DE102019214575A1

DE102019214575A1 - Hybridgetriebe und Verfahren zum Gangwechsel

Info

Publication number: DE102019214575A1
Application number: DE102019214575.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beck; Fabian Kutter; Matthias Horn; Johannes Kaltenbach; Michael Wechs; Thomas Martin; Max Bachmann; Martin Brehmer; Peter Ziemer; Thomas Kroh; Oliver BAYER
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (18) in Vorgelegebauweise für einen Hybrid-Antriebsstrang (12) mit einer Verbrennungsmaschine (16) und einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14), die antriebswirksam mit einer ersten Fahrzeugachse verbindbar sind, mit: einer Getriebeantriebswelle (30), um dem Hybridgetriebe Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine zuzuführen; einer Vorgelegewelle (32), die antriebswirksam mit einem Abtrieb (34) verbunden ist, wobei der Abtrieb mit der ersten Fahrzeugachse antriebswirksam verbunden ist; in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losrädern und Festrädern zum Bilden von Gangstufen; und mehreren Schaltelementen (K3, A, B, C, D) zum Einlegen der Gangstufen, wobei ein gangbildendes Zahnradpaar aus zwei Losrädern (38, 40) dazu ausgebildet ist, die erste elektrische Antriebsmaschine antriebswirksam mit dem Abtrieb zu verbinden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang sowie Verfahren zum Wechseln einer Gangstufe in einem solchen Hybridgetriebe bzw. einem solchen Antriebsstrang.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang sowie zwei Verfahren zum Wechseln einer Gangstufe in einem solchen Hybridgetriebe bzw. 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 Elektroantriebes 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 und kostenintensiv in der Produktion. Eine Reduzierung der Komplexität im Aufbau eines Hybridgetriebes geht meistens mit einer Einbuße an Variabilität einher.
Aus der Druckschrift DE 10 2016 113 690 A1 ist ein Antriebssystem, eine Steuerungs-Vorrichtung, und ein Verfahren zum Steuern eines mechanischen Schaltvorganges in dem Antriebssystem bekannt. Das Antriebssystem weist mindestens ein erstes mehrgängiges Getriebe mit einer ersten Eingangswelle und einem ersten mechanischen Schaltmittel auf, wobei von der ersten Eingangswelle kommende Drehmomente auf eine Ausgangswelle des Antriebssystems übertragen werden. Die Drehmomente werden von einem Verbrennungsmotor und/oder mindestens einem ersten Elektromotor erzeugt. Es wird der erste Elektromotor während des Schaltvorgangs zumindest zeitweise zwecks Auslegens eines Ganges des mehrgängigen Getriebes mit dem Verbrennungsmotor wirkverbunden und in einem Generator-Betrieb betrieben, wodurch der Verbrennungsmotor belastet und das erste mechanische Schaltmittel entlastet werden. Das mechanische Schaltmittel, welches z. B. eine Schaltmuffe, eine Schaltkupplung oder eine formschlüssige Kupplung sein kann, wird somit lastfrei bzw. torsionsfrei und kann einfach getrennt/geöffnet werden. Der Verbrennungsmotor kann während des gesamten Schaltvorganges fortlaufend aktiv betrieben, insbesondere befeuert, werden, zumindest aber während einer Zeitspanne des Schaltvorganges, in welcher der erste Elektromotor im Generator-Betrieb betrieben wird. Dadurch erhält der Fahrer den akustischen und haptischen Eindruck eines Antriebs mit „virtueller Doppelkupplung“. Nachteilig dabei ist, dass ein Wirkverbinden zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennungsmaschine nur unter mitschleppen des Getriebes und folglich auch des Antriebs erfolgen kann. Ein batterieschonendes Anschleppen der Verbrennungsmaschine mit der elektrischen Maschine ist nicht möglich.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 030 573 A1 ist ein Hybridantrieb bekannt mit einem automatisierten Schaltgetriebe, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, der mit wenigstens einer ersten Getriebeeingangswelle triebverbunden ist und mit einem Elektroantrieb, der wenigstens eine Elektromaschine aufweist, die mit einer zweiten Getriebeeingangswelle triebverbunden ist. Die beiden Getriebeeingangswellen sind koaxial zueinander angeordnet, wobei ein Schaltelement in einer ihrer Schaltstellungen die beiden Getriebeeingangswellen antriebswirksam miteinander verbindet und in einer anderen Schaltstellung einen Gang schaltet. Nachteilig ist hierbei, dass die elektrische Antriebsmaschine drehfest mit der zweiten Getriebeeingangswelle triebverbunden ist. Ein Entkoppeln der elektrischen Antriebsmaschine vom Getriebe ist nicht möglich. Selbst wenn die elektrische Antriebsmaschine nicht benötigt wird, muss sie zwangsläufig mitgeschleppt werden. Das Getriebe ist dadurch weniger effizient.
Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein kostengünstiges, effizientes und variables Hybridgetriebe zu schaffen, dass vorzugsweise in Verbindung mit einer elektrisch angetriebenen Hinterachse vorteilhaft verwendet werden kann. Insbesondere sollen ein Hybridgetriebe und ein Hybrid-Antriebsstrang geschaffen werden, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften hinsichtlich geringen Bauraums, hoher Variabilität und effizienter Herstellbarkeit für einen Serieneinsatz im Automobilbau eignen.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung ein Hybridgetriebe in Vorgelegebauweise für einen Hybrid-Antriebsstrang mit einer Verbrennungsmaschine und einer ersten elektrischen Antriebsmaschine, die antriebswirksam mit einer ersten Fahrzeugachse verbindbar sind, mit:

einer Getriebeantriebswelle, um dem Hybridgetriebe Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine zuzuführen;
einer Vorgelegewelle die antriebswirksam mit einem Abtrieb verbunden ist, wobei der Abtrieb mit der ersten Fahrzeugachse antriebswirksam verbunden ist;
in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losrädern und Festrädern zum Bilden von Gangstufen; und
mehreren Schaltelementen zum Einlegen der Gangstufen, wobei ein gangbildendes Zahnradpaar aus zwei Losrädern dazu ausgebildet ist, die erste elektrische Antriebsmaschine antriebswirksam mit dem Abtrieb zu verbinden.

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

einer Verbrennungsmaschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung;
einer ersten elektrischen Antriebsmaschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung; und
einem Hybridgetriebe, wie oben beschrieben, wobei das Hybridgetriebe mit der Verbrennungsmaschine antriebswirksam verbunden ist und mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine antriebswirksam verbindbar ist.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst von einem Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungs-Gangstufe bei einem Hybridbetrieb eines Hybrid-Antriebsstrangs, wie oben beschrieben, mit den Schritten:

Entlasten eines auszulegenden Schaltelements, durch generatorisches Betreiben der ersten elektrischen Antriebsmaschine, um ein Moment der Verbrennungsmaschine auszugleichen;
Öffnen des auszulegenden Schaltelements;
Synchronisieren eines einzulegenden Schaltelements, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine eine dynamische Drehzahlregelung durchführt, um eine Phlegmatisierung der Verbrennungsmaschine zu erreichen; und
Schließen des einzulegenden Schaltelements.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst von einem Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungs-Gangstufe mit Zugkraftunterstützung bei einem Hybridbetrieb eines Hybrid-Antriebsstrangs, wie oben beschrieben, mit den Schritten:

Entlasten des auszulegenden Schaltelements durch Reduzieren eines Moments der Verbrennungsmaschine und Bereitstellen von Antriebsleistung durch die erste elektrische Antriebsmaschine;
Öffnen des auszulegenden Schaltelements;
Synchronisieren eines einzulegenden Schaltelements durch Regeln einer Drehzahl der Verbrennungsmaschine; und
Schließen des einzulegenden Schaltelements.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst von einem Kraftfahrzeug mit:

einem Hybrid-Antriebsstrang, wie oben 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. Insbesondere können die Verfahren und der Hybrid-Antriebsstrang entsprechend der für das Hybridgetriebe in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
Durch das Anbinden der ersten elektrischen Antriebsmaschine mittels eines gangbildenden Zahnradpaares aus zwei Losrädern ist es möglich, die erste elektrische Antriebsmaschine als Elektrostarter für die Verbrennungsmaschine zu verwenden, ohne dabei das Hybridgetriebe und insbesondere den Abtrieb mitschleppen zu müssen. Die Verbrennungsmaschine kann hierdurch zum Laden eines Energiespeichers und/oder zur Versorgung eines Bordnetzes verwendet werden. Sofern das Hybridgetriebe bei einem Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Hinterachse verwendet wird, ist ein serieller Fahrbetrieb möglich, bei dem die erste elektrische Antriebsmaschine generatorisch durch die Verbrennungsmaschine angetrieben wird, um Energie zu erzeugen, die der elektrischen Hinterachse als Antriebsleistung zur Verfügung gestellt wird. Ferner kann die erste elektrische Antriebsmaschine achsparallel an einem Losrad des gangbildenden Zahnradpaares angeordnet werden. Es kann ein im Bauraum optimiertes Hybridgetriebe geschaffen werden.
