DE102022202919A1 - Kompaktes Hybridgetriebe - Google Patents

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transmission
transmission input
motor vehicle
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Stefan Beck
Johannes Kaltenbach
Fabian Kutter
Matthias Horn
Thomas Martin
Michael Wechs
Max Bachmann
Mladjan Radic
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ZF Friedrichshafen AG
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  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)

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 Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (30); einem Planetenradsatz (RS), der mit der ersten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle antriebswirksam verbunden ist; 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 ein erstes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; ein zweites Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle und der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; ein drittes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; und die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial zueinander angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang, ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs und ein Kraftfahrzeug.

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.
  • 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 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, das bis zu drei Gangstufen aufweist und 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 Abtriebswelle zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb;
    • einem Planetenradsatz, der mit der ersten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle antriebswirksam verbunden ist;
    • in mehreren Radsatzebenen angeordneten Stirnradpaaren zum Bilden von Gangstufen; und
    • mehreren Gangschaltvorrichtungen mit Schaltelementen zum Einlegen von Gangstufen, wobei
    • ein erstes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist;
    • ein zweites Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle und der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist;
    • ein drittes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; und
    • die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial 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.
  • Weiterhin wird die obige Aufgabe 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, einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine und/oder einer weiteren elektrischen Maschine.
  • 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. Durch einen Planetenradsatz, der mit der ersten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle antriebswirksam verbunden ist, kann ein kompaktes Hybridgetriebe mit hohem Funktionsumfang geschaffen werden. Insbesondere kann ein Hybridgetriebe geschaffen werden, mit dem ein Laden-in-Neutral sowie ein elektrodynamisches Anfahren und elektrodynamische Schaltungen möglich sind. Ferner kann ein Hybridgetriebe mit einfachem mechanischem Aufbau und nur drei Aktoren bei kompakter Bauweise geschaffen werden. Das Hybridgetriebe zeichnet sich vorzugsweise durch eine geringe Bauteilbelastung, geringe Getriebeverluste und einen hohen Verzahnungswirkungsgrad sowohl verbrennungsmotorisch als auch elektrisch auf. In dem Getriebe sind abtriebsgestützte Schaltungen möglich. Insbesondere ist ein Übergang aus dem Zustand Laden-in-Neutral in drei Gangstufen für die Verbrennungsmaschine möglich, sodass ein effizientes, schnelles Schalten und ein hocheffizienter Betrieb mit dem Hybridgetriebe eingerichtet werden kann. Durch die Zuordnung des ersten Stirnradpaars zur ersten Getriebeeingangswelle, des zweiten Stirnradpaars zur ersten und zur zweiten Getriebeeingangswelle und der Zuordnung des dritten Stirnradpaars zur zweiten Getriebeeingangswelle kann ein hoch kompaktes Hybridgetriebe geschaffen werden. Vorzugsweise sind die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial zueinander gelagert und verbindbar. Unter Zuordnung eines Stirnradpaars zu einer Getriebewelle ist insbesondere zu verstehen, dass das Stirnradpaar durch Einlegen eines Schaltelements mit der entsprechenden Getriebewelle antriebswirksam verbunden werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Festrad oder ein Losrad des dritten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen mittels eines oder mehrerer kämmender Zahnräder mit einer Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine verbindbar. Alternativ weist die zweite Getriebeeingangswelle ein Anbindungszahnrad auf, wobei die zweite Getriebeeingangswelle mittels des Anbindungszahnrads über ein oder mehrere kämmende Zahnräder mit der Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine verbindbar ist. Durch die Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine mittels des dritten Stirnradpaars kann ein gewichtsoptimiertes Hybridgetriebe geschaffen werden, da zur Anbindung der elektrischen Antriebsmaschine keine weiteren Bauteile im Hybridgetriebe benötigt werden. Eine Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine mittels eines Anbindungszahnrades ermöglicht einen großen Spielraum bei einer Übersetzung der ersten elektrischen Antriebsmaschine. Es kann folglich ein breiter Bereich für eine Eingangsübersetzung bei der Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine abgedeckt werden. Hierdurch kann technisch einfach eine für den Einsatzzweck des Hybridgetriebes optimierte elektrische Antriebsmaschine Anwendung finden. Insbesondere kann eine Größe oder Leistung der ersten elektrischen Antriebsmaschine entsprechend der Übersetzung und