DE102021211236A1 - Kompaktes Hybridgetriebe in Planetenbauweise - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einem Vier-Wellensystem (30) umfassend einen ersten Planetenradsatz (RS1) und einen zweiten Planetenradsatz (RS2); einem dritten Planetenradsatz (RS3); einer ersten Getriebeeingangswelle (24) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer Verbrennungsmaschine (16); einer zweiten Getriebeeingangswelle (26) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs; einer Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (42); mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (A, B, C, D, E) zum Schalten von Gangstufen; wobei die erste Getriebeeingangswelle eine erste Eingangswelle des Vier-Wellensystems umfasst; die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit einem ersten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; die Abtriebswelle antriebswirksam mit einem zweiten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; eine zweite Eingangswelle (32) des Vier-Wellensystems festsetzbar ist; eine erste Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit einem dritten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; eine zweite Ausgangswelle (36) des Vier-Wellensystems festsetzbar ist; und mit dem dritten Planetenradsatz 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.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 215 114 A1 ist ein Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, der einen Verbrennungsmotor mit einer Triebwelle, eine als Motor und als Generator betreibbare Elektromaschine mit einem Rotor, ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes automatisiertes Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle und mindestens einer Ausgangswelle, sowie ein in Planetenbauweise ausgebildetes Überlagerungsgetriebe mit zwei Eingangselementen und einem Ausgangselement aufweist. Bei diesem Hybridantrieb ist vorgesehen, dass das Überlagerungsgetriebe koaxial über einem freien Ende der Ausgangswelle angeordnet ist, und dass das erste Eingangselement des Überlagerungsgetriebes drehfest mit einer koaxial über der Ausgangswelle angeordneten Hohlwelle verbunden ist, die zur Ankopplung des Verbrennungsmotors über ein Koppelschaltelement drehfest mit einem Losrad der unmittelbar axial benachbarten Stirnradstufe des Schaltgetriebes sowie zur Überbrückung des Überlagerungsgetriebes über ein Überbrückungsschaltelement drehfest mit dem zweiten Eingangselement oder dem Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes verbindbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass das zweite Eingangselement des Überlagerungsgetriebes permanent mit dem Rotor der Elektromaschine in Triebverbindung steht, und dass das Ausgangselement des Überlagerungsgetriebes drehfest mit der Ausgangswelle verbunden ist.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe, ein kompaktes, hocheffizientes und variables Hybridgetriebe zu schaffen. Insbesondere soll ein Hybridgetriebe mit einem EDA geschaffen werden, das einen rein elektrischen Fahrmodus erlaubt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hybridgetriebe für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang, mit:
    • einem Vier-Wellensystem umfassend einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz;
    • einem dritten Planetenradsatz;
    • 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; wobei
    • die erste Getriebeeingangswelle eine erste Eingangswelle des Vier-Wellensystems umfasst;
    • die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit einem ersten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist;
    • die Abtriebswelle antriebswirksam mit einem zweiten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist;
    • eine zweite Eingangswelle des Vier-Wellensystems festsetzbar ist;
    • eine erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit einem dritten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist;
    • eine zweite Ausgangswelle des Vier-Wellensystems festsetzbar ist; und
    • mit dem dritten Planetenradsatz 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 weiterhin gelöst von einem Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs wie zuvor definiert.
  • Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit:
    • einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang wie zuvor definiert und
    • einem Energiespeicher zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen 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 eine erste Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer Verbrennungsmaschine und einer zweiten Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer elektrischen Antriebsmaschine kann technisch einfach ein kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Eine Wirkverbindung kann sowohl schaltbar als auch nicht schaltbar ausgeführt sein. Durch ein Vier-Wellensystem umfassend einen ersten Planetenradsatz und einen zweiten Planetenradsatz mit den oben genannten Ausgestaltungen kann ein kompakter Radsatz zum Bilden von drei Hybridgangstufen geschaffen werden. Mittels des dritten Planetenradsatzes kann ein elektrodynamischer Überlagerungszustand eingerichtet werden, der beispielsweise zum Anfahren oder zu elektrodynamischen Schaltungen verwendet werden kann. Bevorzugt kann der Planetenradsatz verblockt werden, um so eine reine Elektrogangstufe, die insbesondere von der Verbrennungsmaschine entkoppelt ist, einzurichten.