DE10302674A1 - Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Karl-Ernst Dipl.-Ing. Noreikat
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1), einem stufenlosen Getriebe (2) und einer elektrischen Maschine (3), wobei die Brennkraftmaschine (1) über eine erste Welle (4) mit dem Getriebe (2) verbunden ist, die elektrische Maschine (3) über eine zweite Welle (5) mit dem Getriebe (2) verbunden ist, das Getriebe (2) eine erste stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit (6) aufweist, über welche die Brennkraftmaschine (1) mit einem Achsantrieb (7) verbunden ist, und das Getriebe (2) eine zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit (8) aufweist, über welche die elektrische Maschine (3) mit dem Achsantrieb (7) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem stufenlosen Getriebe und einer elektrischen Maschine.
  • Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftwagen, kann als Antriebssystem eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einer oder mehreren elektrischen Maschinen (ein sog. Hybridantrieb) eingesetzt werden. Hierbei kann die Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine bzw. die elektrischen Maschinen z.B. beim Anfahren und/oder beim Antrieb unterstützt werden. Die elektrische Maschine bzw. die elektrischen Maschinen können ebenfalls der Rekuperation der beispielsweise beim Bremsen anfallenden kinetischen Energie des Fahrzeuges dienen. Hierdurch können sich Vorteile betreffend die Funktionalität, den Verbrauch und die Abgaswerte ergeben.
  • Eine elektrische Maschine kann beispielsweise an einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, einer Getriebeeingangswelle, einer Getriebeausgangswelle und/oder einer nichtverbrennungsmotorisch angetriebenen Achse im Kraftfahrzeug angeordnet sein. Hierbei ist das Verhältnis der Drehzahl der elektrischen Maschine zu der Drehzahl der Komponente (z.B. der Kurbelwelle), welcher die elektrische Maschine zugeordnet ist, fest.
  • Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 202 01 640 U1 ist ein Hybridantrieb bekannt, welcher eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine und ein stufenlosen Getriebe umfasst.
  • Das stufenlose Getriebe ist zwischen der Brennkraftmaschine und einem Achsantrieb angeordnet. Es handelt sich hierbei um ein Umschlingungsgetriebe. Dem Rotor der elektrischen Maschine ist ein Rad zugeordnet, welche über einen Treibriemen mit der Getriebeausgangswelle gekoppelt ist. Das Verhältnis der Drehzahl des Rotors zur Drehzahl der Getriebeausgangswelle ist fest. Eine Übersetzungsänderung kann nicht mittels der Kraftübertragungseinheit bestehend aus Rad und Treibriemen bewirkt werden.
  • Durch ein festes Drehzahlverhältnis bzw. dadurch dass eine Änderung der Übersetzung nicht möglich ist, ergibt sich die Notwendigkeit die elektrische Maschine für einen weiten Drehzahlbereich auszulegen. Dies führt jedoch zu einer Auslegung der elektrischen Maschine mit einem weiten Bereich, in welchem die elektrische Maschine nur ein vermindertes Drehmoment abgeben kann (Bereich der sog. Feldschwächung). Eine starke Feldschwächung kann bei bestimmten Typen von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise bei permanent erregten Synchronmaschinen, bei hohen Drehzahlen und ausgefallenem Stromrichter zu einer für Umgebung und Personen gefährlich hohen Spannung führen. Für die Auslegung der elektrischen Maschine in Bezug auf Masse und Volumen ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine mit möglichst hoher Drehzahl betrieben wird. Hierfür wird eine zusätzliche, der elektrischen Maschine zugeordnete Getriebestufe verwendet.