Die erste elektrische Antriebsmaschine kann durch weitere Maschinenelemente, beispielsweise Stirnräder, Planetenradsätze, einem Zugmittelgetriebe, wie einen Riemen- oder Kettentrieb, an das gangbildende Zahnradpaar angebunden sein. Durch das Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungsgangstufe bei einem Hybridgetriebe eines Hybrid-Antriebsstranges kann eine kurze Schaltzeit erreicht werden, da die Synchronisierungsphase vergleichsweise schnell abläuft. Da die erste elektrische Antriebsmaschine generatorisch betrieben wird, kann bei einem derartigen Schaltverfahren eine Entlastung der Kraftfahrzeugbatterie erfolgen. Durch das Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungsgangstufe mit Zugkraftunterstützung kann ein erhöhter Schaltkomfort erreicht werden, insbesondere auch dann, wenn keine elektrisch angetriebene Hinterachse verbaut ist. Ferner wird eine hohe Fahrdynamik erreicht werden, da ein hohes Zugkraftniveau und dadurch ein hoher Komfort während der Schaltung erreicht werden kann. Insgesamt können durch die Abkoppelbarkeit der ersten elektrischen Antriebsmaschine vom Abtrieb Nulllastverluste der ersten elektrischen Antriebsmaschine vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Schaltelemente der beiden kürzesten Gänge ein Doppelschaltelement und sind an der Vorgelegewelle angeordnet. Alternativ oder ergänzend bilden die Schaltelemente der beiden höchsten Gänge ein Doppelschaltelement und sind an der Getriebeantriebswelle oder an der Vorgelegewelle angeordnet. Hierdurch kann das Hybridgetriebe mit weniger Bauteilen aufgebaut sein, da zur Betätigung eines Doppelschaltelements, also zur Betätigung von zwei Schaltelementen, nur ein Aktor verwendet werden muss. Ferner ist die Ansteuerung des Hybridgetriebes vereinfacht. Zudem baut das Hybridgetriebe kompakt, also mit wenig Bauraumbedarf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet das gangbildende Zahnradpaar aus zwei Losrädern die niedrigste oder zweitniedrigste Gangstufe des Hybridgetriebes. Hierdurch kann ohne weitere Bauteile die erste elektrische Antriebsmaschine vorteilhaft an das Hybridgetriebe angebunden werden. Elektrische Maschinen drehen mit sehr hohen Drehzahlen, bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute, sodass eine Untersetzung in der Anbindung der elektrischen Maschine vorteilhaft ist. Diese Untersetzung kann dadurch erreicht werden, dass das Zahnradpaar zur Anbindung der elektrischen Antriebsmaschine die niedrigste oder zweitniedrigste Gangstufe eines Hybridgetriebes bildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losräder und Festräder drei oder vier Gangstufen. Hierdurch kann ein kosteneffizientes und kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Hybridgetriebe mit einer Vorderachse eines Kraftfahrzeugs wirkverbindbar. Hierdurch kann ein Hybrid-Antriebsstrang für Kraftfahrzeuge der Mittelklasse geschaffen werden, die vorzugsweise über einen Frontantrieb verfügen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine als integrierter Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ausgebildet. Ergänzend oder alternativ ist die erste elektrische Antriebsmaschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers ansteuerbar. Hierdurch kann ein variabler und kompakter Hybrid-Antriebsstrang geschaffen werden. Ferner kann