DE102021206260B4 - Gangvorwahlfrei lastschaltbares Hybridgetriebe mit generatorischer Stützung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12), mit: einem ersten Vier-Wellensystem (24); einem zweiten Vier-Wellensystem (26); einer ersten Getriebeeingangswelle (28) zum Wirkverbinden mit einer Verbrennungsmaschine (16); einer zweiten Getriebeeingangswelle (30) zum Wirkverbinden mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14); einer Abtriebswelle (42) zum Wirkverbinden mit einem Abtrieb (46); mehreren Gangschaltvorrichtungen (A, B, C, D); einer ersten Verbindungskupplung (K1) zum antriebswirksamen Verbinden einer ersten Ausgangswelle (32) des ersten Vier-Wellensystems mit einer ersten Eingangswelle (36) des zweiten Vier-Wellensystems; und einer zweiten Verbindungskupplung (K2) zum antriebswirksamen Verbinden einer zweiten Ausgangswelle (34) des ersten Vier-Wellensystems mit der ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems; wobei die erste Getriebeeingangswelle eine erste Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems umfasst, die zweite Getriebeeingangswelle eine zweite Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems umfasst, die Abtriebswelle eine Ausgangswelle des zweiten Vier-Wellensystems umfasst; eine zweite Eingangswelle (38) des zweiten Vier-Wellensystems festsetzbar ist; eine dritte Eingangswelle (40) des zweiten Vier-Wellensystems mit der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbindbar ist, und mit dem ersten Vier-Wellensystem ein elektrodynamischer Überlagerungszustand einrichtbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einem solchen Hybridgetriebe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs.
  • Fahrzeuge werden zunehmend mit Hybridantrieben, d. h. mit wenigstens zwei verschiedenen Antriebsquellen ausgestattet. Hybridantriebe können zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen beitragen. Es haben sich weitgehend Antriebsstränge mit einem Verbrennungsmotor und einem oder mehreren Elektromotoren als Parallelhybrid oder als Mischhybrid durchgesetzt. Derartige Hybridantriebe weisen im Kraftfluss eine im Wesentlichen parallele Anordnung des Verbrennungsmotors und des Elektroantriebs auf. Hierbei können sowohl eine Überlagerung der Antriebsmomente als auch eine Ansteuerung mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb oder rein elektromotorischem Antrieb ermöglicht werden. 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 der oben genannten Hybridantriebe besteht in einem im Allgemeinen komplexeren Aufbau, da beide Antriebsquellen vorzugsweise mit nur einem Getriebe Antriebsleistung auf eine Antriebswelle übertragen. Hierdurch sind derartige Getriebe meist aufwendig und kostenintensiv in der Produktion. Eine Reduzierung der Komplexität im Aufbau eines Hybridgetriebes geht meistens mit einer Einbuße an Variabilität einher.
  • 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 insbesondere 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.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 053 757 A1 betrifft eine Hybridantriebsvorrichtung mit einer Antriebseinheit, die zumindest ein erstes Anbindungselement zur Anbindung einer ersten Antriebsmaschine und ein zweites Anbindungselement zur Anbindung einer zweiten Antriebsmaschine, ein drittes Anbindungselement zur Anbindung einer ersten Teilgetriebeeinheit und ein viertes Anbindungselement zur Anbindung einer zweiten Teilgetriebeeinheit aufweist. Ferner umfasst die Hybridantriebsvorrichtung eine Überlagerungsgetriebeeinheit zur Verbindung der zumindest vier Anbindungselemente, die zumindest vier voneinander getrennt ausgebildete Getriebeelemente umfasst, die jeweils mit einem der Anbindungselemente fest verbunden sind.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 201 376 A1 betrifft ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle sowie drei Leistungspfaden zwischen der Getriebeeingangswelle und einem aus zwei Einzelplanetenradsätzen bestehenden Hauptradsatz mit vier in Drehzahlordnung als erste, zweite, dritte und vierte Welle bezeichneten Wellen. Zumindest eine Elektromaschine ist mit zumindest einer der Wellen des Hauptradsatzes verbunden. Die erste Welle ist über ein erstes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad und über ein zweites Schaltelement mit dem dritten Leistungspfad verbindbar. Die zweite Welle ist über ein drittes Schaltelement mit dem ersten Leistungspfad und über ein viertes Schaltelement mit dem dritten Leistungspfad verbindbar.
  • Die dritte Welle ist ständig mit der Getriebeausgangswelle verbunden. Die vierte Welle ist über ein fünftes Schaltelement mit dem zweiten Leistungspfad verbindbar und über ein sechstes Schaltelement festsetzbar.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe, ein kompaktes, hocheffizientes und variables Hybridgetriebe zu schaffen. Insbesondere soll ein vorwahlschaltungsfreies Hybridgetriebe mit einem EDA geschaffen werden, das generatorische Schaltstützungen erlaubt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hybridgetriebe für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit:
    • einem Vorschaltradsatz umfassend ein erstes Vier-Wellensystem ;
    • einem Hauptradsatz umfassend ein zweites Vier-Wellensystem;
    • einer ersten Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs;
    • einer zweiten Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs;
    • einer Abtriebswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb;
    • mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen zum Schalten von Gangstufen;
    • einer ersten Verbindungskupplung zum antriebswirksamen Verbinden einer ersten Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems mit einer ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems; und
    • einer zweiten Verbindungskupplung zum antriebswirksamen Verbinden einer zweiten Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems mit der ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems; wobei
    • die erste Getriebeeingangswelle eine erste Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems umfasst;
    • die zweite Getriebeeingangswelle eine zweite Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems umfasst;
    • die Abtriebswelle eine Ausgangswelle des zweiten Vier-Wellensystems umfasst;
    • eine zweite Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems festsetzbar ist;
    • eine dritte Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems mit der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbindbar ist; und
    • mit dem ersten Vier-Wellensystem ein elektrodynamischer Überlagerungszustand einrichtbar ist.
  • 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 ersten elektrischen Antriebsmaschine, die mit der zweiten Getriebeeingangswelle verbunden ist.
  • Die obige Aufgabe wird zudem gelöst von einem Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs wie zuvor definiert.
