DE10343829A1 - Achsbaugruppe mit Parallelantriebssystem für Elektrohybridfahrzeuge - Google Patents

Achsbaugruppe mit Parallelantriebssystem für Elektrohybridfahrzeuge Download PDF

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Dale K. Durango Bell
Dennis A. Troy Kramer
Clive Bromham Harrup
Mehmet S. Greenwood Ciray
Silvio M. Gahanna Yamada
Dean M. Pataskala House
David K. Shelby Platner
Dale J. Clinton Township Eschenburg
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Abstract

Das erfindungsgemäße Parallelantriebssystem eignet sich besonders gut zur Lagerung an der Achse des Fahrzeugs. Eine Kupplungsanordnung umfaßt einen Kupplungsmechanismus und eine Übersetzungsvorrichtung, die wahlweise einen Elektromotor mit den Antriebsrädern verbinden, um allein oder in Kombination mit dem Eingang von einem Verbrennungsmotor Drehmoment zu den Rädern zu übertragen. Das Antriebsdrehmoment kann auch ausschließlich von dem Verbrennungsmotor bereitgestellt werden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Elektromotor zum Beispiel beim Rollen oder beim Bremsen auch als Generator verwendet werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Antriebssysteme für Fahrzeuge. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Parallelantriebssystem mit an der Achse angebrachten Komponenten zum wahlweisen Antrieb einer Antriebsachse des Fahrzeugs.
  • Fahrzeuge werden normalerweise durch einen Verbrennungsmotor oder durch einen oder mehr Elektromotoren angetrieben. Einige sogenannte Hybridfahrzeuge enthalten eine Kombination aus Verbrennungsmotor- und Elektromotorantrieb. Solche Hybridfahrzeuge enthalten manchmal Parallelantriebssysteme, die eine Antriebskraft von dem Elektromotor, von dem Verbrennungsmotor oder von beiden bereitstellen.
  • Normalerweise ist die mechanische Verbindung, die die Wahl zwischen Elektroenergie oder Brennkraftenergie erlaubt, direkt an dem Verbrennungsmotor, dem Fahrzeuggetriebe oder einem sogenannten Summierungsgetriebe angebracht, das den elektrischen Antrieb mit dem mechanischen Antrieb kombiniert. Solche Anordnungen lassen einem Steuergerät oder dem Fahrer des Fahrzeugs die Wahl zwischen Elektroenergie und Brennkraftenergie zum Antreiben des Fahrzeugs.
  • Ein Hauptnachteil bei solchen Systemen besteht darin, daß spezielle Modifikationen erforderlich sind, damit das Schwungrad des Motors oder das Getriebe die erforderliche zusätzliche Kupplung aufnehmen kann. Bei Ausführungsformen mit einem Summierungsgetriebe muß außerdem das Fahrzeugchassis normalerweise modifiziert werden, um die zusätzlichen Komponenten aufzunehmen. Die wirtschaftlichen Nachteile solcher Anordnungen machen diese alles andere als ideal. Ferner sind solche Modifikationen normalerweise schwer zu implementieren.
  • Die Fachleute sind ständig darum bemüht, Verbesserungen vorzunehmen und Parallelantriebssysteme wirtschaftlicher und brauchbarer zu machen.
  • Diese Erfindung stellt eine einzigartige Anordnung bereit, bei der ein Parallelantriebssystem verwendet werden kann, ohne daß das Schwungrad des Motors, das Getriebe oder das Fahrzeugchassis modifiziert werden müssen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Allgemein gesagt handelt es sich bei dieser Erfindung um eine Anordnung eines Parallelantriebssystems, das an der Achse angebracht werden kann und wahlweise die Drehmomentverteilung von einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor oder einer Kombination der beiden zu den Antriebsrädern steuert.
  • Ein gemäß dieser Erfindung konstruiertes beispielhaftes System umfaßt ein Achsgehäuse. Eine Kupplungsanordnung ist zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert. Ein Elektromotor überträgt wahlweise Drehmoment durch die Kupplungsanordnung zu den zu dem Achsgehäuse gehörigen Rädern. Ein Eingang von dem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs überträgt außerdem wahlweise Drehmoment zu den Rädern, je nach dem Zustand der Kupplungsanordnung.
  • Ein elektronisches Steuergerät setzt die Kupplungsanordnung in Betrieb, so daß Drehmoment wahlweise von einem zu dem Verbrennungsmotor oder zu dem Elektromotor gehörigen Antriebswelleneingang zu den Rädern übertragen wird. Wenn der Elektromotor Drehmoment zu den Rädern überträgt, greift die Kupplungsanordnung vorzugsweise an Untersetzungsbaugruppen an, um den gewünschten Betrag an Drehmoment und Untersetzung an den Rädern bereitzustellen. Diese Untersetzung berücksichtigt die typischen Unterschiede zwischen den Drehzahlen von Elektromotoren und dem gewünschten Drehmoment und der gewünschten Raddrehzahl.
