DE102019209926A1

DE102019209926A1 - Hybridgetriebe mit Planetenradsätzen

Info

Publication number: DE102019209926A1
Application number: DE102019209926.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beck; Johannes Kaltenbach; Matthias Horn; Martin Brehmer; Michael Wechs; Fabian Kutter; Thomas Martin; Peter Ziemer; Max Bachmann; Thomas Kroh; Oliver BAYER; Juri Pawlakowitsch
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (10) für einen Hybrid-Antriebsstrang (11) mit einer Verbrennungsmaschine und einer ersten und zweiten elektrischen Antriebsmaschine (12, 14), mit: einem ersten und zweiten Planetenradsatz (RS1, RS2), jeweils umfassend ein Sonnenrad (20, 34), ein Planetenrad (18, 32) und ein Hohlrad (16, 30); einem Abtrieb (38), der antriebswirksam mit einem Planetenradträger (36) des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; einer Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle (26), um dem Abtrieb Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine mittels des ersten Planetenradsatzes bereitzustellen; einer ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (22), die mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam verbunden ist, um dem Abtrieb Antriebsleistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen; einer zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28), um dem Abtrieb Antriebsleistung der zweiten elektrischen Antriebsmaschine mittels des ersten und/oder zweiten Planetenradsatzes bereitzustellen; einem ersten Schaltelement (K0) zum antriebswirksamen Verbinden der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes; einem zweiten Schaltelement (A) zum antriebswirksamen Verbinden der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes; einem dritten Schaltelement (C) zum Verblocken des Hohlrads des zweiten Planetenradsatzes; und einem vierten (B) und fünften (D) Schaltelement, um die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle und die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle entkoppelt von der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Abtrieb drehfest zu verbinden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
Fahrzeuge werden zunehmend mit Hybridantrieben, d. h. mit wenigstens zwei verschiedenen Antriebsquellen ausgestattet. Hybridantriebe können zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen beitragen. Es haben sich weitgehend Antriebsstränge mit einem Verbrennungsmotor und einem oder mehreren Elektromotoren als Parallelhybrid oder als Mischhybrid durchgesetzt. Derartige Hybridantriebe weisen im Kraftfluss eine im Wesentlichen parallele Anordnung des Verbrennungsmotors und des Elektroantriebs auf. Hierbei werden sowohl eine Überlagerung der Antriebsmomente als auch eine Ansteuerung mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb oder rein elektromotorischem Antrieb ermöglicht. Da sich die Antriebsmomente des Elektroantriebs und des Verbrennungsmotors je nach Ansteuerung addieren können, ist eine vergleichsweise kleinere Auslegung des Verbrennungsmotors und/oder dessen zeitweise Abschaltung möglich, wodurch eine signifikante Reduzierung der CO₂-Emissionen ohne nennenswerte Leistungs- bzw. Komforteinbußen erreicht werden kann. Die Möglichkeiten und Vorteile eines Elektroantriebs können somit mit den Reichweiten-, Leistungs- und Kostenvorteilen von Brennkraftmaschinen verbunden werden.
Ein Nachteil der oben genannten Hybridantriebe besteht in einem im Allgemeinen komplexeren Aufbau, da beide Antriebsquellen vorzugsweise mit nur einem Getriebe Antriebsleistung auf eine Antriebswelle übertragen. Hierdurch sind derartige Getriebe meist aufwendig in der Produktion. Eine Reduzierung der Komplexität eines Hybridgetriebes geht meistens mit einer Einbuße an Funktionalität und Variabilität einher.
Aus der US 6,478,705 B1 ist ein elektrischer Hybrid-Antriebsstrang mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe mit zwei Planetenradsätzen bekannt, die mit einem Motor und einer ersten und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sind. Die Planetenradsätze sind in einem sogenannten Eingangs- und einem Misch-Modus konfigurierbar. Zwischen dem Eingangs- und dem Misch-Modus kann durch synchrones Einrücken der Kupplung bei einem Drehzahlnullpunkt einer der elektrischen Maschinen gewechselt werden. Der Eingangs-Modus bietet Rückwärts- und Niedrigvorwärtsbereiche, wobei die erste Maschine als Motor und die zweite als Generator betrieben wird. Der Misch-Modus bietet einen hohen Vorwärtsbereich, wobei die Maschinen je nach Fahrzeuggeschwindigkeit wahlweise im Antriebs- oder Generatormodus betrieben werden. Das Umschalten zwischen den Modi erfolgt synchron und bei einer Drehzahl der ersten Maschine von Null, was zu einer sanften Schaltung beiträgt. Nachteilig ist hierbei, dass der Hybrid-Antriebsstrang wenig Funktionalität und Variabilität bietet. Beispielsweise muss der Abtrieb immer mitgeschleppt werden.
Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, den oben beschriebenen Hybrid-Antriebsstrang weiterzubilden. Insbesondere sollen ein Hybridgetriebe und ein Hybrid-Antriebsstrang mit geringem Bauraumbedarf und hoher Variabilität geschaffen werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hybridgetriebe für einen Hybrid-Antriebsstrang mit einer ersten und zweiten elektrischen Antriebsmaschine, mit:

einem ersten und zweiten Planetenradsatz, jeweils umfassend ein Sonnenrad, ein Planetenrad und ein Hohlrad;
einem Abtrieb, der antriebswirksam mit einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist;
einer Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle, um dem Abtrieb Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine mittels des ersten Planetenradsatzes bereitzustellen;
einer ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle, die mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam verbunden ist, um dem Abtrieb Antriebsleistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen;
einer zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle, um dem Abtrieb Antriebsleistung der zweiten elektrischen Antriebsmaschine mittels des ersten und/oder zweiten Planetenradsatz bereitzustellen;
einem ersten Schaltelement zum antriebswirksamen Verbinden der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle mit den Hohlrad des ersten Planetenradsatzes;
einem zweiten Schaltelement zum antriebswirksamen Verbinden der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes;
einem dritten Schaltelement zum Verblocken des Hohlrads des zweiten Planetenradsatzes; und
einem vierten und fünften Schaltelement, um die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle und die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle entkoppelt von der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Abtrieb drehfest zu verbinden.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst von einem Hybrid-Antriebsstrang mit:

einem Hybridgetriebe, wie zuvor beschrieben;
einer Verbrennungsmaschine, die mit der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle wirkverbunden ist;
einer ersten elektrischen Antriebsmaschine, die mit der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle wirkverbunden ist; und
einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine, die mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle wirkverbunden ist, wobei
die elektrischen Antriebsmaschinen vorzugsweise als Koaxialmaschinen ausgebildet sind.

Ferner wird die obige Aufgabe gelöst von einem Kraftfahrzeug mit:

einem Hybrid-Antriebsstrang, wie zuvor beschrieben; und
einem Energiespeicher zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Durch ein viertes und fünftes Schaltelement kann ein zweiter verbrennungsmotorischer Gang im Hybridgetriebe eingerichtet werden. Ferner kann ein serieller Betrieb eingerichtet werden, bei dem die zweite elektrische Antriebsmaschine als Generator von der Verbrennungsmaschine angetrieben wird, um der ersten elektrischen Maschine, die als Antriebsmotor fungiert, Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen. Ferner kann die Verbrennungsmaschine ohne Auswirkungen auf den Abtrieb gestartet, also angeschleppt werden. Hierdurch kann ein kompaktes Hybridgetriebe, das insbesondere axial kurz baut, mit großem Funktionsumfang geschaffen werden. Durch das Ausbilden der elektrischen Antriebsmaschinen als Koaxialmaschinen kann das Getriebe kompakt und robust ausgeführt werden. Die elektrischen Antriebsmaschinen können koaxial, aber auch über ein oder mehrere Stirnräder achsparallel zu einer Getriebeachse angebunden sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Hierdurch kann ein effizientes Hybridgetriebe geschaffen werden, da Verluste in den Schaltelementen minimiert sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abtrieb durch ein Zahnradpaar gebildet und in axialer Richtung zwischen dem ersten Planetenradsatz und dem zweiten Planetenradsatz angeordnet. Hierdurch kann ein Hybridgetriebe geschaffen werden, das mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden kann. Ferner kann die Kompaktheit des Getriebes durch die Anordnung des Abtriebs zwischen den beiden Planetenradsätzen weiter verbessert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam verbunden. Hierdurch kann technisch einfach ein Fahrbereich eingerichtet werden, bei dem die Verbrennungsmaschine und die zweite elektrische Antriebsmaschine Antriebsleistung gemeinsam bereitstellen. Ferner ist ein direktes Verbinden der zweiten elektrischen Antriebsmaschine und der Verbrennungsmaschine technisch einfach und durch wenige Schaltvorgänge möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das vierte Schaltelement dem Hohlrad und dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes zugeordnet. Ergänzend ist das fünfte Schaltelement dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und dem Abtrieb zugeordnet. Hierdurch kann technisch einfach ein weiterer Verbrennungsgang eingerichtet werden. Ferner kann ein Elektrogang für die zweite elektrische Antriebsmaschine eingerichtet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das vierte Schaltelement an einer Getriebeeingangswelle angeordnet, um diese beim Schließen antriebswirksam mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle zu verbinden. Ergänzend verbindet das erste Schaltelement beim Schließen die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle mit der Getriebeeingangswelle antriebswirksam. Das fünfte Schaltelement ist einem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und der Getriebeeingangswelle zugeordnet. Durch eine derartige Anordnung der Schaltelemente kann ein Zugang zu den Schaltelementen technisch einfach erfolgen. Insbesondere sind bei einer derartigen Anordnung keine Schaltelemente in einem axial mittleren Bereich des Getriebes vorhanden, sodass das Getriebe in einem axial mittleren Bereich radial kurz baut.