  • Aus der Patentschrift US 4,797,602 ist eine elektrische Maschine bekannt, deren Rotorachse über eine Getriebestufe mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Das Übersetzungsverhältnis der Rotordrehzahl zur Kurbelwellendrehzahl ist aus Gründen der Optimalität bei 4:1 fixiert. Das Übersetzungsverhältnis ist immer dasselbe unabhängig davon, ob die elektrische Maschine als Starter oder als Generator betrieben wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein flexible betreibbares und effizientes Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches eine Brennkraftmaschine und eine elektrische Maschine umfasst. Die Effizienz des Antriebssystems bezieht sich hierbei auch auf Gewicht und Bauraum.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug weist eine Brennkraftmaschine, ein stufenloses Getriebe und eine elektrische Maschine auf. Die Brennkraftmaschine ist über eine erste Welle, insbesondere eine Kurbelwelle, mit dem Getriebe verbunden. Die elektrische Maschine ist über eine zweite Welle mit dem Getriebe verbunden. Das Getriebe ist mit einer ersten stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheit versehen, über welche die Brennkraftmaschine mit einem Achsantrieb für den Antrieb der Räder des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Zusätzlich weist das Getriebe eine zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit auf, über welche die elektrische Maschine mit dem Achsantrieb gekoppelt ist. Unter einer stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheit, ist eine Kraftübertragungseinheit zu verstehen, die derart verstellbar ist, dass das Verhältnis der Drehzahlen der beiden Komponenten, welche durch die Kraftübertragungseinheit verbunden sind, zueinander stufenlos veränderbar bzw. einstellbar ist.
  • Mit dem Einsatz eines stufenlosen Getriebes lassen sich sowohl Vorteile in der Fahrleistung und in den Beschleunigungswerten als auch im Kraftstoffverbrauch und bei der Abgasemission gegenüber Stufengetrieben erzielen.
  • Durch die zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit zwischen elektrischer Maschine und Achsantrieb kann die Drehzahlübersetzung von der elektrischen Maschine zum Achsantrieb stufenlos verändert werden. Beispielsweise beim elekt rischen Anfahren, d.h. beim Anfahren mittels elektrischer Maschine, wird die zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit vorzugsweise derart eingestellt bzw. betrieben, dass die elektrische Maschine mit hoher Drehzahl dreht und mit hohem Drehmoment auf den Achsantrieb wirkt. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten kann die Drehzahlübersetzung mittels der zweiten stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheit ebenfalls verändert werden und auf diese Weise die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine und damit deren Bereich der Feldschwächung geringer gewählt werden. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine kleiner und leichter ausgeführte elektrische Maschine verwendet werden. Weiterhin kann die elektrische Maschine grundsätzlich bei einer höheren Drehzahl als die anderen Komponenten des Antriebsstranges (beispielsweise Kurbelwelle, Getriebeeingangswelle, Getriebeausgangswelle) betrieben werden. Es lässt sich also beispielsweise mittels der zweiten stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheit eine generelle Übersetzung dergestalt einstellen, dass die elektrische Maschine immer mit einer höheren Drehzahl als beispielsweise die Brennkraftmaschine betrieben wird. Dies kann durch entsprechende Ausgestaltung bzw. Ansteuerung der zweiten Kraftübertragungseinheit erreicht werden.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine stufenlose Verstellbarkeit der Übersetzung der Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine zum Achsantrieb bzw. zur Getriebeausgangswelle weitere Freiheitsgrade bei der Auslegung und der Betriebsstrategie eines Antriebssystem bestehend aus einer, Kombination aus Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine (sog. Hybridantrieb) bietet. Das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs kann hierdurch ebenfalls wesentlich beeinflusst werden.
  • Stufenlose Getriebe können mechanisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt sein. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem wird vorzugsweise ein mechanisches Getriebe in Form eines Wälzgetriebes (insbesondere ein Toroidgetriebe) oder eines Umschlingungsgetriebes eingesetzt. Bei einem Wälzgetriebe ist die Kraftübertragungseinheit üblicherweise derart ausgeführt, dass die Kraftübertragung von einer Antriebs- auf einer Abtriebsscheibe über schwenkbare Rollen erfolgt, wobei die Antriebs- und die Abtriebsscheibe in Form eines Torus ausgebildet sind. Durch eine Änderung des Neigungswinkels der Reibrollen lässt sich das Übersetzungsverhältnis zwischen An- und Abtrieb stufenlos einstellen. Die Kraftübertragung erfolgt durch Reibkontakt (Braess, Seiffert, „Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik", 2. Auflage, Vieweg-Verlag). Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist eine zweite dieser stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheiten im Getriebe vorgesehen, über die die elektrische Maschine mit dem Achsantrieb verbunden ist.
