DE112021001357T5 - Hybridunterbaugruppe zum antreiben eines fahrzeugs - Google Patents

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Dominique Lheureux
Xavier Collin
Benoît Coffin
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Abstract

Eine Hybridunterbaugruppe (10) zum Antreiben eines Fahrzeugs weist Primärzahnräder (38, 40) auf, Sekundärzahnräder (42, 44, 46), die an eine Sekundärwelle (16) gekoppelt sein können, eine Zwischenwelle (26), mit der Zwischenzahnräder (28, 30, 32, 34, 36) drehfest verbunden sind, wobei das bzw. die Primärzahnräder (38, 40) und die Sekundärzahnräder (42, 44, 46) jeweils dauerhaft mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern (28, 30, 32, 34, 36) in Eingriff sind. Diese Hybridunterbaugruppe (10) ist mit einem motorisierten Modul ausgestattet, das mindestens eine umkehrbare elektrische Maschine (56, 66), eine Schnittstelle zur Verbindung mit der Zwischenwelle (26), ein Reduktionsgetriebe (62, 72) und einen Kopplungsmechanismus (58, 68) aufweist, der die umkehrbare elektrische Maschine (56, 66) an die Zwischenwelle (26) koppeln kann und die umkehrbare elektrische Maschine (56, 66) von der Zwischenwelle (26) entkoppeln kann.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybrid-Antriebsunterbaugruppe, die zur Anordnung zwischen einem Motor, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, und einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Sie bezieht sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf eine solche Unterbaugruppe, mit der ein Lkw, d. h. ein Straßenfahrzeug mit einem Gewicht von mehr als 3,5 Tonnen, insbesondere eine Sattelzugmaschine, oder ein Trägerfahrzeug ausgestattet werden soll. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein motorisiertes Modul, das in die Hybrid-Antriebsunterbaugruppe integriert werden kann.
  • STAND DER TECHNIK
  • In der AT520019B1 ist ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs beschrieben, der eine Primärwelle, die von einem Motor des Fahrzeugs angetrieben werden soll, eine Sekundärwelle, die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs vorgesehen ist, und ein Getriebe mit einem oder mehreren Primärzahnrädern umfasst, die mit der Primärwelle drehfest verbunden sind oder an die Primärwelle gekoppelt sein können, mit mehreren Sekundärzahnrädern, die mit der Sekundärwelle drehfest verbunden sind oder an die Sekundärwelle gekoppelt sein können, und mit einer Zwischenwelle, mit der Zwischenzahnräder drehfest verbunden sind, wobei das Primärzahnrad bzw. die Primärzahnräder und die Sekundärzahnräder jeweils mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern in Eingriff sind. Der Antriebsstrang umfasst außerdem eine umkehrbare elektrische Maschine, die kinematisch mit der Zwischenwelle verbunden ist und als Stromgenerator zum Abbremsen der Zwischenwelle oder als Motor zum Antreiben der Zwischenwelle arbeiten kann.
  • Eine derartige elektrische Maschine ermöglicht es, verschiedene Betriebsarten in Betracht zu ziehen, und insbesondere einen Übergangsbetrieb der elektrischen Maschine zum Abbremsen oder Beschleunigen der Zwischenwelle und zur Begünstigung der Synchronisation des Getriebes in den Gangwechselphasen, einen Motorbetrieb zur Unterstützung des Antriebs des Hauptmotors des Fahrzeugs außerhalb der Gangwechselphasen und einen Betrieb als Stromgenerator für die Stromversorgung von Zubehörteilen des Fahrzeugs oder einer Batterie, insbesondere in den Bremsphasen des Fahrzeugs.
  • In der GB1435517A ist ein Getriebe mit einer Abtriebswelle und einer Vorgelegewelle sowie einem Getriebezug zwischen der Vorgelegewelle und der Abtriebswelle beschrieben, mit einem ersten Zahnrad, das mit einer der beiden Wellen fest verbunden ist, und einem zweiten Zahnrad, das über eine Klaue mit der jeweils anderen Welle fest verbunden sein kann. Eine umkehrbare elektrische Maschine ist dauerhaft an die Vorgelegewelle gekoppelt, und die Kopplungsmittel werden so angesteuert, dass die Geschwindigkeit des zweiten Zahnrads und der Klaue vor ihrem Eingriff synchronisiert wird.
  • Bei diesen Vorrichtungen ist die Zwischenwelle oder die Vorgelegewelle stets mit der Welle der elektrischen Maschine verbunden. Das Trägheitsmoment dieser rotierenden Unterbaugruppe ist groß. Außerdem sind die Möglichkeiten zur Regelung der Zwischenwelle begrenzt, da dies stets von der Drehgeschwindigkeit abhängig ist.
  • DARLEGUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben und eine bessere Integration einer elektrischen Maschine in eine Zwischenwelle eines Getriebes vorzuschlagen.
  • Zu diesem Zweck wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein motorisiertes Modul zum Antreiben und Abbremsen einer Zwischenwelle einer Hybridunterbaugruppe vorgeschlagen, die mehrere Primärzahnräder aufweist, die von einem Hauptmotor des Fahrzeugs angetrieben werden sollen, eine Sekundärwelle, die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs vorgesehen ist, mehrere Sekundärzahnräder, die an die Sekundärwelle gekoppelt sein können, und Zwischenzahnräder, die drehfest mit der Zwischenwelle verbunden sind, wobei die Primärzahnräder und die Sekundärzahnräder jeweils dauerhaft mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern in Eingriff sind, wobei das motorisierte Modul mindestens eine umkehrbare elektrische Maschine, eine Schnittstelle zur drehkinematischen Verbindung mit der Zwischenwelle und ein Reduktionsgetriebe, das kinematisch zwischen der umkehrbaren elektrischen Maschine und der Verbindungsschnittstelle angeordnet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das motorisierte Modul außerdem einen Kopplungsmechanismus aufweist, der ein erstes Kopplungsorgan, das kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbunden ist, und ein zweites Kopplungsorgan umfasst, das kinematisch mit der Verbindungsschnittstelle verbunden ist, wobei der Kopplungsmechanismus von einem Kopplungszustand zum Koppeln der umkehrbaren elektrischen Maschine an die Verbindungsschnittstelle in einen Entkopplungszustand zum Entkoppeln der umkehrbaren elektrischen Maschine von der Verbindungsschnittstelle übergehen kann.
  • Die Zwischenschaltung eines Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus zwischen der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine und der Zwischenwelle ermöglicht es, Betriebsarten, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, in Betracht zu ziehen, wenn der Kopplungsmechanismus eingerückt ist, sowie zusätzliche Betriebsarten, in denen die elektrische Maschine entkoppelt sein kann, entweder weil sie für den Betrieb des Getriebes nicht erforderlich ist oder für andere Zwecke verwendet wird, z.B. zum Antreiben eines anderen rotierenden Organs. Außerdem werden durch die Entkopplung der elektrischen Maschine die Führungslager des Rotors der elektrischen Maschine entlastet, was deren Lebensdauer erhöht.
  • Bei der umkehrbaren elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um eine Synchronmaschine mit Permanentmagneten, eine Asynchronmaschine, eine elektrische Maschine mit variabler Reluktanz oder eine elektrische Synchronmaschine mit variabler Reluktanz, Synchron-Reluktanzmaschine genannt, handeln.
  • Vorzugsweise ist der Kopplungsmechanismus kinematisch zwischen dem Reduktionsgetriebe und der Verbindungsschnittstelle angeordnet, so dass das Reduktionsgetriebe nicht permanent angetrieben werden muss. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, das Reduktionsgetriebe kinematisch zwischen dem Kopplungsmechanismus und der Verbindungsschnittstelle anzuordnen.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das motorisierte Modul ferner ein Zapfwellenorgan auf, das kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbunden ist, vorzugsweise über das Reduktionsgetriebe und gegebenenfalls über den Kopplungsmechanismus. Das Modul umfasst somit eine Zapfwellenfunktion. Es ist dann ein Antrieb der Zapfwelle über die umkehrbare elektrische Maschine ohne Nutzung des Hauptmotors des Fahrzeugs denkbar, wodurch Drehgeschwindigkeiten deutlich über 1000 U/min, z. B. über 1500 U/min und gegebenenfalls bis zu 5000 U/min erreicht werden können.
  • Das Reduktionsgetriebe kann vorteilhafterweise ein Untersetzungsgetriebezug oder ein Riemengetriebe umfassen. Auf diese Weise ermöglicht das Reduktionsgetriebe eine Anpassung der Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine an den Bedarf der Hybridunterbaugruppe.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat die umkehrbare elektrische Maschine eine Rotationsachse, die parallel zu einer Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle verläuft und vorzugsweise von der Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle beabstandet ist.
  • Vorzugsweise weist das motorisierte Modul ferner ein Gehäuse zur Aufnahme des Reduktionsgetriebes und des Kopplungsmechanismus auf, wobei die umkehrbare elektrische Maschine entweder in dem Gehäuse aufgenommen oder am Gehäuse befestigt ist. Die Schnittstelle zur Verbindung mit der Zwischenwelle kann entweder im Gehäuse aufgenommen sein oder aus dem Gehäuse herausragen.
