DE10312391A1 - Hybridantrieb für Fahrzeuge - Google Patents

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DE10312391A1
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planetary gear
gear
hybrid drive
planetary
brake
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Withdrawn
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Markus Amsz
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Hybridantrieb für Fahrzeuge, mit einem ersten und einem zweiten Planetengetriebe, einer Eingangswelle, die über eine erste Kupplung mit einem ersten Getriebeelement des ersten Planetengetriebes koppelbar ist, und einer elektrischen Maschine, die in Wirkverbindung mit einem zweiten Getriebeelement des ersten Planetengetriebes steht. Ferner ist ein erstes Übertragungselement vorgesehen, über das das Drehmoment von einem Getriebeelement des ersten Planetengetriebes auf ein Getriebeelement des zweiten Planetengetriebes übertragbar ist, und ein zweites Übertragungselement, über das das Drehmoment von einem anderen Getriebeelement des ersten Planetengetriebes auf ein anderes Getriebeelement des zweiten Planetengetriebes übertragbar ist. Des weiteren ist eine Bremse zum Bremsen eines der beiden Übertragungselemente vorgesehen und eine zweite Kupplung, die zwischen einem Ausgang des zweiten Planetengetriebes und einem Abtriebselement des Hybridantriebs angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für Fahrzeuge gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Moderne Fahrzeuge mit Automatikgetriebe weisen üblicherweise einen hydrodynamischen Wandler auf. Hydrodynamische Wandler sind jedoch schlupfbehaftet, was Leistungsverluste beim Anfahren und somit einen relativ hohen Spritverbrauch zur Folge hat. Aufgrund der spezifischen Drehmomentübertragungscharakteristik hydrodynamischer Wandler ist die erreichbare Dynamik bei Anfahrvorgängen beschränkt.
  • Es gibt bereits verschiedene konstruktive Ansätze für Antriebsstränge, bei denen auf einen Wandler verzichtet wird.
  • Aus der DE 199 17 665 A1 ist beispielsweise ein Hybridantrieb bekannt, bei dem der Verbrennungsmotor über zwei „Pfade" mit dem Automatikgetriebe gekoppelt ist, nämlich über einen „mechanischen Pfad" mit einer Trennkupplung und einen „elektrischen Pfad", der durch die zwei Elektromotoren und eine Leistungselektronik gebildet ist. Der elektrische Pfad mit den beiden Elektromotoren ersetzt den hydrodynamischen Wandler, wie er bei herkömmlichen Automatikgetrieben vorzufinden ist. Eine derartige Anordnung mit zwei Elektromaschinen und einer parallel dazu angeordneten Trennkupplung erfordert jedoch viel Bauraum und ist daher für viele Fahrzeugkonzepte ungeeignet.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hybridantrieb zu schaffen, bei dem auf einen hydrodynamischen Wandler verzichtet werden kann und der gleichzeitig eine kompakte Bauweise aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Hybridantrieb mit einem ersten und einem zweiten Planetengetriebe, die in „Reihe" angeordnet sind. Eine von einem Verbrennungsmotor angetriebene Eingangswelle ist über eine erste Kupplung mit einem ersten Getriebeelement des ersten Planetengetriebes koppelbar. Ferner ist eine elektrische Maschine vorgesehen, die in Wirkverbindung mit einem zweiten Getriebeelement des ersten Planetengetriebes steht und die je nach Betriebszustand des Hybridantriebs als Motor oder als Generator arbeitet. Des weiteren ist das erste Planetengetriebe über zwei Übertragungselemente mit dem zweiten Planetengetriebe gekoppelt. Über das erste Übertragungselement kann Drehmoment von einem Getriebeelement des ersten Planetengetriebes auf ein Getriebeelement des zweiten Planetengetriebes übertragen werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch Drehmoment von einem anderen Getriebeelement des ersten Planetengetriebes über das zweite Übertragungselement auf ein anderes Getriebeelement des zweiten Planetengetriebes übertragen werden. Ferner ist eine Bremse vorgesehen, mit der eines der beiden Übertragungselemente gebremst werden kann. Schließlich weist der Hybridantrieb. eine zweite Kupplung auf, die zwischen einem als Ausgang fungierenden Getriebeelement des zweiten Planetengetriebes und einem Abtriebselement des Hybridantriebs angeordnet ist.
  • Je nach Stellung der beiden Kupplungen und der Bremse sind verschiedene Betriebszustände möglich, was später noch ausführlich im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert wird.
  • Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Eingangswelle über die erste Kupplung mit einem Sonnenrad des 1. Planetengetriebes gekoppelt. Ein Hohlrad des ersten Planetengetriebes steht in Wirkverbindung mit der elektrischen Maschine. Auf einem Steg des ersten Planetengetriebes gelagerte Planeten kämmen mit dem Hohlrad und mit dem Sonnenrad. Der Steg des ersten Planetengetriebes ist über ein erstes Übertragungselement mit einem Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes verbunden. Die Bremse wirkt bei der ersten Ausführungsform der Erfindung auf das erste Übertragungselement. Somit können der Steg und das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes gebremst werden. Ferner ist das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes über ein zweites über das zweite Übertragungselement mit einem Steg des zweiten Planetengetriebes gekoppelt. Zur Erzielung einer großen Übersetzung kann das zweite Planetengetriebe als Doppelplanetengetriebe ausgeführt sein. Unter dem Begriff „Doppelplanetengetriebe" versteht man ein Planetengetriebe mit zwei Planetensätzen, nämlich einem radial inneren Planetensatz, der mit dem Sonnenrad kämmt und einem radial äußeren Planetensatz, der mit dem Hohlrad kämmt. Beide Planetensätze sind auf dem Steg des zweiten Planetengetriebes gelagert und kämmen miteinander. Vorzugsweise ist bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung der Ausgang des zweiten Planetengetriebes durch dessen Hohlrad gebildet.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist das erste Planetengetriebe ebenfalls ein Doppelplanetengetriebe mit einem radial inneren und einem radial äußeren Planetensatz. Vorzugsweise wirkt hierbei die elektrische Maschine mit dem Steg des ersten Planetengetriebes zusammen. Das Hohlrad des ersten Planetengetriebes und das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes sind über ein Übertragungselement miteinander gekoppelt und durch die Bremse bremsbar.
  • Bei einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung handelt es bei dem ersten Planetengetriebe und bei dem zweiten Planetengetriebe jeweils um einfaches Planetengetriebe, das heißt um ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem auf einem Steg gelagerten Planetensatz und einem damit kämmenden Hohlrad. Vorzugsweise ist hier die Eingangswelle über eine Kupplung mit dem Hohlrad koppelbar. Der Ausgang des Hybridantriebs kann durch den Steg des zweiten Planetengetriebes gebildet sein.
    •
  • Im folgenden wir die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den grundsätzlichen Aufbau der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • 2-8 verschiedene Betriebszustände des Hybridantriebs der 1; und
  • 9 den Hybridantrieb der 1, der teilweise in ein Sechsgangautomatikgetriebe integriert ist.
  • 1 zeigt einen Hybridantrieb 1 mit einem ersten Planetengetriebe 2 und einem zweiten Planetengetriebe 3. Eine Eingangswelle 4, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben sein kann, ist über eine erste Kupplung, die hier mit dem Buchstaben G bezeichnet ist, mit einem Sonnenrad S0 des ersten Planetengetriebes 2 koppelbar. Das erste Planetengetriebe 2 weist ferner ein Hohlrad H0 und einen Steg St0 auf, auf dem Planeten P0 gelagert sind. Die Planeten P0 kämmen mit dem Sonnenrad S0 und mit dem Hohlrad H0. Das Hohlrad H0 des ersten Planetengetriebes 2 bildet einen Rotor einer elektrischen Maschine 5, die in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Hybridantriebs 1 als Motor oder als Generator arbeitet.
  • Der Steg St0 des ersten Planetengetriebes 2 ist über ein erstes Übertragungselement 6 mit einem Sonnenrad S1 des zweiten Planetengetriebes 3 verbunden. Das erste Übertragungselement 6 kann mittels einer Bremse, die hier mit dem Buchstaben F bezeichnet ist, gebremst werden. Ferner ist das Sonnenrad S0 des ersten Planetengetriebes 2 über ein zweites Übertragungselement 7 mit einem Doppelsteg St1 des zweiten Planetengetriebes 3 verbunden. Das zweite Planetengetriebe 3 ist ein nämlich ein Doppelplanetengetriebe mit radial inneren Planeten P1I und radial äußeren Planeten P1Ä. Die Planeten P1I und P1Ä sind jeweils an dem Doppelsteg St1 gelagert und kämmen miteinander. Die radial inneren Planeten P1I kämmen zusätzlich mit dem Sonnenrad S1 und die radial äußeren Planeten P1Ä kämmen mit einem Hohlrad H1 des zweiten Planetengetriebes 3. Das Hohlrad H1 bildet ein Abtriebselement des zweiten Planetengetriebes 3 und ist über eine Kupplung, die hier mit dem Buchstaben A bezeichnet ist, mit einem Abtriebselement 8 des Hybridantriebs 1 koppelbar.
  • 2 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Kupplungen G und A geschlossen sind und die Anfahrbremse F allmählich geschlossen wird. Zunächst ist die Anfahrbremse F geöffnet. Dies hat zur Folge, dass sich das erste Übertragungselement 6, das heißt der Steg St0 und das Sonnenrad S1 ungehindert drehen können. Zunächst ist also noch keine Drehmoment übertragung von der Eingangswelle 4 über das zweite Übertragungselement 7 auf das Hohlrad H1 möglich.