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das vierte Schaltelement dem Planetenradträger und dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes zugeordnet. Ergänzend ist das fünfte Schaltelement dem Planetenradträger des ersten Planetenrads und dem Abtrieb zugeordnet. Hierdurch kann das Hybridgetriebe technisch einfach ohne Hohlwellen am ersten Planetenradsatz aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das fünfte Schaltelement der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes zugeordnet. Ergänzend ist das vierte Schaltelement der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes zugeordnet. Hierdurch kann ein axial kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden, bei dem in einem axial inneren Bereich keine Schaltelemente angeordnet sind. Das Getriebe baut folglich radial kurz in einem axial mittleren Abschnitt. Ferner kann das Getriebe ohne weitere Bauteile, wie beispielsweise einem Verbindungsabschnitt, aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe ein sechstes Schaltelement auf, das dem zweiten Planetenradsatz zugeordnet ist, um diesen beim Schließen des Schaltelements zu verblocken und eine zweite Elektrogangstufe für die erste elektrische Antriebsmaschine einzurichten. Hierdurch kann technisch einfach eine weitere Elektrogangstufe eingerichtet werden. Insbesondere kann diese Elektrogangstufe mittels eines einzelnen Schaltelements geschaffen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe ein siebtes Schaltelement auf, um das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes zu verblocken und eine zweite Elektrogangstufe für die zweite elektrische Antriebsmaschine einzurichten. Auf diese Weise kann technisch einfach eine weitere Elektrogangstufe für die zweite elektrische Antriebsmaschine eingerichtet werden. Diese kann mittels eines einzelnen Schaltelements geschaffen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden zwei Schaltelemente ein Doppelschaltelement mit nur einem Aktor. Auf diese Weise kann das Getriebe technisch einfach mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden. Ferner ist die Steuerung und insbesondere das Schalten des Getriebes technisch einfach möglich, da nur ein Aktor für zwei Schaltelemente verwendet werden muss.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine als integrierter Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ausgebildet. Ergänzend oder alternativ ist die elektrische Antriebsmaschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers und/oder Versorgen der zweiten elektrischen Antriebsmaschine bei einem seriellen Fahrbetrieb ansteuerbar. Hierdurch kann das Hybridgetriebe effizient betrieben werden. Beispielsweise ist ein sogenanntes Standladen möglich. Der Kraftstoffverbrauch kann reduziert werden. Ferner kann auf einen zusätzlichen Anlasser für die Verbrennungsmaschine verzichtet werden.
Insbesondere kann eine Schwingungsdämpfung für einen verbrennungsmotorischen Antrieb vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine mit einem Schwungrad verbunden sein. Ferner kann die Verbrennungsmaschine mit einem zwischengeschalteten Schwingungsdämpfer mit der für die Verbindung mit der Verbrennungsmaschine vorgesehenen Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle verbunden sein. Zudem kann die Verbrennungsmaschine mit einem zwischengeschalteten Schwingungsdämpfer mit der für die Verbindung mit der Verbrennungsmaschine vorgesehenen motorseitigen Kupplungswelle einer Kupplung verbunden sein.
Das Hybridgetriebe kann insbesondere eine erste Kopplung des Hohlrads des ersten Planetenradsatzes mit der Getriebeeingangswelle, eine zweite Kopplung des Sonnenrads des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle sowie eine dritte Kopplung des Planetenträgers des ersten Planetenradsatzes mit dem Abtrieb aufweisen, wobei von diesen drei Kopplungen zwei Kopplungen als permanent drehfeste Verbindungen vorliegen, während bei der noch verbleibenden Kopplung eine drehfeste Verbindung über das fünfte Schaltelement herstellbar ist.
Das vierte Schaltelement kann insbesondere zum antriebswirksamen Verbinden von der Getriebeeingangswelle und der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und/oder zum Verblocken des ersten Planetenradsatzes ausgebildet sein.
Vorzugsweise können die erste und zweite Kopplung als permanent feste Verbindungen vorliegen, während bei der dritten Kopplung eine drehfeste Verbindung über das fünfte Schaltelement herstellbar ist.
