DE102020109629A1 - P3S-Hybridgetriebestruktur mit Ravigneaux-Planetenradsatz und Antriebsstrang - Google Patents

P3S-Hybridgetriebestruktur mit Ravigneaux-Planetenradsatz und Antriebsstrang Download PDF

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Johannes Lamers
Matthieu Rihn
Laurent Bayoux
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe (1) für ein Hybridfahrzeug, um Drehmoment zwischen einer Verbrennungskraftmaschine (2), einer Elektromaschine (3) und einem Getriebeausgang (4) zu verbringen, aufweisend zumindest ein Planetengetriebe (5), wobei zumindest drei Schalteinheiten (14, 15, 16) vorhanden sind, um jeweils einen Bestandteil des zumindest einen Planetengetriebes (5) an einem Bauteil wiederlösbar zu befestigen, wobei zwei Planetenradsätze (6, 7) vorhanden sind, von denen zumindest eines der Planetenräder des einen Planetenradsatzes (6) mit einem Planentenrad des anderen Planetenradsatzes (7) in kämmendem Zahneingriff steht. Die Erfindung betrifft auch einen Antriebsstrang (24) eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ersten Sonnenrad (17) des erfindungsgemäßen Getriebes (1) verbunden ist, wobei eine Elektromaschine (3) mit einem Hohlrad (8) des Getriebes (1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Hybridfahrzeug, um Drehmoment zwischen einer Verbrennungskraftmaschine, einer Elektromaschine und einem Getriebeausgang zu verbringen, aufweisend zumindest ein Planetengetriebe, wobei zumindest drei Schalteinheiten vorhanden sind, um jeweils einen Bestandteil des zumindest einen Planetengetriebes an einem Bauteil, wie einem feststehenden Gehäuse oder einem anderen Bestandteil des zumindest einen Planetengetriebes wiederlösbar zu befestigen / anzubinden.
  • Aus dem Stand der Technik, etwa der WO 2019/141 561 A1 ist bereits ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine Abtriebswelle und einen Planetenradsatz, welcher ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element in Form eines Sonnenrades, eines Planetenräder lagernden Planetensteges / Planetenträgers und eines Hohlrades besitzt. Dabei ist ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement vorgesehen, durch deren selektive Betätigung unterschiedliche Kraftflussführungen / Drehmomentübertragungen von mindestens einer der Antriebswellen zu der Abtriebswelle darstellbar sind, und wobei das erste Element des Planetenradsatzes über das erste Schaltelement festsetzbar ist, wohingegen das zweite Element des Planetenradsatzes drehfest mit der Abtriebswelle in Verbindung steht und das dritte Element des Planetenradsatzes drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden ist. Als besonders ist in dieser älteren Patentanmeldung herausgestellt, dass das erste Element des Planetenradsatzes drehfest mit der zweiten Antriebswelle verbunden ist, und dass zwei der Elemente des Planetenradsatzes mittels des zweiten Schaltelementes drehfest miteinander in Verbindung bringbar sind.
  • Das Verwenden von Planetengetrieben in Hybridgetriebestrukturen zieht Vorteile bei Kosten, Bauraum und Gewicht nach sich. Für einen rein verbrennungsmotorischen Betrieb, bei dem bspw. das Hohlrad steht, steht eine Übersetzung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Abtrieb zur Verfügung. Eine zweite Übersetzung entsteht durch ein Schließen eines Schaltelemenes / einer Schalteinheit / einer Kupplung, wobei die Elektromaschine dann momentenfrei mitdreht. Im rein verbrennungsmotorischen Betrieb verhält sich eine bekannte Getriebestruktur also wie ein Zweiganggetriebe.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben jedoch Nachteile, welche durch die Erfindung vermindert oder sogar abgestellt werden sollen. Insbesondere sollen weitere Gänge zur Verfügung gestellt werden, ohne aber die Kosten und das Gewicht zu erhöhen. Zusätzlich soll Bauraum eingespart werden.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Getriebe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwei Planetenradsätze vorhanden sind, von denen zumindest eines der Planetenräder des einen Planetenradsatzes mit einem Planetenrad des anderen Planetenradsatzes in kämmendem Zahneingriff steht.
