DE102020211057A1

DE102020211057A1 - Kompaktes Hybridgetriebe

Info

Publication number: DE102020211057A1
Application number: DE102020211057.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kaltenbach; Fabian Kutter; Martin Brehmer; Matthias Horn; Oliver BAYER; Thomas Martin; Michael Wechs; Thomas Kroh; Max Bachmann; Peter Ziemer; Juri Pawlakowitsch; Stefan Beck
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einer ersten Getriebeeingangswelle (24), die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer Verbrennungsmaschine (16) des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden; einer zweiten Getriebeeingangswelle (26), die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden; einer Vorgelegewelle (34) mit einem Abtrieb (36); in mehreren Radsatzebenen (E1, V1) angeordneten Losrädern (28, 30) und Festrädern (38) zum Bilden von Gangstufen; und einer Gangschaltvorrichtung mit Schaltelementen (A, B) zum Einlegen der Gangstufen, wobei der Abtrieb ein Abtriebsritzel (32) umfasst; die Losräder und Festräder zum Bilden von Gangstufen in zwei Radsatzebenen angeordnet sind; die Losräder und Festräder zum Bilden von genau zwei mechanischen Gangstufen ausgebildet sind; und das Abtriebsritzel mit einem gangbildenden Zahnrad kämmt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) mit einem solchen Hybridgetriebe und ein Kraftfahrzeug (10) mit einem solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang.
Fahrzeuge werden 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. Hierdurch kann eine signifikante Reduzierung der CO₂-Emissionen ohne nennenswerte Leistungs- bzw. Komforteinbußen erreicht werden. Die Möglichkeiten und Vorteile eines Elektroantriebs können somit mit den Reichweiten-, Leistungs- und Kostenvorteilen von Brennkraftmaschinen verbunden werden.
Ein Nachteil derartiger 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 aufwändig und kostenintensiv in der Produktion. Eine Reduzierung der Komplexität im Aufbau eines Hybridgetriebes geht meistens mit einer Einbuße an Variabilität einher.
Dieser Nachteil kann zumindest teilweise mittels dedizierter Hybridgetriebe oder „Dedicated Hybrid Transmissions“ (DHT) überwunden werden, bei denen eine elektrische Maschine in das Getriebe integriert wird, um den vollen Funktionsumfang darzustellen. Beispielsweise kann im Getriebe der mechanische Getriebeteil vereinfacht werden, etwa durch Entfall des Rückwärtsgangs, wobei stattdessen mindestens eine elektrische Maschine genutzt wird.
Dedizierte Hybridgetriebe können aus bekannten Getriebekonzepten hervorgehen, also aus Doppelkupplungsgetrieben, Wandler-Planetengetrieben, stufenlosen Getrieben (CVT) oder automatisierten Schaltgetrieben. Die elektrische Maschine wird dabei zum Teil des Getriebes.
Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe ein kompaktes gewichtsoptimiertes und technisch einfaches Hybridgetriebe zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hybridgetriebe für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit:

einer ersten Getriebeeingangswelle, die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden;
einer zweiten Getriebeeingangswelle, die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden;
einer Vorgelegewelle mit einem Abtrieb;
in mehreren Radsatzebenen angeordneten Losrädern und Festrädern zum Bilden von Gangstufen; und
einer Gangschaltvorrichtung mit Schaltelementen zum Einlegen der Gangstufen, wobei
der Abtrieb ein Abtriebsritzel umfasst;
die Losräder und Festräder zum Bilden von Gangstufen in zwei Radsatzebenen angeordnet sind;
die Losräder und Festräder zum Bilden von genau zwei mechanischen Gangstufen ausgebildet sind; und
das Abtriebsritzel mit einem gangbildenden Zahnrad kämmt.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit:

einem Hybridgetriebe wie zuvor definiert;
einer Verbrennungsmaschine, die mit der ersten Getriebeeingangswelle verbindbar ist; und
einer elektrischen Antriebsmaschine, die mit der zweiten Getriebeeingangswelle verbindbar ist.