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes und ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden. Ergänzend ist ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der zweiten Eingangswelle des Vier-Wellensystems verbunden. Weiterhin ergänzend ist ein Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der zweiten Ausgangswelle des Vier-Wellensystems verbunden. Ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und ein Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes sind antriebswirksam mit der ersten Ausgangswelle des Vier-Wellensystems verbunden. Alternativ ist die zweite Getriebeeingangswelle mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes verbunden und die zweite Ausgangswelle des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden. Durch diese vorteilhafte Anbindung innerhalb des Hybridgetriebes kann ein einfacher Aufbau des Hybridgetriebes erreicht werden, der insbesondere nur drei Aktoren zum Betreiben des Hybridgetriebes benötigt. Ferner kann eine geringe Bauteilbelastung bei geringen Getriebeverlusten sowie ein guter Verzahnungswirkungsgrad sowohl verbrennungsmotorisch als auch elektrisch und eine gute Übersetzungsreihe erreicht werden. Das Hybridgetriebe ermöglicht abtriebsgestützte Schaltungen und ein elektrodynamisches Anfahren. Ferner sind die Schaltelemente technisch einfach mit den Aktoren erreichbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Abtrieb ein Differential und eine Differentialwelle, die als Vollwelle ausgebildet ist und von den Getriebewellen zumindest abschnittsweise umgeben ist. Ergänzend ist eine axiale Länge der Differentialwelle größer als eine axiale Länge der ersten Ausgangswelle des Vier-Wellensystems, wobei die Differentialwelle die erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems vollständig durchdringt. Weiterhin ergänzend ist das Differential vorzugsweise mittels eines vierten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der Abtriebswelle verbunden. Hierdurch kann das Hybridgetriebe vorteilhaft um die Differentialwelle herum angeordnet werden. Es kann ein kompakter Antriebsstrang geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Schaltelement dazu ausgebildet, die zweite Eingangswelle des Vier-Wellensystems festzusetzen. Ergänzend oder alternativ ist ein zweites Schaltelement dazu ausgebildet, das Vier-Wellensystem zu verblocken. Weiterhin ergänzend oder alternativ ist ein drittes Schaltelement dazu ausgebildet, die zweite Ausgangswelle des Vier-Wellensystems festzusetzen. Ergänzend oder alternativ ist ein viertes Schaltelement dazu ausgebildet, den dritten Planetenradsatz zu verblocken. Weiterhin ergänzend oder alternativ ist vorzugsweise ein fünftes Schaltelement dazu ausgebildet, ein Element des dritten Planetenradsatzes festzusetzen. Durch diese vorteilhafte Anordnung der Schaltelemente können mit dem Hybridgetriebe drei Hybridgangstufen und zwei Zusatzhybridgangstufen, eine Elektrogangstufe, ein elektrodynamischer Überlagerungszustand und vorzugsweise zwei Laden-in-Neutral-Zustände eingerichtet werden. Besonders bevorzugt kann durch ein fünftes Schaltelement eine kurzübersetzte reine Elektrogangstufe geschaffen werden, die vorzugsweise für ein Rückwärtsanfahren Anwendung findet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit dem Sonnenrad und die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden. Alternativ ist die erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit dem Hohlrad und die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes verbunden. Mit den oben offenbarten alternativen Anbindungen an den dritten Planetenradsatz können verschiedene elektrodynamische Überlagerungszustände erreicht werden. Hierdurch kann je nach Anwendungsfall eine geringe Ausgleichsdrehzahl der ersten elektrischen Antriebsmaschine eingerichtet werden, wobei hierfür ein hohes Stützmoment der ersten elektrischen Antriebsmaschine benötigt wird und die erste elektrische Antriebsmaschine weniger lang generatorisch betrieben werden kann. Andererseits kann eine hohe Ausgleichsdrehzahl der ersten elektrischen Antriebsmaschine eingerichtet werden, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine mit einem geringeren Stützmoment und länger generatorisch betrieben werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Hybridgetriebe eine Getriebeantriebswelle, die antriebswirksam mit der Verbrennungsmaschine verbindbar ist, und eine Antriebs-Zwischenwelle. Die Getriebeantriebswelle und die Antriebs-Zwischenwelle sind achsparallel zur ersten Getriebeeingangswelle angeordnet. Die Antriebs-Zwischenwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und umgibt die Getriebeantriebswelle zumindest abschnittsweise. Ferner ist die Antriebs-Zwischenwelle antriebswirksam, vorzugsweise mittels eines Elements zur Drehschwingungsentkopplung, insbesondere eines Torsionsdämpfers oder eines Zweimassenschwungrads, mit der Getriebeantriebswelle verbunden. Ergänzend ist die Antriebs-Zwischenwelle mit einer weiteren elektrischen Maschine, insbesondere einem Hochvolt-Sarter-Generator, und der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbindbar. Durch eine Getriebeantriebswelle und eine Antriebs-Zwischenwelle kann eine achsparallele Anbindung der Verbrennungsmaschine an das Hybridgetriebe erfolgen. Es kann ein axial kompakter Antriebsstrang geschaffen werden. Eine weitere elektrische Maschine ermöglicht ein komfortables und schnelles Zustarten der Verbrennungsmaschine. Ferner kann die weitere elektrische Maschine von der Verbrennungsmaschine generatorisch betrieben werden und so Verbraucher mit elektrischer Leistung versorgen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Antriebs-Zwischenwelle eine Verbrennungsmaschinenkupplung zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der Antriebs-Zwischenwelle mit der