  • Vorzugsweise steht jedes der Planetenräder des einen Planetenradsatzes mit einem Planetenrad des anderen Planetenradsatzes in kämmendem Wirkeingriff. Dadurch wird das zu übertragende Drehmoment auf mehrere Zwischenbauteile aufgeteilt, was die Belastung für jedes einzelne im Drehmomentverlauf angeordnete Bauteil senkt und die Dauerfestigkeit erhöht.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • So ist es von Vorteil, wenn das Planetengetriebe als doppeltes Planetengetriebe nach Art eines Ravigneaux-Planetenradsatzes oder eines Simpson-Planetenradsatzes ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein weiterer Gang durch die doppelt gekoppelten Planeten(rad)sätze zur Verfügung gestellt werden.
  • Es ist zu empfehlen, dass eine weitere Bremsvorrichtung / Schalteinheit vorgehalten wird, um einen Freiheitsgrad eines Sonnenrades, insbesondere eines zweiten / kleineren Sonnenrades auszuschließen. Allerdings erlaubt gerade dieser Freiheitsgrad einen zusätzlichen Gang. Es stehen ergo somit drei Übersetzungen für einen rein verbrennungsmotorischen Betrieb zur Verfügung. In einem ersten Gang steht bspw. das Hohlrad still und wird durch eine optionale Schalteinheit / Bremse oder die Elektromaschine gehalten. In einem zweiten Gang steht ein zweites, kleines Sonnenrad still. Durch eine weitere Schalteinheit / Kupplung werden ein Hohlrad und ein erstes, großes Sonnenrad miteinander verbunden, sodass „en bloc“ das ganze Getriebe dreht. Dieser dritte Gang ist in Summe gegenüber herkömmlichen Lösungen ein Gang mehr als bekannt.
  • Solch zwei gekoppelte Planetenradsätze verwendet bspw. ein Ravigneaux-Planetenradsatz. Er besitzt ein gemeinsames Hohlrad, einen gemeinsamen Planetenträger und ein Minusgetriebe (d.h. io < 0) mit einem großen Sonnenrad und langen Planetenrädern, wohingegen ein Plusgetriebe (d. h. io > 0) mit einem kleinen Sonnenrad und kurzen Planetenrädern versehen ist. Die Länge der Planetenräder wird in Axialrichtung, d. h. entlang der Rotationsachse der Planetenräder gemessen.
  • Eine ebenfalls sinnvolle Variante ist die Verwendung eines Simpson-Planetenradsatzes, wobei dabei jedoch zwei voneinander getrennte Hohlräder einzusetzen sind. Es gibt dabei ein gemeinsames Sonnenrad, und üblicherweise sechs gleich große Planetenräder, aber eben zwei getrennte Hohlräder. Beim Ravigneaux-Planetenradsatz kommen hingegen üblicherweise unterschiedlich große Sonnenräder zum Einsatz und bspw. drei lange und drei kurze Planetenräder sowie ein gemeinsames Hohlrad.
  • Es ist von Vorteil, wenn das Planetengetriebe ein erstes, großes Sonnenrad besitzt, zu dem ein zweites, kleines Sonnenrad konzentrisch angeordnet ist, wobei die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes mit dem ersten (großen) Sonnenrad in Zahneingriff stehen und die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes mit dem zweiten (kleinen) Sonnenrad in Zahneingriff stehen und die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes mit einem (einzigen / gemeinsamen) Hohlrad in Zahneingriff stehen. Somit stehen nur die Planetenräder eines der beiden Planetenradsätze in Zahneingriff mit dem Hohlrad, die Planetenräder jedes einzelnen der Planetenradsätze jedoch mit den Planetenrädern des anderen und mit dem jeweiligen dem relevanten Planetenradsatz zugeordneten Sonnenrad. Grundsätzlich könnte auch das erste Sonnenrad kleiner als das zweite Sonnenrad sein.