  • 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 ersten Antriebsmaschine und/oder der weiteren 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, das Kraftfahrzeug sowie das Verfahren entsprechend den für das Hybridgetriebe in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
  • Durch einen Vorschaltradsatz umfassend ein erstes Vier-Wellensystem können ein elektrodynamisches Anfahrelement EDA oder elektrodynamische Schaltungen EDS ermöglicht werden. Ein Hauptradsatz umfassend ein zweites Vier-Wellensystem ermöglicht vorzugsweise das Einrichten von vier hybriden Vorwärtsgangstufen, einer hybriden Rückwärtsgangstufe und zwei rein elektrischen Vorwärtsgangstufen. Durch die Kombination des Vorschaltradsatzes und des Hauptradsatzes können ferner vier vorwärts gerichtete ECVT-Modi und ein rückwärts gerichteter ECVT-Modus eingerichtet werden. Zudem ist ein serieller Modus bzw. ein Laden-in-Neutral möglich. Die ECVT-Modi umfassen leistungsverzweigte ECVT-Fahrbereiche für die Verbrennungsmaschine, bei denen auch ein batterieneutraler Betrieb möglich ist. Durch eine erste Verbindungskupplung und eine zweite Verbindungskupplung kann der Vorschaltradsatz effizient und platzsparend mit dem Hauptradsatz antriebswirksam verbunden werden. Durch eine zweite Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems, die festsetzbar ist, kann vorteilhaft mit dem zweiten Vier-Wellensystem eine erste und zweite Übersetzung eingerichtet werden. Ferner können durch das antriebswirksame Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle mit einer dritten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems weitere Gangstufen im Hybridgetriebe eingerichtet werden. Durch einen elektrodynamischen Überlagerungszustand, der mit dem ersten Vier-Wellensystem einrichtbar ist, können ein elektrodynamisches Anfahren sowie elektrodynamische Schaltungen erfolgen. Ferner kann eine leistungsärmere und folglich kleinere elektrische Antriebsmaschine verwendet werden, da die elektrodynamischen Schaltungen nur geringe Leistungen erfordern. Insbesondere benötigt das Getriebe keine Vorwahlschaltungen und weist eine gute Übersetzungsreihe auf.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erste Vier-Wellensystem einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz. Ergänzend oder alternativ umfasst das zweite Vier-Wellensystem einen dritten Planetenradsatz und einen vierten Planetenradsatz. Durch zwei Vier-Wellensysteme, die jeweils zwei Planetenradsätze umfassen, kann ein kompaktes und verlustarmes Getriebe geschaffen werden.
  • Insbesondere kann ein Getriebe geschaffen werden, das wenig Schaltelemente und eine hohe Variabilität aufweist. Zudem kann mit dem Getriebe ein hoher Geschwindigkeitsbereich, insbesondere im Bereich von 0 bis über 200 km/h, abgedeckt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils ein erstes Planetenradsatz-Element des ersten Planetenradsatzes und des zweiten Planetenradsatzes mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden. Ergänzend sind jeweils ein zweites Planetenradsatz-Element des ersten Planetenradsatzes und des zweiten Planetenradsatzes mit der zweiten Getriebeeingangswelle verbunden. Weiterhin ergänzend ist ein drittes Planetenradsatz-Element des ersten Planetenradsatzes mit der ersten Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems verbunden. Ferner ist ein drittes Planetenradsatz-Element des zweiten Planetenradsatzes mit der zweiten Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems verbunden. Weiterhin ist jeweils ein erstes Planetenradsatz-Element des dritten Planetenradsatzes und des vierten Planetenradsatzes mit der Abtriebswelle verbunden. Ein zweites Planetenradsatz-Element des dritten Planetenradsatzes und des vierten Planetenradsatzes ist jeweils mit der zweiten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems verbunden. Weiterhin ist ein drittes Planetenradsatz-Element des dritten Planetenradsatzes mit der ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems verbunden. Weiterhin ergänzend ist ein drittes Planetenradsatz-Element des vierten Planetenradsatzes mit der dritten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems verbunden. Durch die vorteilhafte Verbindung der Planetenradsatz-Elemente untereinander und mit den Getriebeeingangs- bzw. -ausgangswellen kann technisch einfach ein robustes und zuverlässiges Hybridgetriebe mit zwei Vier-Wellensystemen geschaffen werden, das mehrere ECVT-Modi, elektrische Gangstufen und leistungsverzweigte Zustände ermöglicht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Hybridgetriebe ein Schaltelement, das zum Festsetzen der ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems ausgebildet ist. Ergänzend oder alternativ umfasst das Hybridgetriebe ein Schaltelement, das zum Festsetzen der dritten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems ausgebildet ist. Durch ein Schaltelement, das zum Festsetzen der ersten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems ausgebildet ist, kann eine weitere mechanische Gangstufe im Hybridgetriebe geschaffen werden. Ein Schaltelement, das zum Festsetzen der dritten Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems ausgebildet ist, ermöglicht das Schaffen eines mechanischen Rückwärtsgangs im Hybridgetriebe.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Getriebeeingangswelle als Vollwelle ausgebildet und zumindest abschnittsweise von als Hohlwellen ausgebildeten weiteren Getriebewellen umgeben. Hierdurch kann ein kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Vorzugsweise ist die erste Getriebeeingangswelle die längste Getriebewelle des Hybridgetriebes und verläuft in axialer Richtung vorzugsweise durch das komplette Hybridgetriebe hindurch.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Hauptradsatz einen geschachtelten dritten und vierten Planetenradsatz. Hierdurch kann ein insbesondere in axialer Baurichtung sehr kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste Getriebeeingangswelle eine Verbrennungsmaschinenkupplung zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle mit der Verbrennungsmaschine. Die Verbrennungsmaschinenkupplung ist vorzugsweise als Reibkupplung ausgebildet, sodass ein Schwungstart der Verbrennungsmaschine möglich ist. Ferner ermöglicht eine Verbrennungsmaschinenkupplung einen effizienten rein elektrischen Fahrbetrieb, bei dem die Verbrennungsmaschine vom Getriebe abgekoppelt werden kann und folglich nicht mitgeschleppt werden muss.