  • In einem Beispiel verbindet die Kupplungsanordnung wahlweise den Elektromotor in einem Generatormodus mit den Rädern, so daß zum Beispiel beim Rollen oder beim Bremsen Drehmoment von den Rädern zu dem Motor übertragen wird. Bei einer solchen Anordnung wird regenerative Energie bereitgestellt, um eine zum Antrieb des Elektromotors verwendete Energiequelle aufzuladen.
    •
  • Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich. Die der ausführlichen Beschreibung beiliegenden Zeichnungen lassen sich kurz wie folgt beschreiben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs mit einem gemäß dieser Erfindung konstruierten Antriebssystem.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines gemäß dieser Erfindung konstruierten Antriebssystems.
  • 3 ist eine schematische Darstellung ausgewählter Komponenten eines gemäß dieser Erfindung konstruierten beispielhaften Antriebssystems unter einem ersten Satz von Betriebsbedingungen.
  • 4 veranschaulicht die Ausführungsform von 3 unter einem zweiten Satz von Betriebsbedingungen.
  • 5 veranschaulicht die Ausführungsform von 3 unter einem dritten Satz von Betriebsbedingungen.
  • 6 veranschaulicht die Ausführungsform von 3 unter einem vierten Satz von Betriebsbedingungen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist ein Fahrzeug 20 schematisch dargestellt, das ein beispielhafter Fahrzeugtyp ist, bei dem das erfindungsgemäße Antriebssystem verwendet werden kann. Ein Verbrennungsmotor 22 überträgt ein Antriebsdrehmoment über eine herkömmliche Getriebeanordnung 26 auf die Räder 24. Die Räder 24 sind auf herkömmliche Weise auf Achsen 28 gelagert.
  • Gemäß 2 umfaßt die erfindungsgemäße Antriebsanordnung eine Achsbaugruppe 30 mit einer Kupplungsanordnung bzw. einem Getriebe 32 zum wahlweisen Steuern der Drehmomentverteilung zu oder von den Achsen 28. Wenn der Verbrennungsmotor 22 das Antriebsdrehmoment zu den Achsen 28 (den Rädern 24) überträgt, überträgt eine Antriebswelle 34 den notwendigen Drehmomenteingang über eine Kupplung 38 zu entsprechenden Komponenten in einem Achsgehäuse 36. Das Achsgehäuse 36 enthält zum Beispiel ein herkömmliches Differential 39 zum Übertragen der gewünschten Drehmomentverteilung zu den Rädern 24. Die Antriebswelle 34 überträgt Antriebsdrehmoment zu den Rädern 24 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Kupplung 38, die wahlweise das Drehmoment nach Bedarf von der Antriebswelle 34 zu der Achsbaugruppe leitet. In einem Beispiel umfaßt die Kupplung 38 einen Kupplungsmechanismus, der die Drehmomentverteilung von der Welle 34 zu den Komponenten in dem Gehäuse 36 wahlweise unterbricht.
  • Die Achsbaugruppe 30 umfaßt außerdem mindestens einen Elektromotor 40 zum Übertragen von Antriebsdrehmoment zu den Rädern 24. Ein elektronisches Steuergerät 42 steuert vorzugsweise den Betrieb des Elektromotors 40. Eine Vielzahl handelsüblicher Elektromotoren und Mikroprozessoren kann in einem gemäß dieser Erfindung konstruierten System verwendet werden. Der Fachmann, der diese Beschreibung kennt, wird in der Lage sein, aus den handelsüblichen Komponenten zu wählen und den notwendigen Softwarecode zu entwickeln, um die von dieser Erfindung bereitgestellten Ergebnisse zu erzielen.
  • Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß alle Funktionsbauteile zum Verteilen von Drehmoment und der Elektromotor an den Stellen der Achse gelagert werden können. Indem die Kupplungsanordnung an der Achse plaziert wird, werden Modifikationen am Schwungrad des Motors, am Getriebe oder am Fahrzeugchassis überflüssig, so daß die erfindungsgemäße Anordnung leichter in eine Vielzahl von Fahrzeugen eingebaut werden kann.
