DE102020108135A1

DE102020108135A1 - Hybridantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020108135A1
Application number: DE102020108135.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Schlaepfer; Markus Daffner; Linda Senger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Hybridantriebsvorrichtung mit einer ersten Antriebsmaschine, welche als Brennkraftmaschine (1) in Hubkolbenbauweise ausgebildet ist und mit einer zweiten Antriebsmaschine, welche als elektromechanischer Energiewandler (10) ausgebildet ist und mit einem schaltbaren Getriebe (4), wobei dieses schaltbare Getriebe (4) eine Getriebeeingangswelle (6) und eine Getriebeausgangswelle (7) aufweist und wobei diese beiden Wellen (6, 7) mittels des schaltbaren Getriebes (4) mit unterschiedlichen Übersetzungen koppelbar sind und weiter weist die Hybridantriebsvorrichtung ein Drehungleichförmigkeitsreduzierungsrichtung (2) auf, welche mit einer Abtriebswelle (1) der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist, und eine Trennkupplung (3), welche in einer planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) von der Abtriebswelle (1a) der Brennkraftmaschine (1) auf die Getriebeeingangswelle (6) nach der Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung (2) und vor der Getriebeeingangswelle (6) angeordnet ist, wobei somit die Getriebeeingangswelle (6) mit der Trennkupplung (3) selektiv mit der Abtriebswelle (1a) der Brennkraftmaschine (1) verbindbar ist und wobei der elektromechanische Energiewandler (10) in dieser Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Getriebeeingangswelle (6) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dassneben der Drehungleichförmigkeitsreduziereinrichtung (2) eine weitere Entkopplungseinrichtung (5) in der Hybridantriebsvorrichtung vorgesehen ist unddass diese Entkopplungseinrichtung (5) in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Trennkupplung (3) und vor der Getriebeausgangswelle (7) und vor dem elektromechanischen Energiewandler (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebsvorrichtung, bei welcher zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eine Brennkraftmaschine und ein elektromechanischer Energiewandler vorgesehen sind, wobei der elektromechanische Energiewandler als Elektromotor / -generator betreibbar ist.
Die DE 10 2015 214 814 A1 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Isolation eines Triebstranges eines Fahrzeuges gegenüber Drehmomentungleichförmigkeiten. Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer Antriebsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug näher erläutert, diese Erläuterung ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung zu verstehen.
Hybridfahrzeuge weisen zum Antrieb des Kraftfahrzeugs eine Brennkraftmaschine in Hubkolbenbauweise und einen elektromechanischen Energiewandler auf, wobei diese Antriebsmaschinen gemeinsam oder jeweils alleine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs herangezogen werden können. Weiter sieht der Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs ein schaltbares Getriebe vor, welches als manuell oder automatisch schaltbares Getriebe ausgebildet sein kann. Aufgrund der Hubkolbenbauweise ist das von der Brennkraftmaschine abgebbare Antriebsdrehmoment mit Drehschwingungen behaftet, welche eine wenigstens teilweise Entkopplung der Brennkraftmaschine vom restlichen Antriebsstrang erfordern, insbesondere um Komfort- und Geräuschanforderungen an einen Personenkraftwagen zu erfüllen. Die Einbindung des elektromechanischen Energiewandlers als zusätzliche Antriebsmaschine verändert die Schwingungscharakteristik des Antriebsstrangs, so dass übliche Drehschwindungsreduzierungseinrichtungen, wie ein Ein- oder Mehrmassenschwungrad, nicht mehr ausreichend sind, um Komfort- oder Geräuschanforderungen zu erfüllen.
Die Erfindung schlägt eine Hybridantriebsvorrichtung mit verbessertem Schwingungsverhalten vor, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Hybridantriebsvorrichtung eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs zu verstehen, also einer Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die notwendige Antriebsleistung zum Überwinden von Fahrwiderständen bereitzustellen. Eine Hybridantriebsvorrichtung in diesem Sinn weist zu mindestens zwei artunterschiedliche Antriebsmaschinen auf, welche vorzugsweise jede für sich genommen oder gemeinsam zum Antrieb des Kraftfahrzeugs herangezogen werden können. Die Hybridantriebsvorrichtung weist also eine erste Antriebsmaschine auf, welche als Brennkraftmaschine in Hubkolbenbauweise ausgebildet ist. Und weiter weist die Hybridantriebsvorrichtung eine zweite Antriebsmaschine anderer Art als die erste Antriebsmaschine auf, wobei diese zweite Antriebsmaschine als elektromechanischer Energiewandler ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler mit einer Übersetzung ins Langsame in die Hybridantriebsvorrichtung eingebunden, so dass deren Massenträgheitsmoment das Schwingungsverhalten der Hybridantriebsvorrichtung beeinflusst, auch wenn die elektrische Antriebsleistung des elektromechanischen Energiewandlers im Vergleich zu der Brennkraftmaschine klein ist oder wenigstens kleiner ist als diese. Der Einfluss verstärkt sich, wenn die Antriebsleistung des Elektromechanischen Energiewandlers, im Verhältnis zur Antriebsleistung der Brennkraftmaschine steigt. Im Sinn der Erfindung ist unter der Hubkolbenbauweise eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, welche als Abtriebswelle eingerichtet ist und wenigstens einen, während des Betriebs der Brennkraftmaschine, in einem Zylinder oszillierenden und mit der Kurbelwelle gekoppelten Kolben aufweist. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als sogenannter Ottomotor oder bevorzugt Dieselmotor ausgebildet.
