DE102022201151A1 - Kompaktes Hybridgetriebe - Google Patents

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DE102022201151A1
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transmission
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planetary gear
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English (en)
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Fabian Kutter
Martin Brehmer
Matthias Horn
Johannes Kaltenbach
Thomas Martin
Michael Wechs
Max Bachmann
Peter Ziemer
Ingo Pfannkuchen
Stefan Beck
Mladjan Radic
Christian Michel
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ZF Friedrichshafen AG
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ZF Friedrichshafen AG
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    • B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
    • B60K6/52—Driving a plurality of drive axles, e.g. four-wheel drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4816—Electric machine connected or connectable to gearbox internal shaft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: 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 ersten Zwischenwelle (30), die antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist; einer zweiten Zwischenwelle (32), einer Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (38); einem ersten Planetenradsatz (RS1), der mit der zweiten Zwischenwelle, der zweiten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle verbunden ist; einer Vorgelegewelle (34); in mehreren Radsatzebenen angeordneten Stirnradpaaren (ST1, ST2, ST3) zum Bilden von Gangstufen; und mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (A, B, C, D, E) zum Einlegen von Gangstufen, wobei die Stirnradpaare jeweils ein an der Vorgelegewelle angeordnetes Festrad aufweisen; und wenigstens zwei Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen direkt axial benachbart zueinander angeordnet sind.

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 vorzugsweise zum Teil des Getriebes.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 005 562 A1 betrifft ein Schaltgetriebe eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug, mit zwei Eingangswellen und einer gemeinsamen Ausgangswelle. Die erste Eingangswelle ist über eine steuerbare Trennkupplung mit der Triebwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar und über eine erste Gruppe selektiv schaltbarer Gangradsätze mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar. Die zweite Eingangswelle steht über ein als Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe mit dem Rotor einer als Motor und als Generator betreibbaren Elektromaschine sowie mit der ersten Eingangswelle in Triebverbindung und ist über eine zweite Gruppe selektiv schaltbarer Gangradsätze mit der Ausgangswelle in Triebverbindung bringbar. Beide Eingangswellen sind über eine schaltbare Koppelvorrichtung miteinander in Triebverbindung bringbar. Zur kostengünstigen Herstellung ist vorgesehen, dass das Schaltgetriebe aus einem Doppelkupplungsgetriebe mit zwei koaxialen Eingangswellen abgeleitet ist, dessen erste Eingangswelle zentral angeordnet ist, dessen zweite Eingangswelle als eine Hohlwelle ausgebildet und koaxial über der ersten Eingangswelle angeordnet ist und dessen Koppelvorrichtung eine Getriebestufe und/oder eine schaltbare Kupplung umfasst, die anstelle desjenigen Gangradsatzes und seiner zugeordneten Gangkupplung vorgesehen sind, der in dem zugrunde liegenden Doppelkupplungsgetriebe der ersten Eingangswelle zugeordnet und axial benachbart zu dem getriebeseitigen Ende der zweiten Eingangswelle angeordnet ist.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe, ein kompaktes Hybridgetriebe mit einfachem mechanischem Aufbau zu schaffen. Weiterhin soll bevorzugt eine Antriebsstrangkonfiguration realisiert werden, bei der das Hybridgetriebe koaxial zu den Abtriebswellen positioniert ist und die Verbrennungsmaschine und/oder die elektrische Antriebsmaschine achsparallel dazu angeordnet werden kann. Insbesondere soll ein Getriebe geschaffen werden, mit dem Laden-in-Neutral, elektrodynamisches Anfahren, EDA, sowie elektrodynamische Schaltungen, EDS, möglich sind.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hybridgetriebe für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit:
    • 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 ersten Zwischenwelle, die antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist;
    • einer zweiten Zwischenwelle;
    • einer Abtriebswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb;
    • einem ersten Planetenradsatz, der mit der zweiten Zwischenwelle, der zweiten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle verbunden ist;
    • einer Vorgelegewelle;
    • in mehreren Radsatzebenen angeordneten Stirnradpaaren zum Bilden von Gangstufen; und
    • mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen zum Einlegen von Gangstufen, wobei
    • die Stirnradpaare jeweils ein an der Vorgelegewelle angeordnetes Festrad aufweisen; und
    • wenigstens zwei Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen direkt axial benachbart zueinander angeordnet sind.