  • Bei einem Umschlingungsgetriebe, auch CVT (Continuously Variable Transmission) genannt, umfasst die stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit typischerweise einen Variator, der aus zwei Kegelscheibenpaaren, einem Primärscheibenpaar und einem Sekundärscheibenpaar, besteht. Die Kraftübertragung erfolgt durch ein Umschlingungselement, als welches beispielsweise eine Zugkette, ein Riemen oder ein Schubgliederband eingesetzt werden kann. Durch axiale Veränderung des Scheibenabstandes wird der Laufradius des Umschlingungselementes und damit die Übersetzung geändert. Mit der Breite des Scheibenkeiles verändert sich also fließend die Übersetzung zwischen Antriebsmotor und Achsantrieb bzw. Abtriebsrädern. Die Kraftübertragung zwischen Scheibenpaar und Umschlingungselement erfolgt durch Reibung. Die axiale Anpressung der Scheiben wird üblicherweise über Kolben durch hydraulischen Druck erzeugt. Die Übersetzungsverstellung wird typischerweise ebenfalls hydraulisch mittels einer Getriebesteuerung gesteuert (Braess, Seiffert, „Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik", 2. Auflage, Vieweg-Verlag).
  • In Ausgestaltung der Erfindung weist das stufenlose Getriebe eine zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit auf, die einen Variator umfasst. Das stufenlose Getriebe weist also zwei Kraftübertragungseinheiten auf, welche je einen Variator umfassen, der ein Primärscheibenpaar, ein Sekundärscheibenpaar und ein Umschlingungselement aufweist. Die Scheiben sind axial verschiebbar. Das Primärscheibenpaar der ersten Kraftübertragungseinheit ist hierbei vorzugsweise der Brennkraftmaschine zugeordnet, während das Primärscheibenpaar der zweiten Kraftübertragungseinheit bevorzugterweise der elektrischen Maschine zugeordnet ist. Das Sekundärscheibenpaar der ersten Kraftübertragungseinheit bildet ebenfalls das Sekundärscheibenpaar der zweiten Kraftübertragungseinheit und ist dem Achsantrieb bzw. den Antriebsrädern zugeordnet. Insgesamt umfasst das stufenlose Getriebe also drei Scheibenpaare, zwei Primärscheibenpaare und ein Sekundärscheibenpaar. Das erste Primärscheibenpaar kann selbstverständlich auch mit einer der Brennkraftmaschine zugeordneten Kupplung verbunden sein.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einem Wälzgetriebe,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Umschlingungsgetriebes eines erfindungsgemäßen Antriebssystems und
  • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einem Wälzgetriebe, wobei die elektrische Maschine formschlüssig mit dem Wälzgetriebe verbunden ist.
  • Funktionell gleiche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine 1, einem stufenlosen Getriebe 2 und einer elektrischen Maschine 3, welches insbesondere dem Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient. Die Brennkraftmaschine 1 ist über eine Kurbelwelle 4 mit dem stufenlosen Getriebe 2 verbunden. Die elektrische Maschine 3 bzw. deren nicht dargestellter Rotor ist über eine Welle 5 mit dem stufenlosen Getriebe 2 gekoppelt. Das stufenlose Getriebe 2 weist eine erste stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit 6 und eine zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit 8 auf. Eine nicht näher bezeichnete Getriebeausgangswelle ist mit einem Achsantrieb 7 verbunden, bei welchem mittels eines Differentials 9 und einer Radachse 10 Kraft bzw. das Drehmoment auf Antriebsräder 11 übertragen wird.