Insbesondere kann das vierte Schaltelement in geschlossenem Zustand den Planetenradträger und das Hohlrad, das Sonnenrad und das Hohlrad, oder den Planetenträger und das Hohlrad, miteinander verbinden.
Vorzugsweise können die zweite und dritte Kopplung als permanent feste Verbindungen vorliegen, während bei der ersten Kopplung eine drehfeste Verbindung über das fünfte Schaltelement herstellbar ist.
Vorzugsweise können die erste und dritte Kopplung als permanent feste Verbindungen vorliegen, während bei der zweiten Kopplung eine drehfeste Verbindung über das fünfte Schaltelement herstellbar ist.
Vorzugsweise kann das vierte Schaltelement in geschlossenem Zustand die Getriebeeingangswelle und die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle miteinander verbinden.
Vorzugsweise weist das Hybridgetriebe ein sechstes Schaltelement auf, das in geschlossenem Zustand den ersten Planetenradsatz verblockt.
Eine Verbrennungsmaschine kann vorliegend insbesondere jede Maschine sein, die durch Verbrennen eines Antriebsmittels, wie Benzin, Diesel, Kerosin, Ethanol, Flüssiggas, Autogas etc. eine Drehbewegung erzeugen kann. Eine Verbrennungsmaschine kann beispielsweise ein Ottomotor, ein Dieselmotor, ein Wankelmotor oder ein Zweitaktmotor sein.
Ein Aktor ist vorliegend insbesondere ein Bauteil, das ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzt. Vorzugsweise führen Aktoren, die mit Doppelschaltelementen verwendet werden, Bewegungen in zwei entgegengesetzte Richtungen aus, um in der ersten Richtung ein Schaltelement des Doppelschaltelements zu schalten und in der zweiten Richtung das andere Schaltelement zu schalten.
Unter seriellem Fahren ist insbesondere ein Betriebsmodus zu verstehen, bei dem die Verbrennungsmaschine als Antrieb für eine als Generator betriebene elektrische Antriebsmaschine dient, die eine weitere elektrische Antriebsmaschine speist, sodass die Verbrennungsmaschine von den Antriebsrädern entkoppelt ist und vorzugsweise ständig in einem einzigen emissionsgünstigen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Unter Standladen ist insbesondere das Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine als Generator zu verstehen, vorzugsweise bei einem Stillstand mit laufender Verbrennungsmaschine, um einen Energiespeicher zu befüllen und/oder eine Bordelektronik zu speisen.
Ein Verblocken eines Planetenradsatzes ist insbesondere als ein Blockieren einer Drehung eines Zahnrads und/oder eines Planetenradträgers um seine Rotationsachse zu verstehen, das auch als Festsetzen des Zahnrads und/oder des Planetenradträgers bezeichnet werden kann. Vorzugsweise wird dabei das Zahnrad und/oder der Planetenradträger mittels eines Schaltelements drehfest mit einem statischen Bauteil wie einem Rahmen und/oder einem Getriebegehäuse verbunden. Es ist auch denkbar, das Zahnrad und/oder den Planetenradträger bis zu einem Stillstand zu bremsen. Ferner ist es auch möglich, zwei Zahnräder und/oder den Planetenradträger und ein Zahnrad des Planetenradsatzes miteinander zu verblocken, sodass diese gemeinsam mit der gleichen Umdrehungszahl um denselben Punkt, vorzugsweise den Mittelpunkt des Planetenradsatzes, rotieren. Beim Verblocken zweier Zahnräder und/oder eines Planetenradträgers und eines Zahnrads des Planetenradsatzes wirkt der Planetenradsatz vorzugsweise wie eine Welle, es findet insbesondere keine Übersetzung im Planetenradträger statt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
2 eine schematische Darstellung eines Schaltschemas des Hybridgetriebes der 1;
3 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
4 eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
5 eine vierte Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
6 eine fünfte Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
7a eine sechste Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
7b ein Schaltschema der Elektrogänge des Hybridgetriebes der 7a;
8a eine siebte Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes; und
8b ein Schaltschema des Hybridgetriebes gemäß der 8a.

1 zeigt schematisch ein Hybridgetriebe 10 in einem Hybrid-Antriebsstrang 11 mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine 12, einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14, einem ersten Planetenradsatz RS1 und einem zweiten Planetenradsatz RS2. Der erste Planetenradsatz RS1 weist ein Hohlrad 16, ein Planetenrad 18 und ein Sonnenrad 20 auf. Das Sonnenrad 20 ist mit einer ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 22 drehfest verbunden. Das Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 kann mittels eines Schaltelements B mit einem Planetenradträger 24, der das Planetenrad 18 des ersten Planetenradsatzes RS1 trägt, drehfest verbunden werden. Das Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 kann mittels eines Schaltelements K0 mit einer Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 drehfest verbunden werden. Die erste Antriebsmaschinen-Eingangswelle 22 ist mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine 12 wirkverbunden.