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Ergänzend oder alternativ sind die Verbindungskupplungen als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Weiterhin ergänzend oder alternativ sind zwei der Schaltelemente, bevorzugt alle Schaltelemente, als Doppelschaltelemente ausgebildet und von einem doppeltwirkenden Aktor betätigbar. Hierdurch kann ein effizientes und kostengünstiges Hybridgetriebe geschaffen werden. Ein Doppelschaltelement ermöglicht es, das Hybridgetriebe mit weniger Bauteilen aufzubauen, da zur Betätigung eines Doppelschaltelements nur ein Aktor verwendet werden muss. Die Ansteuerung des Getriebes ist vereinfacht. Das Getriebe baut kompakt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine als Koaxialmaschine ausgebildet und der Vorschaltradsatz und vorzugsweise die Verbrennungsmaschinenkupplung, zumindest abschnittsweise, radial und/oder axial innerhalb der ersten elektrischen Antriebsmaschine angeordnet. Hierdurch kann ein hocheffizienter und insbesondere axial kompakt bauender Antriebsstrang geschaffen werden. Der zur Verfügung stehende Bauraum kann vorteilhaft genutzt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verbrennungsmaschine achsparallel zum Hybridgetriebe angeordnet und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden. Hierdurch kann eine axiale Länge des Antriebsstrangs verringert werden. Es kann ein in axialer Richtung kompakter und effizienter Antriebsstrang geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Abtriebswelle des Hybridgetriebes mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar. Ergänzend umfasst eine zweite Kraftfahrzeugachse eine elektrische Achse mit einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine. Hierdurch kann technisch einfach ein Allrad-Antriebssystem mittels des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs geschaffen werden. Ferner kann ein serielles Fahren eingerichtet werden, bei dem das Hybridgetriebe in den Zustand Laden-in-Neutral geschaltet wird und so die erste elektrische Antriebsmaschine generatorisch von der Verbrennungsmaschine betrieben werden kann, um elektrische Leistung für die weitere elektrische Antriebsmaschine der elektrischen Achse zur Verfügung zu stellen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ansteuerbar. Ergänzend oder alternativ ist die erste elektrische Antriebsmaschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers ansteuerbar. Hierdurch kann der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang effizient betrieben werden. Der Kraftstoffverbrauch kann reduziert werden. Vorzugsweise kann auf einen zusätzlichen Anlasser für die Verbrennungsmaschine verzichtet werden.
  • Ein Festsetzen eines Elements eines Planetenradsatzes bzw. eines Vier-Wellensystems ist insbesondere als ein Blockieren einer Drehung des Elements um seine Rotationsachse zu verstehen. Vorzugsweise wird dabei das Element mittels eines Schaltelements drehfest mit einem statischen Bauteil wie einem Rahmen und/oder einem Getriebegehäuse verbunden. Es ist auch denkbar, das Element bis zu einem Stillstand zu bremsen.
  • Ein Verblocken eines Planetenradsatzes bzw. eines Vier-Wellensystems umfasst ein antriebswirksames Verbinden zweier Zahnräder und/oder des Planetenradträgers und eines Zahnrads des Planetenradsatzes, sodass diese gemeinsam mit der gleichen Umdrehungszahl um denselben Punkt, vorzugsweise den Mittelpunkt des Planetenradsatzes, rotieren. Beim Verblocken zweier Zahnräder und/oder eines Planetenradträgers und eines Zahnrads des Planetenradsatzes wirkt der Planetenradsatz vorzugsweise wie eine Welle, es findet insbesondere keine Übersetzung im Planetenradsatz statt.
  • Unter „antriebswirksam verbunden“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen verstanden werden, welche zu einer permanenten Übertragung einer Drehzahl, eines Drehmoments und/oder einer Antriebsleistung vorgesehen ist. Die Verbindung kann dabei sowohl direkt oder über eine Festübersetzung erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle, eine Verzahnung, insbesondere eine Stirnradverzahnung, und/oder ein Umschlingungsmittel, insbesondere ein Zugmittelgetriebe, erfolgen.
  • Unter „antriebswirksam verbindbar“, „kann antriebswirksam verbunden werden“ oder „ist zum antriebswirksamen Verbinden ausgebildet“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein schaltbares Verbinden zwischen zwei Bauteilen verstanden werden, welches in einem geschlossenen Zustand zu einer temporären Übertragung einer Drehzahl, eines Drehmoments und/oder einer Antriebsleistung vorgesehen ist. In einem geöffneten Zustand überträgt das schaltbare Verbinden vorzugsweise temporär im Wesentlichen keine Drehzahl, kein Drehmoment und/oder keine Antriebsleistung.
  • Unter Standladen bzw. Laden-in-Neutral ist insbesondere das Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine als Generator zu verstehen, vorzugsweise bei einem Stillstand mit laufender Verbrennungsmaschine, um einen Energiespeicher zu befüllen und/oder eine Bordelektronik zu speisen.
  • Ein 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 Schaltelements und/oder einer Kupplung und gleichzeitiges Aufschalten des Schaltelements 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 von 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.
  • Beim seriellen Fahren oder Kriechen wird eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs generatorisch von einer Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs betrieben. Die so erzeugte Energie wird dann einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, um Antriebsleistung bereitzustellen.
  • 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. Mittels einer elektrischen Achse kann ganz oder teilweise eine Zugkraft aufrechterhalten werden, wenn im Getriebe für eine Haupt-Antriebsachse ein Gangwechsel erfolgt. Ferner kann mittels einer elektrischen Achse zumindest teilweise eine Allrad-Funktionalität eingerichtet werden.
  • Ein elektrodynamisches Anfahrelement (EDA) bewirkt, dass über einen oder mehrere Planetenradsätze eine Drehzahlüberlagerung von Verbrennungsmaschinen-Drehzahl und elektrischer Antriebsmaschinen-Drehzahl stattfindet, sodass ein Anfahren eines Kraftfahrzeugs aus dem Stillstand bei laufender Verbrennungsmaschine, vorzugsweise ohne Reibkupplung, möglich ist. Dabei stützt die elektrische Antriebsmaschine ein Drehmoment ab. Vorzugsweise ist die Verbrennungsmaschine nicht mehr durch eine Anfahrkupplung oder dergleichen vom Getriebe trennbar. Durch Verwenden eines EDAs können vorzugsweise Anlasser, Generator und Anfahrkupplung beziehungsweise hydrodynamischer Wandler entfallen. Dabei baut ein EDA insbesondere so kompakt, dass alle Komponenten im serienmäßigen Kupplungsgehäuse ohne Verlängerung des Getriebes Platz finden. Das elektrodynamische Anfahrelement kann beispielsweise über einen weich abgestimmten Torsionsdämpfer fest mit einer Verbrennungsmaschine und insbesondere einem Schwungrad einer Verbrennungsmaschine verbunden sein. Somit können die elektrische Antriebsmaschine und die Verbrennungsmaschine wahlweise gleichzeitig oder alternativ betrieben werden. Hält das Kraftfahrzeug an, können elektrische Antriebsmaschine und Verbrennungsmaschine abgeschaltet werden. Aufgrund einer guten Regelbarkeit der elektrischen Antriebsmaschine wird eine sehr hohe Anfahrqualität erreicht, die der eines Antriebs mit Wandlerkupplung entsprechen kann.