Weiter weist die Hybridantriebsvorrichtung ein schaltbares Getriebe auf, vorzugsweise ist unter einem schaltbaren Getriebe ein in Stufen beziehungsweise stufenlos schaltbares Getriebe zu verstehen. Derartige Getriebe sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Bauformen bekannt, dabei ist die Erfindung unabhängig von der Bauart des schaltbaren Getriebes verwendbar. Dieses schaltbare Getriebe weist eine Getriebeeingangswelle und eine Getriebeausgangswelle auf. In Drehmomentübertragungsrichtung zwischen der Getriebeeingangs- und -ausgangswelle ist eine Einrichtung zum Verändern der Übersetzung angeordnet, weiter vorzugsweise ist das schaltbare Getriebe derart ausgebildet, dass diese beiden Wellen (Getriebeeingangswelle, Getriebeausgangswelle) mittels des schaltbaren Getriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen koppelbar sind. Insbesondere soweit die Übersetzung zwischen der Getriebeeingangswelle und der Getriebeausgangswelle in diskreten Stufen veränderbar ist, so wird eine solche Stufe als „Gang“ bezeichnet. Vorzugsweise ist das schaltbare Getriebe als Zahnradgetriebe ausgebildet und weiter vorzugsweise als Umschlingungsgetriebe mit einem sogenannten Variator. Insbesondere schaltbare Getriebe sind als solches aus dem Stand der Technik bekannt und zuverlässig einsetzbar in einem Kraftfahrzeug. Weiter ist es für die Lebensdauer eines schaltbaren Getriebes regelmäßig förderlich, wenn das von der Brennkraftmaschine abgegebene, aufgrund von deren Bauart (Hubkolbenbauweise), ungleichförmige Drehmoment, harmonisiert beziehungsweise geglättet wird. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zum Glätten des von der Brennkraftmaschine abgebbaren Drehmoments eine Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung vorzusehen.
Die Hybridantriebsvorrichtung weist demnach eine solche Drehungleichförmigkeitsreduzierungsrichtung auf, welche mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, vorzugsweise dauerhaft, gekoppelt ist. Die Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung ist vorzugsweise als Ein- oder Mehrmassenschwungrad ausgebildet und bevorzugt als Zweimassenschwungrad.
Weiter weist die Hybridantriebsvorrichtung eine Trennkupplung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Getriebeeingangswelle selektiv mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine zu koppeln und weiter vorzugsweise ist die Trennkupplung in einer planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine auf die Getriebeeingangswelle nach der Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung und vor der Getriebeeingangswelle angeordnet. Vorzugsweise ist die Trennkupplung als trockenlaufende Kupplung ausgebildet und bevorzugt ist diese als nasslaufende Kupplung ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist die Trennkupplung als Anfahrkupplung ausgebildet. Weiter vorzugweise ist die Trennkupplung als formschlüssige und bevorzugt als reibschlüssige Kupplung ausgebildet.
Der elektromechanische Energiewandler ist in der Hybridantriebsvorrichtung in dieser planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (Abtriebswelle der Brennkraftmaschine Richtung Getriebeeingangswelle und weiter) nach der Getriebeeingangswelle angeordnet. Anders gewendet ist es mit einer solchen Anordnung ermöglicht, bei geöffneter Trennkupplung (Getriebeeingangswelle von Abtriebswelle der Brennkraftmaschine abgekoppelt) Antriebsleistung zum Antrieb allein vom elektromechanischen Energiewandler bereitzustellen, ohne dass dabei Schleppverluste der Brennkraftmaschine anfallen. Vorzugweise ist der elektromechanische Energiewandler in dem schaltbaren Getriebe angeordnet, insbesondere eine solche Ausgestaltung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Hybridantriebsvorrichtung. Vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler an oder unmittelbar nach der Getriebeausgangswelle angeordnet, insbesondere eine solche Anordnung ermöglicht eine Übertragung von elektrischer Antriebsleistung ohne lastabhängige Verlustleistung. Vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler an einem Achsgetriebe angeordnet, insbesondere eine solche Anordnung ermöglicht eine Modularisierung der Hybridantriebsvorrichtung.