Der zweite Planetenradsatz RS2 ist mittels einer ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 22 mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine 12 wirkverbunden und weist ein Hohlrad 30, ein Planetenrad 32 und ein Sonnenrad 34 auf. Ein Planetenradträger 36 des zweiten Planetenradsatzes RS2 ist dabei drehfest mit einem Abtrieb 38 verbunden. Der Planetenradträger 36 kann mittels eines Schaltelements D drehfest mit dem Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden werden. Das Sonnenrad 34 ist dabei drehfest mit der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 22 verbunden.
Das Hybridgetriebe 10 weist ferner ein Schaltelement A auf, das die zweite elektrische Maschine 14 drehfest mit dem Hohlrad 30 des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbinden kann. Ferner ist in dem Hybridgetriebe 10 ein Schaltelement C vorgesehen, das das Hohlrad 30 des zweiten Planetenradsatzes RS2 verblocken kann, also eine Drehung des Hohlrades 30 unterbinden kann. Die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 ist drehfest mit dem Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden. Die erste elektrische Antriebsmaschine 12 ist drehfest mit dem Sonnenrad 34 des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden.
Über die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 kann dem Hybridgetriebe 10 Antriebsleistung einer nicht gezeigten Verbrennungsmaschine zugeführt werden. Ein Abtrieb 38 ist in dem gezeigten Beispiel antriebswirksam mit einem Differential 46 verbunden. Mit einer derartigen Anordnung im Hybridgetriebe 10 kann insbesondere erreicht werden, dass die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 entkoppelt vom Abtrieb 38 mit der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 verbunden wird. Hierzu wären die Schaltelemente A und K0 zu schließen. Auf diese Weise kann ein serieller Betrieb eingerichtet werden, bei dem eine Verbrennungsmaschine die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 als Generator betreibt. Die so erzeugte Energie kann dann der ersten elektrischen Antriebsmaschine 12 zugeführt werden. Ferner ist ein vom Abtrieb 38 entkoppeltes Anschleppen einer Verbrennungsmaschine möglich.
2 zeigt ein Schaltschema 48 des Hybridgetriebes 10 der 1. In der ersten Spalte sind zwei Verbrennungsgangstufen sowie zwei Fahrbereiche und zwei Elektrogangstufen benannt. Das Schaltschema 48 gibt an, welche Schaltelemente zum Einrichten welches Fahrbereichs eingelegt werden sollen. In der zweiten bis sechsten Spalte sind die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente K0 und A bis D gezeigt, wobei ein „X“ bedeutet, dass das Schaltelement geschlossen ist, also die ihm zugeordneten Elemente drehfest bzw. antriebswirksam miteinander verbindet.
Zum Einrichten einer Verbrennungsgangstufe V1 sind die Schaltelemente K0, A, C und D zu schließen. Zum Einrichten einer Verbrennungsgangstufe V2 sind die Schaltelemente K0, B und D zu schließen. Zum Einrichten eines Fahrbereichs FB1 sind die Schaltelemente K0, C und D zu schließen. Zum Einrichten eines Fahrbereichs FB2 sind die Schaltelemente K0, A und D zu schließen. Zum Einrichten einer Elektrogangstufe der ersten elektrischen Antriebsmaschine E1.1 ist das Schaltelement C zu schließen. Zum Einrichten einer Elektrogangstufe E2.1 der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 sind die Schaltelemente B und D zu schließen. Es versteht sich, dass die übrigen Schaltelemente, die nicht explizit als geschlossen bezeichnet sind, als offen anzusehen sind, also die ihnen zugeordneten Elemente nicht drehfest miteinander verbinden.
Wenn das Schaltelement K0 und das Schaltelement B geschlossen sind und das Schaltelement D geöffnet ist, ist die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 über den verblockten ersten Planetenradsatz RS1 mit der Verbrennungsmaschine verbunden. Die Verbrennungsmaschine kann mittels der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 gestartet werden, ohne dass es eine Auswirkung auf den Abtrieb 38 hat. Die zu schließenden Schaltelemente werden mittels einer Drehzahlregelung durch die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 synchronisiert. In diesem Zustand kann die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 als Generator arbeiten und beispielsweise das elektrische Bordnetz versorgen oder Strom für die erste elektrische Antriebsmaschine 12 generieren (serieller Betrieb).
