestellt werden. Hierzu wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben, wobei eine Veränderung ihres negativen Drehmomentes bei konstanter Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu einer entsprechenden Veränderung der Steg-Drehzahl und damit der Elektromaschinen-Antriebswelle, d. h. letztendlich der Fahrzeuggeschwindigkeit führt. Gleichzeitig werden bei diesem Vorgang aufgrund des generatorischen Betriebs die leeren Batterien aufgeladen. Die Verbrennungskraftmaschine kann währenddessen mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl situationsabhängig z. B. effizienz- oder schadstoffoptimiert betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die eingangs erwähnte Hauptkupplung, die im Stand der Technik eine separate An- bzw. Abkopplungsmöglichkeit für die Verbrennungskraftmaschine bot, entfallen kann. Dies ist mit einer nicht unerheblichen Einsparung an Teilen, Bauraum und Gewicht und daher Kosten verbunden.
Im Übrigen kann die erfindungsgemäße Antriebsanordnung weitgehend frei gestaltet werden. Es wird jedoch bevorzugt, die aus der gattungsgemäßen Druckschrift bekannten und bewährten diesbezüglichen Gestaltungsmerkmale unverändert beizubehalten. Hierzu wird ausdrücklich auf den Offenbarungsgehalt der genannten Druckschrift verwiesen. Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbrennungsmotor-Antriebswelle die Elektromaschinen-Antriebswelle koaxial durchsetzt. Diese Gestaltung hat sich insbesondere im Hinblick auf die Kompaktheit der Gesamtanordnung bewährt.
Auch Hinsichtlich der Gestaltung des Abtriebs kann auf den bewährten Stand der Technik zurückgegriffen werden. So ist bevorzugt vorgesehen, dass das Sammelrad als ein mit dem Differentialkorb des Differentials fest verbundenes Tellerrad ausgebildet ist.
Analoges gilt für die schaltbare Getriebeanordnung, über die das Sammelrad mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle gekoppelt ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwei Abtriebswellen parallel zur Verbrennungsmotor-Antriebswelle gelagert sind, die jeweils eine Mehrzahl von als schaltbare Losräder ausgebildeten Abtriebswellen-Gangrädern sowie jeweils ein als Festrad ausgebildetes, mit dem Sammelrad kämmendes Abtriebswellen-Ausgangsrad tragen, wobei die Verbrennungsmotor-Antriebswelle eine korrespondierende Anzahl von als Festräder ausgebildeten Antriebswellen-Gangrädern trägt, die jeweils mit je einem Abtriebswellen-Gangrad jeder Abtriebswelle kämmen. Dieser Ansatz war bereits zentraler Gegenstand der gattungsbildenden Druckschrift. Insofern kann zur Beschreibung der Erfindung auf die entsprechende Erläuterung im einleitenden Teil dieser Beschreibung verwiesen werden.
Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, trägt auch im Rahmen der Erfindung die Elektromaschinen-Antriebswelle bevorzugt ein insbesondere als Festrad ausgebildetes Elektromaschinen-Antriebswellenrad. Dessen Anbindung an das Sammelrad kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Elektromaschinen-Antriebswellenrad mit einem auf einer parallel zur der Elektromaschinen-Antriebswelle gelagerten Zwischenwelle angeordneten, insbesondere als Festrad ausgebildeten Zwischenrad kämmt, welches seinerseits mit dem Sammelrad kämmt. Diese Variante kann als Vier-Wellen-Variante angesprochen werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Elektromaschinen-Antriebswellenrad mit einer auf einer der Abtriebswellen angeordneten, insbesondere als Festrad ausgebildeten Koppelrad kämmt. Diese Variante kann als Drei-Wellen-Variante angesprochen werden, da die Zwischenwelle entfällt. Die Vier-Wellen-Variante wird jedoch aufgrund ihrer geringeren axialen Baulänge üblicherweise bevorzugt. Denkbar ist schließlich auch eine Variante, bei der das Elektromaschinen-Antriebswellenrad direkt mit dem Sammelrad kämmt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1: eine topologische Darstellung eines Antriebsstrangs mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
2: eine schematische Querschnittsdarstellung der wichtigsten Wellen der Antriebsanordnung von 1,
3: den Antriebsstrang von 1 in seiner ersten Schaltstellung mit eingezeichnetem Momentenverlauf und
4: den Antriebsstrang von 1 in seiner zweiten Schaltstellung mit eingezeichnetem Momentenverlauf.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine Übersichtskizze der Topologie eines Antriebsstrangs 10 mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. 2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung deren wichtigste Wellen. Diese beiden Figuren sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden. Die gezeigte Anordnung kann kurz als Vier-Wellen-Anordnung bezeichnet werden. Der Antriebsstrang 10 weist zwei Antriebsaggregate auf, nämlich eine Verbrennungskraftmaschine 12 und eine elektrische Maschine 14, umfassend einen innenliegenden Rotor 141 und einen außenliegenden Stator 142. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Verbrennungskraftmaschine 12 mit einer Start/Stopp-Einheit 16 verbunden, die für die vorliegende Erfindung jedoch keine zentrale Bedeutung hat. Die Kurbelwelle 121 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist über ein Zwei-Massen-Schwungrad 18 mit einer bei der gezeigten Ausführungsform als Hohlwelle ausgebildeten Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 gekoppelt. Die Verbrennungsmotor-Antriebswelle trägt zwei Antriebswellen-Gangräder 201, 202, die bei der gezeigten Ausführungsform als Festräder axial fest und drehfest auf der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 angeordnet sind. Jedes der Antriebswellen-Gangrad 201, 202 bildet mit einem jeweils korrespondierenden Abtriebswellen-Gangrad 221, 222, welches als Losrad auf einer parallelen ersten Abtriebswelle 22 angeordnet ist, eine schaltbare Zahnradpaarung. Hierzu ist die erste Abtriebswelle 22 mit einer ersten Abtriebswellenkupplung 24 versehen, welche je nach Schaltstellung das Losrad 221, das Losrad 222 oder keines der beiden Losräder 221, 222 drehfest mit der ersten Abtriebswelle 22 verbindet. Der Fachmann wird erkennen, dass je nach Schaltstellung der ersten Abtriebswellenkupplung 24 ein Moment von der Verbrennungskraftmaschine 12 mit durch die konkrete Zahnradpaarung vorgegebenen Übersetzung auf die erste Abtriebswelle 22 übertragen werden kann. Ein Abtriebswellen-Ausgangsrad 223 der ersten Abtriebswelle 22 kämmt mit einem Sammelrad 26, das bei der gezeigten Ausführungsform als Tellerrad ausgebildet und mit dem Differentialkorb eines Querdifferentials 28 verbunden ist. Über dessen Achsflanschwellen 30a, 30b wird das Moment auf nicht dargestellte Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs übertragen.
Weiter bildet jedes Antriebswellen-Gangrad 201, 202 der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 mit je einem korrespondierenden Abtriebswellen-Gangrad 321, 322 einer zweiten Abtriebswelle eine schaltbare Zahnradpaarung. Die Abtriebswellen-Gangräder 321, 322 der zweiten Abtriebswelle 32 sind in der gezeigten Ausführungsform als Losräder ausgebildet. Die zweite Abtriebswelle 32 weist eine zweite Abtriebswellenkupplung 34 auf, welche je nach Schaltstellung entweder das eine Losrad 321, das andere Losrad 322 oder keines von beiden drehfest mit der zweiten Abtriebswelle 32 verbindet. Die zweite Abtriebswelle 32 weist zudem ein Abtriebswellen-Ausgangsrad 323 auf, welches, wie auch das Abtriebswellen-Ausgangsrad 223 der ersten Abtriebswelle 22, mit dem Sammelrad 26 kämmt. Diese Verbindung ist in der Darstellung von 1 als punktierte Pfeillinie dargestellt. Der Fachmann wird erkennen, dass je nach Schaltstellung der zweiten Abtriebswellenkupplung 32 ein Moment der Verbrennungskraftmaschine 12 mit durch die jeweils geschaltete Zahnradpaarung vorgegebener Übersetzung über die zweite Abtriebswelle 32 auf das Sammelrad 26 übertragen werden kann.