Weiter ist vorgeschlagen, neben beziehungsweise zusätzlich zu der Drehungleichförmigkeitsreduziereinrichtung, eine weitere, insbesondere schwingungsmäßige wirksame Entkopplungseinrichtung in der Hybridantriebsvorrichtung vorzusehen. Funktional ist diese Entkopplungseinrichtung dazu eingerichtet in der planmäßigen Drehmomentübertragungseinrichtung hinter der Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung aber vor dem elektromechanischen Energiewandler angeordnet zu sein. Insbesondere durch diese Anordnung der Entkopplungseinrichtung ist es ermöglicht, noch vorhandene Drehungleichförmigkeiten aufgrund der Brennkraftmaschine weiter zu reduzieren. Aufgrund der Anbindung des elektromechanischen Energiewandlers, bezogen auf die planmäßige Drehmomentübertragung hinter der Entkopplungseinrichtung, wirkt die relativ große Drehmassenträgheit des elektromechanischen Energiewandlers in Verbindung mit der „drehweichen“ Entkopplungseinrichtung beruhigend auf den Antriebsstrang. Anders gewendet ist diese Entkopplungseinrichtung bezogen auf die planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung nach der Trennkupplung, welche nach der Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung angeordnet ist, und vor der Getriebeausgangswelle und vor dem elektromechanischen Energiewandler. Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere mittels einer solchen Ausgestaltung die Hybridantriebsvorrichtung ein, in Bezug auf Drehschwingungen, günstiges Betriebsverhalten aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entkopplungseinrichtung derart ausgebildet, dass diese eine Drehsteifigkeit aufweist, welche aus einem Bereich ausgewählt ist, der kleiner ist 750 Nm/° und weiter vorzugsweise kleiner ist als 500 Nm/° und weiter vorzugsweise ist dieser Bereich größer als 30 Nm/° und vorzugsweise größer als 40 Nm/°. Die Auswahl der Steifigkeit ist dabei insbesondere abhängig von der Eigenfrequenz der Hybridantriebsvorrichtung, sowie von der, insbesondere von der Brennkraftmaschine hervorgerufenen, Anregungsfrequenz. Weiter vorzugsweise ist die Drehsteifigkeit der Entkopplungseinrichtung, welche vorzugsweise unmittelbar beziehungsweise direkt mit der Getriebeeingangswelle, vorzugsweise drehfest, gekoppelt ist, aus einem Bereich ausgewählt, welcher vorzugsweise größer ist als 45 Nm/°, bevorzugt größer als 65 Nm/° und bevorzugt kleiner ist als 140 Nm/°, bevorzugt kleiner ist als 120 Nm/° und weiter vorzugsweise ist die Drehsteifigkeit einer solchen getriebeeingangswellennahen Entkopplungseinrichtung, wenigstens im Wesentlichen, 95 Nm/°. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine derartig gestaltete Entkopplungseinrichtung zu besonders „guten“ Hybridantriebsvorrichtung führt. Insbesondere eine „weichere“ Entkopplungseinrichtung führt zu zusätzlichen lastabhängigen Schwingungen und eine „steifere“ Entkopplungseinrichtung führt zu einer nicht ausreichenden Entkopplung der Hybridantriebsvorrichtung und zu Komfortverlusten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Entkopplungseinrichtung ein Bauteil aus folgender Gruppe von Bauteilen auf oder besteht aus einem solchen Bauteil dieser Gruppe, wobei diese Gruppe die Bauteile:

- Torsionsstab,
- Bogenfeder,
- Elastomer- oder Gasdruckfeder

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennkraftmaschine derart ausgebildet, dass diese eine Minimaldrehzahl von 1200 1/Min oder mehr aufweist. Im Sinne der Erfindung ist unter der Minimaldrehzahl diejenige Drehzahl der Brennkraftmaschine zu verstehen, welche die geringste Drehzahl der Brennkraftmaschine im planmäßigen Betrieb ist, in Bezug auf einen klassischen Antriebsstrang (nicht Hybrid) kann diese Minimaldrehzahl als Leerlaufdrehzahl verstanden werden. In Bezug auf eine Hybridantriebsvorrichtung, so wie diese her vorgeschlagen ist, können insbesondere Anfahrvorgänge mittels des elektromechanischen Energiewandlers abdeckt sein, so dass die Brennkraftmaschine, vorzugsweise mittels eines Motorsteuergeräts gesteuert, eine höhere Minimaldrehzahl als eine Leerlaufdrehzahl aufweist. Vorzugsweise ist die Minimaldrehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Anzahl von deren Brennräumen gewählt, sogenannte Zylinder. Vorzugsweise ist die Minimaldrehzahl einer Brennkraftmaschine auch abhängig von der Zylinderzahl vorgebbar und bevorzugt ist die Minimaldrehzahl einer Brennkraftmaschine mit 4 Brennräumen, sogenannter