  • Beispielhaft ist als stufenloses Getriebe ein Wälzgetriebe, insbesondere ein Toroidgetriebe, dargestellt. Selbstverständlich ist auch der Einsatz von anderen stufenlos verstellbaren Getriebearten, wie beispielsweise anderen mechanischen, hydraulischen und/oder elektrischen Getriebearten denkbar. Jede Kraftübertragungseinheit 6, 8 des Getriebes 2 weist eine Antriebsscheibe 12, eine Abtriebsscheibe 13 und zwischen diesen Scheiben 12, 13 angeordnete schwenkbare Rollen 14 auf. Die Scheiben sind vorzugsweise konisch und/oder torusartig geformt. Eine Abgrenzung zwischen der ersten Kraftübertragungseinheit 6 und der zweiten Kraftübertragungseinheit 8 ist in der 1 gestrichelt dargestellt. Der Verlauf der getriebeinternen Wellen ist in der 1 nur mittels einer strichpunktierten Linie angedeutet. Die getriebeinterne Verbindung zu einer nicht näher bezeichneten Getriebeausgangswelle ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Antriebsscheiben 12 befinden sich bei den Kraftübertragungseinheiten 6, 8 auf der Seite des jeweiligen Antriebselements Brennkraftmaschine 1 bzw. elektrische Maschine 3. Die Abtriebsscheiben 13 sind auf den gegenüberliegenden Seiten bzw. abtriebsseitig angeordnet. Die Kraftübertragung von einer An triebsscheibe 12 auf einer Abtriebsscheibe 13 erfolgt über die zwischen den Scheiben angeordneten schwenkbaren Rollen 14. Durch einen Änderung des Neigungswinkels der Rollen 14 lässt sich das Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb stufenlos einstellen.
  • Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem stufenlosen Getriebe 2 ist vorzugsweise eine schaltbare Kupplung 15 vorgesehen. Mittels dieser Kupplung 15 kann beispielsweise für ein rein elektrischen Fahren bzw. rein elektrischen Antrieb die Brennkraftmaschine abgetrennt und somit die Wirkung ihres Schleppmomentes vermieden werden. Unmittelbar vor einem Einkuppeln der Brennkraftmaschine 1 während der Fahrt kann eine Synchronisation der Kupplungsscheiben der Kupplung 15 durch das stufenlose Getriebe 2 erfolgen. Durch den Einsatz der Kupplung 15 ergibt sich also ein insbesondere für ein Hybridfahrzeug vorteilhaftes Antriebssystem.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführung des stufenlosen Getriebes 2 des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Die Darstellung in 2 zeigt eine Frontalansicht des stufenlosen Getriebes 2 in axialer Richtung. Bei dem dargestellten stufenlosen Getriebe handelt es sich um ein Umschlingungsgetriebe bzw. ein CVT (Continuously Variable Transmission). Je Antriebselement Brennkraftmaschine 1 und elektrische Maschine 3 ist eine Kraftübertragungseinheit 6, 8 vorgesehen. Jede Kraftübertragungseinheit 6, 8 weist ein Primärscheibenpaar 19, 20 und ein Sekundärscheibenpaar 21 auf, wobei sich die Kraftübertragungseinheiten 6, 8 ein Sekundärscheibenpaar „teilen". Die Scheiben der Scheibenpaare 19, 20, 21 sind vorzugsweise als Kegelscheiben ausgeführt. Beispielhaft ist das Primärscheibenpaar 19 mit der Welle 4 der Brennkraftmaschine 1 verbunden, während das Primärscheibenpaar 20 mit dem Rotor der elektrischen Maschine 3 verbunden ist. Das Sekundärscheibenpaar 21 ist wiederum mit dem Achsantrieb 7 verbunden. Die Kraftübertragung erfolgt mittels eines Umschlingungselements 22, welches alle drei Scheibenpaare 19, 20, 21 umschlingt. Es ergibt sich eine Dreiecksanordnung der Scheibenpaare 19, 20, 21 in axialer Richtung.
  • Werden die Scheibenpaare in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, so ergeben sich je nach Übersetzung ungefähr 120° Umschlingungswinkel an jedem Scheibenpaar. Unter einem Umschlingungswinkel ist der Winkel zu verstehen, welcher von dem Umschlingungselement 22 bei einem Scheibenpaar 19, 20, 21 umschlungen wird. Selbstverständlich können die Scheibenpaare 19, 20, 21 auch in Form eines gleichschenkligen Dreiecks oder anderweitig angeordnet sein. Wird eine andere Anordnung gewählt, so kann beispielsweise der Umschlingungswinkel an dem dem Verbrennungsmotor 1 zugeordneten Scheibenpaar 19 und der Umschlingungswinkel an dem dem Achsantrieb 7 zugeordneten Scheibenpaar 21 größer und der Umschlingungswinkel an dem der elektrischen Maschine 3 zugeordneten Scheibenpaar 20 kleiner gewählt werden. Durch axiale Verstellung des Scheibenabstandes bei den Scheibenpaaren 19, 20, 21 lässt sich der Laufradius des Umschlingungselements und somit die Übersetzung verändern.