Natürlich haben die Schaltungvorgänge der beiden Abtriebswellenkupplungen 24 und 34 so aufeinander abgestimmt zu sein, dass der Momentenfluss jeweils nur über eine der beiden Abtriebswellen 22 oder 32 verläuft. Ein solches Kupplungsmanagement ist dem Fachmann von herkömmlichen Doppelkupplungsgetrieben her bekannt.
Die räumliche Anordnung der Wellen ist in 2 besser erkennbar. Dort sind mögliche Momentenübertragungspunkte als schwarze Quadrate dargestellt, obgleich nur die Wellen als solche und nicht spezielle Räder mit Bezugszeichen versehen sind. Der Fachmann wird jedoch aus der Zusammenschau der 1 und 2 eine klare Vorstellung von der räumlichen Struktur des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gewinnen können.
Um das Moment der elektrischen Maschine 14 von deren Rotor 141 an eine Elektromaschinen-Antriebswelle 40, die von einer Fortsetzung der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 koaxial durchsetzt wird, zu übertragen, ist ein Planetensatz 38 vorgesehen, umfassend ein Sonnenrad 381, einen Steg 382 und ein dreh- und axial fest mit dem Rotor 141 verbundenes Hohlrad 383. Die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 ist drehfest mit dem Steg 382 verbunden. Die Anbindung der Sonne 381 wird von der Schaltstellung einer Kupplung 44 bestimmt, deren Aktuatorik 441 bei der gezeigten Ausführungsform in koaxialer Verlängerung von Verbrennungsmotor- und Elektromaschinen-Antriebswelle 20, 40 angeordnet ist. In einer ersten Schaltstellung, links in 1, ist die Sonne 381 am Gehäuse festgelegt. In einer zweiten Schaltstellung, rechts in 1, ist die Sonne 381 drehfest mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 verbunden. Die in 1 gezeigte Zwischenstellung, in der die Sonne 381 mit keinem anderen Element verbunden ist, kann, muss aber im Rahmen der Erfindung nicht zwingend realisiert sein. Ist sie vorgesehen, kann die elektrische Maschine 14 bei rein verbrennungsmotorischem Betrieb des Antriebsstrangs 10 zur Vermeidung von Schleppverlusten vollständig abgekoppelt werden. Die Momentenflüsse in den beiden im Rahmen der Erfindung zwingend erforderlichen Schaltstellungen sollen weiter unten im Kontext der 3 und 4 erläutert werden.
Schließlich sind in 1 noch eine Leistungselektronik 60 und eine Batterie 62 als elektrischer Energiespeicher skizziert. Diese sind mit einer elektrischen Schnittstelle 64 verbunden, an die sich externe elektrische Geräte anschließen lassen bzw. über die eine stationäre Aufladung der Batterien erfolgen kann.
Die 3 und 4 zeigen den Momentenfluss in einem Antriebsstrang gem. 1 in den beiden wesentlichen Schaltstellungen der Kupplung 44. Die nachfolgende Erläuterung geht dabei davon aus, dass sich die beiden Abtriebswellen-Kupplungen 24, 34 in ihrer jeweiligen Neutralstellung befinden, d. h. sämtliche Abtriebswellen-Gangräder 221, 221, 321 und 322 entkoppelt auf ihrer jeweils zugeordneten Abtriebswelle 22, 32 drehen können.