  • Gemäß 3 umfaßt der veranschaulichte Elektromotor 40 Abtriebswellen 44 und zugehörige Ausgangselemente 46. Die Drehung der Motorkomponenten versetzt die Ausgangselemente 46 in Drehung, die nach Bedarf und gemäß der nun folgenden Beschreibung Drehmoment zu den Rädern 24 übertragen können.
  • Ein Kupplungsmechanismus 50 umfaßt ein Eingangselement 52 (d.h. ein Zwischenrad) und einen Kupplungsabschnitt 54 zum wahlweisen Verbinden des Ausgangselements 46 des Elektromotors 40 mit der Achse 28. Die Kupplung 54 kann viele verschiedene Formen annehmen, einschließlich hydraulische, elektromagnetische oder eine Kombination bekannter Technologien.
  • Zum Bereitstellen der notwendigen Untersetzung zwischen dem Motor 40 und der Achse 28 umfaßt die erfindungsgemäße Anordnung eine zu der Kupplungsanordnung 32 gehörige Untersetzungsvorrichtung 60. Die beispielhafte Ausführungsform umfaßt eine Planetenradbaugruppe mit einem Antriebssonnenrad 62, einem Hohlrad 64, das in dem veranschaulichten Beispiel relativ zu dem Gehäuse 32 der Kupplungsanordnung befestigt ist. Mehrere Ritzel oder Planetenräder 66 wirken mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad 64 auf bekannte Weise zusammen, so daß ein Ausgangselement 68 die gewünschte Drehung und das gewünschte Drehmoment zu der Achse 28 überträgt. Der Kupplungsmechanismus 50 verbindet wahlweise den Elektromotorausgang mit der Achse und steuert wahlweise den Betrieb der Untersetzungsvorrichtung 60, so daß die gewünschte Drehmomentzufuhr erreicht wird.
  • Der Elektromotor 40, die Kupplung 38 und der Kupplungsmechanismus 50 können alle durch ein einziges Steuergerät 42 gesteuert werden. In einem weiteren Beispiel sind einzelne Steuergeräte dafür bestimmt, den Betrieb einer jeden dieser Vorrichtungen zu steuern, wobei die Steuergeräte miteinander kommunizieren, um die gewünschte Funktionsweise des Systems bereitzustellen.
  • 3 veranschaulicht eine Drehmomentverteilung von dem Verbrennungsmotor 22 über die Antriebswelle 34 zu den Achsen 28. In diesem Zustand stellen die Kupplungsmechanismen 50 sicher, daß der Motor 40 nicht mit den Achsen 28 verbunden ist und die Untersetzungsvorrichtungen 60 das von der Antriebswelle 34 zu der Achse 28 übertragene Drehmoment nicht beeinträchtigen. Dies ist eine erste Betriebsart der veranschaulichten beispielhaften Anordnung. Der Weg der Drehmomentverteilung ist in 3 bei 80 dargestellt.
  • Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es wünschenswert sein, ausschließlich von dem Elektromotor 40 aus Drehmoment zu den Achsen 28 und den Rädern 24 zu übertragen. Dieser Betriebszustand ist in 4 dargestellt, wo die mechanische Kupplung 38 die Antriebswelle 34 wirksam gegen das Differential 39 und die Achse 28 isoliert. Unter diesen Bedingungen verbinden die Kupplungsmechanismen 50 wahlweise den Ausgang 46 aus dem Motor 40 mit dem Eingang 52 des Kupplungsmechanismus, und die Kupplungsvorrichtungen 54 bewirken einen entsprechenden Eingriff mit den Untersetzungsvorrichtungen 60, um den gewünschten Betrag an Drehmoment zu den Achsen 28 zu übertragen. Der Weg der Drehmomentverteilung in diesem Zustand ist bei 82 dargestellt.
  • In 5 ist ein weiterer Betriebszustand schematisch dargestellt, wo Drehmoment aufgrund einer Kombination des Antriebs von dem Verbrennungsmotor 22 und dem Elektromotor 40 den Rädern 24 zugeführt wird. Eine solche Drehmomentverteilung ist bei 84 schematisch dargestellt.
  • Demzufolge verlangt die erfindungsgemäße Anordnung die wahlweise Übertragung von Antriebsdrehmoment von dem Verbrennungsmotor 22, dem Elektromotor 40 oder beiden zu den Rädern 24. Das Steuergerät 42 ist vorzugsweise so programmiert, daß Drehmoment gemäß ausgewählten Kriterien für die Fahrzeugleistung automatisch verteilt wird. Eine solche Information kann man zum Beispiel von einem bereits im Fahrzeug vorhandenen bekannten Motorsteuergerät erhalten. Der Fachmann, der diese Beschreibung kennt, wird in der Lage sein, ein Steuergerät in geeigneter Weise zu programmieren, um den Bedürfnissen seiner speziellen Situation gerecht zu werden.