Die obige Aufgabe wird schließlich gelöst von einem Kraftfahrzeug mit:

einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang wie zuvor definiert; und
einem Energiespeicher zum Speichern von Energie zum Versorgen der 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 der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang und das Kraftfahrzeug entsprechend den für das Hybridgetriebe in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
Durch die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle kann technisch einfach ein Hybridgetriebe, also ein Getriebe für zwei vorzugsweise unterschiedliche Antriebsquellen, geschaffen werden. Mittels einer Vorgelegewelle mit einem Abtrieb kann ein kompaktes und variables Hybridgetriebe geschaffen werden. Dadurch, dass ein Abtriebsritzel mit einem gangbildenden Zahnrad kämmt, kann ein kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Durch das Vorsehen von genau zwei mechanischen Gangstufen kann ein technisch einfaches und kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Das Hybridgetriebe kann insbesondere gewichts- und kosteneffizient ausgeführt sein. Vorzugsweise ist eine der genau zwei mechanischen Gangstufen für die Verbrennungsmaschine optimiert und die zweite der genau zwei mechanischen Gangstufen für die elektrische Antriebsmaschine optimiert. Es versteht sich, dass die elektrische Antriebsmaschine und die Verbrennungsmaschine kombiniert in beiden der genau zwei mechanischen Gangstufen betrieben werden können bzw. die genau zwei mechanischen Gangstufen jeder Antriebsmaschine zugeordnet werden können. Es versteht sich ferner, dass mit dem Hybridgetriebe eine sogenannte Laden-in-Neutral-Position eingerichtet werden kann, bei der die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam miteinander verbunden oder verbindbar sind, ohne dabei Antriebsleistung mittels des Abtriebs aus dem Hybridgetriebe auszuleiten. Hierdurch kann die Verbrennungsmaschine antriebswirksam mit der elektrischen Antriebsmaschine verbunden werden. Vorzugsweise findet bei dieser Verbindung nur ein Kraftschluss zwischen den beiden Antriebsmaschinen statt, sodass ein Start der Verbrennungsmaschine mittels der elektrischen Antriebsmaschine möglich ist. Zudem kann die elektrische Antriebsmaschine von einer laufenden Verbrennungsmaschine generatorisch betrieben werden und beispielsweise einen Energiespeicher laden oder eine elektrische Achse, sofern vorhanden, in einem seriellen Betrieb mit Energie versorgen. Das Hybridgetriebe ist vorzugsweise für ein Fronttriebler-Kraftfahrzeug ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Hinterachse dieses Fronttriebler-Kraftfahrzeugs eine elektrisch angetriebene Hinterachse oder elektrische Hinterachse. Es versteht sich, dass das Hybridgetriebe auch vorteilhaft ohne elektrische Hinterachse verwendet werden kann. Durch den oben beschriebenen Getriebeaufbau und Zahnradsatz kann insbesondere ein geringer mechanischer Aufwand mit einer geringen Anzahl von Zahnrädern erreicht werden. Das Hybridgetriebe baut mit einer geringen axialen Baulänge. Insbesondere kann ein derartiges Hybridgetriebe vorzugsweise mit nur einer Schaltwalze, also mit nur einem Aktuator komplett gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe eine Verbrennungsmaschinenkupplung mit einem Schaltelement, vorzugsweise in Form einer Reibkupplung, zum lösbaren Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle und der zweiten Getriebeeingangswelle auf. Hierdurch kann insbesondere ein effizienter, rein elektrischer Fahrbetrieb eingerichtet werden, da die Verbrennungsmaschine vom Hybridetriebe entkoppelt werden kann, sodass sie nicht unnötig mitgeschleppt werden muss. Eine Reibkupplung ermöglicht zudem einen sogenannten Schwungstart der Verbrennungsmaschine und kann als Anfahrelement für die Verbrennungsmaschine dienen. Durch die Verbrennungsmaschinenkupplung kann die Varibialität und die Effizienz des Hybridgetriebes weiter erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Ergänzend oder alternativ sind wenigstens zwei der Schaltelemente als Doppelschaltelement ausgebildet. Formschlüssige Schaltelemente ermöglichen ein hocheffizientes und kostengünstiges Hybridgetriebe. Der technische Aufbau des Hybridgetriebes kann durch ein Doppelschaltelement weiter vereinfacht werden. Insbesondere kann ein Doppelschaltelement mittels eines einzigen Aktors geschaltet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe eine Schaltwalze zum mechanischen Steuern der Schaltelemente auf, wobei der Schaltwalze ein einziger Aktor zugeordnet ist. Hierdurch kann eine Ansteuerung des Hybridgetriebes weiter vereinfacht werden. Insbesondere kann vorzugsweise jeder Schaltzustand des Hybridgetriebes mittels nur eines einzigen Aktors erreicht werden. Eine Schaltwalze ermöglicht es, technisch einfach und fehlerunanfällig die Schaltelemente des Hybridgetriebes zu betätigen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltwalze zwei Gassen auf, wobei alle Schaltzustände des Hybridgetriebes durch genau vier rotatorische