In der in 3 gezeigten, ersten Schaltstellung der Kupplung 44 ist die Sonne 381 am Gehäuse festgelegt. Der Planetensatz 38 wirkt daher als einfache Übersetzungsstufe zwischen seinem Hohlrad 383 und seinem Steg 382. Wie in 3 durch die fett ausgezogene Linie dargestellt, fließt das Moment der elektrischen Maschine 14 von deren Rotor 341 über das Hohlrad 282 und den Steg 382 an die Elektromaschinen-Antriebswelle 40. Die Momentenabstützung erfolgt dabei über die am Gehäuse festgelegte Sonne 381, wie in 3 durch die fett gestrichelte Linie dargestellt. Von der Elektromaschinen-Antriebswelle verläuft das Moment über deren Elektromaschinen-Antriebswellenrad 401 und das Zwischenrad 42 zum Sammelrad 26. Die Verbrennungskraftmaschine 12 ist von diesem Momentenfluss vollständig abgekoppelt. Sie kann daher im Leerlauf betrieben oder ganz ausgeschaltet werden. Diese erste Schaltstellung der Kupplung 44 kann als die Normalstellung für den rein elektrischen Fahrbetrieb angesehen werden.
Sind allerdings die elektrischen Energiespeicher 62 leer, ist dieser Betriebsmodus nicht verfügbar. Die Kupplung 44 kann dann in die in 4 dargestellte, zweite Schaltstellung umgeschaltet werden. Hierbei ist die Sonne 381 direkt mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle 20 verbunden. Ein Moment der Verbrennungskraftmaschine 12 kann daher über die Sonne 381 in den Planetensatz 38 ein- und über dessen Steg 382 an die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 ausgeleitet werden. Der weitere, in 4 durch eine fett ausgezogenen Linie dargestellte Momentenfluss entspricht demjenigen von 3. Eine (vorzugsweise unvollständige) Momentenabstützung, die in 4 durch die fett gestrichelte Linie dargestellt ist, erfolgt im Planetensatz 38 über dessen Hohlrad 183 an den Rotor 141. Diese Momentenabstützung ist unvollständig, wenn der Rotor 141 einen Teil des Momentes aufnimmt, das heißt bei generatorisch betriebener elektrischer Maschine 14 rotiert. Das Ausmaß der Momentenabstützung kann durch Einstellung des negativen, generatorischen Momentes der elektrischen Maschine 14 eingestellt werden. Dadurch lässt sich, wie der Fachmann erkennen wird, auch das an die Elektromaschinen-Antriebswelle 40 abgegebene Moment einstellen. Dies geht selbstverständlich mit einer Drehzahleinstellung einher, sodass ein Fahrzeugbetrieb auch bei sehr geringen Fahrtgeschwindigkeiten (Schleichfahrt) möglich wird, obgleich die antreibende Verbrennungskraftmaschine 12 dabei mit Drehzahlen betrieben werden kann, die deutlich höher liegen und insbesondere einen effizienz- und/oder schadstoffoptimierten Betrieb erlauben.
Das nicht zum Fahrzeugantrieb benutzte Moment kann zur Aufladung der Batterien 62 genutzt werden.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist der in den unabhängigen Ansprüchen dargelegte Kern der Erfindung auch im Kontext anderer als der gezeigten Getriebestruktur einsetzbar. Dabei soll ausdrücklich die in der eingangs genannten, gattungsgemäßen Druckschrift erwähnte, sogenannte Drei-Wellen-Variante der dort offenbarten Antriebsanordnung genannt sein.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsstrang
12: Verbrennungskraftmaschine
121: Kurbelwelle von 12
14: elektrische Maschine
141: Rotor von 14
142: Stator von 14
16: Start/Stopp-Einheit
18: Zwei-Massen-Schwungrad
20: Verbrennungsmotor-Antriebswelle
201, 202: Gangrad von 20
22: erste Abtriebswelle
221, 222: Gangrad von 22
223: Ausgangsrad von 22
24: erste Abtriebswellenkupplung
26: Sammelrad
28: Differential
30a,b: angetriebene Achsschenkel
32: zweite Abtriebswelle
321, 322: Gangrad von 32
323: Ausgangsrad von 32
34: zweite Abtriebswellenkupplung
38: Planetensatz
381: Sonne von 38
382: Steg von 38
383: Hohlrad von 38
40: Elektromaschinen-Antriebswelle
401: Antriebswellenrad von 40
42: Zwischenwelle / Zwischenrad
44: Kupplung
441: Aktuatorik von 44
60: Leistungselektronik
62: Batterie