des Hybridgetriebes gewählt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei einem der Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen eine Anordnung des Losrads mit der Anordnung des Festrads tauschbar. Hierdurch kann ein Hybridgetriebe geschaffen werden, das variabel auf Bauraumanforderungen angepasst werden kann. Insbesondere durch die Tauschbarkeit kann ein Schaltelement mittels eines Aktors optimiert erreicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe eine Getriebeantriebswelle auf, die mit der ersten Getriebeeingangswelle antriebswirksam verbunden und achsparallel zur ersten Getriebeeingangswelle angeordnet ist. Ergänzend oder alternativ ist die Abtriebswelle antriebswirksam mit einem Differential des Abtriebs wirkverbunden, wobei das Differential eine Differentialwelle zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Hybridgetriebe zu den Rädern des Kraftfahrzeugs umfasst, die achsparallel zur Abtriebswelle angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die erste elektrische Antriebsmaschine zu durchdringen, um ein Anordnen der ersten elektrischen Antriebsmaschine um die Differentialwelle herum zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Getriebeantriebswelle mittels einer Kette oder einer Zahnradkette antriebswirksam mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden. Durch die vorteilhafte oben beschriebene Anordnung kann eine achsparallele Anbindung der Verbrennungsmaschine zu einer Getriebeachse des Hybridgetriebes erfolgen. Es versteht sich, dass an der Getriebeantriebswelle zusätzlich ein Tilger oder Dämpferelement angeordnet sein kann. Durch das Durchdringen der ersten elektrischen Antriebsmaschine kann eine hoch effiziente und platzsparende Lagerung bzw. Anordnung der ersten elektrischen Antriebsmaschine im Hybridgetriebe bzw. Hybridantriebsstrang erfolgen. Eine Kompaktheit des Hybridgetriebes kann weiter verbessert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Planetenradträger des Planetenradsatzes antriebswirksam mit der Abtriebswelle verbunden, wobei das Sonnenrad des Planetenradsatzes mittels des ersten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist und das Hohlrad des Planetenradsatzes mittels des zweiten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufe mit der ersten Getriebeeingangswelle oder der zweiten Getriebeeingangswelle verbindbar ist. Alternativ ist der Planetenradträger des Planetenradsatzes antriebswirksam mit der Abtriebswelle verbunden, wobei das Hohlrad des Planetenradsatzes mittels des ersten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist und das Sonnenrad des Planetenradsatzes mittels des zweiten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle oder der zweiten Getriebeeingangswelle verbindbar ist. Durch diese vorteilhafte Anbindung des Planetenradsatzes kann mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine und der Verbrennungsmaschine ein elektrodynamischer Überlagerungszustand mit dem Planetenradsatz eingerichtet werden. Durch die beiden oben genannten alternativen Anbindungen kann die erste elektrische Antriebsmaschine entweder mit geringer Ausgleichsdrehzahl bei einem elektrodynamischen Anfahren oder elektrodynamischen Schaltungen betrieben werden oder alternativ nur ein geringes Stützmoment beim elektrodynamischen Anfahren und bei elektrodynamischen Schaltungen aufbringen. Ferner ermöglichen die beiden alternativen Anbindungen eine Dauer des generatorischen Betriebs beim elektrodynamischen Anfahren höher oder geringer aufrechtzuerhalten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Hybridgetriebe eine Verbrennungsmaschinenkupplung zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle mit der Verbrennungsmaschine auf, wobei die Verbrennungsmaschinenkupplung vorzugsweise an der Getriebeantriebswelle angeordnet ist. 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 ermöglicht 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 Getriebeeingangswelle antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle zu verbinden. Ergänzend oder alternativ ist ein zweites Schaltelement dazu ausgebildet, die erste Getriebeeingangswelle mittels des zweiten Stirnradpaars antriebswirksam mit dem Planetenradsatz zu verbinden. Weiterhin ergänzend oder alternativ ist ein drittes Schaltelement dazu ausgebildet, den Planetenradsatz zu verblocken. Ergänzend oder alternativ ist ein viertes Schaltelement dazu ausgebildet, die zweite Getriebeeingangswelle mittels des dritten Stirnradpaars antriebswirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden. Schließlich ist weiterhin ergänzend oder alternativ ein fünftes Schaltelement dazu ausgebildet, die zweite Getriebeeingangswelle mittels des zweiten Stirnradpaars antriebswirksam mit dem Planetenradsatz zu verbinden. Durch diese vorteilhafte Anordnung der Schaltelemente können mit dem Hybridgetriebe vier Hybridgangstufen teilweise mit mehreren Varianten, eine reine Elektrogangstufe sowie ein elektrodynamischer Überlagerungszustand 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 weist das Hybridgetriebe genau drei Stirnradpaare, genau einen Planetenradsatz und genau fünf Schaltelemente zum Bilden von vier hybriden Gangstufen auf. Durch die Verwendung von genau drei Stirnradpaaren und einem Planetenradsatz kann ein kompaktes Hybridgetriebe mit wenig Zahneingriffen geschaffen werden, das vier Hybridgangstufen teilweise mit mehreren Varianten, eine reine Elektrogangstufe, einen elektrodynamischen Überlagerungszustand und einen Zustand Laden-in-Neutral ermöglicht. Die Verwendung von fünf Schaltelementen ermöglicht ein einfach anzusteuerndes kompaktes Hybridgetriebe.