Verbrennungsmaschine. Insbesondere aus Gründen der Funktionssicherheit oder um einen Schleppstart der Verbrennungsmaschine durchzuführen, kann eine Verbrennungsmaschinenkupplung Anwendung finden. Es versteht sich, dass die Verbrennungsmaschinenkupplung je nach Anforderung als formschlüssiges oder als reibschlüssiges Schaltelement ausgeführt werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente, insbesondere als Klauenschaltelemente, ausgebildet. Ergänzend oder alternativ sind zwei der Schaltelemente, bevorzugt vier Schaltelemente, als Doppelschaltelement ausgebildet und von einem doppeltwirkenden Aktor betätigbar. Formschlüssige Schaltelemente ermöglichen ein hocheffizientes und kostengünstiges Hybridgetriebe. Der Aufbau und der Betrieb des Hybridgetriebes kann durch Doppelschaltelemente weiter vereinfacht werden. Insbesondere kann ein Doppelschaltelement mittels eines einzigen Aktors geschaltet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine achsparallel zum Hybridgetriebe angeordnet und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der zweiten Getriebeeingangswelle verbunden. Ergänzend oder alternativ ist die Verbrennungsmaschine achsparallel zum Hybridgetriebe angeordnet und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden. Hierdurch kann ein axial kompakter Antriebsstrang geschaffen werden. Ferner wird durch das Getriebe wenig axialer Bauraum beansprucht, sodass der zur Verfügung stehende Bauraum für die elektrische Antriebsmaschine oder die Verbrennungsmaschine verwendet werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eine weitere elektrische Antriebsmaschine, wobei die weitere elektrische Antriebsmaschine insbesondere einen Hochvolt-Sarter-Generator umfasst und mit der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden ist. Hierdurch kann technisch einfach ein komfortabler Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden, bei dem ein Zustart der Verbrennungsmaschine durch den Hochvolt-Sarter-Generator erfolgen kann oder die Verbrennungsmaschine den Hochvolt-Sarter-Generator betreiben kann, um Bordelektronik mit Energie zu versorgen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Abtriebswelle des Hybridgetriebes mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar und eine zweite Kraftfahrzeugachse umfasst eine elektrische Achse mit einer weiteren elektrischen Antriebsmaschine. Hierdurch kann technisch einfach ein Hybridantriebsstrang mit Allradantrieb geschaffen werden. Ferner kann durch den Kraftfahrzeug-Antriebsstrang ein zugkraftunterbrechungsfreies Schalten technisch einfach ermöglicht werden, da die elektrische Achse bei Schaltungen im Hybridgetriebe die Zugkraft aufrechterhalten kann. Zudem kann ein ausfallsicherer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug geschaffen werden, da im Falle eines aufgebrauchten Energiespeichers für die zweite elektrische Antriebsmaschine ein sogenannter serieller Fahrmodus einrichtbar ist. Bei einem seriellen Fahrmodus wird vorzugsweise die erste elektrische Antriebsmaschine von der Verbrennungsmaschine generatorisch betrieben, wobei die so erzeugte Energie der weiteren elektrischen Antriebsmaschine zur Verfügung gestellt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder die weitere elektrische Maschine als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ansteuerbar. Ergänzend oder alternativ ist die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder die weitere elektrische Maschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers ansteuerbar. Hierdurch kann ein hochvariabler Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden, bei dem insbesondere auch bei leerem Energiespeicher elektrisch gefahren und insbesondere elektrisch angefahren werden kann.
  • 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 Vier-Wellensystem ausbilden. Durch zwei definierte Drehzahlen sind vorzugsweise alle Wellen im Vier-Wellensystem 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 eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 3 schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 2;
    • 4 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 5 schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 4;
    • 6 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 7 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 8 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 9 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 10 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 11 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 12 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes; und
    • 13 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 elektrischen Antriebsmaschine 14 und/oder der weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20 dient.
  • 2 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18. Das Hybridgetriebe 18 weist eine erste Getriebeeingangswelle 24 und eine zweite Getriebeeingangswelle 26 auf, die dazu ausgebildet sind, Antriebsleistung der Antriebsmaschinen 14, 16 in das Hybridgetriebe 18 zu übertragen.
  • Das Hybridgetriebe 18 weist ferner eine Abtriebswelle 28 auf, die dazu ausgebildet ist, Antriebsleistung aus dem Hybridgetriebe 18 zu einem nicht gezeigten Abtrieb zu übertragen. Die erste Getriebeeingangswelle 24 umfasst eine erste Eingangswelle für ein Vier-Wellensystem 30, das einen ersten Planetenradsatz RS1 und einen zweiten Planetenradsatz RS2 umfasst. In dem gezeigten Beispiel ist die erste Getriebeeingangswelle 24 antriebswirksam mit einem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 und einem Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden.