Im seriellen Betrieb sind das Schaltelement K0 und das Schaltelement B geschlossen und das Schaltelement D geöffnet. Zudem ist das Schaltelement C geschlossen, damit die erste elektrische Antriebsmaschine 12 das Kraftfahrzeug antreiben kann. Aus dieser Situation kann das Schaltelement B geöffnet werden, nachdem an der Verbrennungsmaschine und der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 die Last abgebaut wurde. Dann kann das Schaltelement D synchronisiert werden mittels der Verbrennungsmaschine und der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 und danach kann das Schaltelement D geschlossen werden. So ist der Schaltzustand des FB1 erreicht (K0, C, D geschlossen).
Durch Schließen des Schaltelements A wird der mechanische Gang V1 für die Verbrennungsmaschine eingelegt. Durch Öffnen des Schaltelements C wird der Fahrbereich FB2 geschaltet. Durch Schließen des Schaltelements B wird der mechanische Gang V2 für die Verbrennungsmaschine eingelegt. Von der Verbrennungsmaschine werden dabei die Schaltelemente B und D belastet. Wenn das Schaltelement A geschlossen bleibt, ist die erste elektrische Antriebsmaschine 12 angekoppelt. Durch Öffnen des Schaltelements A kann die erste elektrische Antriebsmaschine 12 abgekoppelt werden. Das Hohlrad 30 des zweiten Planetenradsatzes RS2 dreht dann frei.
Das Schaltschema 48 der 2 beschreibt zudem die Schaltzustände der folgenden Ausführungsformen von Hybridgetrieben 10.
Im Folgenden sind verschiedene Ausführungsformen von Hybridgetrieben 10 gezeigt, dabei soll insbesondere auf die Unterschiede der einzelnen Ausführungsformen eingegangen werden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden nicht erneut erläutert.
Das Hybridgetriebe 10 gemäß der 3 weist eine Getriebeeingangswelle 26b auf, die durch Schließen des Schaltelements K0 antriebswirksam mit der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 wirkverbunden werden kann. Ferner kann die Getriebeeingangswelle 26b durch Schließen des Schaltelements B mit einer zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 wirkverbunden werden. Durch Schließen des Schaltelements D kann die Getriebeeingangswelle 26b mit dem Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 wirkverbunden werden. Die Anordnung des Abtriebs 38 sowie der übrigen Schaltelemente, des zweiten Planetenradsatzes RS2 und der elektrischen Antriebsmaschinen 12, 14 entspricht dabei der Anordnung gemäß der 1.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Hybridgetriebes 10 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform kann durch Schließen des Schaltelements K0 die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 drehfest mit dem Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden werden. Ferner kann durch Schließen des Schaltelements B die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 drehfest mit dem Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden werden. Das Schaltelement D kann antriebswirksam die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 mit dem Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbinden. Das Sonnenrad 20 des Planetenradsatzes RS1 ist dabei an einer Hohlwelle angeordnet, wobei die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 durch die Hohlwelle hindurch verläuft.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Hybridgetriebes 10 gezeigt. Das Schaltelement K0 kann die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 drehfest mit dem Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbinden. Das Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 ist dabei drehfest mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 verbunden. Das Schaltelement B kann das Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 und somit dem Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbinden. Das Schaltelement D ist dem Planetenradträger 24 des Planetenrads 18 des ersten Planetenradsatzes RS1 zugeordnet. Folglich kann durch Schließen des Schaltelements D der Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest mit dem Abtrieb 38 sowie einem Planetenradträger 36 des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden werden.
In 6 ist eine weitere Variante eines Hybridgetriebes 10 gezeigt. Auch hier verbindet das Schaltelement K0 die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle 26 drehfest mit dem Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1. Das Schaltelement B ist dem Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 zugeordnet und verbindet diesen drehfest mit dem Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1. Das Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 ist zudem drehfest der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle 28 zugeordnet. Durch Schließen des Schaltelements B können folglich das Sonnenrad 20 sowie der Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 drehfest miteinander verbunden werden, sodass insbesondere durch Schließen des Schaltelements B der Planetenradsatz RS1 verblockt wird, also keine Übersetzung in dem Planetenradsatz RS1 stattfindet. Das Schaltelement D ist dem Planetenradträger 36 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest zugeordnet und kann diesen drehfest mit dem Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbinden.