  • Die obige Aufgabe wird ferner gelöst von einem 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 antriebswirksam 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 elektrischen Antriebsmaschine und/oder einer zweiten 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 eine zweite Getriebeeingangswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einer ersten elektrischen Antriebsmaschine kann technisch einfach ein kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Eine Wirkverbindung kann sowohl schaltbar als auch nicht schaltbar ausgeführt sein. Insbesondere kann ein Hybridgetriebe geschaffen werden, das um eine der Fahrzeugwellen an der Vorderachse angeordnet ist, wobei die Verbrennungsmaschine und die erste elektrische Antriebsmaschine achsparallel dazu angeordnet sind. Unter direkt benachbart ist insbesondere zu verstehen, dass kein Schaltelement zwischen den beiden Stirnradpaaren angeordnet ist. Durch die vorteilhafte Anbindung des Planetenradsatzes, der Schaltelemente und der Wellen können insgesamt drei Hybridgangstufen, eine reine Elektrogangstufe, zwei elektrodynamische Überlagerungszustände und ein Zustand Laden-in-Neutral eingerichtet werden. Mit dem Hybridgetriebe ist es insbesondere möglich, eine schaltelementfreie Vorgelegewelle zu verwenden, die kostengünstig herstellbar ist. Es kann ein kompaktes Hybridgetriebe mit geringen Getriebeverlusten und einem guten Verzahnungswirkungsgrad sowohl verbrennungsmotorisch als auch rein elektrisch geschaffen werden. Das Hybridgetriebe weist eine vorteilhafte Übersetzungsreihe auf und ist zum Durchführen elektrodynamischer Schaltungen und eines elektrodynamischen Anfahrens geeignet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst ein Differential des Abtriebs eine Differentialwelle, die als Vollwelle ausgebildet ist und von der ersten Zwischenwelle, der zweiten Zwischenwelle, der zweiten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle zumindest abschnittsweise umgeben ist. Eine axiale Länge der Differentialwelle ist größer als eine axiale Länge der Abtriebswelle, wobei die Differentialwelle die Abtriebswelle vollständig durchdringt. Hierdurch kann das Hybridgetriebe vorteilhaft um die Differentialwelle herum angeordnet werden. Es kann eine Kompaktheit des Antriebsstrangs verbessert werden. Es versteht sich, dass vorzugsweise eine achsparallele Anbindung der Verbrennungsmaschine und eine achsparallele Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine erfolgen kann. Besonders bevorzugt ist das Hybridgetriebe dazu ausgebildet, um eine Vorderachse eines Kraftfahrzeugs angeordnet zu werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Hybridgetriebe einen zweiten Planetenradsatz, der antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz und einem Differential des Abtriebs verbunden ist. Vorzugsweise ist im zweiten Planetenradsatz ein Hohlrad festgesetzt, ein Planetenradträger mit dem Differential des Abtriebs verbunden und ein Sonnenrad mit einem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes antriebswirksam mittels der Abtriebswelle verbunden. Durch einen zweiten Planetenradsatz kann technisch einfach eine Ausgangsübersetzung der vom Hybridgetriebe auf die Differentialwelle übertragenen Leistung erfolgen. Insbesondere kann ein zweiter Planetenradsatz wie auch das Hybridgetriebe vorteilhaft um die Differentialwelle herum angeordnet werden und so eine kompakte Ausführung eines Hybridantriebsstrangs ermöglichen. Es versteht sich, dass anstatt des Planetenradsatzes auch eine Stirnradstufe als Abtriebsradsatz Anwendung finden kann. Insbesondere ist es denkbar, eine Abtriebshohlwelle vorzusehen, die über zwei kämmende Stirnradpaare mit dem ersten Planetenradsatz und dem Differential des Abtriebs in Wirkverbindung steht, wobei die Abtriebshohlwelle vorzugsweise drehbar an der Vorgelegewelle gelagert ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Hybridgetriebe genau drei Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen. Vorzugsweise ist von einer Anbindungsseite des Abtriebs an das Getriebe zunächst die erste Stirnradstufe, dann die zweite Stirnradstufe und zuletzt die dritte Stirnradstufe im Hybridgetriebe angeordnet. Durch die Verwendung von genau drei Stirnradpaaren kann ein kompaktes Hybridgetriebe mit wenig Zahneingriffen geschaffen werden, das drei Hybridgangstufen und eine reine Elektrogangstufe ermöglicht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe genau fünf Schaltelemente auf. Durch die Verwendung von nur fünf Schaltelementen kann insbesondere die Vorgelegewelle schaltelementfrei ausgebildet werden. Ferner kann ein einfach anzusteuerndes kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Zwischenwelle antriebswirksam verbunden und das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden. Alternativ ist das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Zwischenwelle antriebswirksam verbunden und das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden. Durch die beiden obengenannten alternativen Anbindungen kann die erste elektrische Antriebsmaschine entweder mit geringer Ausgleichsdrehzahl bei einem elektrodynamischen Anfahren oder elektrodynamischen Schaltungen betrieben werden oder nur ein geringes Stützmoment beim elektrodynamischen Anfahren und bei elektrodynamischen Schaltungen aufbringen. Ferner kann durch die beiden alternativen Anbindungen eine Dauer des generatorischen Betriebs beim elektrodynamischen Anfahren höher oder geringer ausfallen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweite Getriebeeingangswelle, die erste Zwischenwelle, die zweite Zwischenwelle und die Abtriebswelle koaxial zueinander angeordnet. Ergänzend sind die erste Getriebeeingangswelle, die zweite Getriebeeingangswelle, die erste Zwischenwelle, die zweite Zwischenwelle und die Abtriebswelle als Hohlwellen ausgebildet. Weiterhin ergänzend umgeben die erste Zwischenwelle, die zweite Zwischenwelle und die zweite Getriebeeingangswelle die Abtriebswelle zumindest abschnittsweise. Durch die Ausbildung der vorgenannten Wellen als Hohlwellen und die koaxiale Anordnung eines Teils der vorgenannten Wellen kann eine Kompaktheit des Hybridgetriebes weiter verbessert werden. Insbesondere ermöglichen die vorteilhafte koaxiale Anordnung und die Ausbildung der Wellen als Hohlwellen ein Anordnen des Hybridgetriebes um die Differentialwelle herum, wobei das Hybridgetriebe und die Differentialwelle koaxial zueinander angeordnet sind.