Positionen der Schaltwalze einrichtbar sind. Hierdurch kann das Hybridgetriebe technisch einfach angesteuert werden, da lediglich vier rotatorische Positionen der Schaltwalze mittels eines einzigen Aktors angefahren werden können müssen, um das Hybridgetriebe zu steuern. Unter rotatorischen Positionen der Schaltwalze ist insbesondere eine Drehposition um einen vordefinierten Winkel und/oder einen vordefinierten Winkelbereich zu verstehen. Beispielsweise kann die Drehposition der Schaltwalze durch einen Drehgeber bestimmt werden. Es versteht sich, dass weitere prinzipiell im Stand der Technik bekannte Sensoren und/oder Bestimmungsmöglichkeiten zur Positionsbestimmung einer Schaltwalze vorteilhaft mit dem Hybridgetriebe verwendet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Getriebeeingangswelle als Vollwelle ausgebildet. Ergänzend ist die zweite Getriebeeingangswelle als Vollwelle ausgebildet. Weiterhin ergänzend sind die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial zueinander angeordnet. Hierdurch kann das Hybridgetriebe technisch einfach geschaffen werden. Insbesondere können die zum Aufbau des Hybridgetriebes benötigten Bauteile technisch einfach und kostengünstig gefertigt werden. Eine Verwendung von Vollwellen führt zu einem mechanisch robusten und dabei dennoch kompakten Hybridgetriebe. Zudem ist die Lagerung der Getriebeeingangswellen technisch einfach möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Gangstufen als rein elektrische Gangstufen nutzbar. Ergänzend oder alternativ sind die beiden Gangstufen als hybride Gangstufen nutzbar. Hierdurch kann ein höchst kompaktes und technisch einfach aufbaubares Hybridgetriebe geschaffen werden, das insbesondere in Bezug auf die Bauraumanforderung eine hohe Variabilität aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Losräder und/oder die Festräder zum Bilden der beiden Gangstufen an der zweiten Getriebeeingangswelle angeordnet. Hierdurch kann technisch einfach erreicht werden, dass die elektrische Antriebsmaschine als Hauptfahrmaschine verwendet werden kann. Es kann ein höchst effizienter rein elektrischer Fahrbetrieb mittels des Hybridgetriebes eingerichtet werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass jede der beiden Gangstufen hocheffizient für die elektrische Antriebsmaschine geschaltet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Rückwärtsgangstufe durch Rückwärtsdrehen der elektrischen Antriebsmaschine einrichtbar. Hierdurch kann ein Rückwärtsfahren mittels des Hybridgetriebes erreicht werden, ohne dabei zusätzliche Zahnräder zur Drehrichtungsumkehr verwenden zu müssen. Es kann ein technisch einfaches kostengünstiges und kompaktes Hybridgetriebe mit hohem Funktionsumfang geschaffen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eine elektrische Achse auf, wobei die elektrische Achse einer ersten Fahrzeugachse zugeordnet ist und das Hybridgetriebe einer zweiten Fahrzeugachse zugeordnet ist. Die erste Fahrzeugachse umfasst vorzugsweise eine Hinterachse des Kraftfahrzeugs. Die zweite Fahrzeugachse umfasst vorzugsweise eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs. Hierdurch kann technisch einfach ein kostengünstiges Hybridallradfahrzeug geschaffen werden. Ferner kann durch den Kraftfahrzeug-Antriebsstrang ein zugkraftunterbrechungsfreies Schalten technisch einfach ermöglicht werden. Es kann ein ausfallsicherer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug geschaffen werden, da im Falle eines aufgebrauchten Energiespeichers für die elektrische Antriebsmaschine ein sogenannter serieller Fahrmodus einrichtbar ist. Bei einem seriellen Fahrmodus wird vorzugsweise die elektrische Antriebsmaschine von der Verbrennungsmaschine generatorisch betrieben und die so erzeugte Energie der elektrischen Achse zur Verfügung gestellt. Es versteht sich, dass auch ein rein verbrennungsmotorisches Fahren möglich ist. Zudem kann bei leerem Energiespeicher dennoch zugkraftunterbrechungsfrei geschalten werden, da bei einem Schaltvorgang für die Verbrennungsmaschine die elektrische Antriebsmaschine generatorisch betrieben werden kann und, wie oben beschrieben, der elektrischen Achse die so erzeugte Energie zuführen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Verbrennungsmaschine und die elektrische Antriebsmaschine an den gegenüberliegenden Seiten an das Hybridgetriebe angebunden. Alternativ sind die Verbrennungsmaschine und die elektrische Antriebsmaschine an der gleichen Seite an das Hybridgetriebe angebunden, wobei die Verbrennungsmaschine in Leistungsflussrichtung vor der elektrischen Antriebsmaschine an das Hybridgetriebe angebunden ist. Durch ein gegenüberliegendes Anbinden der Verbrennungsmaschine und der elektrischen Antriebsmaschine an das Hybridgetriebe ist die Anbindung der beiden Antriebsmaschinen an das Hybridgetriebe vereinfacht, da jedenfalls ausreichend Bauraum zum Anbinden der beiden Antriebsmaschinen vorhanden ist. Ferner ist die Lagerung der Antriebsmaschinen sowie der Getriebewellen vereinfacht, da Antriebsleistung