In 7a ist eine weitere Variante eines Hybridgetriebes 10 gezeigt. Das Hybridgetriebe 10 weist insbesondere eine weitere Elektrogangstufe E1.2 für die erste elektrische Antriebsmaschine 12 auf. Das wird durch ein Schaltelement E erreicht, das das Hohlrad 30 des zweiten Planetenradsatzes RS2 mit dem Sonnenrad 34 des zweiten Planetenradsatzes RS2 drehfest verbinden kann. Das Sonnenrad 34 des zweiten Planetenradsatzes RS2 ist dabei drehfest mit dem Abtrieb 38 verbunden, sodass durch Schalten des Schaltelements E der zweite Planetenradsatz RS2 verblockt wird, also keine Übersetzung im zweiten Planetenradsatz RS2 stattfindet. Die durch Schalten des Schaltelements E eingerichtete Gangstufe entspricht daher einer Art Direktgangstufe der ersten elektrischen Antriebsmaschine 12. Der übrige Aufbau des Hybridgetriebes 10 gemäß der 7a entspricht dem Aufbau des Hybridgetriebes der 1.
In 7b ist ein Schaltschema 52 des Hybridgetriebes 10 gemäß der 7a gezeigt. Aus Gründen der Übersicht sind nur die beiden Elektrogangstufen E1.1 und E1.2 der ersten elektrischen Antriebsmaschine 12 dargestellt. Die übrigen Schaltzustände sind analog zu dem in 2 gezeigten Schaltschema 48. Das Schaltelement E ist dabei für alle Schaltzustände gemäß dem Schaltschema 48 als offen anzusehen. Zum Einrichten der Elektrogangstufe E1.1 ist, wie ebenfalls im Schaltschema 48 zu sehen, das Schaltelement C zu schließen. Zur Einrichtung der weiteren Elektrogangstufe E1.2 ist das Schaltelement E zu schließen.
In 8a ist eine weitere Variante eines Hybridgetriebes 10 gezeigt. Das Hybridgetriebe 10 der 8a entspricht dabei im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Hybridgetriebe 10. Es ist ein weiteres Schaltelement F vorgesehen, das das Hohlrad 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 verblocken kann. Hierdurch kann eine weitere Elektrogangstufe E2.2 für die zweite elektrische Antriebsmaschine 14 eingerichtet werden. Durch Verblocken des Hohlrads 16 des ersten Planetenradsatzes RS1 kann die zweite elektrische Antriebsmaschine 14, die antriebswirksam mit dem Sonnenrad 20 des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden ist, das Sonnenrad 20 antreiben und so mit dem geblockten Hohlrad 16 wechselwirken, dass der Planetenradträger 24 des ersten Planetenradsatzes RS1 angetrieben wird. Dieser Planetenradträger 24 kann, wie oben bereits beschrieben, durch Schließen des Schaltelements D antriebswirksam mit dem Abtrieb 38 verbunden werden.
In 8b ist das entsprechende Schaltschema 54 des Hybridgetriebes 10 der 8a gezeigt. Aus Gründen der Übersicht wurde sich auch hier auf die beiden Elektrogangstufen E2.1 und E2.2 der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 14 beschränkt. Die übrigen Schaltzustände ergeben sich aus dem Schaltschema 48 gemäß 2, wobei auch hier das zusätzliche Schaltelement F als offen anzusehen ist. Wie bereits oben beschrieben, sind zum Einrichten der Elektrogangstufe E2.1 die Schaltelemente B und D zu schließen. Zum Einrichten der Elektrogangstufe E2.2 sind die Schaltelemente D und F zu schließen.
Es versteht sich, dass die beiden Ausführungsformen gemäß der 7a und 8a auch derart kombiniert werden können, dass für jede der elektrischen Antriebsmaschinen 12, 14 eine weitere Elektrogangstufe eingerichtet werden kann.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Hybridgetriebe
11: Hybrid-Antriebsstrang
12: erste elektrische Antriebsmaschine
14: zweite elektrische Antriebmaschine
16: Hohlrad von RS1
18: Planetenrad von RS1
20: Sonnenrad von RS1
22: erste Antriebsmaschinen-Eingangswelle
24: Planetenradträger von RS1
26: Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle
26b: Getriebeeingangswelle
28: zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle
30: Hohlrad von RS2
32: Planetenrad von RS2
34: Sonnenrad von RS2
36: Planetenradträger von RS2
38: Abtrieb
46: Differential
48: Schaltschema
52: Schaltschema
54: Schaltschema
K0: Schaltelement
A: Schaltelement
B: Schaltelement
C: Schaltelement
D: Schaltelement
E: Schaltelement
F: Schaltelement
RS1: erster Planetenradsatz
RS2: zweiter Planetenradsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6478705 B1 [0004]

Claims

Hybridgetriebe (10) für einen Hybrid-Antriebsstrang (11) mit einer Verbrennungsmaschine und einer ersten und zweiten elektrischen Antriebsmaschine (12, 14), mit: einem ersten und zweiten Planetenradsatz (RS1, RS2), jeweils umfassend ein Sonnenrad (20, 34), ein Planetenrad (18, 32) und ein Hohlrad (16, 30); einem Abtrieb (38), der antriebswirksam mit einem Planetenradträger (36) des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; einer Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle (26), um dem Abtrieb Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine mittels des ersten Planetenradsatzes bereitzustellen; einer ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (22), die mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam verbunden ist, um dem Abtrieb Antriebsleistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen; einer zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28), um dem Abtrieb Antriebsleistung der zweiten elektrischen Antriebsmaschine mittels des ersten und/oder zweiten Planetenradsatzes bereitzustellen; einem ersten Schaltelement (K0) zum antriebswirksamen Verbinden der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes; einem zweiten Schaltelement (A) zum antriebswirksamen Verbinden der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes; einem dritten Schaltelement (C) zum Verblocken des Hohlrads des zweiten Planetenradsatzes; und einem vierten (B) und fünften (D) Schaltelement, um die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle und die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle entkoppelt von der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Abtrieb drehfest zu verbinden.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 1, wobei die Schaltelemente (K0, A, B, C, D, E, F) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind.