  • 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 können 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 vorzugsweise die weitere elektrische Maschine 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. Hierdurch kann ein hochvariabler Kraftfahrzeug-Antriebsstrang geschaffen werden, bei dem insbesondere auch bei leerem Energiespeicher elektrisch gefahren und insbesondere elektrisch angefahren werden kann.
  • 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“ oder „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 einer Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes;
    • 3 schematisch die Schaltzustände des Hybridgetriebes gemäß der 2;
    • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes;
    • 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes;
    • 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes;
    • 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes;
    • 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes;
    • 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines Hybridgetriebes; und
    • 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante eines 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 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 vereinfachte 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.
  • Ferner umfasst das Hybridgetriebe 18 eine Abtriebswelle 28 sowie einen Planetenradsatz RS und drei Stirnradpaare, die mit ST1 bis ST3 bezeichnet sind.
  • Das erste Stirnradpaar ST1 umfasst ein Festrad, das an der ersten Getriebeeingangswelle 24 angeordnet ist und ein an einer nicht näher bezeichneten Hohlwelle angeordnetes Festrad, wobei die Hohlwelle antriebswirksam mit einem Hohlrad des Planetenradsatzes RS verbunden ist. Diese Hohlwelle ist an der Abtriebswelle 28 angeordnet und umgibt diese zumindest abschnittsweise.
  • Das zweite Stirnradpaar ST2 weist ein Losrad auf, das an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet ist und mit einem an einer weiteren Hohlwelle angeordneten Festrad in Eingriff ist, wobei die weitere Hohlwelle antriebswirksam mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes RS verbunden ist und die Abtriebswelle 28 zumindest abschnittsweise umgibt.
  • Das dritte Stirnradpaar ST3 weist ein an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnetes Festrad auf, das mit einem an der Abtriebswelle 28 angeordneten Losrad in Eingriff ist. Zudem ist das Festrad des dritten Stirnradpaars ST3 antriebswirksam mittels zweier Zahnräder mit einer Ausgangswelle bzw. Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 verbunden.
  • Das Hybridgetriebe 18 weist ferner fünf Schaltelemente A - E auf, die vorzugsweise als formschlüssige Schaltelemente, beispielsweise Klauenschaltelemente, ausgebildet sind.
  • Durch Einlegen des ersten Schaltelements A kann die erste Getriebeeingangswelle 24 antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle 26 verbunden werden.
  • Das zweite Schaltelement B ist dazu ausgebildet, die erste Getriebeeingangswelle 24 antriebswirksam mit dem Losrad des zweiten Stirnradpaars ST2 zu verbinden, wobei bei dieser Verbindung keine antriebswirksame Verbindung zur zweiten Getriebeeingangswelle 26 eingerichtet wird.
  • Das dritte Schaltelement C ist dazu ausgebildet, einen Planetenradträger des Planetenradsatzes RS, der mit der Abtriebswelle 28 verbunden ist, antriebswirksam mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes RS zu verbinden. Mit anderen Worten ist das dritte Schaltelement C dazu ausgebildet, den Planetenradsatz RS zu verblocken.
  • Ein viertes Schaltelement D ist dazu ausgebildet, das Losrad des dritten Stirnradpaars ST3 antriebswirksam mit der Abtriebswelle 28 zu verbinden.