auf einen zusätzlichen Startermotor der Verbrennungsmaschine verzichtet werden. Der Hybrid-Antriebsstrang kann mit weniger Gewicht ausgeführt werden und dadurch effizienter betrieben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verbrennungsmaschine durch Schließen eines Schaltelements mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine antriebswirksam verbindbar. Ergänzend ist die erste elektrische Antriebsmaschine und die Verbrennungsmaschine durch Öffnen der übrigen Schaltelemente vom Abtrieb entkoppelbar. Hierdurch kann mit dem Hybrid-Antriebsstrang ein Standladen oder ein Anschleppen der Verbrennungsmaschine erreicht werden, ohne dabei einen Abtrieb mitschleppen zu müssen. Der Hybrid-Antriebsstrang kann effizient betrieben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine parallel zur Getriebeantriebswelle angeordnet. Hierdurch kann ein kompakter Hybrid-Antriebsstrang geschaffen werden. Ferner ist ein Anbinden der ersten elektrischen Antriebsmaschine an das Hybridgetriebe vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Hybrid-Antriebsstrang eine zweite elektrische Antriebsmaschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung auf, wobei die zweite elektrische Antriebsmaschine vorzugsweise über ein weiteres Getriebe mit einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs wirkverbindbar ist. Hierdurch kann technisch einfach ein Hybrid-Antriebsstrang mit einem Allradantrieb geschaffen werden. Ferner kann hierdurch ein Hybrid-Antriebsstrang geschaffen werden, bei dem eine Achse eine Zugkraftunterstützung liefert, wenn in der anderen Achse ein Gangwechsel abläuft.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren durchgeführt, wenn ein Gangwechsel mit Zugkraftunterstützung durchgeführt werden soll und/oder ausreichend Energie in einem Energiespeicher vorhanden ist. Hierdurch kann technisch einfach ein Komfortgangwechselverfahren geschaffen werden, das dem Fahrer einen zugkraftverlustfreien Gangwechsel erlaubt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren durchgeführt, wenn der Gangwechsel zeitoptimiert durchgeführt werden soll und/oder wenn unzureichend Energie in einem Energiespeicher vorhanden ist. Hierdurch kann ein Sportmodus geschaffen werden, bei dem ein Gangwechsel zügig erfolgt. Ferner kann auf einen Ladezustand, beispielsweise einer Batterie, Rücksicht genommen werden und ein Gangwechsel batterieschonend erfolgen.
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 Getriebeeingangswelle 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.
Ferner kann eine Sicherheits-Rutschkupplung vorgesehen sein: Die Verbrennungsmaschine kann mit einer zwischengeschalteten Sicherheitskupplung mit dem Hybridgetriebe verbunden werden. Eine solche Kupplung begrenzt das übertragbare Drehmoment und kann so die Getriebemechanik vor Überlast schützen. Sie ist passiv, d. h. sie benötigt keine aktive Ansteuerung. Ebenso kann eine mit dem Hybridgetriebe verbundene elektrische Antriebsmaschine über eine Sicherheitskupplung mit dem Hybridgetriebe verbunden werden.
Unter Phlegmatisierung einer Verbrennungsmaschine ist ein Betriebsmodus zu verstehen bei dem das Moment der Verbrennungsmaschine im Wesentlichen konstant bleibt oder nur eine langsame Momentänderung stattfindet. Es gibt vorzugsweise keine dynamischen Drehmomentspitzen.