  • In einem weiteren Beispiel steht dem Fahrer eines Fahrzeugs eine Schnittstelle 70, wie zum Beispiel Steuerschalter in der Nähe des Lenkrades in der Fahrerkabine, zum wahlweisen Steuern der Funktionsweise der an der Achse angebrachten Antriebsbaugruppe 30 und daher der Drehmomentverteilung zur Verfügung.
  • 6 veranschaulicht ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung. Ein bei 86 schematisch dargestellter Weg der Drehmomentverteilung zeigt, wie Drehmoment von den Rädern 24 zu dem im Generatormodus arbeitenden Motor 40 zurückübertragen werden kann. Beim Bremsen oder Rollen kann zum Beispiel überschüssiges Drehmoment von den Rädern 24 über die Kupplungsmechanismen 50 wieder zurückübertragen werden, um die entsprechenden Motorkomponenten in Drehung zu versetzen, um zum Beispiel Energie zum Aufladen einer Stromzufuhr (nicht dargestellt) für den Motor 40 zu erzeugen. Ein zusätzlicher Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß ein solches regeneratives Bremsen die eventuell notwendige oder nützliche zusätzliche Bremskraft bereitstellen kann.
  • In den Zeichnungen ist eine gemäß dieser Erfindung konstruierte beispielhafte Baugruppe schematisch dargestellt. Andere Konfigurationen sind möglich und liegen im Rahmen dieser Erfindung. Zum Beispiel können die Untersetzungsvorrichtungen 60 (d.h. die Planetenradbaugruppen) an den Radnaben und nicht in der Nähe der Mitte der Achsbaugruppe angebracht werden. Je nach dem speziellen Fahrzeug und der Art, wie die Achse in Bezug auf das Fahrzeugchassis gelagert ist, kann die Wahl, wo die verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung anzubringen sind, verändert werden, um den Bedürfnissen einer speziellen Situation gerecht zu werden. Um zum Beispiel die ungefederte Masse des Radendes zu verringern, würden die Untersetzungsvorrichtungen 60 und der Elektromotor 40 vorzugsweise in der Nähe der Mitte des Fahrzeugs gelagert werden, wie in 3–6 schematisch dargestellt.
  • Die vorstehende Beschreibung ist von ihrer Art her eher beispielhaft als einschränkend. Für den Fachmann werden Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele offensichtlich, die nicht zwangsläufig vom Kern dieser Erfindung abweichen. Der Umfang des dieser Erfindung gewährten Rechtsschutzes läßt sich nur durch das Studium der nun folgenden Ansprüche ermitteln.

Claims (20)

  1. Achsbaugruppe für ein Fahrzeug, mit: einem Achsgehäuse; mindestens einer Achswelle, die relativ zu dem Achsgehäuse drehbar gelagert ist; einer ersten Kupplungsvorrichtung, die zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist, wobei die erste Kupplung wahlweise ein zu einem Verbrennungsmotor gehöriges erstes Eingangselement mit der Achswelle verbindet, um Drehmoment zu der Welle zu übertragen; und einer zweiten Kupplungsvorrichtung, die zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist, wobei die zweite Kupplung wahlweise ein zu einem Elektromotor gehöriges zweites Eingangselement mit der Achswelle verbindet, um Drehmoment zu der Welle zu übertragen.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1 mit einer zu der zweiten Kupplungsvorrichtung gehörigen Untersetzungsvorrichtung, um einen gewünschten Betrag an Untersetzung zwischen dem zweiten Eingangselement und der Achswelle bereitzustellen.
  3. Baugruppe nach Anspruch 2, bei der die zweite Kupplungsvorrichtung wahlweise an der Untersetzungsvorrichtung angreift.
  4. Baugruppe nach Anspruch 2, bei der die Untersetzungsvorrichtung eine Planetenradanordnung umfaßt.
  5. Baugruppe nach Anspruch 1 mit einem Steuergerät, das den Betrieb der ersten und zweiten Kupplungsvorrichtung steuert, um zumindest in einem ersten Modus, wo nur das erste Eingangselement Drehmoment liefert, und in einem zweiten Modus, wo nur das zweite Eingangselement Drehmoment liefert, Drehmoment zu der Achswelle zu übertragen.
  6. Baugruppe nach Anspruch 5, bei der das Steuergerät den Betrieb der Kupplungsvorrichtungen steuert, um in einem dritten Modus, wo das erste und das zweite Eingangselement Drehmoment liefern, Drehmoment zu der Achswelle zu übertragen.