  • Bei einer sogenannten elektrodynamischen Schaltung (EDS) findet wie beim EDA-Anfahren über einen oder mehrere Planetenradsätze eine Drehzahlüberlagerung von Verbrennungsmaschinen-Drehzahl und elektrischer Antriebsmaschinen-Drehzahl statt. Zum Schaltungsbeginn werden die Drehmomente der elektrischen Antriebsmaschine und der Verbrennungsmaschine angepasst, sodass das auszulegende Schaltelement lastfrei wird. Nach dem Öffnen dieses Schaltelements erfolgt eine Drehzahlanpassung unter Erhaltung der Zugkraft, sodass das einzulegende Schaltelement synchron wird. Nach dem Schließen des Schaltelements erfolgt die Lastaufteilung zwischen der Verbrennungsmaschine und der elektrischen Antriebsmaschine beliebig je nach Hybrid-Betriebsstrategie. Das elektrodynamische Schaltverfahren hat den Vorteil, dass das zu schaltende Schaltelement des Zielgangs durch das Zusammenspiel der elektrischen Antriebsmaschine und der Verbrennungsmaschine synchronisiert wird, wobei die elektrische Antriebsmaschine vorzugsweise präzise regelbar ist. Ein weiterer Vorteil des EDS-Schaltverfahrens ist, dass eine hohe Zugkraft erreicht werden kann, da sich die Drehmomente der Verbrennungsmaschine und der elektrischen Maschine im Hybridgetriebe summieren.
  • Ein Vier-Wellensystem kann aus mehreren Radsätzen bestehen deren Wellen entsprechend miteinander verkoppelt sind. Die Radsätze können verschiedene Bauformen aufweisen, z.B. Plus- oder Minus-Planetenradsätze, reduzierte Planetenradsätze. Ferner kann auch ein Stufenplanetenradsystem ein Vierwellen-System ausbilden. Durch zwei definierte Drehzahlen sind vorzugsweise alle Wellen im Vierwellen-System definiert.
  • 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 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 3 schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 2;
    • 4 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 5 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 6 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 7 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 8 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes; und
    • 9 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 erste elektrische Antriebsmaschine 14 und eine Verbrennungsmaschine 16 auf, die mittels eines Hybridgetriebes 18 mit einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden sind. Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 umfasst in dem gezeigten Beispiel ferner eine optionale elektrische Achse mit einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20, die mit einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden ist. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Anbindung erfolgen kann, also dass das Hybridgetriebe 18 mit der Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden ist und die Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10 die elektrische Achse umfasst. Mittels des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 wird Antriebsleistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14, der Verbrennungsmaschine 16 und/oder der optionalen weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20 den Rädern des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt. Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner einen Energiespeicher 22 auf, um Energie zu speichern, die zum Versorgen der ersten elektrische Antriebsmaschine 14 und/oder der weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20 dient.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Das Hybridgetriebe 18 umfasst ein erstes Vier-Wellensystem 24 und ein zweites Vier-Wellensystem 26. Das erste Vier-Wellensystem 24 dient als Vorschaltradsatz. Das zweite Vier-Wellensystem 26 dient als Hauptradsatz.
  • Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner eine erste Getriebeeingangswelle 28, die als Vollwelle ausgebildet ist und mittels einer Verbrennungsmaschinenkupplung K0 mit einer Verbrennungsmaschine 16, insbesondere einer Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine 16, antriebswirksam verbunden werden kann. Das Hybridgetriebe 18 umfasst eine zweite Getriebeeingangswelle 30, die als Hohlwelle ausgebildet ist und antriebswirksam mit der elektrischen Antriebsmaschine 14 verbunden ist. Es versteht sich, dass bei der Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 auch eine Übersetzung beispielsweise in Form von Stirnradstufen oder eines Planetenradsatzes erfolgen kann.
  • Das erste Vier-Wellensystem 24 umfasst einen ersten Planetenradsatz RS1 und einen zweiten Planetenradsatz RS2. Die beiden Sonnenräder des ersten Planetenradsatzes RS1 und des zweiten Planetenradsatzes RS2 sind jeweils mit der zweiten Getriebeeingangswelle 30 verbunden. Ferner ist ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 und ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes RS2 antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle 28 verbunden.
  • Das erste Vier-Wellensystem 24 weist ferner eine erste Ausgangswelle 32 auf, die mit dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 antriebswirksam verbunden ist. Das erste Vier-Wellensystem 24 weist zudem eine zweite Ausgangswelle 34 auf, die antriebswirksam mit einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden ist.
  • Die erste Ausgangswelle 32 des ersten Vier-Wellensystems 24 kann durch Schließen einer ersten Verbindungskupplung K1 antriebswirksam mit einer ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden werden. Mittels einer zweiten Verbindungskupplung K2 kann die zweite Ausgangswelle 34 des ersten Vier-Wellensystems 24 antriebswirksam mit der ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden werden.
  • Das zweite Vier-Wellensystem 26 umfasst einen dritten Planetenradsatz RS3 und einen vierten Planetenradsatz RS4. Ein Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3 ist antriebswirksam mit der ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden. Das zweite Vier-Wellensystem 26 umfasst ferner eine zweite Eingangswelle 38, die antriebswirksam mit einem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes RS3 und einem Sonnenrad des vierten Planetenradsatzes RS4 verbunden ist.
  • Eine dritte Eingangswelle 40 des zweiten Vier-Wellensystems 26 ist antriebswirksam mit einem Hohlrad des vierten Planetenradsatzes RS4 verbunden. Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner eine Abtriebswelle 42, die vorzugsweise mit einem nicht gezeigten Abtrieb verbunden ist. Die Abtriebswelle ist antriebswirksam mit einem Planetenradträger des vierten Planetenradsatzes RS4 und einem Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden.