verteilt in das Hybridgetriebe eingebracht wird. Ein Anbinden der Verbrennungsmaschine in Leistungsflussrichtung vor der elektrischen Antriebsmaschine ermöglicht technisch einfach das Einrichten eines hocheffizienten rein elektrischen Fahrbetriebs. Ferner ist ein effizienter generatorischer Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrische Antriebsmaschine als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ansteuerbar. Ergänzend oder alternativ ist die elektrische Antriebsmaschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers ansteuerbar. Ein Ansteuern der elektrischen Antriebsmaschine als Startergenerator und/oder als Ladegenerator ermöglicht ein hocheffizientes Betreiben des Kraftfahrzeug-Antriebstrangs. Insbesondere kann hierbei der Kraftstoffverbrauch reduziert werden sowie auf einen zusätzlichen Anlasser für die Verbrennungsmaschine verzichtet werden. Es kann ein kosteneffizienter Hybridantriebsstrang geschaffen werden, der kompakt baut und einen hohen Funktionsumfang aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrische Antriebsmaschine als Koaxialmaschine ausgebildet. Alternativ ist die elektrische Antriebsmaschine als achsparallele Antriebsmaschine ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise von einem Anbindungspunkt der elektrischen Antriebsmaschine aus achsparallel zur zweiten Getriebeeingangswelle axial in Richtung der Radsatzebenen. Durch das Ausbilden der elektrischen Antriebsmaschine als Koaxialmaschine kann ein gewichtsoptimierter Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden, da zum Anbinden der elektrischen Antriebsmaschine keine weiteren Zahnradpaare und/oder ein Zugmittelgetriebe nötig ist. Das Ausbilden der elektrischen Antriebsmaschine als achsparallele elektrische Antriebsmaschine ermöglicht eine hohe Variabilität in der Wahl der elektrischen Antriebsmaschine. Insbesondere kann diese individuell für den Einsatzzweck des Hybridgetriebes bzw. Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs gewählt werden. Es ist insbesondere möglich, das gleiche Hybridgetriebe für unterschiedliche Leistungsklassen zu verwenden, da durch die Wahl einer leistungsstärkeren elektrischen Antriebsmaschine die Leistungsklasse bestimmt werden kann. Somit kann ein Hybridgetriebe in großer Stückzahl, also kosteneffizient für eine Vielzahl verschiedener Fahrzeugtypen verwendet werden. Durch die Anbindung der achsparallelen Antriebsmaschine derart, dass sie sich von einem Anbindungspunkt axial in Richtung der Radsatzebenen erstreckt, kann eine Kompaktheit des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs weiter verbessert werden.
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.
Ein Gangstufenwechsel erfolgt insbesondere durch Abschalten eines Schaltelementes und/oder einer Kupplung und gleichzeitiges Aufschalten des Schaltelementes und/oder der Kupplung für die nächsthöhere oder -niedrigere Gangstufe. Das zweite Schaltelement und/oder die zweite Kupplung übernimmt also Stück für Stück das Drehmoment vom ersten Schaltelement und/oder der ersten Kupplung, bis am Ende des Gangstufenwechsels das gesamte Drehmoment vom zweiten Schaltelement und/oder der zweiten Kupplung übernommen wird. Bei vorheriger Synchronisation kann ein Gangwechsel schneller erfolgen, vorzugsweise können dabei formschlüssige Schaltelemente Anwendung finden.
Eine Verbrennungsmaschine kann 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.
Eine elektrische Fahrzeugachse, oder kurz elektrische Achse, ist vorzugsweise eine Nicht-Haupt-Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs bei der mittels einer elektrischen Antriebsmaschine Antriebsleistung auf Räder des Kraftfahrzeugs übertragen werden kann. Es versteht sich, dass die elektrische Antriebsmaschine auch mittels eines Getriebes angebunden sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang;
2 eine Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
3 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
4 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
5 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
6 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes; und
7 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes.

In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 gezeigt. Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 weist eine elektrische Antriebsmaschine 14 und eine Verbrennungsmaschine 16 auf, die mittels eines Hybridgetriebes 18 mit einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sind. Es versteht sich, dass auch eine Verbindung mit einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 möglich ist. Mittels des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 wird Antriebsleistung der Verbrennungsmaschine 16 und/oder der elektrischen Antriebsmaschine 14 den Rädern des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt.
Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner einen Energiespeicher 20 auf, um Energie zu speichern, die zum Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine 14 dient.
Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 umfasst ferner eine optionale elektrische Achse 22. In dem gezeigten Beispiel ist die elektrische Achse 22 der Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 zugeordnet. Es versteht sich, dass auch eine Vorderachse als elektrische Achse 22 ausgebildet sein kann, wobei dann vorzugsweise das Hybridgetriebe 18 der Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 zugeordnet ist. Die elektrische Achse 22 umfasst vorzugsweise wenigstens eine weitere elektrische Antriebsmaschine und optional ein Getriebe, um die Antriebsleistung der weiteren elektrischen Antriebsmaschine den der elektrischen Achse 22 zugeordneten Rädern zuzuführen.
2 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18. Das Hybridgetriebe 18 weist eine erste Getriebeeingangswelle 24 und eine zweite Getriebeeingangswelle 26 auf. Der ersten Getriebeeingangswelle 24 ist die Verbrennungsmaschine 16 zugeordnet. Die erste Getriebeeingangswelle 24 kann zudem einen Schwingungsdämpfer und/oder Torsionsdämpfer aufweisen, der ebenfalls in der Figur schematisch dargestellt und nicht näher bezeichnet ist.
Die erste Getriebeeingangswelle 24 und die zweite Getriebeeingangswelle 26 sind als Vollwellen ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine Verbrennungsmaschinenkupplung mit einem Schaltelement K0 vorgesehen, um die erste Getriebeeingangswelle 24 und die zweite Getriebeeingangswelle 26 antriebswirksam miteinander zu verbinden.
Der zweiten Getriebeeingangswelle 26 ist ein Doppelschaltelement umfassend ein erstes Schaltelement A und ein zweites Schaltelement B zugeordnet sowie die elektrische Antriebsmaschine 14. Ferner sind and der zweiten Getriebeeingangswelle Losräder 28, 30 von zwei mechanischen Gangstufen angeordnet.
Das Hybridgetriebe 18 weist insgesamt zwei mechanische Gangstufen auf, wobei eine mechanische Gangstufe vorzugsweise für die Verbrennungsmaschine 16 vorgesehen und optimiert ist. Die Radsatzebene zum Einrichten der Gangstufe für die Verbrennungsmaschine 16 ist zusätzlich mit V1 bezeichnet. Eine zweite mechanische Gangstufe ist der elektrischen Antriebsmaschine 14 zugeordnet und vorzugsweise für diese optimiert. Die Radsatzebene zum Einrichten der der elektrischen Antriebsmaschine zugeordneten Gangstufe ist zusätzlich mit E1 bezeichnet.
An der zweiten Getriebeeingangswelle 26 sind die Losräder 28, 30 der beiden mechanischen Gangstufen angeordnet. Das Losrad 28 ist der Radsatzebene V1 zugeordnet und in Eingriff mit einem Abtriebsritzel 32, das an einer Vorgelegewelle 34 angeordnet ist und zudem mit einem Zahnrad des Abtriebs 36 kämmt. Der Abtrieb 36 umfasst vorzugsweise ein Differential, um Antriebsleistung aus dem Hybridgetriebe 18 auf die nicht gezeigten Räder es Kraftfahrzeugs 10 zu übertragen. An der Vorgelegewelle 34 ist ferner ein Festrad 38 angeordnet, das in Eingriff mit dem Losrad 30 der Radsatzebene E1 ist.
Durch Schließen des ersten Schaltelements A wird die Gangstufe der Radsatzebene V1 für die Verbrennungsmaschine 16 eingelegt. Hierzu ist zusätzlich das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung zu schließen. Die Gangstufe der Radsatzebene E1 wird für die elektrische Antriebsmaschine 14 durch Schließen des zweiten Schaltelements B eingelegt. Es versteht sich, dass entweder das erste Schaltelement A oder das zweite Schaltelement B eingelegt sind. Ein Einlegen von beiden Schaltelementen ist vorzugsweise nicht möglich. Es versteht sich ferner, dass die Gangstufe der Radsatzebene V1 ebenfalls für die elektrische Antriebsmaschine 14 eingelegt werden kann, wobei hierzu vorzugsweise das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung zu öffnen ist, um die Verbrennungsmaschine 16 nicht unnötig mitzuschleppen. Die Gangstufe der Radsatzebene E1 kann auch für die Verbrennungsmaschine 16 eingelegt werden, wobei hierzu zusätzliche das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung zu schließen ist.
Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner eine optionale Schaltwalze 40 die von einem einzigen Aktor 42 betreibbar ist. Die Schaltwalze 40 weist in dem gezeigten Beispiel zwei Gassen 44 auf, die dazu ausgebildet sind, Schaltgabeln der Schaltelemente K0, A und B zu betätigen. Es versteht sich, dass die Darstellung der Schaltwalze 40 schematisch stark vereinfacht und nicht maßstabsgetreu, insbesondere in Bezug auf das Hybridgetriebe 18 zu verstehen ist.