Vierzylindermotor, aus einem Bereich ausgewählt, der größer ist als 1800 1/min und weiter vorzugsweise kleiner ist als 2200 1/min. Und weiter vorzugsweise ist die Minimaldrehzahl einer Brennkraftmaschine mit 6 Brennräumen, sogenannter Sechszylindermotor, aus einem Bereich ausgewählt, der größer ist als 1200 1/min und vorzugsweise kleiner ist als 1500 1/min. Insbesondere eine derartige Minimaldrehzahl in Kombination mit der vorgeschlagenen Steifigkeit der Entkopplungseinrichtung führt zu einer komfortablen Hybridantriebsvorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektromechanische Energiewandler in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung nach der Getriebeeingangswelle und vor der Getriebeausgangswelle angeordnet. Weiter vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler im schaltbaren Getriebe angeordnet und bevorzugt in der sogenannten Getriebeglocke. Weiter vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler in Bezug auf die Getriebeeingangswelle achsparallel zu dieser und radial beabstandet dazu angeordnet. Insbesondere eine solche Anordnung des elektromechanischen Energiewandlers ermöglicht es das schaltbare Getriebe als integrale Antriebseinheit zu gestalten und so einen kompakten Aufbau zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die die Entkopplungseinrichtung, also die Einrichtung, welche zusätzlich zur Drehschwingungsreduzierungseinrichtung zur Reduzierung von Drehschwingungen in die Hybridantriebsvorrichtung eingebracht ist, zum Bereitstellen der zuvor erläuterten Drehweichheit, einen Torsionsstab auf.
Im Sinn der Erfindung ist unter einem Torsionsstab ein Wellenbauteil zu versehen, welches eine Drehsteifigkeit aus dem zuvor erläuterten Bereich aufweist. Und weiter ist in der vorgeschlagenen Ausführungsform die Getriebeeingangswelle vollständig oder wenigstens abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet. Vorzugsweise ist der Torsionsstab an einem ersten Ende drehfest mit der Trennkupplung verbunden. Weiter vorzugsweise ist der Torsionsstab an einem zweiten Ende mit der Getriebeeingangswelle drehfest verbunden. Vorzugsweise ist der Torsionsstab in Bezug auf die planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung vor der Getriebeeingangswelle angeordnet. Vorzugsweise ist der Torsionsstab konzentrisch zur Getriebeeingangswelle angeordnet vorzugsweise ist der Torsionsstab wenigstens abschnittsweise innerhalb der Getriebeeingangswelle angeordnet. Insbesondere mittels der vorgeschlagenen Konstruktion sind ein kompakter Aufbau und ein „langer“ Torsionsstab darstellbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Torsionsstab einen Torsionsabschnitt zum Bereitstellen der Entkopplungswirkung, beziehungsweise zum Bereitstellen der zuvor erläuterten Drehsteifigkeit aus dem vorgeschlagenen Bereich, auf. Vorzugsweise weist der Torsionsabschnitt eine Längserstreckung, sogenannte Torsionslänge und eine Durchmessererstreckung, sogenannter Torsionsdurchmesser, auf. Vorzugsweise ist wenigstens der Torsionsabschnitt als kreiszylindrischer Wellenabschnitt ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist die Torsionslänge fünfmal so groß oder größer als der Torsionsdurchmesser und weiter vorzugsweise ist die Torsionslänger 20 mal so groß oder kleiner als der Torsionsdurchmesser. Insbesondere mit einem solchen Verhältnis von Durchmesser zu Länge ist ein gutes „Schwingungsverhalten“ für die Entkopplungseinrichtung mit Torsionsstab erreichbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektromechanische Energiewandler in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung nach der Getriebeausgangswelle angeordnet. Insbesondere mit einer solchen Ausgestaltung ist es ermöglicht, eine Hybridantriebsvorrichtung modular aufzubauen und weiter vorzugsweise ist der elektromechanische Energiewandler unmittelbar an einem Achsgetriebe einer antreibbaren Fahrzeugachse angeordnet. Insbesondere mit einer solchen Anordnung des elektromechanischen Energiewandlers, in Bezug auf die planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung hinter dem schaltbaren Getriebe, ist von dem elektromechanischen Energiewandler abgegebene Leistung nicht mit lastabhängigen Verlusten des schaltbaren Getriebes behaftet, weiter vorzugsweise gelangt Rekuperationsleistung direkt, insbesondere ohne lastabhängige Verluste des schaltbaren Getriebes, zum elektromechanischen Energiewandler.