  • Das Hybridgetriebe 18 weist ein erstes Schaltelement A auf, das dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangswelle 38 des zweiten Vier-Wellensystems 26 festzusetzen, also antriebswirksam mit einem drehfesten Bauteil, vorzugsweise einem Getriebegehäuse, zu verbinden.
  • Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner ein zweites Schaltelement B, das dazu ausgebildet ist, die erste Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 festzusetzen.
  • Das erste Schaltelement A und das zweite Schaltelement B sind zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
  • Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner ein drittes Schaltelement C, das dazu ausgebildet ist, die dritte Eingangswelle 40 des zweiten Vier-Wellensystems 26 festzusetzen. Das dritte Schaltelement C ist mit einem vierten Schaltelement D zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst. Das vierte Schaltelement D ist dazu ausgebildet, die dritte Eingangswelle 40 des zweiten Vier-Wellensystems 26 antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle 28 zu verbinden.
  • In dem gezeigten Beispiel ist die erste Verbindungskupplung K1, die zweite Verbindungskupplung K2 sowie das erste bis vierte Schaltelemente A bis D vorzugsweise als formschlüssiges Schaltelement, wie beispielsweise ein Klauenschaltelement, ausgeführt. Hierdurch finden weniger Schleppverluste im Getriebe statt. Eine Synchronisierung des Getriebes kann mittels der Verbrennungsmaschine 16 oder der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen.
  • In der 3 sind schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes 18 gemäß der 2 in einer Schaltmatrix 44 gezeigt.
  • In der ersten Spalte der Schaltmatrix 44 sind die Hybridgangstufen H1 bis H4, HR, zwei Elektrogangstufen E1, E2 sowie fünf elektrodynamische Überlagerungszustände ECVT1 bis ECVT4, ECVTR und ein Schaltzustand für Laden-in-Neutral LiN gezeigt. In der zweiten bis achten Spalte sind die Schaltzustände der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1, der zweiten Verbindungskupplung K2 sowie des ersten bis vierten Schaltelements A bis D gezeigt, wobei „X“ bedeutet, dass das jeweilige Schaltelement bzw. die jeweilige Kupplung geschlossen ist, also die zugeordneten Getriebebauteile antriebswirksam miteinander verbindet. Sofern kein Eintrag vorhanden ist, ist davon auszugehen, dass das entsprechende Schaltelement bzw. die entsprechende Kupplung offen ist, also keine Antriebsleistung überträgt.
  • Zum Einrichten der ersten Hybridgangstufe H1 sind die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die erste Verbindungskupplung K1, die zweite Verbindungskupplung K2 und das erste Schaltelement A zu schließen.
  • Eine zweite Hybridgangstufe H2 wird durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der zweiten Verbindungskupplung K2, des ersten Schaltelements A und des vierten Schaltelements D eingerichtet.
  • Ein Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des vierten Schaltelements D richtet eine dritte Hybridgangstufe H3 ein.
  • Eine vierte Hybridgangstufe H4 kann durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1, des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des dritten Schaltelements C richtet eine hybride Rückwärtsgangstufe HR ein.
  • Eine erste Elektrogangstufe E1 kann durch Schließen der ersten Verbindungskupplung K1, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des ersten Schaltelements A eingerichtet werden.
  • Ein Schließen der ersten Verbindungskupplung K1, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des vierten Schaltelements D richtet eine zweite Elektrogangstufe E2 ein.
  • Ein erster elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT1 kann durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1 und des ersten Schaltelements A eingerichtet werden.
  • Ein Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des ersten Schaltelements A richtet einen zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 ein.
  • Ein dritter elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT3 kann durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der zweiten Verbindungskupplung K2 und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1 und des vierten Schaltelements D richtet einen vierten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT4 ein.
  • Die elektrodynamischen Überlagerungszustände ECVT1 bis ECVT4 sind vorwärts gerichtete elektrodynamische Überlagerungszustände, bei denen vorzugsweise mittels des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 in Fahrtrichtung vorwärts angefahren, gefahren und geschaltet werden kann.
  • Ein rückwärts gerichteter elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVTR kann durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1 und des dritten Schaltelements C eingerichtet werden.
  • Ein Zustand Laden-in-Neutral LiN kann durch Schließen der Verbrennungsmaschinenkupplung K0, der ersten Verbindungskupplung K1 und der zweiten Verbindungskupplung K2 eingerichtet werden.
  • Durch Schließen der ersten Verbindungskupplung K1 und der zweiten Verbindungskupplung K2 wird der Vorschaltsatz, also das erste Vier-Wellensystem 24, verblockt. Aus diesem Zustand können durch Schließen des ersten Schaltelements A oder des vierten Schaltelements D bei geöffneter Verbrennungsmaschinenkupplung K0 elektrische Gänge geschaltet werden. Mit den beiden Elektrogangstufen E1 und E2 kann der gesamte Geschwindigkeitsbereich des Kraftfahrzeugs 10, insbesondere bis über 200 km/h abgedeckt werden.
  • Bei geschlossener Verbrennungsmaschinenkupplung K0 entsteht am ersten Planetenradsatz RS1 ein elektrodynamischer Zustand, in dem die erste elektrische Antriebsmaschine 14 am Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 das am Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 angreifende Drehmoment der Verbrennungsmaschine 16 abstützt. Durch Schließen der ersten Verbindungskupplung K1 wird eine Überlagerungswelle, die antriebswirksam mit dem Steg des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden ist, mit der ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden. Diese Überlagerungswelle ist die erste Ausgangswelle 32 des ersten Vier-Wellensystems 24. Im zweiten Vier-Wellensystem 26 ist das erste Schaltelement A geschlossen und der kürzeste Gang eingelegt. Hierbei entsteht ein Zustand, der ein elektrodynamisches Anfahren in Vorwärtsrichtung ermöglicht. Aus diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 in die erste Hybridgangstufe H1 gelangen, weil in der ersten Hybridgangstufe H1 die erste Verbindungskupplung K1 und das erste Schaltelement A geschlossen sind.