  • Durch allmähliches Schließen der Anfahrbremse F wird das erste Übertragungselement 6 abgebremst und allmählich Drehmoment auf das Hohlrad H1 bzw. auf das Abtriebselement 8 übertragen. Somit kann durch allmähliches Schließen der Anfahrbremse F allein mit dem über die Eingangswelle 4 vom Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) abgegebenen Drehmoment angefahren werden.
  • Im unteren Teil der 2 sind die entsprechenden Kutzbachpläne des ersten und zweiten Planetengetriebes dargestellt.
  • 3 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Kupplung G offen, die Anfahrbremse geschlossen und die Kupplung A ebenfalls geschlossen ist. In diesem Betriebszustand ist die Eingangswelle 4 vom Antriebselement 8 entkoppelt. Jedoch steht die elektrische Maschine 5 über das erste Übertragungselement 6, den Steg St1 und die Kupplung A mit dem Abtriebselement 8 in Verbindung. In dem gezeigten Betriebszustand somit ein elektrischer Betrieb möglich. Das heißt, die elektrische Maschine 5 kann als Motor eingesetzt werden, zum Anfahren, Fahren und Rangieren. Alternativ dazu kann im Schubbetrieb die elektrische Maschine zum Rekuperieren, das heißt als Generator zur Stromgewinnung bzw. zum Abbremsen des Fahrzeugs eingesetzt werden.
  • 4 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Kupplung A geschlossen ist, die Kupplung G allmählich schließt und mit der Kupplung F die Fahrgeschwindigkeit, das heißt die Abtriebsgeschwindigkeit am Abtriebselement 8 geregelt wird. Dieser Betriebszustand tritt auf, wenn zunächst mit der elektrischen Maschine 5 gefahren bzw. angefahren wird und währenddessen der an die Eingangswelle 4 angekoppelte Verbrennungsmotor (nicht darge stellt) gestartet und ruckfrei „eingekoppelt" werden soll. Durch geeignete Ansteuerung der Bremse F und der elektrischen Maschine 5 kann ruckfrei der Antrieb von der elektrischen Maschine 5 durch den Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) übernommen oder gleichzeitig mit dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angetrieben werden. Durch entsprechende Steuerung der Bremse F und der elektrischen Maschine 5 kann dieser „Übernahmevorgang" ruckfrei bei konstanter Abtriebsgeschwindigkeit erfolgen.
  • Die Fahrgeschwindigkeit wird dabei primär durch die Anfahrkupplung F geregelt.
  • 5 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Bremse F und die Kupplung A jeweils geschlossen sind und die Kupplung G allmählich schließt. Dieser Vorgang wird beispielsweise eingesetzt, wenn zunächst mit der elektrischen Maschine 5 angefahren wird und anschließend durch Schließen der Kupplung 5 an den Verbrennungsmotor, der an der Eingangswelle 4 „hängt", übergeben wird.
  • 6 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Kupplung A geöffnet ist. Es besteht somit keine Drehmomentverbindung zwischen dem Abtriebselement 8 und der Eingangswelle 4 bzw. der elektrischen Maschine 5. Die Kupplung G ist geschlossen. Somit steht die Eingangswelle 4 in Drehverbindung mit dem Sonnenrad S0. Die Bremse F schließt entweder oder ist bereits geschlossen. Wenn die Bremse F geschlossen ist, kann die elektrische Maschine 5 als Startergenerator zum Starten des an der Eingangswelle 4 hängenden Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
  • Alternativ dazu ist auch ein sogenannter „Impulsstart" möglich. Unter „Impulsstart" versteht man, dass die elektrische Maschine zunächst auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt wird und anschließend die Bremse F ge schlossen wird. Somit kann der Verbrennungsmotor auch bei einer geringen Übersetzung des ersten Planetengetriebes aufgrund der Massenträgheit der elektrischen Maschine 5 gestartet werden.
  • 7 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Kupplungen G und A geschlossen und die Bremse F offen ist. In diesem Zustand kann allein durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine 5 sanft angefahren bzw. rangiert werden. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 5 bzw. des Hohlrades H0 kann nämlich so gesteuert werden, dass der Steg St0 still steht, obwohl sich das Sonnenrad S0 dreht. Ein Teil der vom Verbrennungsmotor über die Eingangswelle 4 eingespeisten Leistung wird also während des Anfahrvorgangs über die elektrische Maschine 5 abgezweigt, wobei der Steg St0 still steht. Anschließend wird die Fahrkupplung F geschlossen und in den normalen Fahrbetrieb übergegangen.