Nachfolgend sind einzelne Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, dabei sind die Figuren exemplarisch zu verstehen und einzelne Merkmale dieser können auch in anderen als den gezeigten Kombinationen Verwendung finden. In den Darstellungen zeigt:

1: eine Teilschnittdarstellung eines schaltbaren Getriebes mit Torsionsstab als Entkopplungseinrichtung,
2: zwei unterschiedliche Varianten eines schematisierten Antriebsstrang mit Entkopplungseinrichtung.
3a/b: Schwingungseigenform eines Hybridantriebsstrangs wie dieser in 1 dargestellt ist, jedoch ohne Entkopplungseinrichtung, sowie dazugehöriger Drehmomentverlauf für diesen,
4a/b: Schwingungseigenform eines Hybridantriebsstrangs wie dieser in 1 dargestellt ist, mit Entkopplungseinrichtung, sowie dazugehöriger Drehmomentverlauf für diesen,

In 1 ist eine stark schematisierte Hybridantriebsvorrichtung dargestellt, wobei der als Elektromotor / -generator ausgebildete elektromechanische Energiewandler 10 an der antreibbaren Achse 8 angeordnet ist und mittels des Achsgetriebes 11 mit dieser zur Leistungsübertragung gekoppelt ist. Die Anordnung des elektromechanischen Energiewandlers 10 kann auch im schaltbaren Getriebe 4 erfolgen, wie zuvor dargelegt. Das schaltbare Getriebe 4 ist als Zahnradgetriebe wenigstens mit den Zahnradstufen 4a, 4b dargestellt.
Die Brennkraftmaschine 1 ist mittels der als Zweimassenschwungrad ausgebildeten Drehschwingungsreduzierungseinrichtung 2 mit dem restlichen Antriebsstrang verbunden beziehungsweise verbindbar. Die Trennkupplung 2 ist als Reibscheibenkupplung ausgebildet und zum selektiven Verbinden der Getriebeeingangswelle 6, über den Torsionsstab 5, mit der Abtriebswelle 1a der Brennkraftmaschine 1 eingerichtet.
Die Getriebeeingangswelle 6 ist gegenüber dem Getriebegehäuse 0 des schaltbaren Getriebes 0 drehbar gelagert.
In 2a ist ein Teil einer sogenannten P3 Hybridantriebsvorrichtung dargestellt. Die Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung 2 ist als Zweimassenschwungrad mit einer Primärseite 2a und einer Sekundärseite 2b ausgebildet. Die Trennkupplung 3 ist einerseits mit der Sekundärseite 2b des Zweimassenschwungrads gekoppelt und andererseits über die als drehweich dargestellte Entkopplungseinrichtung 5 mit der Getriebeeingangswelle 6. Die von der Getriebeeingangswelle 6 aufgenommene Antriebsleistung wird von der Getriebeausgangswelle 7 an die antreibbare Fahrzeugachse 8 abgegeben. Bei einer P3 Architektur ist der elektromechanische Energiewandler 10, in Bezug auf die planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung 12, nach der Getriebeausgangswelle angeordnet.
In 2b ist ein Teil einer sogenannten P2 Hybridantriebsvorrichtung dargestellt. Die Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung 2 ist als Zweimassenschwungrad mit einer Primärseite 2a und einer Sekundärseite 2b ausgebildet. Die Trennkupplung 3 ist einerseits mit der Sekundärseite 2b des Zweimassenschwungrads 2 gekoppelt und andererseits über die als drehweich dargestellte Entkopplungseinrichtung 5 mit der Getriebeeingangswelle 6. Die von der Getriebeeingangswelle 6 aufgenommene Antriebsleistung wird von der Getriebeausgangswelle 7 an die antreibbare Fahrzeugachse 8 abgegeben. Bei einer P2 Architektur ist der elektromechanische Energiewandler 10, in Bezug auf die planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung 12, zwischen der Getriebeausgangswelle 7 und der Getriebeeingangswelle 6 angeordnet.