  • Das Vier-Wellensystem 30 umfasst eine zweite Eingangswelle 32, die antriebswirksam mit einem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden ist. Eine erste Ausgangswelle 34 des Vier-Wellensystems 30 ist antriebswirksam mit einem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 und einem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden. Die erste Ausgangswelle 34 ist ferner mit einem Hohlrad eines dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden.
  • Das Vier-Wellensystem 30 umfasst ferner eine zweite Ausgangswelle 36, die antriebswirksam mit einem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden ist.
  • Das Hybridgetriebe 18 umfasst vier Schaltelemente. Ein erstes Schaltelement A ist dazu ausgebildet, die zweite Eingangswelle 32 des Vier-Wellensystems 30 festzusetzen, also mit einem gehäusefesten Bauteil zu verbinden.
  • Ein zweites Schaltelement B ist dazu ausgebildet, das Vier-Wellensystem 30 zu verblocken, indem das zweite Schaltelement B die zweite Ausgangswelle 36 des Vier-Wellensystems 30 antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle 24 verbindet.
  • Ein drittes Schaltelement C ist dazu ausgebildet, die zweite Ausgangswelle des Vier-Wellensystems 30 festzusetzen.
  • Ein viertes Schaltelement D ist dazu ausgebildet, den dritten Planetenradsatz RS3 zu verblocken. In dem gezeigten Beispiel verbindet das vierte Schaltelement D die Abtriebswelle 28 antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle 26. Die Abtriebswelle 28 ist antriebswirksam mit einem Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden, wobei die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit einem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden ist.
  • Zur einfacheren Identifikation der einzelnen Wellen in dieser und den folgenden Ausführungsformen von Hybridgetrieben sind die Wellen zusätzlich mit W0 bis W5 durchnummeriert.
  • In 3 sind schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes 18 gemäß der 2 in einer Schaltmatrix 38 gezeigt.
  • In der ersten Spalte der Schaltmatrix 38 sind die Hybridgangstufen H1 bis H3, eine Elektrogangstufe E2, ein elektrodynamischer Überlagerungszustand EDA sowie zwei Zusatzhybridgangstufen ZH1, ZH2 gezeigt. In der zweiten bis fünften Spalte sind die Schaltzustände der Schaltelemente A bis D gezeigt, wobei ein „X“ bedeutet, dass das jeweilige Schaltelement geschlossen ist, also die zugeordneten Getriebebauteile antriebswirksam miteinander verbindet. Sofern kein Eintrag vorhanden ist, ist davon auszugehen, dass das entsprechende Schaltelement offen ist, also keine Antriebsleistung überträgt.
  • Zum Einrichten der ersten Hybridgangstufe H1 sind das erste Schaltelement A und das vierte Schaltelement D zu schließen.
  • Ein Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements D richtet eine zweite Hybridgangstufe H2 ein.
  • Eine dritte Hybridgangstufe H3 kann durch Schließen des dritten Schaltelements C und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des vierten Schaltelements D richtet die Elektrogangstufe E2 ein.
  • Ein elektrodynamischer Überlagerungszustand EDA, der insbesondere zum elektrischen Anfahren verwendet werden kann, wird durch Schließen des ersten Schaltelements A eingerichtet.
  • Die erste Zusatzhybridgangstufe ZH1 kann durch Schließen des ersten Schaltelements A und des zweiten Schaltelements B eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des ersten Schaltelements A und des dritten Schaltelements C richtet eine zweite Zusatzhybridgangstufe ZH2 ein.
  • Für ein verbrennungsmotorisches bzw. hybrides Fahren stehen drei Hauptfahrgangstufen für die Verbrennungsmaschine 16 zur Verfügung. Bei allen drei Gangstufen ist zusätzlich zum jeweiligen Schaltelement A, B oder C das vierte Schaltelement D geschlossen, welches den dritten Planetenradsatz RS3 verblockt. Hierdurch ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 direkt mit dem Abtrieb verbunden.
  • Ein elektrisches Fahren kann mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen, wenn nur das vierte Schaltelement D geschlossen ist. Der dritte Planetenradsatz RS3 wird verblockt, sodass die erste elektrische Antriebsmaschine 14 direkt den Abtrieb antreiben kann. Durch ein zusätzliches Schaltelement E kann ein weiterer kürzerer Gang für die erste elektrische Antriebsmaschine 14 eingerichtet werden.