Ein Gangstufenwechsel erfolgt insbesondere durch Abschalten eines Schaltelementes und gleichzeitiges Aufschalten des Schaltelementes für die nächsthöhere oder - niedrigere Gangstufe. Das zweite Schaltelement übernimmt also Stück für Stück das Drehmoment vom ersten Schaltelement bis am Ende des Gangstufenwechsels das gesamte Drehmoment vom zweiten Schaltelement übernommen wird. Bei vorheriger Synchronisation kann ein Gangwechsel schneller erfolgen.
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.
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 Kraftfahrzeugs mit einem Hybrid-Antriebsstrang;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Hybridgetriebes;
3 eine zweite Ausführungsform eines Hybridgetriebes;
4 ein Schaltschema der Hybridgetriebe gemäß 2 und 3;
5 eine dritte Ausführungsform eines Hybridgetriebes;
6 ein Schaltschema des Hybridgetriebes gemäß 5; und
7a - c weitere Varianten von Hybridgetrieben.

In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 12 gezeigt. Der Hybrid-Antriebsstrang 12 weist eine erste elektrische Antriebsmaschine 14 und eine Verbrennungsmaschine 16 auf, die mittels eines Hybridgetriebes 18 mit einer Vorderachse 20 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sind. Der Hybrid-Antriebsstrang 12 weist ferner eine zweite elektrische Antriebsmaschine 22 auf, die mittels eines weiteren Getriebes 24 mit einer Hinterachse 26 des Kraftfahrzeugs 10 wirkverbunden ist. Mittels des Hybrid-Antriebsstrangs 12 wird Antriebsleistung der elektrischen Antriebsmaschinen 14, 22 und der Verbrennungsmaschine 16 den Rädern 28 des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt. Ferner weist das Kraftfahrzeug 10 einen Energiereicher 29 auf, um Energie zu speichern, die zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 22 dient.
In 2 ist eine erste Variante eines Hybridgetriebes 18 gezeigt. Das Hybridgetriebe 18 weist eine Getriebeantriebswelle 30 und eine achsparallel zu der Getriebeantriebswelle 30 angeordnete Vorgelegewelle 32 auf. An der Vorgelegewelle 32 ist ein Abtrieb bestehend aus zwei Zahnrädern, die Antriebsleistung auf ein nicht näher bezeichnetes Differenzial übertragen, angeordnet. Die Verbrennungsmaschine 16 ist drehfest mit der Getriebeantriebswelle 30 verbunden. Die Verbrennungsmaschine 16 kann mittels des Schaltelements K3, mit dem Losrad 38, das im Eingriff mit dem Losrad 40 ist, wirkverbunden werden. Das Losrad 38 bildet zusammen mit dem Losrad 40 die zweite Gangstufe des Hybridgetriebes 18. Die erste elektrische Maschine 14 ist mit dem Losrad 38 wirkverbunden. Das Hybridgetriebe 18 weist insgesamt vier Gangstufen auf, wobei die erste und zweite Gangstufe mittels eines Doppelschaltelements 42 geschaltet werden können. Das Doppelschaltelement 42 weist die Schaltelemente B und A auf, und ist an der Vorgelegewelle 32 angeordnet. Die Schaltelemente C und D sind zu einem Doppelschaltelement 44 zusammengefasst. Das Doppelschaltelement 44 ist an der Getriebeantriebswelle 30 angeordnet.
Mit Ausnahme der zweiten Gangstufe sind die Gangstufen im Hybridgetriebe 18 durch ein Zahnradpaar umfassend ein Losrad und ein Festrad dargestellt.
In 3 ist eine zweite Variante eines Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Folgenden soll lediglich auf die Unterschiede zu der in 2 gezeigten Variante eines Hybridgetriebes 18 eingegangen werden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden nicht erneut erläutert.
Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform befindet sich das Doppelschaltelement 44 nicht an der Getriebeantriebswelle 30, sondern ist an der Vorgelegewelle 32 angeordnet. Demnach sind auch die entsprechenden Losräder der dritten und vierten Gangstufe an der Vorgelegewelle 32 angeordnet. Die zur dritten und vierten Gangstufe des Hybridgetriebes 18 gehörenden Festräder sind drehfest mit der Getriebeantriebswelle 30 verbunden.