  • Jedenfalls hat es sich bewährt, wenn die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes eine größere axiale Länge besitzen, als die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes. Im vorher angedeuteten Umkehrfall, müssten die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes eine größere axiale Länge aufweisen, als die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schalteinheit an dem ersten (großen) Sonnenrad angreift, um im geschaltenen / ungeschaltenen Zustand das erste (große) Sonnenrad an einem Gehäuse (wiederlösbar) festzulegen / zu koppeln. Das große Sonnenrad kann dann abgestützt und festgehalten werden, was bei Inaktivität der Verbrennungskraftmaschine auch unschädlich ist. Jedenfalls wird eine erste elektromotorische Übersetzung dadurch möglich.
  • Wenn eine zweite Schalteinheit an dem ersten (großen) Sonnenrad und dem (gemeinsamen) Hohlrad angreift, um im geschaltenen / ungeschaltenen Zustand diese beiden Bauteile (wiederlösbar) aneinander festzulegen / zu koppeln, so kann eine zweite Übersetzung für den Elektromotor zur Verfügung gestellt werden, wenn nämlich ein Großteil des Getriebes „en bloc“ umläuft.
  • Eine dritte Abstufung bzw. ein dritter Gang wird möglich, wenn eine dritte Schalteinheit an dem zweiten (kleinen) Sonnenrad angreift, um im geschaltenen / ungeschaltenen Zustand dieses zumindest mittelbar am bspw. Gehäuse (wiederlösbar) festzulegen / zu koppeln.
  • Um thermische und elektrische Verluste zu vermeiden, hat es sich bewährt, wenn eine Zusatzschalteinheit vorhanden ist, um im geschaltenen / ungeschaltenen Zustand die Elektromaschine und/oder das zweite (kleine) Sonnenrad am bspw. Gehäuse (wiederlösbar) festzulegen / zu koppeln.
  • Um eine ausreichend gute Drehmomentübertragung zu gewährleisten und eine hohe Dauerfestigkeit sicher zu stellen sowie Verschleiß niedrig zu halten, ist es von Vorteil, wenn eine der Schalteinheiten oder alle der Schalteinheiten und/oder die Zusatzschalteinheit als Bremse oder als Kupplung, insbesondere als Reibkupplung, bspw. als Mehrscheiben-, Einscheiben- oder Lamellenkupplung oder als Formschlusskupplung, bspw. als Klauenkupplung, ausgebildet ist.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Verbrennungskraftmaschine, etwa unter Zwischenschaltung eines Dämpfers und/oder eines Zweimassenschwungrades mit einem ersten (großen) Sonnenrad des Getriebes der erfindungsgemäßen Art verbunden ist, wobei eine Elektromaschine mit einem (gemeinsamen) Hohlrad verbunden ist. Ein solcher Antriebsstrang kann weitergebildet werden, wenn ein (gemeinsamer) Planetenträger vorhanden ist, der den ersten Planetenradsatz und den zweiten Planetenradsatz des Getriebes lagert und den Getriebeausgang stellt, wobei diesem ein optionales Differenzialgetriebe im Drehmomentfluss in Richtung zu Antriebsrädern nachgeschalten ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes eingebettet in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang dargestellt. Es zeigen:
    • 1 eine P3S-Struktur mit einem Ravigneaux-Planetenradsatz, das drei Festgänge bei rein verbrennungsmotorischem Betrieb gestattet, und
    • 2 eine schematische Darstellung der sich einstellenden unterschiedlichen Gänge bei dem Getriebe gemäß der Ausführungsform nach 1.
  • Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebes 1 dargestellt. Das Getriebe 1 ist vorgesehen, um Drehmoment zwischen einer Verbrennungskraftmaschine 2, einer Elektromaschine 3 und einem Getriebeausgang 4 zu verbringen. Der Drehmomentenfluss kann also von der Verbrennungskraftmaschine 2 durch das Getriebe 1 in Richtung des Getriebeausgangs 4 erfolgen. Der Drehmomentenfluss kann auch von der Elektromaschine 3 durch das Getriebe 1 in Richtung des Getriebeausgangs 4 erfolgen. Eine umgekehrte Richtung ist für beide Fälle denkbar.
  • Auch ist es möglich das Drehmoment sowohl von der Verbrennungskraftmaschine 2, als auch von der Elektromaschine 3 gemeinsam dem Getriebeausgang 4 zugeführt wird und Drehmoment von der Elektromaschine 3 der Verbrennungskraftmaschine, etwa zum Starten, zugeführt wird. Auch ist ein Rekuperationsfall genauso angedacht, wie ein Boost-Betrieb. Entscheidend ist, dass für die Erfindung ein Planetengetriebe 5 verbaut ist, das einen ersten Planetenradsatz 6 und einen zweiten Planetenradsatz 7 verwendet. Die beiden Planetenradsätze 6 und 7 selbst sind in den Figuren nicht dargestellt, es ist jedoch bedeutsam, dass die Planetenräder des einen Planetenradsatzes 6 oder 7 mit den Planetenrädern des anderen Planetenradsatzes 7 oder 6 dauerhaft in Zahneingriff stehen. Dazu sind die einen Planetenräder länger als die anderen Planetenräder. Nur die Planetenräder eines der beiden Planetenradsätze 6 oder 7 stehen in kämmender Wirkbeziehung mit einem Hohlrad 8. Die Planetenräder der beiden Planetenradsätze 6 und 7 sind an einem gemeinsamen Planetenträger 9 gelagert. Dem Getriebe 1 nachgelagert ist ein Differenzialgetriebe 10, mittels dessen eine Übersetzung iFD (Übersetzung des Final Drive) zur Verfügung gestellt wird. Das Drehmoment wird dann vom Differenzialgetriebe 10 auf zwei Antriebsräder 11 und 12 übertragen.
  • Die Elektromaschine 3, die sowohl als Elektromotor, als auch als Generator betreibbar ist, stellt eine Übersetzung iEM zur Verfügung. Eine Zusatzschalteinheit 13 kann vorhanden sein, um den Elektromotor an einem Gehäuse 20 festzulegen.
  • Es gibt drei Schalteinheiten 14, 15 und 16. Die erste Schalteinheit 14 ist zum Festlegen eines ersten (großen) Sonnenrades 17 vorgesehen. Die zweite Schalteinheit 15 ist zum Koppeln des ersten (großen) Sonnenrades 17 mit dem Hohlrad 8 vorgesehen.
  • Die dritte Schalteinheit 16 ist zum Festlegen eines zweiten (kleinen) Sonnenrades 18 ausgelegt. Es kann auch ein Zweimassenschwungrad 19 verwendet sein. Dieses Zweimassenschwungrad 19 wird nach herkömmlicher Weise eingesetzt, um Vibrationen und Schwingungen zu dämpfen. Die einzelnen Bauteile des Planetengetriebes 5 formen einen Ravigneaux-Planetenradsatz aus.
  • In dem Diagramm nach 2 sind drei sich einstellenden Gänge 21, 22 und 23 angedeutet. Der erste Gang 21 stellt sich dabei ein, wenn die zweite Schalteinheit 15 geschlossen ist. Dabei wird Drehmoment immer über das erste große Sonnenrad (des Minusgetriebes) 17 eingeleitet und über den Planetenträger 9 entnommen. Wird über die dritte Schalteinheit 16 das zweite (kleine) Sonnenrad 18 festgehalten, so stellt sich der zweite Gang 22 ein.
  • Der dritte Gang 23 stellt sich ein, wenn das Hohlrad 8 bzw. die Elektromaschine 3 still steht. Die Drehzahlen auf der y-Achse sind mit Ω angedeutet.