  • Ist nur das erste Schaltelement A geschlossen, entsteht ein EDA-Zustand am dritten Planetenradsatz RS3. Die Verbrennungsmaschine 16 ist dann über den ersten Planetenradsatz RS1 mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine 14 am Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3 das Drehmoment der Verbrennungsmaschine 16 abstützt. Der Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes RS3 ist mit dem Abtrieb verbunden. In diesem Zustand ist ein elektrodynamisches Anfahren vorwärts möglich. Aus diesem Zustand kann die Verbrennungsmaschine 16 in die erste Hybridgangstufe H1, die erste Zusatzhybridgangstufe ZH1 und die zweite Zusatzhybridgangstufe ZH2 gelangen, weil das erste Schaltelement A in diesen Gangstufen jeweils geschlossen ist.
  • Mit dem offenbarten Hybridgetriebe 18 sind die folgenden elektrodynamischen Lastschaltungen möglich. Eine Schaltung von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe kann abtriebsgestützt durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 erfolgen, wobei das vierte Schaltelement D geschlossen bleibt. Es erfolgt ein Wechsel von der ersten Hybridgangstufe H1 in die zweite Hybridgangstufe H2. Eine Schaltung von der zweiten Gangstufe in die dritte Gangstufe kann ebenfalls abtriebsgestützt durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 erfolgen, wobei das vierte Schaltelement D geschlossen bleibt. Hierbei erfolgt ein Wechsel von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die dritte Hybridgangstufe H3.
  • Eine Lastschaltung von der ersten Hybridgangstufe H1 in die zweite Hybridgangstufe H2 im Hybridbetrieb kann beispielsweise wie folgt erfolgen. Ausgangspunkt ist die erste Hybridgangstufe H1, bei der das erste Schaltelement A und das vierte Schaltelement D geschlossen sind. Sodann erfolgt ein Lastabbau am ersten Schaltelement A und ein gleichzeitiger Lastaufbau an der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14. Das erste Schaltelement A wird geöffnet. Die Drehzahl der Verbrennungsmaschine 16 wird abgesenkt, sodass das zweite Schaltelement B synchron wird. Hierzu kann beispielsweise die Verbrennungsmaschine 16 in den Schubbetrieb gehen. Das zweite Schaltelement B kann sodann eingelegt werden.
  • In 4 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 nicht mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden, sondern mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3. Hierdurch können zwei Laden-in-Neutral-Übersetzungen eingerichtet werden. In dieser Ausführungsform ist folglich die zweite Getriebeeingangswelle 26 mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden.
  • In 5 sind die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 4 in einer Schaltmatrix 40 dargestellt. Die Schaltmatrix 40 ist dabei um zwei Zustände Laden-in-Neutral LiN1 und LiN2 ergänzt. Die übrigen Schaltzustände sind analog zu der in 3 gezeigten Schaltmatrix 38.
  • Zum Einrichten des ersten Laden-in-Neutral-Zustands LiN1 ist das zweite Schaltelement B zu schließen. Durch Schließen des dritten Schaltelements C kann der zweite Laden-in-Neutral-Zustand LiN2 eingerichtet werden.
  • Ist nur das zweite Schaltelement B oder das dritte Schaltelement C geschlossen, kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit der Verbrennungsmaschine 16 unabhängig vom Abtrieb verbunden werden. Die erste elektrische Antriebsmaschine 14 und die Verbrennungsmaschine 16 drehen dann in einem festen Verhältnis zueinander. Hierdurch kann einerseits ein Start der Verbrennungsmaschine 16 mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen. Andererseits kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 als Generator arbeiten, um einen elektrischen Energiespeicher 22 zu laden oder einen elektrischen Verbraucher zu versorgen.
  • Es versteht sich, dass ein Verbraucher auch eine weitere elektrische Antriebsmaschine 20 sein kann, die beispielsweise eine andere Fahrzeugachse, insbesondere in Form einer elektrischen Achse, antreibt.
  • Ein Übergang vom ersten Zustand Laden-in-Neutral LiN1 ist in die zweite Hybridgangstufe H2 und die erste Zusatzhybridgangstufe ZH1 möglich, weil das zweite Schaltelement B in diesen Gangstufen jeweils geschlossen ist.
  • Ein Übergang vom zweiten Zustand Laden-in-Neutral LiN2 ist in die dritte Hybridgangstufe H3 und die zweite Zusatzhybridgangstufe ZH2 möglich, weil das dritte Schaltelement C in diesen Schaltzuständen jeweils geschlossen ist.