4 zeigt ein Schaltschema 46 der Hybridgetriebe 18 der 2 und 3. In der ersten Spalte sind die Verbrennungsgangstufen V1 bis V4 der Verbrennungsmaschine 16 sowie eine Elektrogangstufe E1 der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 genannt.
Das Schaltschema 46 gibt an, welche der Gangstufen 1 bis 4 des Hybridgetriebes 18, welcher der Verbrennungsgangstufen V1 bis V4 und der Elektrogangstufe E1 entspricht.
In der 2. bis 6. Spalte sind die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente K3 bzw. A bis D gezeigt, wobei ein „X“ bedeutet, dass das Schaltelement geschlossen ist, also das ihm zugeordnete Losrad mit der ihm zugeordneten Welle antriebswirksam verbindet.
Für die Verbrennungsgangstufe V1 ist das Schaltelement A geschlossen. Für die Verbrennungsgangstufe V2 ist das Schaltelement K3 sowie das Schaltelement B geschlossen. Für die Verbrennungsgangstufe V3 ist das Schaltelement C geschlossen. Für die Verbrennungsgangstufe V4 ist das Schaltelement D geschlossen. Für die Verbrennungsgangstufe E1 ist das Schaltelement D geschlossen.
Es versteht sich, dass die anderen Schaltelemente, die nicht explizit als geschlossen bezeichnet wurden, in der entsprechenden Konfiguration als offen anzusehen sind. Diese anderen Schaltelemente verbinden also das dem Schaltelement zugeordnete Losrad nicht mit der dem Schaltelement zugeordneten Welle. Es verstehet sich weiter, dass die Elektrogangstufe und die Verbrennungsgangstufen in einem Hybridfahrbetrieb miteinander kombiniert werden können, es kann also beispielsweise in der Verbrennungsgangstufe V2 gefahren werden und zusätzlich auch in der Elektrogangstufe E1.
In einem rein elektrischen Fahrbetrieb kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 Antriebsleistung mittels der Elektrogangstufe E1 übertragen, also die zweite Gangstufe des Hybridgetriebes 18 zur Leistungsübertragung verwenden.
In 5 ist eine dritte Variante eines Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu den Hybridgetrieben 18 gemäß der 2 und 3 weist das Hybridgetriebe 18 der 5 nur drei Verbrennungsgangstufen auf. Das Schaltelement D ist folglich nicht Teil eines Doppelschaltelements. Die Schaltelemente C und D sind Teil des Doppelschaltelements 44, das an der Getriebeantriebswelle 30 angeordnet ist. Die weiteren Bezugszeichen beziehen sich auf bekannte Merkmale und werden nicht erneut erläutert. In dem gezeigten Hybridgetriebe 18 ist die erste elektrische Maschine 14 mittels der Losräder 38 und 40 mit dem Abtrieb 34 wirkverbindbar. Das Losrad 38 bildet mit dem Losrad 40 den ersten Gang des Hybridgetriebes 18.
In 6 ist ein Schaltschema 48 des Hybridgetriebes 18 gemäß der 5 gezeigt. In den Spalten 2 bis 4 sind die Schaltzustände der Schaltelemente K3, B, C und D gezeigt. Wie oben beschrieben, kennzeichnet ein „X“, dass ein Schaltelement geschlossen ist. Zum Einlegen der Verbrennungsgangstufe V1 sind die Schaltelemente K3 und D zu schließen. Zum Einlegen der Verbrennungsgangstufe V2 ist das Schaltelement C zu schließen. Zum Einlegen der Verbrennungsgangstufe V3 ist das Schaltelement D zu schließen. Zum Einlegen der Elektrogangstufe E1 ist das Schaltelement B zu schließen.