Mit anderen Worten ausgedrückt, besitzt ein Hybridfahrzeug, zu dessen Antrieb die Hybridantriebsvorrichtung vorgeschlagen ist, sowohl einen verbrennungsmotorischen wie auch einen elektrischen Antrieb. Die Stückzahl solcher Fahrzeuge (insbesondere mit P2 und P3 Antriebstopologie) kann in Zukunft steigen. Ebenfalls kann der Leistungsanteil des elektrischen Systems gegenüber dem verbrennungsmotorischen System zunehmen.
und zeigen eine Antriebstopologie der vorgeschlagenen Hybridantriebsvorrichtung.
Im Vergleich zu konventionellen verbrennungsmotorischen Antrieben (Kraftfahrzeug weist zum Überwinden der Fahrwiderstände ausschließlich eine Brennkraftmaschine auf) können in hybridisierten Antrieben neue schwingungstechnische Probleme auftreten. Dabei bringt der relativ hoch übersetzte elektromechanische Energiewandler eine hohe Masseträgheit in den Antriebsstrang ein, was sowohl die Torsionseigenfrequenzen wie auch deren Schwingformen maßgeblich beeinflusst. Insbesondere in einer P3-Anordnung sowie in einer P2-Anordnung kann die schwingungstechnisch problematisch sein. Ohne die vorgeschlagene Erfindung können die bekannten Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtungen nicht hinreichend sein um ein zufriedenstellendes Geräuschverhalten des Antriebsstrangs zu erreichen.
Die vorgeschlagen Antriebsvorrichtung behandelt eine gezielte Einbringung eines torsionsweichen Elements (Entkopplungseinrichtung) in die Hybridantriebsvorrichtung, um das System so zu verstimmen, dass keine oder wenigstens geringere Resonanzen im Bereich der Hauptanregung der Brennkraftmaschine liegen.
Dabei wird das torsionsweiche Element insbesondere an einer Stelle in der Hybridantriebsvorrichtung platziert, in welcher die Schwingungsenergie groß ist. Dies ist typischerweise an einer Stelle zwischen dem Schwingknoten und dem Bereich maximaler Auslenkung. Bei den Ausführungsformen der P3/P2-Anordnung ist es bevorzugt die Entkopplungseinrichtung, in Bezug auf die Drehmomentübertragung, zwischen einem Zweimassenschwungrad, insbesondere der Sekundärseite des Zweimassenschwungrads und der Getriebeeingangswelle anzuordnen. Die Torsionssteifigkeit der Entkopplungseinrichtung (torsionsweiches Element) ist vorzugsweise so gewählt, dass die Eigenfrequenz der Hybridantriebsvorrichtung unterhalb der minimalen Anregungsfrequenz der Brennkraftmaschine, insbesondere der Zündordnung der Brennkraftmaschine, liegt. Dies ist typischerweise unterhalb von 50Hz bis 75 Hz. Abhängig von der konstruktiven Ausführung des schaltbaren Getriebes kann sich damit eine Steifigkeit des torsionsweichen Elements im Bereich von 40 Nm/° bis 500 Nm/° ergeben. Um die Resonanzfrequenz nicht durchfahren zu müssen, ist zusätzlich oder alternativ vorgeschlagen, über die Betriebsstrategie der Brennkraftmaschine die Minimaldrehzahl der Brennkraftmaschine anzuheben, insbesondere gegenüber einer üblichen Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine anzuheben.
Es ist insbesondere vorgeschlagen die Minimaldrehzahl für eine 6-Zylinder-Brennkraftmaschine auf ca. 1200-1500 1/min und für den 4-Zylinder-Brennkraftmaschine auf ca. 1800-2200 1/min anzuheben. Insbesondere durch Anheben der Minimaldrehzahl der Brennkraftmaschine, vorzugsweise auf 1800 1/min oder mehr, ist erreichbar, dass im gesamten Betriebsbereich keine relevante Resonanz durchfahren werden und so ist eine Hybridantriebsvorrichtung mit verbessertem Schwingungsverhalten darstellbar.