  • Ein fünftes Schaltelement E ist dazu ausgebildet, das Losrad des zweiten Stirnradpaars ST2 antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle 26 zu verbinden.
  • Das erste Schaltelement A ist mit dem zweiten Schaltelement B zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
  • Das dritte Schaltelement C ist mit vierten Schaltelement D zu einem Doppelschaltelement zusammengefasst.
  • Dem im Hybridgetriebe 18 gemäß der 2 gezeigten Radsatz kann eine Festübersetzung in Form eines weiteren Planetenradsatzes oder eine Stirnradstufe nachgeschaltet werden. Ferner versteht sich, dass dem offenbarten Radsatz üblicherweise ein Differential nachgeschaltet ist.
  • Die erste Getriebeeingangswelle 24 ist axial versetzt und koaxial zu der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet.
  • Die Abtriebswelle ist achsparallel zu der ersten Getriebeeingangswelle 24 und der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet.
  • In 3 sind in einer Schaltmatrix 32 in einer ersten Spalte die Hybridgangstufen H1 - H4, teilweise mit mehreren Varianten, eine Elektrogangstufe E1, ein elektrodynamischer Überlagerungszustand EDA sowie ein Zustand Laden-in-Neutral LiN gezeigt. In der zweiten bis sechsten Spalte sind die Schaltzustände der Schaltelemente A - 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 Variante der ersten Hybridgangstufe H1.1 kann durch Schließen des dritten Schaltelements C und des fünften Schaltelements E eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des ersten Schaltelements A und des dritten Schaltelements C richtet eine zweite Variante der ersten Hybridgangstufe H1.2 ein.
  • Die zweite Hybridgangstufe H2 kann durch Schließen des vierten Schaltelements D und des fünften Schaltelements E eingerichtet werden.
  • Eine erste Variante der dritten Hybridgangstufe H3.1 kann durch Schließen des ersten Schaltelements A und des fünften Schaltelements E eingerichtet werden.
  • Eine zweite Variante der dritten Hybridgangstufe H3.2 kann durch Schließen des zweiten Schaltelements B und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des zweiten Schaltelements B und des fünften Schaltelements E richtet eine dritte Variante der dritten Hybridgangstufe H3.3 ein.
  • Die vierte Hybridgangstufe H4 kann durch Einlegen des ersten Schaltelements A und des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Die Elektrogangstufe E1 kann durch Schließen des vierten Schaltelements D eingerichtet werden.
  • Ein Schließen des fünften Schaltelements E richtet einen elektrodynamischen Überlagerungszustand EDA ein.
  • Der Zustand Laden-in-Neutral LiN kann durch Schließen des ersten Schaltelements A eingerichtet werden.
  • Für ein verbrennungsmotorisches bzw. hybrides Fahren stehen mehrere unterschiedliche hybride Gangstufen für die Verbrennungsmaschine 16 zur Verfügung.
  • Ist nur das vierte Schaltelement D geschlossen, kann rein elektrisch gefahren werden, da die elektrische Antriebsmaschine 14 direkt mit dem Abtrieb 30 verbunden ist.
  • Ist nur das fünfte Schaltelement E geschlossen, entsteht ein EDA-Zustand, also ein elektrodynamischer Überlagerungszustand, am Planetenradsatz RS. Dieser Zustand kann insbesondere zum elektrodynamischen Anfahren oder für elektrodynamische Lastschaltungen Anwendung finden. Die Verbrennungsmaschine 16 ist dann über das erste Stirnradpaar ST1 mit dem Hohlrad des Planetenradsatzes RS verbunden, wobei die erste elektrische Antriebsmaschine 14 über das zweite Stirnradpaar ST2 am Sonnenrad des Planetenradsatzes das Moment der Verbrennungsmaschine 16 abstützt. Der Planetenradträger des Planetenradsatzes RS ist über die Abtriebswelle 28 mit dem Abtrieb 30 verbunden. In diesem Zustand ist ein EDA, also elektrodynamisches Anfahren, vorwärts möglich. Aus diesem Schaltzustand kann für die Verbrennungsmaschine 16 die erste Variante der ersten Hybridgangstufe H1.1, die zweite Hybridgangstufe H2, die erste Variante der dritten Hybridgangstufe H3.1 oder die dritte Variante der dritten Hybridgangstufe H3.3 eingelegt werden, weil das fünfte Schaltelement E in diesen Schaltzuständen jeweils geschlossen ist.