Vorzugsweise ist eine Gasse 44 der Schaltwalze 40 zum Betätigen des Schaltelements K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung ausgebildet. Die andere Gasse 44 der Schaltwalze 40 ist dazu ausgebildet, die Schaltgabel für das Doppelschaltelement umfassend das erste Schaltelement A und das zweite Schaltelement B zu betätigen.
Vorzugsweise kann das Hybridgetriebe 18 durch insgesamt vier rotatorische Positionen der Schaltwalze 40 geschaltet werden.
Eine erste rotatorische Position führt zum Schließen des ersten Schaltelements A, wobei die anderen Schaltelemente K0 und B geöffnet sind. Hierbei kann rein elektrisch mittels der elektrischen Antriebsmaschine 14 gefahren werden, wobei der mechanische Gang bzw. die Gangstufe der Radsatzebene E1 eingelegt ist.
In einer zweiten rotatorischen Position sind alle Schaltelemente K0, A und B offen. In diesem Zustand erfolgt vorzugsweise eine Synchronisation des Schaltelements K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung durch eine Drehzahlregelung der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 14, wenn von der zweiten rotatorischen Position in die dritte rotatorische Position übergegangen werden soll. Es versteht sich, dass auch eine Synchronisation des ersten Schaltelements A durch eine Drehzahlregelung der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen kann, wenn von der zweiten rotatorischen Position zurück in die erste rotatorische Position gewechselt werden soll.
Die dritte rotatorische Position umfasst ein Schließen des Schaltelements K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung, wobei die übrigen Schaltelemente A, B offen sind. In diesem Zustand kann beispielsweise die Verbrennungsmaschine 16 durch die elektrische Antriebsmaschine 14 gestartet werden. Ferner kann die elektrische Antriebsmaschine 14 von der Verbrennungsmaschine 16 generatorisch betrieben werden, beispielsweise zum Laden des Energiespeichers 20 und/oder zum Versorgen der elektrischen Achse 22 in einem seriellen Fahrmodus. In diesem Zustand kann eine Synchronisation des zweiten Schaltelements B erfolgen, wenn aus der dritten rotatorischen Position in die vierte rotatorische Position gewechselt werden soll. Bei der Synchronisation kann die elektrische Antriebsmaschine 14 die Verbrennungsmaschine 16 beim Synchronisieren unterstützen, beispielsweise kann die elektrische Antriebsmaschine 14 generatorisch betrieben werden. Ferner kann aus diesem Zustand ein Lastabbau an der Verbrennungsmaschine 16 und der elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen, falls von der dritten rotatorischen Position zurück in die zweite rotatorische Position gewechselt werden soll. Hierbei erfolgt ein Lastabbau am Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung bis dieses lastfrei ist. Anschließend kann das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung geöffnet werden. Es versteht sich, dass das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung vorzugsweise als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet ist.
In der vierten rotatorischen Position sind das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung und das zweite Schaltelement B geschlossen. In diesem Zustand kann ein hybrides Fahren in der Gangstufe, die durch die Radsatzebene V1 einrichtbar ist, erfolgen. Ferner kann hierbei ein Lastabbau am zweiten Schaltelement B erfolgen, wenn von der vierten rotatorischen Position in die dritte rotatorische Position gewechselt werden soll. Das zweite Schaltelement B wird hierbei lastfrei gemacht, sodass das zweite Schaltelement B anschließend geöffnet werden kann. Vorzugsweise wird das durch generatorisches Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine 14 erreicht, um das Moment der Verbrennungsmaschine 16 auszugleichen.
Dieser Schaltablauf erfolgt sequenziell in der oben genannten Reihenfolge der rotatorischen Positionen 1 bis 4. Es versteht sich, dass entsprechend bei einem Rückwärtsdrehen der Schaltwalze 40 die sequenzielle Reihenfolge von 4 nach 1 durchlaufen werden kann.
Die beschriebenen Schaltungen sind an der dem Hybridgetriebe 18 zugeordneten Kraftfahrzeugachse zugkraftunterbrochen. Es versteht sich, dass, sofern vorhanden, die elektrische Achse 22 eine Zugkraftauffüllung bei den oben genannten Schaltvorgängen durchführen kann.