64: elektrische Schnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012016988 A1 [0003]
DE 10021025 A1 [0005]
WO 2008/046185 A1 [0005]
DE 102010046766 A1 [0006]

Claims

Antriebsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend - ein Gehäuse, - eine elektrische Maschine (14) mit einem gehäusefesten Stator (142) und einem radial innerhalb des Stators (142) angeordneten, drehbar gelagerten Rotor (141), der mit einer Elektromaschinen-Antriebswelle (40) gekoppelt ist, - eine mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) koppelbare Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20), - ein Differential (28) mit einem Sammelrad (26), welches mit der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) sowie, mittels einer schaltbaren Getriebeanordnung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelt ist, - einen Planetensatz (38) mit einer mittels einer Kupplung (44) schaltbaren Sonne (381), einem Hohlrad (383) und einem mit der Elektromotor-Antriebswelle (40) verbundenen Steg (382), auf dem Planetenräder, die einerseits mit der Sonne (381) und andererseits mit dem Hohlrad (383) kämmen, drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der Rotor (141) mit dem Hohlrad (383) verbunden ist und - die Sonne (381) mittels der Kupplung (44) wahlweise entweder, in einer ersten Schaltstellung, mit dem Gehäuse oder, in einer zweiten Schaltstellung, mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) verbindbar ist.
Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) die Elektromaschinen-Antriebswelle (40) koaxial durchsetzt.
Antriebsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (141) eine das Hohlrad (383) bildende Innenverzahnung aufweist.
Antriebsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrad (26) als ein mit dem Differentialkorb des Differentials (28) fest verbundenes Tellerrad ausgebildet ist.
Antriebsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abtriebswellen (22, 32) parallel zur Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gelagert sind, die jeweils eine Mehrzahl von als schaltbare Losräder ausgebildeten Abtriebswellen-Gangrädern (221, 222; 321, 322) sowie jeweils ein als Festrad ausgebildetes, mit dem Sammelrad kämmendes Abtriebswellen-Ausgangsrad (223; 323) tragen, wobei die Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) eine korrespondierende Mehrzahl von als Festräder ausgebildeten Antriebswellen-Gangrädern (201, 202) trägt, die jeweils mit je einem Abtriebswellen-Gangrad (221, 222; 321, 322) jeder Abtriebswelle (22, 32) kämmen.
Antriebsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen-Antriebswelle (40) ein Elektromaschinen-Antriebswellenrad (401) trägt.
Antriebsanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektromaschinen-Antriebswellenrad (401) mit einem auf einer parallel zu der Elektromaschinen-Antriebswelle (40) gelagerten Zwischenwelle (42) angeordneten Zwischenrad kämmt, welches seinerseits mit dem Sammelrad (26) kämmt.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektromaschinen-Antriebswellenrad mit einem auf einer der Abtriebswellen angeordneten Koppelrad kämmt.
Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektromaschinen-Antriebswellenrad mit dem Sammelrad kämmt. 10. Verfahren zum Betrieb eines eine Antriebsanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche enthaltenden Kraftfahrzeugs, welches eine mit der Verbrennungsmotor-Antriebswelle (20) gekoppelte Verbrennungskraftmaschine (12) aufweist, wobei in der zweiten Schaltstellung der Kupplung (44) und bei entkoppelten Abtriebswellen-Gangrädern (221, 222; 321, 322) ein Moment der Verbrennungskraftmaschine (12) über den Planetensatz (38) auf das Elektromaschinen-Antriebswellenrad (40) übersetzt wird, wobei das Übersetzungsverhältnis durch Einstellung des negativen Momentes der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine (12) gesteuert wird.