  • Eine Schaltung von der zweiten Gangstufe in die dritte Gangstufe kann abtriebsgestützt durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 erfolgen, wobei das vierte Schaltelement D geschlossen bleibt. Sodann wird von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die zweite Variante der dritten Hybridgangstufe H3.2 gewechselt. Eine Schaltung von der dritten Gangstufe in die vierte Gangstufe kann ebenfalls abtriebsgestützt durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 erfolgen, wobei das vierte Schaltelement D geschlossen bleibt. Sodann wird von der zweiten Variante der dritten Hybridgangstufe H3.2 in die vierte Hybridgangstufe H4 gewechselt.
  • Eine elektrodynamische bzw. eine elektromechanische Lastschaltung von der zweiten Hybridgangstufe H2 in die zweite Variante der dritten Hybridgangstufe H3.2 im Hybridbetrieb kann beispielsweise wie folgt erfolgen. Im Ausgangspunkt ist die zweite Hybridgangstufe H2 geschaltet. Das vierte Schaltelement D und das fünfte Schaltelement E sind geschlossen. Sodann erfolgt ein Lastabbau am fünften Schaltelement E und ein gleichzeitiger Lastaufbau an der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14. Das fünfte Schaltelement E wird sodann geöffnet. Anschließend wird die Drehzahl der Verbrennungsmaschine 16 abgesenkt, sodass das zweite Schaltelement B synchron wird. Dazu kann die Verbrennungsmaschine 16 beispielsweise eine weitere elektrische Maschine generatorisch betreiben, was bevorzugt ist, oder die Verbrennungsmaschine 16 kann in den Schubbetrieb gehen. Das zweite Schaltelement B kann eingelegt werden. Während dieser Schaltung bleibt das vierte Schaltelement D geschlossen.
  • Ist nur das erste Schaltelement A geschlossen, kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 unabhängig vom Abtrieb 30 mit der Verbrennungsmaschine 16 verbunden werden. Die erste elektrische Antriebsmaschine 14 und die Verbrennungsmaschine 16 drehen dann in einem festen Verhältnis zueinander. In diesem Zustand ist einerseits ein Start der Verbrennungsmaschine 16 mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 möglich. Andererseits kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 von der Verbrennungsmaschine 16 als Generator betrieben werden und den elektrischen Energiespeicher 22 laden oder elektrische Verbraucher versorgen. Ein Verbraucher kann auch die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 sein, wie beispielsweise in 1 gezeigt, die an der anderen Fahrzeugachse angeordnet ist und diese antreibt. Die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 bildet folglich eine elektrische Hinterachse. Ein Übergang aus dem Zustand Laden-in-Neutral LiN ist in die zweite Variante der ersten Hybridgangstufe H1.2, die erste Variante der dritten Hybridgangstufe H3.1 und die vierte Hybridgangstufe H4 möglich, weil das erste Schaltelement A in diesen Schaltzuständen jeweils geschlossen ist.
  • Ist eine zweite elektrische Antriebsmaschine 20 im Antriebsstrang 12 vorhanden, wie beispielsweise in 1 gezeigt, kann mit dieser Kombination ein Allrad-Antriebssystem geschaffen werden. Beispielsweise kann ein DHT, also eine Dedicated Hybrid Transmission, mit der Verbrennungsmaschine 16 und der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 als reiner Frontantrieb konzipiert sein und zusätzlich ein Hinterachsantrieb mittels der separaten zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 erfolgen. In dieser Konfiguration ist der elektrodynamische Überlagerungszustand ein leistungsverzweigter E-CVT-Fahrbereich für die Verbrennungsmaschine 16, bei dem auch ein batterieneutraler Betrieb möglich ist. Unter CVT-Fahrbereich ist insbesondere ein stufenlos variabler übersetzter Fahrbereich, Continuous Variable Transmission, zu verstehen, wobei das vorgestellte E die Unterstützung durch die erste elektrische Antriebsmaschine 14 und/oder die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 verdeutlicht.