  • Bei geschlossener Verbrennungsmaschinenkupplung K0 entsteht am zweiten Planetenradsatz RS2 ein elektrodynamischer Zustand, in dem die erste elektrische Antriebsmaschine 14 am Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 das am Steg des zweiten Planetenradsatzes RS2 angreifende Drehmoment der Verbrennungsmaschine 16 abstützt. Durch Schließen der zweiten Verbindungskupplung K2 wird die zweite Ausgangswelle 34 des ersten Vier-Wellensystems 24 mit der ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden. Ist im zweiten Vier-Wellensystem 26 das erste Schaltelement A geschlossen, entsteht der zweite elektrodynamische Zustand ECVT2. Aus diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 in die erste Hybridgangstufe H1 oder die zweite Hybridgangstufe H2 gelangen, weil in diesen beiden Hybridgangstufen H1, H2 die zweite Verbindungskupplung K2 und das erste Schaltelement A geschlossen sind.
  • Ist im zweiten Vier-Wellensystem 26 das vierte Schaltelement D geschlossen, entsteht ein dritter elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT3. Aus diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 in die zweite Hybridgangstufe H2 oder die dritte Hybridgangstufe H3 gelangen, weil in diesen Hybridgangstufen H2, H3 die zweite Verbindungskupplung K2 und das vierte Schaltelement D geschlossen sind.
  • Bei geschlossener Verbrennungsmaschinenkupplung K0 entsteht am ersten Planetenradsatz RS1 ein elektrodynamischer Zustand, in dem die erste elektrische Antriebsmaschine am Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes das am Hohlrad des ersten Planetenradsatzes angreifende Drehmoment der Verbrennungsmaschine 16 abstützt. Durch Schließen der ersten Verbindungskupplung K1 wird die erste Ausgangswelle 32 des ersten Vier-Wellensystems 24 mit der ersten Eingangswelle 36 des zweiten Vier-Wellensystems 26 verbunden. Ist im zweiten Vier-Wellensystem 26 das vierte Schaltelement D geschlossen, entsteht ein vierter elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT4. Aus diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 in die dritte Hybridgangstufe H3 oder die vierte Hybridgangstufe H4 gelangen, weil in diesen Hybridgangstufen H3, H4 die erste Verbindungskupplung K1 und das vierte Schaltelement D geschlossen sind.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Hybridgetriebe 18 sind folglich die folgenden elektrodynamischen EDS-Lastschaltungen möglich.
  • Eine Schaltung von der ersten Hybridgangstufe H1 in die zweite Hybridgangstufe H2 erfolgt elektrodynamisch durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14, wobei die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die zweite Verbindungskupplung K2 und das erste Schaltelement A geschlossen bleiben.
  • Eine Schaltung von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die dritte Hybridgangstufe H3 erfolgt elektrodynamisch durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14, wobei die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die zweite Verbindungskupplung K2 und das vierte Schaltelement D geschlossen bleiben.
  • Eine Schaltung von der dritten Hybridgangstufe H3 in die vierte Hybridgangstufe H4 erfolgt ebenfalls elektrodynamisch durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14, wobei die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die erste Verbindungskupplung K1 und das vierte Schaltelement D geschlossen bleiben.
  • Ein detaillierter Schaltablauf von der ersten Hybridgangstufe H1 in die zweite Hybridgangstufe H2 kann wie folgt erfolgen. Im Ausgangszustand, also wenn die erste Hybridgangstufe H1 eingelegt ist, ist die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die erste Verbindungskupplung K1 und die zweite Verbindungskupplung K2 sowie das erste Schaltelement A geschlossen. Die Momente der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 werden so eingestellt, dass einerseits das gewünschte Abtriebsmoment bereitgestellt wird und andererseits die auszulegende erste Verbindungskupplung K1 lastfrei wird. Anschließend wird die erste Verbindungskupplung K1 geöffnet. Die Momente der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 werden so eingestellt, dass einerseits das gewünschte Abtriebsmoment bereitgestellt wird und andererseits eine Drehzahl der Verbrennungsmaschine 16 absinkt. Wenn das einzulegende vierte Schaltelement D synchron wird, wird es geschlossen. Dadurch ist die zweite Hybridgangstufe H2 für die Verbrennungsmaschine 16 mechanisch geschaltet, also die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die zweite Verbindungskupplung K2, das erste Schaltelement A und das vierte Schaltelement D geschlossen.
  • Rückschaltungen erfolgen analog zu Hochschaltungen, nur in umgekehrter Ablaufreihenfolge. Es versteht sich, dass auch Schubschaltungen möglich sind, da die erste elektrische Antriebsmaschine 14 das Moment am entsprechenden Planetenradsatz bremsend abstützen kann.
  • Durch Verblockung des ersten Vier-Wellensystems 24 ohne Verbindung zum zweiten Vier-Wellensystem 26 ist ein Laden-in-Neutral, LiN-Zustand möglich. Um diesen einzurichten, sind die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die erste Verbindungskupplung K1 und die zweite Verbindungskupplung K2 zu schließen. Hierdurch entsteht eine direkte Verbindung zwischen der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14. In diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 von der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 gestartet werden. Ferner kann eine Bordnetzversorgung durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 bzw. ein Laden des Energiespeichers 22 erfolgen, bei dem die erste elektrische Antriebsmaschine 14 von der Verbrennungsmaschine 16 generatorisch betrieben wird.
  • Es versteht sich, dass ein Übergang von der ersten Hybridgangstufe H1 in die dritte Hybridgangstufe H3 direkt möglich ist, da in den beiden Hybridgangstufen H1, H3 jeweils die Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die erste Verbindungskupplung K1 und die zweite Verbindungskupplung K2 geschlossen sind.
  • Umfasst der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 eine elektrische Achse mit einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20, kann ein Allrad-Antriebssystem geschaffen werden, wobei mit wenigstens einer Achse, der elektrischen Achse, nur elektrische Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden kann. In einem derartigen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 umfassen die elektrodynamischen Überlagerungszustände ECVT leistungsverzweigte ECVT-Fahrbereiche für die Verbrennungsmaschine 16, bei denen auch ein batterieneutraler Betrieb möglich ist. Beispielsweise kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 im generatorischen Betrieb und die weitere elektrische Antriebsmaschine 20 im motorischen Betrieb betrieben werden.
  • Es versteht sich, dass ein serielles Fahren möglich ist, bei dem das Hybridgetriebe 18 in den Zustand Laden-in-Neutral geschaltet wird und so die Verbrennungsmaschine 16 die erste elektrische Antriebsmaschine 14 generatorisch betreibt, um die so erzeugte Energie der weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20 zum Generieren von Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen.