  • Zurückkommend auf 1 ist der erfindungsgemäße Antriebsstrang mit dem Bezugszeichen 24 versehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Getriebe
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    3
    Elektromaschine
    4
    Getriebeausgang
    5
    Planetengetriebe
    6
    erster Planetenradsatz
    7
    zweiter Planetenradsatz
    8
    Hohlrad
    9
    Planetenträger
    10
    Differenzialgetriebe
    11
    Antriebsrad
    12
    Antriebsrad
    13
    Zusatzschalteinheit
    14
    erste Schalteinheit
    15
    zweite Schalteinheit
    16
    dritte Schalteinheit
    17
    erstes (großes) Sonnenrad
    18
    zweites (kleines) Sonnenrad
    19
    Zweimassenschwungrad
    20
    Gehäuse
    21
    erster Gang
    22
    zweiter Gang
    23
    dritter Gang
    24
    Antriebsstrang
  • 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
    • WO 2019/141561 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Getriebe (1) für ein Hybridfahrzeug, um Drehmoment zwischen einer Verbrennungskraftmaschine (2), einer Elektromaschine (3) und einem Getriebeausgang (4) zu verbringen, aufweisend zumindest ein Planetengetriebe (5), wobei zumindest drei Schalteinheiten (14, 15, 16) vorhanden sind, um jeweils einen Bestandteil des zumindest einen Planetengetriebes (5) an einem Bauteil wiederlösbar zu befestigen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Planetenradsätze (6, 7) vorhanden sind, von denen zumindest eines der Planetenräder des einen Planetenradsatzes (6) mit einem Planentenrad des anderen Planetenradsatzes (7) in kämmendem Zahneingriff steht.
  2. Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (5) als doppeltes Planetengetriebe nach Art eines Ravigneaux-Planetenradsatzes oder eines Simpson-Planetenradsatzes ausgebildet ist.
  3. Getriebe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (5) ein erstes, großes Sonnenrad (17) besitzt, zu dem ein zweites, kleines Sonnenrad (18) konzentrisch angeordnet ist, wobei die Planetenräder des ersten Planetenradsatzes (6) mit dem ersten (großen) Sonnenrad (17) in Zahneingriff stehen und die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes (7) mit dem zweiten (kleinen) Sonnenrad (18) in Zahneingriff stehen und die Planetenräder des zweiten Planetenradsatzes (7) mit einem Hohlrad (8) in Zahneingriff stehen.
  4. Getriebe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schalteinheit (14) an dem ersten (großen) Sonnenrad (17) angreift, um im geschaltenen Zustand das erste (große) Sonnenrad (17) an einem Gehäuse (20) festzulegen.
  5. Getriebe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schalteinheit (15) an dem ersten (großen) Sonnenrad (17) und dem Hohlrad (8) angreift, um im geschaltenen Zustand diese beiden Bauteile aneinander festzulegen.
  6. Getriebe (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Schalteinheit (16) an dem zweiten (kleinen) Sonnenrad (18) angreift, um im geschaltenen Zustand dieses am Gehäuse (20) festzulegen.
  7. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzschalteinheit (13) vorhanden ist, um im geschaltenen Zustand die Elektromaschine (3) und/oder das zweite (kleine) Sonnenrad (18) am Gehäuse (20) festzulegen.
  8. Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schalteinheiten (14 bis 16) oder alle der Schalteinheiten (14 bis 16) und/oder die Zusatzschalteinheit (13) als Bremse oder als Kupplung ausgebildet ist.
  9. Antriebsstrang (24) eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ersten (großen) Sonnenrad (17) des Getriebes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verbunden ist, wobei eine Elektromaschine (3) mit einem Hohlrad (8) des Getriebes (1) verbunden ist.
  10. Antriebsstrang (24) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein (gemeinsamer) Planetenträger (9) vorhanden ist, der den ersten Planetenradsatz (6) und den zweiten Planetenradsatz (7) des Getriebes (1) lagert und den Getriebeausgang (4) stellt.
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