  • Die Verbindungsschnittstelle kann z.B. ein Keilwellenabschnitt oder eine geriffelte Hülse sein. Es kann sich auch um eine kreisförmige Platine mit Löchern für den Durchangang von Befestigungsschrauben handeln (wobei die Zwischenwelle eine mit Gewindebohrungen versehene Anlagefläche aufweist), oder um eine Welle, die mit einem Keil versehen ist.
  • Vorzugsweise ist der Kopplungsmechanismus aus den folgenden Mechanismen ausgewählt: einem Klauenmechanismus, einem Synchronisationsmechanismus und einem Kupplungsmechanismus, vorzugsweise einem Reibungskupplungsmechanismus.
  • Ein Klauenmechanismus ohne Synchronisierung kann insbesondere in Fällen in Betracht gezogen werden, in denen vorgesehen ist, dass die elektrische Maschine selbst zur Synchronisierung des Kopplungsmechanismus verwendet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das motorisierte Modul mindestens eine zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine zum Antreiben der Zwischenwelle und ein zusätzliches Reduktionsgetriebe, das kinematisch zwischen der zusätzlichen umkehrbaren elektrischen Maschine und der Verbindungsschnittstelle angeordnet ist. Das zusätzliche Reduktionsgetriebe ist vorzugsweise in dem oben beschriebenen Gehäuse aufgenommen. Vorzugsweise sind das Reduktionsgetriebe und das zusätzliche Reduktionsgetriebe kinematisch parallel zueinander am ersten Kopplungsorgan des Kopplungsmechanismus angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs, die Folgendes aufweist:
    • - mehrere Primärzahnräder, die von einem Hauptmotor des Fahrzeugs angetrieben werden sollen,
    • - eine Sekundärwelle, die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs vorgesehen ist,
    • - mehrere Sekundärzahnräder, die an die Sekundärwelle gekoppelt sein können,
    • - eine Zwischenwelle, mit der Zwischenzahnräder drehfest verbunden sind, wobei die Primärzahnräder und die Sekundärzahnräder jeweils dauerhaft mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern in Eingriff sind,
    • - mindestens eine umkehrbare elektrische Maschine zum Antreiben und Abbremsen der Zwischenwelle, und
    • - mindestens ein motorisiertes Modul, das alle oder einen Teil der oben genannten Merkmale aufnimmt, wobei die Verbindungsschnittstelle des motorisierten Moduls drehfest mit der Zwischenwelle verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind eine Einheit zur Steuerung der umkehrbaren elektrischen Maschine und des Kopplungsmechanismus und Sensoren vorgesehen, die ein Signal messen können, das repräsentativ für eine Umdrehungsgeschwindigkeit der Zwischenwelle oder des kinematisch mit der Zwischenwelle verbundenen Kopplungsorgans ist, sowie ein Signal, das repräsentativ für eine Umdrehungsgeschwindigkeit der umkehrbaren elektrischen Maschine oder des kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbundenen Kopplungsorgans ist. Die Steuereinheit kann insbesondere zum Synchronisieren des Kopplungsmechanismus eingesetzt werden. Vorzugsweise kann die Steuereinheit in einem ausgekoppelten Zustand des Kopplungsmechanismus die umkehrbare elektrische Maschine so steuern, dass eine relative Drehgeschwindigkeit zwischen dem kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbundenen Kopplungsorgan und dem kinematisch mit der Zwischenwelle verbundenen Kopplungsorgan eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, und, wenn die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, ein Auskoppeln des Kopplungsmechanismus steuern. Die vorbestimmte Bedingung kann beispielsweise eine relative Drehgeschwindigkeit von Null oder eine relative Schlupfgeschwindigkeit sein, die ungleich Null, aber gering ist (also zwischen zwei niedrigen Grenzwerten liegt).
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Hybridunterbaugruppe ferner ein Zapfwellenorgan aufweisen, das zumindest von der umkehrbaren elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Es ist dann ein Antreiben der Zapfwelle durch die umkehrbare elektrische Maschine ohne Verwendung des Hauptmotors des Fahrzeugs denkbar, wodurch Drehgeschwindigkeiten weit über 1000 U/min, z. B. über 1500 U/min, und gegebenenfalls bis zu 5000 U/min erreicht werden können. Es sind verschiedene Verbindungsarten denkbar.
  • Gemäß einer ersten Variante ist das Zapfwellenorgan dauerhaft kinematisch mit der Zwischenwelle verbunden und über den Kopplungsmechanismus kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbunden. Diese erste Art der Verbindung wird bevorzugt, wenn vorgesehen ist, dass stets der Fahrzeughauptmotor zum Antreiben des Zapfwellenorgans verwendet wird und die umkehrbare elektrische Maschine nur zur Leistungsverstärkung eingesetzt wird. Wenn der Hauptmotor dennoch entkoppelt werden soll, wird eine Kupplung oder werden Kopplungsmechanismen geöffnet, die sich zwischen dem Hauptmotor und den Primärzahnrädern befinden.