In den 7a - c sind weitere Varianten von Hybridgetrieben 18 gezeigt. Die Hybridgetriebe 18 der 7a - c weisen vier Gangstufen auf, wobei die Schaltelemente B und A zu einem Doppelschaltelement 42 zusammengefasst sind, das an der Vorgelegewelle 32 angeordnet ist. Die Schaltelemente C und D sind zu einem Doppelschaltelement 44 zusammengefasst, das an der Getriebeantriebswelle 30 angeordnet ist. Das Schaltschema gemäß der 4 beschreibt folglich auch die Schaltzustände der Hybridgetriebe 18 gemäß der 7a - c.
Im Folgenden soll auf die Unterschiede der einzelnen Ausführungsformen von Hybridgetrieben eingegangen werden.
Im Hybridgetriebe gemäß der 7a ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mittels eines Zugmittelgetriebes, beispielsweise eines Riemengetriebes oder eines Kettengetriebes, mit dem Losrad 38 verbunden. Dabei ist an einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine 14 ein Kettenblatt oder eine Aufnahme 50 für einen Riemen 52 angeordnet. Das Zugmittel, also der Riemen 52 oder die Kette ist mit einem weiteren Kettenblatt oder einer weiteren Aufnahme 54 für den Riemen 52 wirkverbunden, wobei die weitere Aufnahme 54 bzw. das weitere Kettenblatt an einer Hohlwelle 56 angeordnet ist, die drehfest mit dem Losrad 38 in Wirkverbindung steht und an der Getriebeantriebswelle 30 angeordnet ist.
In dem Hybridgetriebe 18 der 7b ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mittels eines Zahnradpaares mit dem Losrad 38 verbunden. Dabei ist an der Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine 14 ein Zahnrad 58 angeordnet, das sich in Eingriff mit einem weiteren Zahnrad 60 befindet. Das weitere Zahnrad 60 ist über eine Welle 62 mit einem dritten Zahnrad 64 verbunden, das wiederum in Eingriff mit dem Losrad 38 steht. Die erste elektrische Maschine 14 ist also drehfest mit dem Losrad 38 verbunden, wobei die Antriebsleistung der ersten elektrischen Maschine 14 durch ein Wechselwirken der beiden an der Welle 62 angeordneten Zahnräder 60, 64 mit dem Zahnrad 58 und dem Losrad 38 unter- oder übersetzt ist.
In 7c ist eine weitere Variante eines Hybridgetriebes 18 gezeigt, bei dem die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit einem Zahnrad 66 wirkverbunden ist, das gemeinsam mit dem Losrad 38 auf einer Hohlwelle 68 an der Getriebeantriebswelle 30 angeordnet ist.
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: Kraftfahrzeug
12: Hybrid-Antriebsstrang
14: erste elektrische Antriebsmaschine
16: Verbrennungsmaschine
18: Hybridgetriebe
20: Vorderachse
22: zweite elektrische Antriebsmaschine
24: weiteres Getriebe
26: Hinterachse
28: Rad
29: Energiespeicher
30: Getriebeantriebswelle
32: Vorgelegewelle
34: Abtrieb
38: Losrad
40: Losrad
42: Doppelschaltelement
44: Doppelschaltelement
46: Schaltschema
48: Schaltschema
50: Aufnahme
52: Riemen
54: weitere Aufnahme
56: Hohlwelle
58: Zahnrad
60: weiteres Zahnrad
62: Welle
64: drittes Zahnrad
66: Zahnrad
68: Hohlwelle
K3: Schaltelement
A: Schaltelement
B: Schaltelement
C: Schaltelement
D: Schaltelement

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 102016113690 A1 [0004]
DE 102010030573 A1 [0005]

Claims

Hybridgetriebe (18) in Vorgelegebauweise für einen Hybrid-Antriebsstrang (12) mit einer Verbrennungsmaschine (16) und einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14), die antriebswirksam mit einer ersten Fahrzeugachse verbindbar sind, mit: einer Getriebeantriebswelle (30), um dem Hybridgetriebe Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine zuzuführen; einer Vorgelegewelle (32), die antriebswirksam mit einem Abtrieb (34) verbunden ist, wobei der Abtrieb mit der ersten Fahrzeugachse antriebswirksam verbunden ist; in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losrädern und Festrädern zum Bilden von Gangstufen; und mehreren Schaltelementen (K3, A, B, C, D) zum Einlegen der Gangstufen, wobei ein gangbildendes Zahnradpaar aus zwei Losrädern (38, 40) dazu ausgebildet ist, die erste elektrische Antriebsmaschine antriebswirksam mit dem Abtrieb zu verbinden.