  • Mittels der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 kann eine Zugkraftunterstützung erfolgen. Die zweite elektrische Antriebsmaschine 20 kann beispielsweise an der Hinterachse die Zugkraft stützen, wenn im Hybridgetriebe 18 Umschaltungen notwendig sind, bei denen der Abtrieb 30 des Hybridgetriebes 18 lastfrei wird. Ein Beispiel für solch einen Übergang ist, wenn zunächst rein elektrisch mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 und/oder der zweiten elektrischen Antriebsmaschine 20 gefahren wird und dann ein Start der Verbrennungsmaschine 16 in Neutral mittels der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgen soll.
  • In 4 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 am Losrad des dritten Stirnradpaars ST3 angebunden. Die übrigen Getriebebauteile und Anbindungen sind dabei identisch zu der in 2 gezeigten Ausführungsform.
  • In 5 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die zweite Getriebeeingangswelle 26 ein Anbindungszahnrad, das als Festrad ausgebildet ist und mittels einer Zahnradkette antriebswirksam mit einer Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 verbunden ist. Die Anbindung der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 erfolgt hierbei im Unterschied zu den bisher gezeigten Ausführungsformen über ein separates Anbindungszahnrad.
  • In 6 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Fest- und Losrad-Anbindung des dritten Stirnradpaars ST3 getauscht. Das Losrad des dritten Stirnradpaars ST3 ist an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet. Es versteht sich, dass auch das vierte Schaltelement D demnach an der zweiten Getriebeeingangswelle 26 angeordnet ist. Das Festrad des dritten Stirnradpaars ST3 ist an der Abtriebswelle 28 angeordnet. Ferner weist das Hybridgetriebe nur ein Doppelschaltelement umfassend das erste Schaltelement A und das zweite Schaltelement B auf. Die übrigen Schaltelemente C - E sind als Einzelschaltelemente ausgebildet. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen ist folglich das Doppelschaltelement umfassend das dritte Schaltelement C und das vierte Schaltelement D aufgelöst.
  • In 7 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Anbindungen am Planetenradsatz RS geändert. Insbesondere sind die Anbindungen am Hohlrad und Sonnenrad des Planetenradsatzes RS getauscht. Der Abtrieb 30 bzw. die Abtriebswelle 28 bleibt an den Planetenradträger des Planetenradsatzes RS angebunden. In der in 7 gezeigten Ausführungsform ist die erste elektrische Antriebsmaschine 14 über das zweite Stirnradpaar ST2 und das geschlossene fünfte Schaltelement E am Hohlrad des Planetenradsatzes RS angebunden, wobei die Verbrennungsmaschine 16 über die erste Stirnradstufe ST1 mit dem Sonnenrad des Planetenradsatzes RS antriebswirksam verbunden ist. Diese Konfiguration ermöglicht, die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit geringerer Ausgleichsdrehzahl beim elektrodynamischen Anfahren, EDA, oder bei elektrodynamischen Schaltungen, EDS, zu betreiben. Hierfür benötigt die erste elektrische Antriebsmaschine 14 ein hohes Stützmoment beim elektrodynamischen Anfahren und bei elektrodynamischen Schaltungen. Ferner kann beim elektrodynamischen Anfahren die erste elektrische Antriebsmaschine 14 weniger lang generatorisch betrieben werden, als wenn die erste elektrische Antriebsmaschine 14 mit dem Sonnenrad des Planetenradsatzes RS verbunden wäre, da mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit der generatorische Betrieb früher verlassen wird.
  • In 8 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Das Hybridgetriebe 18 gemäß der 8 entspricht dabei im Wesentlichen dem in 4 gezeigten Hybridgetriebe 18, wobei in 8 der Abtrieb 30 detaillierter dargestellt ist. Der Abtrieb 30 ist durch ein zwischen dem Planetenradsatz RS und dem zweiten Stirnradpaar ST2 angeordnetes Abtriebszahnrad an der Abtriebswelle 28 gebildet, wobei die Abtriebswelle 28 einen Hohlwellenabschnitt 28a aufweist, an dem das Abtriebszahnrad angeordnet ist. Der Hohlwellenabschnitt 28a ist über den Planetenradträger des Planetenradsatzes RS mit der sonst als Vollwelle ausgebildeten Abtriebswelle 28 verbunden und umgibt die Abtriebswelle 28 zumindest abschnittsweise. Das Abtriebszahnrad ist in Eingriff mit einem an einem Differential angeordneten Festrad und überträgt so Antriebsleistung aus dem Hybridgetriebe 18 auf das Differential. Das Differential weist ferner eine Differentialwelle 38 auf, die eine Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine 14 durchdringt. Mit anderen Worten kann die erste elektrische Antriebsmaschine 14 an der Differentialwelle 38 gelagert werden.