Es versteht sich ferner, dass anstatt der Schaltwalze 40 auch konventionelle Aktoren Anwendung finden können, um die Schaltelemente K0, A, B zu schalten. In diesem Fall kann insbesondere erreicht werden, dass die beiden mechanischen Gangstufen für die elektrische Antriebsmaschine 14 als reine elektrische Gangstufen nutzbar sind. Ferner kann erreicht werden, dass beide Gangstufen des Hybridgetriebes 18 für die Verbrennungsmaschine 16 nutzbar sind, wobei hier die elektrische Antriebsmaschine 14 zwangsläufig mit angekoppelt ist. Ferner kann aus einem seriellen Betrieb, bei dem das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung geschlossen ist, ein Übergang in jede der beiden Gangstufen des Hybridgetriebes 18 erfolgen.
In dem gezeigten Beispiel ist die Verbrennungsmaschine 16 am gegenüberliegenden Ende der Anbindungsstelle der elektrischen Antriebsmaschine an das Hybridgetriebe 18 angebunden. Die elektrische Antriebsmaschine 14 ist als Koaxialmaschine ausgebildet.
In 3 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Folgenden soll nur auf die Unterschiede der gezeigten Ausführungsformen von Hybridgetrieben 18 eingegangen werden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden nicht erneut erläutert.
Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Variante ist die elektrische Antriebsmaschine 14 an der gleichen Getriebeseite wie die Verbrennungsmaschine 16 an das Hybridgetriebe 18 angebunden. Ferner wurde aus Gründen der Übersicht auf die Darstellung der Schaltwalze 40 verzichtet. Die elektrische Antriebsmaschine 14 ist in Leistungsflussrichtung nach dem Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung an das Hybridgetriebe 18 angebunden. Mit anderen Worten befindet sich das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung in Leistungsflussrichtung zwischen der Verbrennungsmaschine 16 und der als Koaxialmaschine ausgebildeten elektrischen Antriebsmaschine 14.
In 4 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Variante ist die elektrische Antriebsmaschine 14 als achsparallele elektrische Antriebsmaschine ausgebildet und mittels eines kämmenden Zahnradpaares an das Hybridgetriebe 18 angebunden. Die elektrische Antriebsmaschine 14 erstreckt sich dabei von einer Anbindungsstelle an das Hybridgetriebe 18 achsparallel zur zweiten Getriebeeingangswelle 26 in axialer Richtung zu den Radsatzebenen V1, E1 hin.
In 5 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Variante ist die elektrische Antriebsmaschine 14 als achsparallele elektrische Antriebsmaschine ausgebildet. Die elektrische Antriebsmaschine 14 ist dabei mittels eines kämmenden Zahnradpaares eines Zugmittelgetriebes oder einer anderen im Stand der Technik bekannten Anbindungsweise an das Hybridgetriebe 18 angebunden.
In 6 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Doppelschaltelement umfassend das erste Schaltelement A und das zweite Schaltelement B aufgelöst. Das zweite Schaltelement B ist an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet. Insoweit entspricht die Radsatzebene V1 der Radsatzebene V1 in 2. Bei der Radsatzebene E1 sind das Festrad und das Losrad getauscht. Folglich ist das Festrad 38 der Radsatzebene E1 an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet. Das Losrad 30 der Radsatzebene E1 ist an der Vorgelegewelle 34 angeordnet. Ferner ist das erste Schaltelement A an der Vorgelegewelle 34 angeordnet. Das Losrad 30 kann durch Einlegen des ersten Schaltelements A antriebswirksam mit der Vorgelegewelle 34 verbunden werden.
Hierdurch kann das Festrad 38 der Radsatzebene E1 im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsformen von Hybridgetrieben 18 einen kleinen Durchmesser haben, sodass eine höhere Übersetzung für die elektrische Antriebsmaschine 14 realisierbar ist. Nachteilig dabei ist, dass ein bautechnischer Zusatzaufwand nötig ist, falls das erste Schaltelement A und das zweite Schaltelement B als Doppelschaltelement mit einem gemeinsamen Aktuator betätigbar sein sollen. Insbesondere sind hierzu zwei Schaltgabeln notwendig.
In 7 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Variante ist das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung als Reibschaltelement ausgebildet. Hierdurch ist es insbesondere möglich das Schaltelement K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung bei einer Drehzahldifferenz zwischen der ersten Getriebeeingangswelle 24 und der zweiten Getriebeeingangswelle 26 zu schließen. Hierdurch wird insbesondere ein sogenannter Schwungstart der Verbrennungsmaschine 16 ermöglicht. Ferner kann die Verbrennungsmaschinenkupplung zum Anfahren mittels der Verbrennungsmaschine 16 verwendet werden. Es versteht sich, dass auch ein Öffnen des Schaltelements K0 der Verbrennungsmaschinenkupplung unter Last möglich ist.
Insbesondere kann die Verbrennungsmaschine 16 auch unter Drehzahldifferenz gestartet und/oder zugeschaltet werden.