  • In 4 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das zweite Vier-Wellensystem 26 einen geschachtelten Radsatz, bei dem der dritte Planetenradsatz RS3 und der vierte Planetenradsatz RS4 ineinander geschachtelt sind. Hierdurch kann insbesondere eine axial kürzere Bauweise des Hybridgetriebes 18 ermöglicht werden. Das erste Vier-Wellensystem 24 entspricht der Bauweise eines sogenannten „Simpson-Radsatzes“, der durch seine günstige Bindung eine kompakte Bauweise erlaubt. Die Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 jeweils am Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 und des zweiten Planetenradsatzes RS2 ermöglicht eine breite Lagerbasis für die erste elektrische Antriebsmaschine 14. Je nach Dimensionierung der Verbrennungsmaschinenkupplung K0 und des ersten Planetenradsatzes RS1 sowie des zweiten Planetenradsatzes RS2 können Teile dieser Komponenten unter dem Rotor der als koaxialen Antriebsmaschine ausgebildeten ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 angeordnet werden. Folglich bietet das Hybridgetriebe 18 und insbesondere der Radsatz des Hybridgetriebes 18 für unterschiedliche Bauräume Möglichkeiten für konstruktive Optimierungen.
  • In 5 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Hybridgetriebe 18 dazu ausgebildet, mit einer achsparallel angeordneten Verbrennungsmaschine 16 verbunden zu werden. Im gezeigten Beispiel wird der Achsversatz mittels eines Zugmittelgetriebes, beispielsweise einer Kette, realisiert. Es versteht sich, dass der Achsversatz auch durch ein oder mehrere Zahnräder überbrückt werden kann. Es versteht sich ferner, dass die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 auch auf der achsparallel angeordneten und mit der Verbrennungsmaschine 16 verbundenen Welle angeordnet werden kann.
  • Zudem kann die Verbrennungsmaschine 16 in Leistungsflussrichtung vor der Verbrennungsmaschinenkupplung K0 antriebswirksam mit einem Dämpfer verbunden sein.
  • In der Darstellung gemäß der 5 ist ferner ein Abtrieb 46 gezeigt, der mit der Abtriebswelle 42 antriebswirksam verbunden ist und vorzugsweise ein Differential umfasst. In dem gezeigten Beispiel ist die antriebswirksame Verbindung zwischen der Abtriebswelle 42 und dem Abtrieb 46 über zwei Festräder, die eine gemeinsame Welle aufweisen, eingerichtet.
  • Die hier nicht gezeigte Verbrennungsmaschine 16 ist auf einer ersten Getriebeachse A1 angeordnet. Die Planetenradsätze, Kupplungen und Schaltelemente sowie die Ein- und Ausgangswellen des Hybridgetriebes 18 sind auf einer Getriebeachse A2 angeordnet. Die beiden Festräder zum antriebswirksamen Verbinden des Abtriebs 46 mit der Abtriebswelle 42 sind auf einer Getriebeachse A3 angeordnet. Der Abtrieb 46, und insbesondere ein Differential des Abtriebs 46, ist auf einer Getriebeachse A4 angeordnet.
  • Das Hybridgetriebe 18 gemäß der 5 ist gespiegelt dargestellt, d. h. die Anbindungsseite der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 und der Verbrennungsmaschine 16 sind getauscht. Die Anbindungen der einzelnen Getriebebauteile und die Funktionsweise des Getriebes sind jedoch identisch.
  • In 6 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 als achsparallele Antriebsmaschine ausgebildet. Der Achsversatz kann beispielsweise mittels eines Zugmittelgetriebes, beispielsweise einer Kette oder eines oder mehrerer Zahnräder, realisiert werden. Eine derartige Ausgestaltung des Antriebsstrangs 12 kann insbesondere für entsprechende Bauraumanforderungen vorteilhaft sein.
  • In 7 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Hybridgetriebe 18 keine Verbrennungsmaschinenkupplung K0. Der Entfall der Verbrennungsmaschinenkupplung K0 ist möglich, da das Hybridgetriebe 18 über einen EDA-Zustand verfügt. Durch den Entfall der Verbrennungsmaschinenkupplung K0 können Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden. Es entfällt jedoch die Möglichkeit zum rein elektrischen Betrieb des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 mit abgekoppelter Verbrennungsmaschine 16.
  • In 8 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Hybridgetriebe 18 gemäß der 8 ohne ein drittes Schaltelement C ausgeführt. Folglich kann mit dem Hybridgetriebe 18 gemäß der 8 kein mechanischer Rückwärtsgang geschaltet werden. Ein Rückwärtsfahren ist folglich durch Rückwärtsdrehen der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 möglich.
  • In 9 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Hybridgetriebe 18 gemäß der 9 ohne zweites Schaltelement B ausgeführt. Hierdurch kann im Hybridgetriebe 18 gemäß der 9 kein vierter mechanischer Gang geschaltet werden.
  • Die in den 7 bis 9 dargestellten Ausführungsformen von Hybridgetrieben 18 sind folglich reduzierte Hybridgetriebe, bei denen auf Bauteile verzichtet wurde. Dies kann insbesondere vorteilhaft für Bauraumanforderungen, Kostenanforderungen oder Gewichtsanforderungen sein. Durch den Wegfall einzelner Getriebebauteile ist der Funktionsumfang leicht eingeschränkt. Es versteht sich, dass jedoch alle zum Fahrbetrieb nötigen Funktionen mit den Hybridgetrieben 18 eingereicht werden können.