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste Getriebeeingangswelle eine Verbrennungsmaschinenkupplung zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle mit der Verbrennungsmaschine. Es versteht sich, dass die Verbrennungsmaschinenkupplung als Klauenschaltelement oder als Reibschaltelement ausgebildet sein kann. Durch eine Verbrennungsmaschinenkupplung kann die Verbrennungsmaschine vom Hybridgetriebe entkoppelt werden und so ein hocheffizienter, rein elektrischer Fahrmodus mittels des Hybridgetriebes eingerichtet werden. Eine Reibkupplung ermöglichst zudem einen sogenannten Schwungstart der Verbrennungsmaschine und kann als Anfahrelement für die Verbrennungsmaschine dienen. Durch eine Verbrennungsmaschinenkupplung kann die Variabilität und die Effizienz des Hybridgetriebes erhöht werden. Ferner kann eine Verbrennungsmaschinenkupplung aus funktionssicherheitstechnischen Gründen Anwendung in einem Hybridgetriebe finden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Schaltelement dazu ausgebildet, die erste Zwischenwelle mittels des zweiten Stirnradpaars und des dritten Stirnradpaars antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz zu verbinden. Ergänzend oder alternativ ist ein zweites Schaltelement dazu ausgebildet, die zweite Getriebeeingangswelle antriebswirksam mittels des ersten Stirnradpaars und des zweiten Stirnradpaars mit der ersten Zwischenwelle zu verbinden. Ergänzend oder alternativ ist ein drittes Schaltelement dazu ausgebildet, die erste Zwischenwelle antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz zu verbinden. Weiterhin ergänzend ist ein viertes Schaltelement dazu ausgebildet, die erste Zwischenwelle mittels des zweiten Stirnradpaars und des dritten Stirnradpaars antriebswirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden. Schließlich ist weiterhin ergänzend oder alternativ ein fünftes Schaltelement dazu ausgebildet, den ersten Planetenradsatz zu verblocken. Durch diese vorteilhafte Anordnung der Schaltelemente können mit dem Hybridgetriebe drei Hybridgangstufen, teilweise mit mehreren Varianten, zwei elektrodynamische Überlagerungszustände, eine Elektrogangstufe und ein Modus Laden-in-Neutral eingerichtet werden. Es kann ein variables und kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden, mit dem elektrodynamisches Anfahren sowie elektrodynamische Schaltungen möglich sind.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet. Ergänzend oder alternativ sind wenigstens zwei der Schaltelemente, bevorzugt vier Schaltelemente, als Doppelschaltelement ausgebildet und von einem doppeltwirkenden Aktor betätigbar. Formschlüssige Schaltelemente ermöglichen ein hocheffizientes und kostengünstiges Hybridgetriebe. Der technische Aufbau und der Betrieb des Hybridgetriebes kann durch ein Doppelschaltelement weiter vereinfacht werden. Insbesondere kann ein Doppelschaltelement mittels eines einzigen Aktors geschaltet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang vorzugsweise eine weitere elektrische Maschine, die mit der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden ist. Die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder vorzugsweise die weitere elektrische Maschine ist als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine ansteuerbar. Ergänzend oder alternativ ist die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder vorzugsweise die weitere elektrische Maschine als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers ansteuerbar. Die weitere elektrische Maschine ist vorzugsweise als Hochvolt-Startergenerator ausgebildet. Hierdurch kann ein effizienter Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden. Insbesondere kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Es versteht sich, dass auf einen zusätzlichen Anlasser für die Verbrennungsmaschine verzichtet werden kann, da die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder der Hochvolt-Startergenerator die Verbrennungsmaschine anschleppen kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Abtrieb des Hybridgetriebes mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar, wobei eine zweite Kraftfahrzeugachse eine elektrische Achse mit einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine umfasst. Hierdurch kann technisch einfach ein Hybrid-Antriebsstrang 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 dem seriellen Fahrmodus wird vorzugsweise die elektrische Antriebsmaschine von der Verbrennungsmaschine generatorisch betrieben und die so erzeugte Energie der zweiten elektrischen Antriebsmaschine zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise ist die erste elektrische Antriebsmaschine und/oder die weitere elektrische Maschine als Generator zum Versorgen der zweiten elektrischen Antriebsmaschine ansteuerbar, um einen seriellen Fahrmodus einzurichten. Hierdurch kann ein hoch variabler 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 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 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 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, insbesondere ein serielles Schalten, 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.
  • 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; und
    • 3 schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 2.
  • 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 zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20, die mit einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 verbunden ist. Es versteht sich, dass auch eine umgekehrte Anbindung erfolgen kann, sodass 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 zweiten 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 zweiten 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 eine Abtriebswelle 28, eine erste Zwischenwelle 30 und eine zweite Zwischenwelle 32 auf. Die vorgenannten Getriebewellen 24, 26, 28, 30, 32 sind als Hohlwellen ausgebildet. Das Hybridgetriebe 18 weist einen ersten Planetenradsatz RS1 sowie einen zweiten Planetenradsatz RS2 auf. Im Hybridgetriebe 18 sind insgesamt drei Stirnradpaare angeordnet, die mit ST1 bis ST3 bezeichnet sind.