  • In 6 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Hybridgetriebe 18 gemäß der 6 ein fünftes Schaltelement E, das dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangswelle 32 des Vier-Wellensystems 30 festzusetzen. Hierdurch kann eine weitere kürzer übersetzte elektrische Gangstufe geschaffen werden. Diese kurze elektrische Gangstufe wird vorzugsweise für Rückwärtsanfahren verwendet, da bei Rückwärtsfahrt kein EDA-Modus zur Verfügung steht. Das zusätzliche fünfte Schaltelement E kann mit dem ersten Schaltelement A zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst werden, das durch nur einen Aktor betätigt wird. Ferner sind das dritte Schaltelement C und das zweite Schaltelement B zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
  • In 7 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Wie bereits zu 6 beschrieben umfasst das Hybridgetriebe gemäß der 7 ein fünftes Schaltelement E, wobei das Hybridgetriebe 18 gemäß der 7 ansonsten dem Hybridgetriebe 18 gemäß der 4 entspricht.
  • In 8 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Anbindungen am dritten Planetenradsatz RS3 getauscht. Insbesondere sind hier die Anbindungen am Sonnenrad und Hohlrad des dritten Planetenradsatzes RS3 getauscht. Der Abtrieb bzw. die Abtriebswelle 28 bleibt mit dem Planetenradträger des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden. Die erste elektrische Antriebsmaschine 14 ist über die zweite Getriebeeingangswelle 26 antriebswirksam mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden. Die Verbrennungsmaschine 16 ist über das Vier-Wellensystem 30 mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes RS3 verbunden.
  • Hierdurch kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit einer geringeren Ausgleichsdrehzahl beim elektrodynamischen Anfahren oder elektrodynamischen Schaltungen betrieben werden. Hierfür muss die erste elektrische Antriebsmaschine 14 ein höheres Stützmoment beim elektrodynamischen Anfahren und elektrodynamischen Schaltungen aufbringen und kann beim elektrodynamischen Anfahren weniger lang generatorisch betrieben werden, da mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit der generatorische Betrieb früher verlassen wird als in der Ausführungsform gemäß der 2.
  • In 9 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Anbindungen am dritten Planetenradsatz RS3 analog zu der in 8 beschriebenen Ausführungsform getauscht, wobei das Hybridgetriebe 18 gemäß der 9 ansonsten der Ausführungsform gemäß der 4 entspricht.
  • In 10 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das Hybridgetriebe 18 einen vierten Planetenradsatz RS4, dessen Hohlrad festgesetzt ist, dessen Planetenradträger mit einem Differential antriebswirksam verbunden ist und dessen Sonnenrad antriebswirksam mit der Abtriebswelle 28 verbunden ist. Der vierte Planetenradsatz RS4 und das Differential bilden einen Abtrieb 42. Der Abtrieb 42 und insbesondere das Differential des Abtriebs 42 sind koaxial zu den Getriebeachsen angeordnet, wobei eine Differentialwelle koaxial durch das komplette Hybridgetriebe 18 hindurch reicht.
  • Das Hybridgetriebe 18 umfasst ferner eine Getriebeantriebswelle 44 und eine Antriebs-Zwischenwelle 46, wobei die Getriebeantriebswelle 44 dazu ausgebildet ist, antriebswirksam mit der Verbrennungsmaschine 16 und über ein Tilger-/Dämpferelement mit der Antriebs-Zwischenwelle 46 verbunden zu werden.
  • Die Antriebs-Zwischenwelle 46 ist als Hohlwelle ausgebildet und umgibt die Getriebeantriebswelle 44 zumindest abschnittsweise. An der Antriebs-Zwischenwelle 46 sind zwei Festräder angeordnet, wobei ein Festrad antriebswirksam, beispielsweise über eine Kette, ein Zahnrad oder eine Zahnradkette antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle 24 verbindbar ist. Das zweite Zahnrad ist ebenfalls über eine Kette, ein Zahnrad oder eine Zahnradkette antriebswirksam mit einer weiteren elektrischen Maschine 48, die insbesondere als Hochvoltstarter-Generator ausgebildet ist, verbindbar.
  • Mit der gezeigten Ausführungsform eines Hybridgetriebes 18 kann folglich die erste elektrische Antriebsmaschine 14 und die Verbrennungsmaschine 16 achsparallel zum Hybridgetriebe 18 angeordnet werden.
  • In 11 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Das Hybridgetriebe 18 gemäß der 11 ist dabei analog zu dem Hybridgetriebe gemäß der 10 ausgebildet. Das Hybridgetriebe 18 in der 11 weist folglich am vierten Planetenradsatz RS4 einen Abtrieb 42 mit einem Differential und einer Differentialwelle sowie eine Getriebeantriebswelle 44, eine Antriebs-Zwischenwelle 46 und eine weitere elektrische Maschine 48 auf, wobei der Rest des Hybridgetriebes 18 der Ausführungsform eines Hybridgetriebes 18 gemäß der 7 entspricht.
  • In 12 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 10 gezeigten Ausführungsform eines Hybridgetriebes 18 umfasst die in 12 gezeigte Ausführungsform eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0, die an der Antriebs-Zwischenwelle 46 angeordnet ist und einen Abschnitt, der die zwei Zahnräder enthält, vom Abschnitt, der mit der Getriebeantriebswelle 44 verbunden ist, trennen bzw. antriebswirksam verbinden kann.