  • Ferner weist das Hybridgetriebe 18 eine Getriebeantriebswelle 34 auf, die achsparallel zur ersten Getriebeeingangswelle 24 angeordnet ist und über ein Zugmittelgetriebe antriebswirksam mit einem zwischen dem ersten Stirnradpaar ST1 und dem zweiten Stirnradpaar ST2 angeordneten Festrad mit der ersten Getriebeeingangswelle 24 verbunden ist.
  • Die erste Getriebeeingangswelle 24 ist in der gezeigten Ausführungsform als Hohlwelle ausgebildet und umgibt die als Vollwelle ausgebildete zweite Getriebeeingangswelle 26 zumindest abschnittsweise.
  • Die Getriebeantriebswelle 34 ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer oder ein anderes prinzipiell im Stand der Technik bekanntes Element zur Drehschwingungsentkopplung mit der Verbrennungsmaschine 16 verbunden. Ferner ist an der Getriebeantriebswelle 34 ein Festrad zur Anbindung einer weiteren elektrischen Maschine 36 angeordnet. Die weitere elektrische Maschine 36 ist über ein Zugmittelgetriebe mit der Getriebeantriebswelle 34 wirkverbunden. Besonders bevorzugt kann die weitere elektrische Maschine 36 als Hochvoltstartergenerator ausgebildet sein.
  • Es versteht sich, dass die Anbindung der Getriebeantriebswelle 34 sowohl zur ersten Getriebeeingangswelle 24 als auch zur weiteren elektrischen Maschine 36 alternativ auch als Zahnradkette ausgebildet sein kann.
  • In 9 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 8 gezeigten Ausführungsform umfasst die Getriebeantriebswelle 34 eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0. Die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 ist dazu ausgebildet, die Getriebeantriebswelle 34 trennbar antriebswirksam mit der Verbrennungsmaschine 16 zu verbinden. Dabei ist die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 zwischen dem Element zur Drehschwingungsentkopplung und den beiden Anbindungszahnrädern der Getriebeantriebswelle 34 angeordnet, sodass die weitere elektrische Maschine 36 stets mit der ersten Getriebeeingangswelle 24 in Triebverbindung steht.
  • In dem in 9 gezeigten Beispiel ist die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 als formschlüssiges Schaltelement, beispielsweise als Klauenkupplung, ausgeführt.
  • In 10 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 18 gezeigt. Im Unterschied zu der in 9 gezeigten Ausführungsform ist die Verbrennungsmaschinenkupplung K0 als reibschlüssiges Schaltelement ausgeführt.
  • Es versteht sich, dass der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 12 bzw. das Hybridgetriebe 18 auch ohne Verbrennungsmaschinenkupplung K0 betrieben werden können. Dennoch kann eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0 aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise aus funktionssicherheitstechnischen Gründen, sinnvoll sein. Insbesondere ermöglicht eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0 in Form eines reibschlüssigen Schaltelements, wie in 10 gezeigt, einen Schleppstart der Verbrennungsmaschine 16. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform mit weiterer elektrischer Maschine 36 eine Verbrennungsmaschinenkupplung K0 sinnvoll.
  • 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.
  • Bezugszeichen
    • 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
    28a
    Hohlwellenabschnitt
    30
    Abtrieb
    32
    Schaltmatrix
    34
    Getriebeantriebswelle
    36
    weitere elektrische Maschine
    38
    Differentialwelle
    A bis E
    Schaltelemente
    K0
    Verbrennungsmaschinenkupplung
    ST1 bis 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 102013215114 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 Abtriebswelle (28) zum Wirkverbinden des Hybridgetriebes mit einem Abtrieb (30); einem Planetenradsatz (RS), der mit der ersten Getriebeeingangswelle und der Abtriebswelle antriebswirksam verbunden ist; 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 ein erstes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; ein zweites Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der ersten Getriebeeingangswelle und der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; ein drittes Stirnradpaar der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen der zweiten Getriebeeingangswelle zugeordnet ist; und die erste Getriebeeingangswelle und die zweite Getriebeeingangswelle koaxial zueinander angeordnet sind.