  • Das Hybridgetriebe weist fünf Schaltelemente A bis E auf.
  • Die erste Getriebeeingangswelle 24 weist einen Torsionsschwingungsdämpfer auf und ist mit einer Kurbelwelle 36 der nicht gezeigten Verbrennungsmaschine 16 über den Torsionsschwingungsdämpfer antriebswirksam verbunden. Es versteht sich, dass anstelle des Torsionsschwingungsdämpfers auch ein anderes Element zur Drehschwingungsentkopplung Anwendung finden kann.
  • Nicht gezeigt, aber denkbar ist, dass an der ersten Getriebeeingangswelle 24 eine Verbrennungsmaschinenkupplung angeordnet wird, die dazu ausgebildet ist, das Hybridgetriebe 18 von der nicht gezeigten Verbrennungsmaschine 16 zu entkoppeln oder das Hybridgetriebe 18 mit der nicht gezeigten Verbrennungsmaschine 16 antriebswirksam zu verbinden. Die Verbrennungsmaschinenkupplung kann als formschlüssiges oder als reibschlüssiges Schaltelement ausgebildet sein und insbesondere aus Gründen der Funktionssicherheit Anwendung finden.
  • Die erste Getriebeeingangswelle 24 ist antriebswirksam, vorzugsweise mittels einer Kette, mit einem an der ersten Zwischenwelle 30 angeordneten Festrad verbunden.
  • Ein Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 ist mit der zweiten Getriebeeingangswelle 26 verbunden. Ein Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 ist antriebswirksam mit der Abtriebswelle 28 verbunden. Ein Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 ist antriebswirksam mit der zweiten Zwischenwelle 32 verbunden.
  • Die erste elektrische Antriebsmaschine 14 ist antriebswirksam, beispielsweise über eine Kette oder eine Zahnradkette oder durch direkten Eingriff, mit einem an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordneten Festrad verbunden.
  • Die Abtriebswelle 28 ist antriebswirksam mit einem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes RS2 verbunden. Ein Planetenradträger des zweiten Planetenradsatzes RS2 ist antriebswirksam mit einem Differential des Abtriebs 38 verbunden. Zudem ist im zweiten Planetenradsatz RS2 das Hohlrad festgesetzt, also mit einem gehäusefesten oder drehfesten Bauteil antriebswirksam verbunden.
  • Durch Verbinden der zweiten Getriebeeingangswelle 26 mit der Abtriebswelle 28 kann der erste Planetenradsatz RS1 verblockt werden. Dabei erfolgt die Schaltung mittels einer Durchführung durch das Anbindungszahnrad für die erste elektrische Antriebsmaschine 14 an die zweite Getriebeeingangswelle 26. In der Figur ist das durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Folglich erfolgt die Anbindung zwischen der zweiten Getriebeeingangswelle 26 und der Abtriebswelle 28 in der Zeichnung links vom Anbindungszahnrad der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14.
  • Das erste Stirnradpaar ST1 weist ein an der Vorgelegewelle 34 angeordnetes Festrad auf, das mit einem Losrad in Eingriff ist, wobei das Losrad antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle 26 verbindbar ist.
  • Axial benachbart zum ersten Stirnradpaar ST1 ist das zweite Stirnradpaar ST2 angeordnet. Das zweite Stirnradpaar ST2 umfasst ein an der Vorgelegewelle 34 angeordnetes Festrad, das mit einem an der ersten Zwischenwelle 30 angeordneten Festrad in Eingriff ist. An der ersten Zwischenwelle 30 ist zudem ein Festrad zur Anbindung der ersten Getriebeeingangswelle 24 angeordnet. Die erste Zwischenwelle 30 kann antriebswirksam mit der zweiten Zwischenwelle 32 verbunden werden.
  • Das dritte Stirnradpaar ST3 umfasst ein an der Vorgelegewelle 34 angeordnetes Festrad, das mit einem Losrad in Eingriff ist, wobei das Losrad antriebswirksam mit der zweiten Zwischenwelle 32 oder mit der Abtriebswelle 28 verbindbar ist.
  • Das Hybridgetriebe umfasst einen ersten Planetenradsatz RS1 zur Realisierung eines EDA-Modus, mehrere Stirnradpaare ST1 bis ST3 zur Einrichtung von drei Gangstufen für die Verbrennungsmaschine, sowie eine nachgeschaltete Festübersetzung in Form des zweiten Planetenradsatz RS2. Ferner umfasst das Hybridgetriebe 18 ein Differential zur Summierung der beiden Antriebe aus der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 zu einem Abtriebsmoment. In dem gezeigten Beispiel ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 achsparallel an das Hybridgetriebe 18 angebunden.
  • Das erste Schaltelement A verbindet im geschlossenen Zustand die Windung aus dem zweiten Stirnradpaar ST2 und dem dritten Stirnradpaar ST3 mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1.