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. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Kraftfahrzeug-Antriebsstrang
14: elektrische Antriebsmaschine
16: Verbrennungsmaschine
18: Hybridgetriebe
20: Energiespeicher
22: elektrische Achse
24: erste Getriebeeingangswelle
26: zweite Getriebeeingangswelle
28: Losrad
30: Losrad
32: Abtriebsritzel
34: Vorgelegewelle
36: Abtrieb
38: Festrad
40: Schaltwalze
42: Aktor
44: Gasse
A: erstes Schaltelement
B: zweites Schaltelement
K0: Schaltelement der Verbrennungsmaschinenkupplung
E1: Radsatzebene
V1: Radsatzebene

Claims

Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einer ersten Getriebeeingangswelle (24), die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer Verbrennungsmaschine (16) des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden; einer zweiten Getriebeeingangswelle (26), die dazu ausgebildet ist antriebswirksam mit einer elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden; einer Vorgelegewelle (34) mit einem Abtrieb (36); in mehreren Radsatzebenen (E1, V1) angeordneten Losrädern (28, 30) und Festrädern (38) zum Bilden von Gangstufen; und einer Gangschaltvorrichtung mit Schaltelementen (A, B) zum Einlegen der Gangstufen, wobei der Abtrieb ein Abtriebsritzel (32) umfasst; die Losräder und Festräder zum Bilden von Gangstufen in zwei Radsatzebenen angeordnet sind; die Losräder und Festräder zum Bilden von genau zwei mechanischen Gangstufen ausgebildet sind; und das Abtriebsritzel mit einem gangbildenden Zahnrad kämmt.
Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1, mit einer Verbrennungsmaschinenkupplung mit einem Schaltelement (K0), vorzugsweise in Form einer Reibkupplung, zum lösbaren Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle (24) und der zweiten Getriebeeingangswelle (26).
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (A, B, K0) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind; und/oder wenigstens zwei der Schaltelemente als Doppelschaltelement ausgebildet sind.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Schaltwalze (40) zum mechanischen Steuern der Schaltelemente (A, B, K0), wobei der Schaltwalze ein einziger Aktor (42) zugeordnet ist.
Hybridgetriebe (18) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schaltwalze (40) zwei Gassen (44) aufweist und alle Schaltzustände des Hybridgetriebes durch vier rotatorische Positionen der Schaltwalze einrichtbar sind.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Getriebeeingangswelle (24) als Vollwelle ausgebildet ist; die zweite Getriebeeingangswelle (26) als Vollwelle ausgebildet ist; und die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial zueinander angeordnet sind.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die beiden Gangstufen als rein elektrische Gangstufen nutzbar sind; und/oder die beiden Gangstufen als hybride Gangstufen nutzbar sind.
Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 7, wobei die Lösräder (28, 30) und/oder die Festräder (38) zum Bilden der beiden Gangstufen an der zweiten Getriebeeingangswelle (26) angeordnet sind.
Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Rückwärtsgangstufe durch Rückwärtsdrehen der elektrischen Antriebsmaschine (14) einrichtbar ist.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) für ein Kraftfahrzeug (10), mit: einem Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Verbrennungsmaschine (16), die mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) verbindbar ist; und einer elektrischen Antriebsmaschine (14), die mit der zweiten Getriebeeingangswelle (26) verbindbar ist.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 10, mit einer elektrischen Achse (22), wobei die elektrische Achse einer ersten Fahrzeugachse zugeordnet ist und das Hybridgetriebe (18) einer zweiten Fahrzeugachse zugeordnet ist.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 11, wobei die Verbrennungsmaschine (16) und die elektrische Antriebsmaschine (14) an gegenüberliegenden Seiten an das Hybridgetriebe (18) angebunden sind; oder die Verbrennungsmaschine und die elektrische Antriebsmaschine an der gleichen Seite an das Hybridgetriebe angebunden sind und die Verbrennungsmaschine in Leistungsflussrichtung vor der elektrischen Antriebsmaschine an das Hybridgetriebe angebunden ist.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 12, wobei die elektrische Antriebsmaschine (14) als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine (16) ansteuerbar ist; und/oder als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers (20) ansteuerbar ist.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die elektrische Antriebsmaschine (14) als Koaxialmaschine ausgebildet ist; oder die elektrische Antriebsmaschine als achsparallele Antriebsmaschine ausgebildet ist und sich vorzugsweise von einem Anbindungspunkt der elektrischen Antriebsmaschine achsparallel zur zweiten Getriebeeingangswelle (26) axial in Richtung der Radsatzebenen (E1, V1) erstreckt.
Kraftfahrzeug (10) mit: einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 14; und einem Energiespeicher (20) zum Speichern von Energie zum Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine (14).