  2. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1, wobei ein Festrad oder ein Losrad des dritten Stirnradpaars der Stirnradpaare zum Bilden von Gangstufen mittels eines oder mehrerer kämmender Zahnräder mit einer Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine verbindbar ist; die zweite Getriebeeingangswelle ein Anbindungszahnrad aufweist, wobei die zweite Getriebeeingangswelle mittels des Anbindungszahnrads über ein oder mehrere kämmende Zahnräder mit der Rotorwelle der ersten elektrischen Antriebsmaschine verbindbar ist.
  3. Hybridgetriebe (18) nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei einem der Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen eine Anordnung des Losrads mit der Anordnung des Festrads tauschbar ist.
  4. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe eine Getriebeantriebswelle (34) aufweist, die mit der ersten Getriebeeingangswelle (24) antriebswirksam verbunden und achsparallel zur ersten Getriebeeingangswelle angeordnet ist, und/oder die Abtriebswelle (28) antriebswirksam mit einem Differential des Abtriebs (30) wirkverbunden ist, wobei das Differential eine Differentialwelle (38) zum Übertragen von Antriebsleistung aus dem Hybridgetriebe zu den Rädern des Kraftfahrzeugs (10) umfasst, die achsparallel zur Abtriebswelle angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die erste elektrische Antriebsmaschine (14) zu durchdringen, um ein Anordnen der ersten elektrischen Antriebsmaschine um die Differentialwelle herum zu ermöglichen.
  5. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Planetenradträger des Planetenradsatzes (RS) antriebswirksam mit der Abtriebswelle (28) verbunden ist; das Sonnenrad des Planetenradsatzes mittels des ersten Stirnradpaars der Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist und das Hohlrad des Planetenradsatzes mittels des zweiten Stirnradpaars der Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle oder der zweiten Getriebeeingangswelle (26) verbindbar ist; oder das Hohlrad des Planetenradsatzes mittels des ersten Stirnradpaars der Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle verbunden ist und das Sonnenrad des Planetenradsatzes mittels des zweiten Stirnradpaars der Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3) zum Bilden der Gangstufen mit der ersten Getriebeeingangswelle oder der zweiten Getriebeeingangswelle (26) verbindbar ist.
  6. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Verbrennungsmaschinenkupplung (K0) zum lösbaren antriebswirksamen Verbinden der ersten Getriebeeingangswelle (24) mit der Verbrennungsmaschine (16), wobei die Verbrennungsmaschinenkupplung vorzugsweise an der Getriebeantriebswelle (34) angeordnet ist.
  7. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erstes Schaltelement (A) dazu ausgebildet ist, die erste Getriebeeingangswelle (24) antriebswirksam mit der zweiten Getriebeeingangswelle zu verbinden; ein zweites Schaltelement (B) dazu ausgebildet ist, die erste Getriebeeingangswelle mittels des zweiten Stirnradpaars (ST3) antriebswirksam mit dem Planetenradsatz zu verbinden; ein drittes Schaltelement (C) dazu ausgebildet ist, den Planetenradsatz zu verblocken; ein viertes Schaltelement (D) dazu ausgebildet ist, die zweite Getriebeeingangswelle mittels des dritten Stirnradpaars antriebswirksam mit der Abtriebswelle zu verbinden; und/oder ein fünftes Schaltelement (E) dazu ausgebildet ist, die zweite Getriebeeingangswelle mittels des zweiten Stirnradpaars (ST2) antriebswirksam mit dem Planetenradsatz zu verbinden.
  8. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Hybridgetriebe genau drei Stirnradpaare (ST1, ST2, ST3), genau einen Planetenradsatz (RS) und genau fünf Schaltelemente (A, B, C, D, E) zum Bilden von vier hybriden Gangstufen aufweist.
  9. Hybridgetriebe (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abtriebswelle zumindest abschnittsweise als Vollwelle ausgebildet ist und bevorzugt einen Hohlwellenabschnitt (28a) umfasst, um eine Anbindung an ein Differential des Abtriebs in einer Getriebemitte zu ermöglichen; und/oder wobei die erste Getriebeeingangswelle als Hohlwelle ausgebildet ist und die als Vollwelle ausgebildete zweite Getriebeeingangswelle zumindest abschnittsweise umgibt.
  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 (36) 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 der Abtrieb (30) 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 (36) 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); einer zweiten elektrischen Antriebsmaschine (20) und/oder einer weiteren elektrischen Maschine (36).
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