  • Das zweite Schaltelement B verbindet im geschlossenen Zustand die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit der Verbrennungsmaschine 16. Hierdurch ist ein Laden-in-Neutral möglich. Der Leistungsfluss ausgehend von der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 verläuft dabei über die zweite Getriebeeingangswelle 26, das Schaltelement B, das erste Stirnradpaar ST1, das zweite Stirnradpaar ST2, die erste Zwischenwelle 30 und schließlich die Anbindung zwischen erster Zwischenwelle 30 und erster Getriebeeingangswelle 24 zur Kurbelwelle 36 der Verbrennungsmaschine 16.
  • Das dritte Schaltelement C verbindet im geschlossenen Zustand die erste Zwischenwelle 30 antriebswirksam mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1.
  • Das vierte Schaltelement D verbindet im geschlossenen Zustand die erste Zwischenwelle 30 über die Windung des zweiten Stirnradpaars ST2 und des dritten Stirnradpaars ST3 mit dem Ausgang des ersten Planetenradsatzes RS1 bzw. mit der Abtriebswelle 28.
  • Das fünfte Schaltelement E verblockt im geschlossenen Zustand durch Verbinden von zwei der drei Planetenradsatz-Elemente des ersten Planetenradsatzes RS1 den ersten Planetenradsatz RS1. Der erste Planetenradsatz RS1 fungiert als Differential für zwei elektrodynamische Überlagerungszustände ECVT1, ECVT2.
  • Als Differential sind neben Kugeldifferentialen auch Stirnraddifferentiale oder prinzipiell im Stand der Technik bekannte weitere Differentialtypen möglich.
  • Die Schaltelemente A bis E sind vorzugsweise als formschlüssige Schaltelemente, insbesondere als Klauenschaltelemente, ausgebildet.
  • Das dritte Schaltelement C ist mit dem ersten Schaltelement A und das fünfte Schaltelement E ist mit dem zweiten Schaltelement B jeweils zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
  • In 3 sind in einer Schaltmatrix 40 in einer ersten Spalte die Hybridgangstufen H1 bis H3, eine Elektrogangstufe E1, zwei elektrodynamische Überlagerungszustände ECVT1, ECVT2 sowie ein Zustand Laden-in-Neutral, LiN, gezeigt. In der zweiten bis sechsten Spalte sind die Schaltzustände der Schaltelemente A bis E 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.
  • Eine erste Hybridgangstufe H1 kann durch Einlegen des ersten Schaltelements A und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Eine weitere Variante der ersten Hybridgangstufe H1.1 kann durch Einlegen des dritten Schaltelements C und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Einlegen des zweiten Schaltelements B und des dritten Schaltelements C richtet eine zweite Hybridgangstufe H2 ein.
  • Eine dritte Hybridgangstufe H3 kann durch Einlegen des dritten Schaltelements C und des fünften Schaltelements E eingerichtet werden.
  • Eine Elektrogangstufe E1 kann durch Einlegen des fünften Schaltelements E eingerichtet werden.
  • Ein erster elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT1 kann durch Einlegen des ersten Schaltelements A eingerichtet werden.
  • Ein Einlegen des dritten Schaltelements C richtet einen zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 ein.
  • Ein Zustand Laden-in-Neutral, LiN, kann durch Einlegen des zweiten Schaltelements B eingerichtet werden.
  • Zum verbrennungsmotorischen bzw. hybriden Fahren stehen drei mechanische Hauptfahrgänge für die Verbrennungsmaschine 16 zur Verfügung. Die erste Hybridgangstufe H1 wird über die Windung des zweiten Stirnradpaars ST2 und des dritten Stirnradpaars ST3 erzeugt. Unter Windung ist insbesondere zu verstehen, dass durch die drehfeste Verbindung der beiden Stirnradpaare ST2, ST3 die jeweils nicht drehfest verbundenen Zahnräder der Stirnradpaare mit Antriebsleistung beaufschlagt werden können und hierdurch Antriebsleistung übersetzt bzw. untersetzt werden kann.
  • Die zweite Hybridgangstufe H2 wird über verschiedene Kopplungen des Sonnenrads und Hohlrads am ersten Planetenradsatz RS1 gebildet. Die dritte Hybridgangstufe verläuft über den verblockten ersten Planetenradsatz RS1 direkt zum Abtrieb 38. Insoweit kann die dritte Hybridgangstufe H3 als Direktgangstufe angesehen werden.
  • In der Elektrogangstufe E1 ist das fünfte Schaltelement E geschlossen. Der erste Planetenradsatz RS1 ist folglich verblockt. Antriebsleistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 kann dann über die Übersetzung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14, also die Anbindung an die zweite Getriebeeingangswelle 26, und mittels der Übersetzung des zweiten Planetenradsatzes RS2 zum Abtrieb 38 hin übersetzt werden. Es versteht sich, dass vom Begriff „Übersetzung“ sowohl eine Übersetzung als auch eine Untersetzung der Antriebsleistung umfasst ist.
  • Ist das erste Schaltelement A geschlossen, entsteht ein erster elektrodynamischer Überlagerungszustand ECVT1 am ersten Planetenradsatz RS1. Die Verbrennungsmaschine 16 ist dann über die Windung des zweiten Stirnradpaars ST2 und des dritten Stirnradpaars ST3 mit dem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden. Hierbei stützt die erste elektrische Antriebsmaschine 14 am Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 das Drehmoment der Verbrennungsmaschine 16. Der Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 ist über den zweiten Planetenradsatz RS2 mit dem Abtrieb 38 verbunden. In diesem Zustand ist ein EDA-Anfahren vorwärts möglich.