  • In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem dargestellt, welches in weiten Teilen dem in der 1 dargestellten Antriebssystem entspricht. Der Achsantrieb 7 ist der Übersichtlichkeit halber nur durch eine gepunktete Linie angedeutet. In der 3 sind sowohl der Rotor 23 als auch der Stator 24 der elektrischen Maschine 3 dargestellt. Außenläufer- und Innenläufervarianten der elektrischen Maschine 3 sind denkbar. Dargestellt ist eine Innenläuferanordnung. Bevorzugterweise ist der Rotor 23 an die Antriebsscheibe 12 der zweiten Kraftübertragungseinheit 8 angeflanscht bzw. formschlüssig mit dieser verbunden. Alternativ kann der Rotor 23 auch als Antriebsscheibe 12 ausgeführt sein. Handelt es sich bei dem eingesetzten stufenlosen Getriebe 2 um ein Umschlingungsgetriebe, so kann der Rotor 23 mit derjenigen Scheibe des Scheibenpaares 20 formschlüssig verbunden sein, welche am geringsten beabstandet von der elektrischen Maschine 3 vorge sehen ist. Alternativ kann diese Scheibe als Rotor 23 ausgeführt sein. Durch diese Zusammenfassung von Scheibe und Rotor 23 der elektrischen Maschine 3 kann vorteilhafterweise Bauraum und Gewicht eingespart werden.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine 3 in das stufenlose Getriebe 2 integriert. Vorzugsweise sind das stufenlose Getriebe 2 und die elektrische Maschine 3 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Claims (7)

  1. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1), einem stufenlosen Getriebe (2) und einer elektrischen Maschine (3), wobei – die Brennkraftmaschine (1) über eine erste Welle (4) mit dem Getriebe (2) verbunden ist, – die elektrische Maschine (3) über eine zweite Welle (5) mit dem Getriebe (2) verbunden ist, – das Getriebe (2) eine erste stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit (6) aufweist, über welche die Brennkraftmaschine (1) mit einem Achsantrieb (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, das Getriebe (2) eine zweite stufenlos verstellbare Kraftübertragungseinheit (8) aufweist, über welche die elektrische Maschine (3) mit dem Achsantrieb (7) verbunden ist.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (2) als Wälzgetriebe mit zwei stufenlos verstellbaren Kraftübertragungseinheiten (6, 8) ausgeführt ist, wobei jede Kraftübertragungseinheit (6, 8) je eine Antriebsscheibe (12), eine Abtriebsscheibe (13) und zwischen diesen Scheiben (12, 13) angeordnete schwenkbare Rollen (14) aufweist.
  3. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (2) als Umschlingungsgetriebe ausgeführt ist, dessen erste und dessen zweite Kraftübertragungseinheit (6, 8) je einen Variator (17, 18) umfassen, welcher ein Primärscheibenpaar (19, 20), ein Sekundärscheibenpaar (21) und ein Umschlingungselement (22) aufweist, wobei das Sekundärscheibenpaar (21) der ersten Kraftübertragungseinheit (6) das Sekundärscheibenpaar (21) der zweiten Kraftübertragungseinheit (8) bildet.
  4. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brennkraftmaschine (1) und Getriebe (2) eine Kupplung (15) vorgesehen ist.
  5. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scheibe (12) der zweiten Kraftübertragungseinheit (8) als Rotor (23) der elektrischen Maschine (3) ausgeführt ist oder formschlüssig mit dem Rotor (23) der elektrischen Maschine (3) verbunden ist.
  6. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenpaare (19, 20, 21) des Umschlingungsgetriebes (2) in axialer Richtung in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
  7. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlose Getriebe (2) und die elektrische Maschine (3) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3029857A1 (fr) * 2014-12-10 2016-06-17 Renault Sa Groupe motopropulseur de vehicule hybride a division de puissance et a rapport de vitesse variable
CN112249616A (zh) * 2020-09-29 2021-01-22 俞利明 一种传输速度控制机构
WO2022241565A1 (en) * 2021-05-21 2022-11-24 Transmission Cvtcorp Inc. Continually variable transmission provided with an electric machine

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