Hybridgetriebe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abtrieb (38) durch ein Zahnradpaar gebildet ist und in axialer Richtung zwischen dem ersten Planetenradsatz (RS1) und dem zweiten Planetenradsatz (RS2) angeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 1, wobei die zweite Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28) mit dem Sonnenrad (20) des ersten Planetenradsatzes (RS1) antriebswirksam verbunden ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 4, wobei das vierte Schaltelement (B) dem Hohlrad (16) und dem Planetenradträger (24) des ersten Planetenradsatzes (RS1) zugeordnet ist; und das fünfte Schaltelement (D) einem Planetenradträger (24) des ersten Planetenradsatzes und dem Abtrieb (38) zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 4, wobei das vierte Schaltelement (B) an einer Getriebeeingangswelle (26b) angeordnet ist, um diese beim Schließen antriebswirksam mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28) zu verbinden; das erste Schaltelement (K0) beim Schließen die Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle (26) mit der Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbindet; und das fünfte Schaltelement (D) einem Hohlrad (16) des ersten Planetenradsatzes und der Getriebeeingangswelle zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 4, wobei das vierte Schaltelement (B) dem Planetenradträger (24) und dem Sonnenrad (20) des ersten Planetenradsatzes (RS1) zugeordnet ist; und das fünfte Schaltelement (D) dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und dem Abtrieb (38) zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 4, wobei das vierte Schaltelement (B) dem Hohlrad (16) und dem Sonnenrad (20) des ersten Planetenradsatzes (RS1) zugeordnet ist; und das fünfte Schaltelement (D) einem Planetenradträger (24) des ersten Planetenradsatzes und dem Abtrieb (38) zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach Anspruch 1, wobei das fünfte Schaltelement (D) der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28) und dem Sonnenrad (20) des ersten Planetenradsatzes (RS1) zugeordnet ist; und das vierte Schaltelement (B) der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle und dem Hohlrad (16) des ersten Planetenradsatzes zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem sechsten Schaltelement (E), das dem zweiten Planetenradsatz (RS2) zugeordnet ist, um diesen beim Schließen des Schaltelements zu verblocken und eine zweite Elektrogangstufe für die erste elektrische Antriebsmaschine (12) einzurichten.
Hybridgetriebe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem siebten Schaltelement (F), um das Hohlrad (16) des ersten Planetenradsatzes (RS1) zu verblocken und eine zweite Elektrogangstufe für die zweite elektrische Antriebsmaschine (14) einzurichten.
Hybridgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei zwei Schaltelemente ein Doppelschaltelement mit nur einem Aktor bilden.
Hybrid-Antriebsstrang (11) mit: einem Hybridgetriebe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Verbrennungsmaschine, die mit der Verbrennungsmaschinen-Eingangswelle (26) wirkverbunden ist; einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (12), die mit der ersten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (22) wirkverbunden ist; und einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine (14), die mit der zweiten Antriebsmaschinen-Eingangswelle (28) wirkverbunden ist, wobei die elektrischen Antriebsmaschinen vorzugsweise als Koaxialmaschinen ausgebildet sind.
Hybrid-Antriebsstrang (11) nach Anspruch 13, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (12) als integrierter Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ausgebildet ist; und/oder als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers und/oder zum Versorgen der zweiten elektrischen Antriebsmaschine (14) bei einem seriellen Fahrbetrieb ansteuerbar ist.
Kraftfahrzeug mit: einem Hybrid-Antriebsstrang (11) nach einem der Ansprüche 13 oder 14; und einem Energiespeicher zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine (12) und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine (14).