  • Die erste Hybridgangstufe H1 wird über eine Verblockung des ersten Planetenradsatzes RS1 gebildet. Aus der ersten Hybridgangstufe H1 kann in den zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 umgeschaltet werden. Aus dem zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 können alle Gangstufen geschaltet werden, wobei die dritte Hybridgangstufe H3 wiederum über eine Verblockung des ersten Planetenradsatzes RS1 entsteht.
  • Mit dem offenbarten Hybridgetriebe 18 sind elektrodynamische Lastschaltungen, sogenannte EDS-Schaltungen, möglich. Eine Schaltung von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe kann elektrodynamisch durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 beispielsweise wie folgt erfolgen. In der ersten Hybridgangstufe H1 wird zunächst eine Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 an das Differential durch eine Umschaltung des ersten Schaltelements A in das dritte Schaltelement C vorgenommen. Dabei wird in die weitere Variante der ersten Hybridgangstufe H1.1 gewechselt. Unter Umschaltung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass das erste Schaltelement A ausgelegt und das dritte Schaltelement C eingelegt wird. Während dieser vorgenannten Vorwahlschaltung vom ersten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT1 in den zweiten elektrodynamischen
  • Überlagerungszustand ECVT2 bleibt die Last bzw. das Antriebsmoment der Verbrennungsmaschine 16 über das vierte Schaltelement D erhalten. Sodann erfolgt eine Lastübernahme am Differential durch eine Stützlast der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 im zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2. Anschließend erfolgt ein Einstellen der Anschlussdrehzahl der Verbrennungsmaschine 16 im zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 durch Kompensation mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14. Anschließend kann ein lastfreies Umschalten des vierten Schaltelements D und des zweiten Schaltelements B erfolgen, wobei das vierte Schaltelement D ausgelegt und das zweite Schaltelement B eingelegt wird. Sobald eine Gangstufe geschaltet ist, kann die Verbrennungsmaschine 16 die volle Last bzw. das volle Antriebsmoment über diesen Pfad abgeben.
  • Eine Schaltung von der zweiten Gangstufe in die dritte Gangstufe erfolgt ebenfalls elektrodynamisch durch die erste elektrische Antriebsmaschine in analoger Weise zur Schaltung von der ersten Gangstufe in die zweite Gangstufe. Folglich wird der zweite elektrodynamische Überlagerungszustand ECVT2 ebenso für eine Lastschaltung von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die dritte Hybridgangstufe H3 genutzt.
  • Eine beispielhafte Schaltung von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die dritte Hybridgangstufe H3 kann wie folgt ablaufen. Im zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 sind die erste elektrische Antriebsmaschine 14 und die Verbrennungsmaschine 16 über ein Differential, insbesondere den ersten Planetenradsatz RS1, aufgeschaltet. Ein Absenken der Antriebsdrehzahl der Verbrennungsmaschine 16 kann durch Erhöhung der Drehzahl der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 kompensiert werden. Das findet vorzugsweise unter Lastausgleich beider Antriebe, also beider Antriebsmaschinen 14,16, statt. Bei einer entsprechenden Anschlussdrehzahl kann eine Hochschaltung ausgeführt werden. In der geschalteten Gangstufe sind beide Antriebe gekoppelt. Auf die erforderliche Stützleistung bzw. auf das erforderliche Moment der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 ist bei der Lastschaltung zu achten.
  • Rückschaltungen erfolgen analog zu Hochschaltungen, nur in umgekehrter Ablauffolge.
  • Bei sogenannten Schubschaltungen stützt die erste elektrische Antriebsmaschine 14 generatorisch bzw. bremsend. Diese Lastschaltungen sind wegen des im Vergleich zum Antriebsmoment niedrigeren Schleppmoments der Verbrennungsmaschine 16 vorzugsweise eingeschränkt. Insbesondere können hier eine Motorbremse oder eine Betriebsbremse Anwendung finden.
  • Ist nur das zweite Schaltelement B geschlossen, kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit der Verbrennungsmaschine 16 unabhängig vom Abtrieb 38 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 von der Verbrennungsmaschine 16 als Generator betrieben werden, in dem sogenannten Zustand Laden-in-Neutral, LiN, und insbesondere den elektrischen Energiespeicher 22 laden oder elektrische Verbraucher versorgen. Ein Verbraucher kann auch eine zweite elektrische Antriebsmaschine 20 beispielsweise für eine elektrische Hinterachse, wie in 1 gezeigt, sein.
  • Ein Übergang vom Zustand Laden-in-Neutral, LiN, ist in die erste Hybridgangstufe H1, die zweite Hybridgangstufe H2 und die dritte Hybridgangstufe H3 möglich. Das kann bei geschlossenem zweitem Schaltelement B erfolgen. Es kann auch direkt in den ersten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT1 oder den zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 geschaltet werden. Eine Schaltung in den zweiten elektrodynamischen Überlagerungszustand ECVT2 ist besonders vorteilhaft, da diese ohnehin vor den Gangwechseln erfolgen sollte.