  • In der in 12 gezeigten Ausführungsform ist die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 als formschlüssiges Schaltelement ausgebildet.
  • In 13 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 12 gezeigten Ausführungsform umfasst die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 ein reibschlüssiges Schaltelement.
  • Es versteht sich, dass die gezeigten Ausführungsformen von Hybridgetrieben 18 prinzipiell auch ohne Verbrennungsmaschinenkupplung K0 betrieben werden können. Eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0 kann dennoch aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise aus funktionssicherheitstechnischen Gründen (FuSi) sinnvoll sein. Zudem kann mit der in 13 gezeigten Ausführungsform ein Schleppstart der Verbrennungsmaschine 16 erfolgen.
  • Werden die Ausführungsformen von Hybridgetrieben 18 mit einer elektrischen Achse kombiniert, kann ein Allrad-Antriebssystem geschaffen.
  • Ferner kann eine E-CVT-Funktion eingerichtet werden, bei der der EDA-Modus einen leistungsverzweigten E-CVT-Fahrbereich für die Verbrennungsmaschine 16 bildet, bei dem auch ein batterieneutraler Betrieb möglich ist.
  • Zudem kann ein serielles Fahren eingerichtet werden, bei dem das Hybridgetriebe 18 in einen der beiden Zustände Laden-in-Neutral LiN1, LiN2 geschaltet wird, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine 14 von der Verbrennungsmaschine 16 generatorisch betrieben werden kann und die so erzeugte Leistung der elektrischen Achse zur Verfügung gestellt werden kann. Mittels der elektrischen Achse kann eine Zugkraftunterstützung erfolgen. Die weitere elektrische Antriebsmaschine 20 kann die Zugkraft stützen, wenn im Hybridgetriebe 18 Umschaltungen notwendig sind, bei denen der Abtrieb 42 des Hybridgetriebes 18 lastfrei wird. Beispiele für solche Übergänge sind:
    • Wenn zunächst rein elektrisch mit der elektrischen Antriebsmaschine 14 und/oder der weiteren elektrischen Antriebsmaschine 20 gefahren wird und daraus ein Start der Verbrennungsmaschine 16 in Neutral mit der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen soll.
  • 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-Antriebsstrang 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
    erste Getriebeeingangswelle
    26
    zweite Getriebeeingangswelle
    28
    Abtriebswelle
    30
    Vier-Wellensystem
    32
    zweite Eingangswelle des Vier-Wellensystems
    34
    erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems
    36
    zweite Ausgangswelle des Vier-Wellensystems
    38
    Schaltmatrix
    40
    Schaltmatrix
    42
    Abtrieb
    44
    Getriebeantriebswelle
    46
    Antriebs-Zwischenwelle
    48
    weitere elektrische Maschine
    A-E
    Schaltelemente
    RS1
    erster Planetenradsatz
    RS2
    zweiter Planetenradsatz
    RS3
    dritter Planetenradsatz
    RS4
    vierter Planetenradsatz
    W0-W5
    alternative Bezeichnung für Getriebewellen
    A-E
    Schaltelemente
    H1 - H3
    Hybridgangstufen
    E1, E2
    Elektrogangstufen
    ZH1, ZH2
    Zusatz-Hybridgangstufen
    K0
    Verbrennungsmaschinenkupplung
    LiN1, LiN2
    Laden-in-Neutral-Zustände
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013215114 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: einem Vier-Wellensystem (30) umfassend einen ersten Planetenradsatz (RS1) und einen zweiten Planetenradsatz (RS2); einem dritten Planetenradsatz (RS3); einer ersten Getriebeeingangswelle (24) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer Verbrennungsmaschine (16) des Kraftfahrzeugs; einer zweiten Getriebeeingangswelle (26) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) des Kraftfahrzeugs; einer Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (42); mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (A, B, C, D, E) zum Schalten von Gangstufen; wobei die erste Getriebeeingangswelle eine erste Eingangswelle des Vier-Wellensystems umfasst; die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit einem ersten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; die Abtriebswelle antriebswirksam mit einem zweiten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; eine zweite Eingangswelle (32) des Vier-Wellensystems festsetzbar ist; eine erste Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit einem dritten Planetenradsatzelement des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; eine zweite Ausgangswelle (36) des Vier-Wellensystems festsetzbar ist; und mit dem dritten Planetenradsatz ein elektrodynamischer Überlagerungszustand einrichtbar ist.