  • 8 zeigt einen Betriebszustand, bei dem die beiden Kupplungen G und A und die Anfahrbremse F geschlossen sind. In diesem Zustand ist ein kombinierter Betrieb, das heißt ein Antrieb durch den Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine (Boostbetrieb) möglich. Ferner kann die elektrische Maschine 5 auch als Generator eingesetzt werden und entsprechende Leistung vom Verbrennungsmotor abgezweigt werden.
  • 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Teil des Hybridantriebs der 1, nämlich die Anfahrbremse F, das zweite Planetengetriebe 3 und die Abtriebskupplung A in ein Sechsgang-Automatikgetriebe 9 integriert sind. Bei dem Automatikgetriebe 9 kann es sich beispielsweise um ein Getriebe handeln, wie es in dem europäischen Patent EP 434 525 B1 von Pierre Andre Georges Lepelletier beschrieben ist. Auf den Inhalt der EP 434 525 B1 wird für die vorliegende Anmeldung in vollem Umfang Bezug genommen.

Claims (12)

  1. Hybridantrieb (1) für Fahrzeuge, mit einem ersten und einem zweiten Planetengetriebe (2, 3), einer Eingangswelle (4), die über eine erste Kupplung (G) mit einem ersten Getriebeelement (S0) des ersten Planetengetriebes (2) koppelbar ist, einer elektrischen Maschine (5), die in Wirkverbindung mit einem zweiten Getriebeelement (H0) des ersten Planetengetriebes (2) steht, einem ersten Übertragungselement (6), über das Drehmoment von einem Getriebeelement (St0) des ersten Planetengetriebes (2) auf ein Getriebeelement (S1) des zweiten Planetengetriebes (3) übertragbar ist und einem zweiten Übertragungselement (7), über das Drehmoment von einem anderen Getriebeelement (S0) des ersten Planetengetriebes (2) auf ein anderes Getriebeelement (St1) des zweiten Planetengetriebes (3) übertragbar ist, einer Bremse (F), die zum Bremsen eines der beiden Übertragungselemente (6) vorgesehen ist und einer zweiten Kupplung (A), die zwischen einem Ausgang (H) des zweiten Planetengetriebes (3) und einem Abtriebselement (8) des Hybridantriebs (1) angeordnet ist.
  2. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Getriebeelement (S0) des ersten Planetengetriebes (2) ein Sonnenrad ist. (erste Ausführungsform)
  3. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das zweite Getriebeelement (H0) des ersten Planetengetriebes (2) ein Hohlrad ist. (erste Ausführungsform)
  4. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Steg (St0) des ersten Planetengetriebes (2) durch das erste Übertragungselement (6) mit einem Sonnenrad (S1) des zweiten Planetengetriebes (3) verbunden ist. (erste Ausführungsform)
  5. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bremse (F) zum Bremsen des ersten Übertragungselements (6) vorgesehen ist. (erste Ausführungsform)
  6. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Sonnenrad (S0) des ersten Planetengetriebes (2) durch das zweite Übertragungselement (7) mit einem Steg (St1) des zweiten Planetengetriebes (3) verbunden ist. (erste Ausführungsform)
  7. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Planetengetriebe (3) ein Doppelplanetengetriebe ist, wobei an einem Steg (St1) des zweiten Planetengetriebes (3) radial innere Planeten (P1I) und radial äußere Planeten (P1Ä) gelagert sind und die radial inneren Planeten (P1I) auf dem Sonnenrad (S1) und auf den radial äußeren Planeten (P1Ä) abwälzen und die radial äußeren Planeten (P1Ä) auf den radial inneren Planeten (P1I) und auf einem Hohlrad (H1) des zweiten Planetengetriebes (3) abwälzen. (erste Ausführungsform)
  8. Hybridantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ausgang (H1) des zweiten Planetengetriebes (3) durch dessen Hohlrad gebildet ist. (erste Ausführungsform)
  9. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Planetengetriebe (2) ein Doppel-Planetengetriebe ist. (zweite Ausführungsform)
  10. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 9, wobei das zweite Getriebeelement des ersten Planetengetriebes (2) ein Steg (St0) ist. (zweite Ausführungsform)
  11. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 1, 9 oder 10, wobei das Hohlrad (H0) des ersten Planetengetriebes (2) durch das erste Übertragungselement (6) mit dem Sonnenrad (S1) des zweiten Planetengetriebes (3) verbunden ist. (zweite Ausführungsform)
  12. Hybridantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Planetengetriebe (2, 3) jeweils einfache Planetengetriebe sind, wobei der Verbrennungsmotor über die erste Kupplung (G) mit dem Hohlrad (H1) des zweiten Planetengetriebes (3) verbindbar ist und der Ausgang des zweiten Planetengetriebes (3) durch den Steg (St1) des zweiten Planetengetriebes (3) gebildet ist. (dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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