  • 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. Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms realisiert werden, das auf einem Steuergerät für den Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 12 ausgeführt wird. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kraftfahrzeug
    12
    Kraftfahrzeug-Antriebsstrang
    14
    erste elektrische Antriebsmaschine
    16
    Verbrennungsmaschine
    18
    Hybridgetriebe
    20
    weitere elektrische Antriebsmaschine
    22
    Energiespeicher
    24
    erstes Vier-Wellensystem
    26
    zweites Vier-Wellensystem
    28
    erste Getriebeeingangswelle
    30
    zweite Getriebeeingangswelle
    32
    erste Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems
    34
    zweite Ausgangswelle des ersten Vier-Wellensystems
    36
    erste Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems
    38
    zweite Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems
    40
    dritte Eingangswelle des zweiten Vier-Wellensystems
    42
    Abtriebswelle
    44
    Schaltmatrix
    46
    Abtrieb
    K0
    Verbrennungsmaschinenkupplung
    K1
    erste Verbindungskupplung
    K2
    zweite Verbindungskupplung
    A-D
    Schaltelemente
    A1 -A4
    Getriebeachsen
    RS1-RS4
    Planetenradsätze
    H1-H4
    Hybridgangstufen
    E1-E2
    Elektrogangstufen
    ECVT1-ECVT4
    elektrodynamischer Überlagerungszustand
    ECVTR
    rückwärtsgerichteter elektrodynamischer Überlagerungszustand
    LiN
    Laden in Neutral

Claims (15)

  1. Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einem Vorschaltradsatz umfassend ein erstes Vier-Wellensystem (24); einem Hauptradsatz umfassend ein zweites Vier-Wellensystem (26); einer ersten Getriebeeingangswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes (18) mit einer Verbrennungsmaschine (16) des Kraftfahrzeugs (10); einer zweiten Getriebeeingangswelle (30) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes (18) mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs (10); einer Abtriebswelle (42) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes (18) mit einem Abtrieb (46); mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (A, B, C, D) zum Schalten von Gangstufen; einer ersten Verbindungskupplung (K1) zum antriebswirksamen Verbinden einer ersten Ausgangswelle (32) des ersten Vier-Wellensystems (24) mit einer ersten Eingangswelle (36) des zweiten Vier-Wellensystems (26); und einer zweiten Verbindungskupplung (K2) zum antriebswirksamen Verbinden einer zweiten Ausgangswelle (34) des ersten Vier-Wellensystems (24) mit der ersten Eingangswelle (36) des zweiten Vier-Wellensystems (26); wobei die erste Getriebeeingangswelle (28) eine erste Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems (24) umfasst, die zweite Getriebeeingangswelle (30) eine zweite Eingangswelle des ersten Vier-Wellensystems (24) umfasst, die Abtriebswelle (42) eine Ausgangswelle des zweiten Vier-Wellensystems (26) umfasst; eine zweite Eingangswelle (38) des zweiten Vier-Wellensystems (26) festsetzbar ist; eine dritte Eingangswelle (40) des zweiten Vier-Wellensystems (26) mit der ersten Getriebeeingangswelle (28) antriebswirksam verbindbar ist, und mit dem ersten Vier-Wellensystem (24) ein elektrodynamischer Überlagerungszustand einrichtbar ist.
  2. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1, wobei das erste Vier-Wellensystem (24) einen ersten Planetenradsatz (RS1) und einen zweiten Planetenradsatz (RS2) umfasst; und/oder das zweite Vier-Wellensystem (26) einen dritten Planetenradsatz (RS3) und einen vierten Planetenradsatz (RS4) umfasst.
  3. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 2, wobei jeweils ein erstes Planetenradsatzelement des ersten Planetenradsatzes (RS1) und des zweiten Planetenradsatzes (RS2) mit der ersten Getriebeeingangswelle (28) verbunden ist; jeweils ein zweites Planetenradsatzelement des ersten Planetenradsatzes (RS1) und des zweiten Planetenradsatzes (RS2) mit der zweiten Getriebeeingangswelle (30) verbunden ist; ein drittes Planetenradsatzelement des ersten Planetenradsatzes (RS1) mit der ersten Ausgangswelle (32) des ersten Vier-Wellensystems (24) verbunden ist; ein drittes Planetenradsatzelement des zweiten Planetenradsatzes (RS2) mit der zweiten Ausgangswelle (34) des ersten Vier-Wellensystems (24) verbunden ist; jeweils ein erstes Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes (RS3) und des vierten Planetenradsatzes (RS4) mit der Abtriebswelle (42) verbunden ist; jeweils ein zweites Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes (RS3) und des vierten Planetenradsatzes (RS4) mit der zweiten Eingangswelle (38) des zweiten Vier-Wellensystems (26) verbunden ist; ein drittes Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes (RS3) mit der ersten Eingangswelle (36) des zweiten Vier-Wellensystems (26) verbunden ist; und/oder ein drittes Planetenradsatzelement des vierten Planetenradsatzes (RS4) mit der dritten Eingangswelle (40) des zweiten Vier-Wellensystems (26) verbunden ist.
  4. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit: einem zweiten Schaltelement (B), das zum Festsetzen der ersten Eingangswelle (36) des zweiten Vier-Wellensystems (26) ausgebildet ist; und/oder einem dritten Schaltelement (C), das zum Festsetzen der dritten Eingangswelle (40) des zweiten Vier-Wellensystems (26) ausgebildet ist.
  5. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Getriebeeingangswelle (28) als Vollwelle ausgebildet ist und zumindest abschnittsweise von als Hohlwellen ausgebildeten weiteren Getriebewellen umgeben ist.
  6. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hauptradsatz einen geschachtelten dritten und vierten einen Planetenradsatz (RS3, RS4) umfasst.
  7. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Getriebeeingangswelle (28) eine Verbrennungsmaschinenkupplung (K0) zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle (28) mit der Verbrennungsmaschine (16) umfasst.
  8. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (A, B, C, D) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind; die Verbindungskupplungen (K1, K2) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind; und/oder zwei Schaltelemente (A, B, C, D) als Doppelschaltelement ausgebildet sind und von einem doppeltwirkenden Aktor betätigbar sind.
  9. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) für ein Kraftfahrzeug (10), mit: einem Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Verbrennungsmaschine (16), die mit der ersten Getriebeeingangswelle (28) verbindbar ist; und einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14), die mit der zweiten Getriebeeingangswelle (30) verbunden ist.
  10. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) als Koaxialmaschine ausgebildet ist und der Vorschaltradsatz zumindest abschnittsweise, radial und/oder axial innerhalb der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) angeordnet ist.
  11. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Verbrennungsmaschine (16) achsparallel zum Hybridgetriebe (18) angeordnet ist und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der ersten Getriebeeingangswelle (28) verbunden ist.
  12. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 11, wobei die Abtriebswelle (42) des Hybridgetriebes (18) mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar ist und eine zweite Kraftfahrzeugachse eine elektrische Achse mit einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine (20) umfasst.
  13. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine (16) ansteuerbar ist; und/oder als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers (22) ansteuerbar ist.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 13.
  15. Kraftfahrzeug (10) mit: einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 13; und einem Energiespeicher (22) zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) und/oder der weiteren elektrischen Antriebsmaschine (20).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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