  • Ist, wie beispielsweise in 1 gezeigt, eine elektrische Hinterachse vorhanden, kann mithilfe dieser Kombination ein Allrad-Antriebssystem geschaffen werden. Beispielsweise kann ein DHT-Getriebe, also eine Dedicated Hybrid Transmission, mit der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 als reiner Frontantrieb konzipiert sein und ein zusätzlicher Hinterachsantrieb mit der separaten zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 erfolgen.
  • Die elektrodynamischen Überlagerungszustände ECVT1, ECVT2 sind leistungsverzweigte Fahrbereiche für die Verbrennungsmaschine 16. Der erste elektrodynamische Überlagerungszustand ECVT1 wird, wenn elektrodynamisch angefahren wird, als Fahrbereich genutzt. Hierbei fungiert die erste elektrische Antriebsmaschine 14 im Anfahrpunkt vorzugsweise immer generatorisch und geht mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit in den motorischen Betrieb über, wo dann meist im Blockumlauf am Differential, also am ersten Planetenradsatz RS1, die erste Hybridgangstufe H1 gekoppelt wird.
  • Der zweite elektrodynamische Überlagerungszustand ECVT2 wird zum lastschaltbaren Gangwechsel genutzt. Dabei ändert sich der Abtrieb entsprechend der Fahrzeugträgheit nur unwesentlich. Stattdessen kann die Verbrennungsmaschine 16 auf eine Anschlussdrehzahl für die zu koppelnde Gangstufe beschleunigt werden, vorzugsweise mit dem Ziel, das Kraftfahrzeug Gangstufe für Gangstufe mittels der Verbrennungsmaschine 16 zu beschleunigen.
  • Ein serielles Fahren ist möglich, indem das Hybridgetriebe 18 in den Zustand Laden-in-Neutral, LiN, geschaltet wird, also das zweite Schaltelement B geschlossen wird. Hierbei kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 durch die Verbrennungsmaschine 16 generatorisch betrieben werden und so Strom für die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 erzeugen.
  • Ferner kann eine Zugkraftstützung mittels der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 erfolgen. Die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 kann die Zugkraft stützen, während beispielsweise im Frontantrieb bestimmte Funktionen ausgeführt werden, bei denen der Abtrieb 38 des Hybridgetriebes 18 lastfrei wird. Ein Beispiel für solche Übergänge ist, wenn zunächst mit der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 gefahren wird und dann ein Start der Verbrennungsmaschine 16 in Neutral mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen soll. Ein weiteres Beispiel hierfür ist ein sogenanntes serielles Schalten. Bei einem geschlossenen zweiten Schaltelement B kann ein lastfreier Wechsel vorzugsweise am Frontantrieb zwischen der ersten Hybridgangstufe H1, der zweiten Hybridgangstufe H2 und/oder der dritten Hybridgangstufe H3 erfolgen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die erste elektrische Antriebsmaschine 14 unterbrechungsfrei generatorisch arbeiten kann und so sowohl Bordnetz als auch die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 mit elektrischer Leistung versorgen kann.
  • Nicht in den Figuren gezeigt, aber denkbar ist auch eine alternative Anbindung des ersten Planetenradsatzes RS1. Bei der alternativen Anbindung werden die Anbindungen an Sonnen- und Hohlrad getauscht. Der Abtrieb 38 bleibt mit dem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden. Die Verbrennungsmaschine 16 wird am Hohlrad des ersten Planetenradsatzes RS1 angebunden und die erste elektrische Antriebsmaschine 14 wird mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes RS1 verbunden. Hierdurch kann eine kleinere erste elektrische Antriebsmaschine 14 Anwendung finden, da bei elektrodynamischem Anfahren und elektrodynamischen Schaltungen ein geringeres Stützmoment von der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 aufgebracht werden muss. Insbesondere kann bei einem elektrodynamischen Anfahren die erste elektrische Antriebsmaschine 14 länger generatorisch betrieben werden, da mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit der generatorische Betrieb später verlassen wird.
  • Es versteht sich, dass an der ersten Getriebeeingangswelle 24 eine weitere elektrische Maschine, insbesondere in Form eines Hochvolt-Startergenerators, angeordnet werden kann. Bevorzugt kann der Hochvolt-Startergenerator über eine Zahnradkette antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle 24 verbunden werden.
  • Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
  • In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen. 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
    zweite elektrische Antriebsmaschine
    22
    Energiespeicher
    24
    erste Getriebeeingangswelle
    26
    zweite Getriebeeingangswelle
    28
    Abtriebswelle
    30
    erste Zwischenwelle
    32
    zweite Zwischenwelle
    34
    Vorgelegewelle
    36
    Kurbelwelle
    38
    Abtrieb
    40
    Schaltmatrix
    A-E
    Schaltelemente
    RS1
    erster Planetenradsatz
    RS2
    zweiter Planetenradsatz
    ST1-ST3
    Stirnradpaare
  • 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 102011005562 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Hybridgetriebe (18) für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit: 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 ersten Zwischenwelle (30), die antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist; einer zweiten Zwischenwelle (32), einer Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (38); einem ersten Planetenradsatz (RS1), der mit der zweiten Zwischenwelle, der zweiten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle verbunden ist; einer Vorgelegewelle (34); in mehreren Radsatzebenen angeordneten Stirnradpaaren (ST1, ST2, ST3) zum Bilden von Gangstufen; und mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen (A, B, C, D, E) zum Einlegen von Gangstufen, wobei die Stirnradpaare jeweils ein an der Vorgelegewelle angeordnetes Festrad aufweisen; und wenigstens zwei Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen direkt axial benachbart zueinander angeordnet sind.