3a zeigt eine typische Eigenform eines exemplarischen P3 bzw. P2 Hybridantriebsstrangs, ohne Entkopplungseinrichtung 5, ein solcher Hybridantriebsstrang ist exemplarisch in 1 dargestellt, dort jedoch mit Entkopplungseinrichtung. Dabei ist die dargestellte Schwingungsamplitude normiert und im Verlauf ist mit I-2a die Schwingungsamplitude an der Primärmasse, mit I-2b an der Sekundärmassen, mit I-3 an der Trennkupplung, mit I-6 an der Getriebeeingangswelle, mit I-7 an der Getriebeausgangswelle, mit I-8 an der antreibbaren Fahrzeugachse beziehungsweise am Rad gekennzeichnet, jeweils für eine Hybridantriebsvorrichtung ohne Entkopplungseinrichtung 5. Aus dem dargestellten Verlauf der normierten Schwingungsamplitude ist erkennbar, wie die Sekundärseite des Zweimassenschwungrads, Sekundärmasse 2b, gegen den elektromechanischen Energiewandler 10 schwingt, welcher auf Grund der „hohen“ Übersetzung, mit welcher dieser in den Antriebsstrang eingebunden ist, eine hohe Drehmassenträgheit aufweist, beziehungsweise im Antriebsstrang wirksam ist. zeigt den dazugehörigen Drehmomentenverlauf, sogenanntes Schnittmoment I, wie dieses sich insbesondere an der Getriebeeingangswelle, aufgetragen über der Drehzahl der Getriebeeingangswelle, ergibt. Beim Durchfahren der Resonanzfrequenz dieses Antriebsstrangs, welche in etwa bei 3000 Umdrehungen pro Minute (rpm) liegt, tritt eine signifikante Überhöhung es dargestellten Schnittmoments I auf. Diese Überhöhung des Schnittmoments Ia führt zu sogenanntem Rasseln, Klappern sowie anderen akustischen Auffälligkeiten im Antriebsstrang und kann weiter Festigkeitsprobleme zur Folge haben.
zeigt die neue Schwingform, also eine typische Eigenform eines in 1 dargestellten Hybridantriebsstrangs mit Entkopplungseinrichtung 5. Im Vergleich der 3a gegenüber 4a wird demnach der Effekt der Entkopplungseinrichtung 5 bei den Schwingungsamplituden erkennbar, dabei zeigt II-2a die Schwingungsamplitude an der Primärmasse, II-2b an der Sekundärmassen, II-3 an der Trennkupplung, II-6 an der Getriebeeingangswelle, II-7 an der Getriebeausgangswelle, II-8 an der antreibbaren Fahrzeugachse, beziehungsweise am Rad, für eine Hybridantriebsvorrichtung mit Entkopplungseinrichtung 5. Weiter ist ersichtlich, dass sich der Schwingungsknoten (normierte Schwingungsamplitude = 0, oder wenigstens nahe Null) von der Getriebeausgangswelle 7 auf die Getriebeeingangswelle 6 verschiebt und die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs signifikant abgefallen. Weiter ist erkennbar, dass der Schwingungsknoten in 3a bei I-7 also an der Getriebeausgangswelle 7 liegt, hingegen in 4a bei II-6, also an der Getriebeeingangswelle 6. In 4b ist der entsprechende Verlauf des Schnittmoments II für eine Hybridantriebsvorrichtung mit Entkopplungseinrichtung dargestellt, es somit also die Änderung im Vergleich zu dem in 3b dargestellten Zusammenhängen durch die Entkopplungseinrichtung 5 erkennbar.
Die 4a/b zeigen also, die gleichen Parameter wie die 3a/b, wobei die 4a/b eine Hybridantriebsvorrichtung mit Entkopplungseinrichtung 5 abbilden und die 3a/b eine Hybridantriebsvorrichtung ohne Entkopplungseinrichtung 5. Im Vergleich der 3b mit 4b wird ersichtlich, dass die auftretende Resonanzüberhöhung, also die Überhöhung des Schnittmoments IIa für eine Hybridantriebsvorrichtung mit Entkopplungseinrichtung, bei einer signifikant geringeren Drehzahl, in etwa bei 1500 rpm oder darunter, liegt. Insbesondere durch ein Anheben der Minimaldrehzahl der Brennkraftmaschine auf hier 1800 rpm oder darüber ist erreichbar, dass im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine keine relevante Resonanz durchfahren wird, dies führt zu einem verbesserten Betriebsverhalten der Hybridantriebsvorrichtung.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1a: Abtriebswelle der Brennkraftmaschine
2: Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung / Zweimassenschwungrad
2a: Primärmasse von 2
2b: Sekundärmasse von 2
3: Trennkupplung
4: schaltbares Getriebe
4a, 4b: Zahnradpaare
5: Entkopplungseinrichtung
5a: Torsionsstab (mögliche Ausführungsform von 5)
6: Getriebeeingangswelle
7: Getriebeausgangswelle
8: antreibbare Fahrzeugachse
9: Rad
10: elektromechanischer Energiewandler