  2. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1, wobei ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes (RS1) und ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes (RS2) antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) verbunden sind; ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der zweiten Eingangswelle (32) des Vier-Wellensystems (30) verbunden ist; ein Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der zweiten Ausgangswelle (36) des Vier-Wellensystems verbunden ist; und ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und ein Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes antriebswirksam mit der ersten Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems verbunden sind; oder die zweite Getriebeeingangswelle (26) mit dem Hohlrad des zweiten Planetenradsatzes und dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes (RS3) verbunden ist und die zweite Ausgangswelle (36) des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes und dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes verbunden ist.
  3. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abtrieb (42) ein Differential und eine Differentialwelle umfasst, die als Vollwelle ausgebildet ist und von den Getriebewellen (26, 28, 32, 34, 36) zumindest abschnittsweise umgeben ist; eine axiale Länge der Differentialwelle größer ist als eine axiale Länge der ersten Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems (30) und die Differentialwelle die erste Ausgangswelle des Vier-Wellensystems vollständig durchdringt; und das Differential vorzugsweise mittels eines vierten Planetenradsatzes (RS4) antriebswirksam mit der Abtriebswelle (28) verbunden ist.
  4. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit: einem ersten Schaltelement (A), das dazu ausgebildet ist, die zweite Eingangswelle (32) des Vier-Wellensystems festzusetzen; einem zweiten Schaltelement (B), das dazu ausgebildet ist, das Vier-Wellensystem (30) zu verblocken; einem dritten Schaltelement (C), das dazu ausgebildet ist, die zweite Ausgangswelle (36) des Vier-Wellensystems festzusetzen; einem vierten Schaltelement (D), das dazu ausgebildet ist, den dritten Planetenradsatz (RS3) zu verblocken; und/oder vorzugsweise einem fünften Schaltelement (E), das dazu ausgebildet ist, ein Element des dritten Planetenradsatzes (RS3) festzusetzen.
  5. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems antriebswirksam mit dem Sonnenrad und die zweite Getriebeeingangswelle (26) antriebswirksam mit dem Hohlrad des dritten Planetenradsatzes (RS3) verbunden ist; oder die erste Ausgangswelle (34) des Vier-Wellensystems (30) antriebswirksam mit dem Hohlrad und die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit dem Sonnenrad des dritten Planetenradsatzes verbunden ist.
  6. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Getriebeantriebswelle (44), die antriebswirksam mit der Verbrennungsmaschine verbindbar ist, und einer Antriebs-Zwischenwelle (46), wobei die Getriebeantriebswelle und die Antriebs-Zwischenwelle achsparallel zur ersten Getriebeeingangswelle (24) angeordnet sind; die Antriebs-Zwischenwelle als Hohlwelle ausgebildet ist und die Getriebeantriebswelle zumindest abschnittsweise umgibt und antriebswirksam, vorzugsweise mittels eines Elements zur Drehschwingungs- Entkopplung, insbesondere eines Torsionsdämpfers oder eines Zweimassenschwungrads, mit der Getriebeantriebswelle verbunden ist; und die Antriebs-Zwischenwelle mit einer weiteren elektrischen Maschine (48), insbesondere einem Hochvolt-Starter-Generator, und der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbindbar ist.
  7. Hybridgetriebe (18) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Antriebs-Zwischenwelle (46) eine Verbrennungsmaschinenkupplung (K0) zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der Antriebs-Zwischenwelle mit der Verbrennungsmaschine (16) umfasst.
  8. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (A, B, C, D, E) als formschlüssige Schaltelemente, insbesondere als Klauenschaltelemente, ausgebildet sind; und/oder zwei Schaltelemente, bevorzugt vier Schaltelemente, 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 (24) verbindbar ist; und einer ersten elektrischen Antriebsmaschine (14), die mit der zweiten Getriebeeingangswelle (26) verbunden ist.
  10. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) achsparallel zum Hybridgetriebe (18) angeordnet ist und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der zweiten Getriebeeingangswelle (26) verbunden ist und/oder die Verbrennungsmaschine (16) achsparallel zum Hybridgetriebe angeordnet ist und mittels eines Zugmittelgetriebes oder einer Zahnradkette mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) verbunden ist.
  11. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, mit einer weiteren elektrischen Maschine (48), wobei die weitere elektrische Maschine insbesondere einen Hochvolt-Starter-Generator umfasst und mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) antriebswirksam verbunden ist.
  12. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Abtriebswelle (28) 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 11 oder 12, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine (14) und/oder die weitere elektrische Antriebsmaschine (20) 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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DE102012219733A1 (de) 2012-10-29 2014-04-30 Zf Friedrichshafen Ag Planetenkoppelgetriebe
DE102013215114A1 (de) 2013-08-01 2015-02-05 Zf Friedrichshafen Ag Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs
DE112006002068B4 (de) 2005-08-03 2019-08-22 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Elektrisch verstellbares Getriebe mit zwei oder drei Planetenradsätzen und zwei oder drei festen Verbindungen

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