  2. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1, wobei ein Differential des Abtriebs (38) eine Differentialwelle umfasst, die als Vollwelle ausgebildet ist und von der ersten Zwischenwelle (30), der zweiten Zwischenwelle (32), der zweiten Getriebeeingangswelle (26) und der Abtriebswelle (28) zumindest abschnittsweise umgeben ist; und eine axiale Länge der Differentialwelle größer ist als eine axiale Länge der Abtriebswelle und die Differentialwelle die Abtriebswelle vollständig durchdringt.
  3. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe einen zweiten Planetenradsatz (RS2) umfasst, der antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz (RS1) und einem Differential des Abtriebs (38) verbunden ist; und vorzugsweise im zweiten Planetenradsatz ein Hohlrad festgesetzt ist, ein Planetenradträger mit dem Differential des Abtriebs verbunden ist und ein Sonnenrad mit einem Planetenradträger des ersten Planetenradsatzes antriebwirksam mittels der Abtriebswelle verbunden ist.
  4. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe genau drei Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen aufweist.
  5. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe genau fünf Schaltelemente (A, B, C, D, E) aufweist.
  6. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes (RS1) mit der zweiten Zwischenwelle (32) antriebswirksam verbunden ist und das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Getriebeeingangswelle (26) antriebswirksam verbunden ist; oder das Hohlrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Zwischenwelle antriebswirksam verbunden ist und das Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes mit der zweiten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden ist.
  7. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Getriebeeingangswelle (26), die erste Zwischenwelle (30), die zweite Zwischenwelle (32) und die Abtriebswelle (28) koaxial zueinander angeordnet sind; die erste Getriebeeingangswelle (24), die zweite Getriebeeingangswelle, die erste Zwischenwelle, die zweite Zwischenwelle und die Abtriebswelle als Hohlwellen ausgebildet sind; und die erste Zwischenwelle, die zweite Zwischenwelle und die zweite Getriebeeingangswelle die Abtriebswelle zumindest abschnittsweise umgeben.
  8. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Getriebeeingangswelle (24) eine Verbrennungsmaschinenkupplung zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle mit der Verbrennungsmaschine (16) umfasst.
  9. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erstes Schaltelement (A) dazu ausgebildet ist, die erste Zwischenwelle (30) mittels des zweiten Stirnradpaars (ST2) und des dritten Stirnradpaars (ST3) antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz (RS1) zu verbinden; ein zweites Schaltelement (B) dazu ausgebildet ist, die zweite Getriebeeingangswelle (26) antriebswirksam mittels des ersten Stirnradpaars (ST1) und des zweiten Stirnradpaars mit der ersten Zwischenwelle zu verbinden; ein drittes Schaltelement (C) dazu ausgebildet ist, die erste Zwischenwelle antriebswirksam mit dem ersten Planetenradsatz zu verbinden; ein viertes Schaltelement (D) dazu ausgebildet ist, die erste Zwischenwelle mittels des zweiten Stirnradpaars und des dritten Stirnradpaars antriebswirksam mit der Abtriebswelle (28) zu verbinden; und/oder ein fünftes Schaltelement (E) dazu ausgebildet ist, den ersten Planetenradsatz zu verblocken.
  10. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente (A, B, C, D, E) als formschlüssige Schaltelemente ausgebildet sind; und/oder wenigstens zwei der Schaltelemente, bevorzugt vier Schaltelemente, als Doppelschaltelement ausgebildet sind und von einem doppeltwirkenden Aktor betätigbar sind.
  11. 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) antriebswirksam verbunden ist.
  12. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 11, wobei der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang vorzugsweise eine weitere elektrische Maschine umfasst, die mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) antriebswirksam verbunden ist und die erste elektrische Antriebsmaschine (14) und/oder vorzugsweise die weitere elektrische Maschine als Startergenerator zum Starten der Verbrennungsmaschine (16) ansteuerbar ist; und/oder als Ladegenerator zum Laden eines Energiespeichers (22) ansteuerbar ist.
  13. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Abtrieb (38) des Hybridgetriebes (18) mit einer ersten Kraftfahrzeugachse antriebswirksam verbindbar ist und eine zweite Kraftfahrzeugachse eine elektrische Achse mit einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine (20) umfasst; und vorzugsweise die erste elektrische Antriebsmaschine (14) und/oder die weitere elektrische Maschine als Generator zum Versorgen der zweiten elektrischen Antriebsmaschine (20) ansteuerbar ist, um einen seriellen Fahrmodus einzurichten.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs (12) nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
  15. Kraftfahrzeug (10) mit: einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (12) nach einem der Ansprüche 11 bis 13; und einem Energiespeicher (22) zum Speichern von Energie zum Versorgen der ersten elektrischen Antriebsmaschine (14) und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine (20).
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