11: Achsgetriebe
12: planmäßige Drehmomentübertragungsrichtung
I: Verlauf des Schnittmoments ohne 5
Ia: überhöhtes Schnittmoment
II: Verlauf des Schnittmoments mit 5
IIa: überhöhtes Schnittmoment
I-2a: normierte Schwingungsamplitude von 2a ohne 5
I-2b: normierte Schwingungsamplitude von 2b ohne 5
I-3: normierte Schwingungsamplitude von 3 ohne 5
I-6: normierte Schwingungsamplitude von 6 ohne 5
I-7: normierte Schwingungsamplitude von 7 ohne 5
I-8: normierte Schwingungsamplitude von 8 ohne 5
I-10: normierte Schwingungsamplitude von 10 ohne 5
II-2a: normierte Schwingungsamplitude von 2a mit 5
II-2b: normierte Schwingungsamplitude von 2b mit 5
II-3: normierte Schwingungsamplitude von 3 mit 5
II-6: normierte Schwingungsamplitude von 6 mit 5
II-7: normierte Schwingungsamplitude von 7 mit 5
II-8: normierte Schwingungsamplitude von 8 mit 5
II-10: normierte Schwingungsamplitude von 10 mit 5

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 102015214814 A1 [0002]

Claims

Hybridantriebsvorrichtung mit einer ersten Antriebsmaschine, welche als Brennkraftmaschine (1) in Hubkolbenbauweise ausgebildet ist und mit einer zweiten Antriebsmaschine, welche als elektromechanischer Energiewandler (10) ausgebildet ist und mit einem schaltbaren Getriebe (4), wobei dieses schaltbare Getriebe (4) eine Getriebeeingangswelle (6) und eine Getriebeausgangswelle (7) aufweist und wobei diese beiden Wellen (6, 7) mittels des schaltbaren Getriebes (4) mit unterschiedlichen Übersetzungen koppelbar sind und weiter weist die Hybridantriebsvorrichtung ein Drehungleichförmigkeitsreduzierungsrichtung (2) auf, welche mit einer Abtriebswelle (1) der Brennkraftmaschine (1) gekoppelt ist, und eine Trennkupplung (3), welche in einer planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) von der Abtriebswelle (1a) der Brennkraftmaschine (1) auf die Getriebeeingangswelle (6) nach der Drehungleichförmigkeitsreduzierungseinrichtung (2) und vor der Getriebeeingangswelle (6) angeordnet ist, wobei somit die Getriebeeingangswelle (6) mit der Trennkupplung (3) selektiv mit der Abtriebswelle (1a) der Brennkraftmaschine (1) verbindbar ist und wobei der elektromechanische Energiewandler (10) in dieser Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Getriebeeingangswelle (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Drehungleichförmigkeitsreduziereinrichtung (2) eine weitere Entkopplungseinrichtung (5) in der Hybridantriebsvorrichtung vorgesehen ist und dass diese Entkopplungseinrichtung (5) in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Trennkupplung (3) und vor der Getriebeausgangswelle (7) und vor dem elektromechanischen Energiewandler (10) angeordnet ist.
Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Entkopplungseinrichtung (5) eine Drehsteifigkeit aufweist, welche aus einem Bereich ausgewählt ist, der kleiner ist 750 Nm/° und größer als 30 Nm/°.
Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (5) als Entkopplungselement ein Bauteil aus folgender Gruppe von Bauteilen aufweist: - Torsionsstab (5a), - Bogenfeder, - Elastomer- oder Gasdruckfeder.
Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine Minimaldrehzahl von 1200 1/Min oder mehr aufweist.
Hybridantriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Energiewandler (10) in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Getriebeeingangswelle (6) und vor der Getriebeausgangswelle (7) angeordnet ist.
Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (5) einen Torsionsstab (5a) aufweist und dass die Getriebeeingangswelle (6) als Hohlwelle ausgebildet ist und dass der Torsionsstab (5a) wenigstens abschnittsweise innerhalb der Getriebeeingangswelle (6) angeordnet ist.
Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (5a) einen Torsionsabschnitt zum Bereitstellen der Entkopplungswirkung aufweist, dass der Torsionsabschnitt eine Längserstreckung, sogenannte Torsionslänge und eine Durchmessererstreckung, sogenannter Torsionsdurchmesser aufweist und dass die Torsionslänge fünfmal so groß oder größer ist wie der Torsionsdurchmesser.
Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Energiewandler (10) in der planmäßigen Drehmomentübertragungsrichtung (12) nach der Getriebeausgangswelle (7) angeordnet ist.