  7. Baugruppe nach Anspruch 1 mit zwei Achswellen, einem in dem Achsgehäuse gelagerten Differential, welches das erste Eingangselement mit den Achswellen verbindet, und mit zwei zweiten Kupplungsvorrichtungen, wobei jede der zweiten Kupplungsvorrichtungen zu jeweils einer der Achswellen gehört.
  8. Baugruppe nach Anspruch 1 mit einem Elektromotor, der zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist.
  9. Baugruppe nach Anspruch 1, bei der die zweite Kupplungsvorrichtung in einem Gehäuse der Kupplungsanordnung gelagert ist, das in dem Achsgehäuse gelagert ist.
  10. Fahrzeugantriebsbaugruppe, die folgendes umfaßt: einen Verbrennungsmotor; ein zu dem Motor gehöriges erstes Eingangselement, um von dem Motor geliefertes Drehmoment bereitzustellen; ein Achsgehäuse; mindestens eine Achswelle, die relativ zu dem Achsgehäuse drehbar gelagert ist; eine erste Kupplungsvorrichtung, die zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist, wobei die erste Kupplungsvorrichtung wahlweise das erste Eingangselement mit der Achswelle verbindet, um Drehmoment zu der Welle zu übertragen; einen Elektromotor, der zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist; ein zu dem Elektromotor gehöriges zweites Eingangselement, um von dem Motor geliefertes Drehmoment bereitzustellen; und eine zweite Kupplungsvorrichtung, die zumindest teilweise in dem Achsgehäuse gelagert ist, wobei die zweite Kupplungsvorrichtung wahlweise das zweite Eingangselement mit der Achswelle verbindet, um Drehmoment zu der Welle zu übertragen.
  11. Baugruppe nach Anspruch 10 mit einer zu der zweiten Kupplungsvorrichtung gehörigen Untersetzungsvorrichtung, um einen gewünschten Betrag an Untersetzung zwischen dem zweiten Eingangselement und der Achswelle bereitzustellen.
  12. Baugruppe nach Anspruch 11, bei der die zweite Kupplungsvorrichtung wahlweise an der Untersetzungsvorrichtung angreift.
  13. Baugruppe nach Anspruch 11, bei der die Untersetzungsvorrichtung eine Planetenradanordnung umfaßt.
  14. Baugruppe nach Anspruch 13, bei der die Planetenradanordnung in der Nähe eines Radnabenabschnitts des Achsgehäuses gelagert ist.
  15. Baugruppe nach Anspruch 10 mit einem Steuergerät, das den Betrieb der ersten und zweiten Kupplungsvorrichtung steuert, um zumindest in einem ersten Modus, wo nur das erste Eingangselement Drehmoment liefert, und in einem zweiten Modus, wo nur das zweite Eingangselement Drehmoment liefert, Drehmoment zu der Achswelle zu übertragen.
  16. Baugruppe nach Anspruch 15, bei der das Steuergerät den Betrieb der Kupplungsvorrichtungen steuert, um Drehmoment von der Achswelle zu dem Motor zu übertragen, und das Steuergerät den Motor im dritten Modus so steuert, daß der Motor im dritten Modus als Generator wirkt.
  17. Baugruppe nach Anspruch 10 mit zwei Achswellen, einem in dem Achsgehäuse gelagerten Differential, welches das erste Eingangselement mit den Achswellen verbindet, und mit zwei zweiten Kupplungsvorrichtungen, wobei jede der zweiten Kupplungsvorrichtungen zu jeweils einer der Achswellen gehört.
  18. Baugruppe nach Anspruch 17, bei der jede der zweiten Kupplungsvorrichtungen eine Kupplung umfaßt.
  19. Baugruppe nach Anspruch 18, bei der die zweiten Kupplungsvorrichtungen in einem Gehäuse der Kupplungsanordnung gelagert sind, das in dem Achsgehäuse gelagert ist.
  20. Verfahren zum Steuern der Drehmomentverteilung von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor zu mindestens einer Achswelle in einer Achsbaugruppe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer ersten Kupplungsvorrichtung zum wahlweisen Verbinden eines zu dem Verbrennungsmotor gehörigen Eingangselements mit der Achswelle; Bereitstellen einer zweiten Kupplungsvorrichtung zum wahlweisen Verbinden eines zu dem Elektromotor gehörigen Eingangselements mit der Achswelle; Lagern der ersten und der zweiten Kupplungsvorrichtung auf der Achsbaugruppe; und wahlweises Betätigen der ersten und der zweiten Kupplungsvorrichtung, um die gewünschte Drehmomentverteilung zu erreichen.
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