Hybridgetriebe (18) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schaltelemente (A, B) der beiden kürzesten Gänge ein Doppelschaltelement (42) bilden und an der Vorgelegewelle (32) angeordnet sind; und/oder die Schaltelemente (C, D) der beiden höchsten Gänge ein Doppelschaltelement (44) bilden und an der Getriebeantriebswelle (30) oder an der Vorgelegewelle angeordnet sind.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das gangbildende Zahnradpaar aus zwei Losrädern (38, 40) die niedrigste oder zweitniedrigste Gangstufe des Hybridgetriebes bildet.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losräder und Festräder drei oder vier Gangstufen bilden.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe mit einer Vorderachse eines Kraftfahrzeugs wirkverbindbar ist
Hybrid-Antriebsstrang (12) mit: einer Verbrennungsmaschine (16) zum Bereitstellen von Antriebsleistung; einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) zum Bereitstellen von Antriebsleistung; und einem Hybridgetriebe (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Hybridgetriebe mit der Verbrennungsmaschine antriebswirksam verbunden ist und mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine antriebswirksam verbindbar ist.
Hybrid-Antriebsstrang (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) als integrierter Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine (16) ausgebildet ist; und/oder als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers (29) ansteuerbar ist.
Hybrid-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Verbrennungsmaschine (16) durch Schließen eines Schaltelements (K3) mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) antriebswirksam verbindbar ist; und die erste elektrische Antriebsmaschine und die Verbrennungsmaschine durch Öffnen der übrigen Schaltelemente (A, B, C, D) vom Abtrieb (34) entkoppelbar sind.
Hybrid-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) achsparallel zur Getriebeantriebswelle (30) angeordnet ist.
Hybrid-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, mit einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine (22) zum Bereitstellen von Antriebsleistung, wobei die zweite elektrische Antriebsmaschine, vorzugsweise über ein weiteres Getriebe (24), mit einer Hinterachse eines Kraftahrzeugs (10) wirkverbindbar ist.
Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungs-Gangstufe bei einem Hybridbetrieb eines Hybrid-Antriebsstrangs (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit den Schritten: Entlasten eines auszulegenden Schaltelements, durch generatorisches Betreiben der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14), um ein Moment der Verbrennungsmaschine (16) auszugleichen; Öffnen des auszulegenden Schaltelements; Synchronisieren eines einzulegenden Schaltelements, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine eine dynamische Drehzahlregelung durchführt, um eine Phlegmatisierung der Verbrennungsmaschine zu erreichen; und Schließen des einzulegenden Schaltelements.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verfahren durchgeführt wird, wenn der Gangwechsel zeitoptimiert durchgeführt werden soll und/oder wenn unzureichend Energie in einem Energiespeicher (29) vorhanden ist.
Verfahren zum Wechseln einer Verbrennungs-Gangstufe mit Zugkraftunterstützung bei einem Hybridbetrieb eines Hybrid-Antriebsstrangs (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit den Schritten: Entlasten des auszulegenden Schaltelements, durch Reduzieren eines Moments der Verbrennungsmaschine (16) und Bereitstellen von Antriebsleistung durch die erste elektrische Antriebsmaschine (14); Öffnen des auszulegenden Schaltelements; Synchronisieren eines einzulegenden Schaltelements durch Regeln einer Drehzahl der Verbrennungsmaschine; und Schließen des einzulegenden Schaltelements.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verfahren durchgeführt wird, wenn ein Gangwechsel mit Zugkraftunterstützung durchgeführt werden soll und/oder ausreichend Energie in einem Energiespeicher (29) vorhanden ist.
Kraftfahrzeug (10) mit: einem Hybrid-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 6 bis 10; und einem Energiespeicher (29) zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine (22).