  • Gemäß einer zweiten alternativen Variante ist das Zapfwellenorgan über den Kopplungsmechanismus kinematisch mit der Zwischenwelle verbunden.
  • Das Zapfwellenorgan kann entweder dauerhaft oder über den Kopplungsmechanismus kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine verbunden sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Kopplungsmechanismus derart, dass das Zapfwellenorgan an die umkehrbare elektrische Maschine gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine von der Zwischenwelle entkoppelt ist, und derart, dass das Zapfwellenorgan nicht an die umkehrbare elektrische Maschine gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine an die Zwischenwelle gekoppelt ist. Der Kopplungsmechanismus weist somit mehrere getrennte Stellungen auf, die das Antreiben des Zapfwellenorgans gestatten oder nicht. Diese Art der Verbindung wird bevorzugt, wenn ein Antreiben des Zapfwellenorgans durch den Hauptmotor des Fahrzeugs verhindert werden soll, was sich als wünschenswert erweisen kann, um die Verschmutzung zu begrenzen, insbesondere wenn der Hauptmotor ein Verbrennungsmotor ist und die Zapfwelle in einem geschlossenen Raum verwendet werden kann.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Kopplungsmechanismus derart, dass das Zapfwellenorgan an die umkehrbare elektrische Maschine gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine von der Zwischenwelle entkoppelt ist, und derart, dass das Zapfwellenorgan auch an die umkehrbare elektrische Maschine gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine an die Zwischenwelle gekoppelt ist. Durch diese Art der Verbindung kann ein Antreiben des Zapfwellenorgans durch den Hauptmotor des Fahrzeugs allein, durch die umkehrbare elektrische Maschine allein oder durch beide zusammen in Betracht gezogen werden.
  • Gegebenenfalls kann mindestens eine zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine zum Antreiben der Zwischenwelle vorgesehen sein. Die zusätzliche elektrische Maschine kann in das motorisierte Modul integriert sein oder ein Bestandteil eines zusätzlichen motorisierten Moduls sein, das gegebenenfalls identisch mit dem motorisierten Modul aufgebaut ist. Gemäß einer Ausführungsform kann die zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine über den Kopplungsmechanismus an die Zwischenwelle gekoppelt sein. Alternativ kann die zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine über einen zusätzlichen Kopplungsmechanismus an die Zwischenwelle gekoppelt sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die umkehrbare elektrische Maschine und die zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine koaxial. Es können insbesondere zwei Kopplungs- und Entkopplungsmechanismen vorgesehen sein, die an gegenüberliegenden Enden der Zwischenwelle angeordnet und jeweils für eine der beiden umkehrbaren elektrischen Maschinen vorgesehen sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat die umkehrbare elektrische Maschine eine Rotationsachse, die parallel zu einer Rotationsachse der Zwischenwelle verläuft, wobei eines oder mehrere der folgenden Merkmale verwirklicht sind:
    • - die Rotationsachse der umkehrbaren elektrischen Maschine ist von der Rotationsachse der Zwischenwelle beabstandet;
    • - die Rotationsachse der umkehrbaren elektrischen Maschine ist von einer Rotationsachse der Primärzahnräder beabstandet;
    • - die Rotationsachse der umkehrbaren elektrischen Maschine ist von einer Rotationsachse der Sekundärwelle beabstandet.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Hybridunterbaugruppe ein Getriebegehäuse auf, das einen Hohlraum zur Aufnahme der Primärzahnräder, der Sekundärzahnräder und der Zwischenzahnräder begrenzt, wobei die umkehrbare elektrische Maschine außerhalb des Aufnahmehohlraums angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Kopplungsmechanismus außerhalb des Aufnahmehohlraums angeordnet. In diesem Fall umfasst das motorisierte Modul vorzugsweise ein Gehäuse, wie oben beschrieben, das vorzugsweise fest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Hybridunterbaugruppe eine Baugruppe aus einer oder mehreren Primärwellen auf, die von dem Hauptmotor des Fahrzeugs angetrieben werden können, wobei jedes der Primärzahnräder fest mit einer zugeordneten Primärwelle der Baugruppe aus einer oder mehreren Primärwellen verbunden ist oder an eine zugeordnete Primärwelle der Baugruppe aus einer oder mehreren Primärwellen gekoppelt sein kann. Vorzugsweise sind eines oder mehrere der folgenden Merkmale verwirklicht:
    • - die Primärzahnräder und die Sekundärzahnräder verlaufen koaxial;
    • - eine oder mehrere Klauen gewährleisten eine Kopplung zwischen den Sekundärzahnrädern und der Sekundärwelle;
    • - eine oder mehrere Synchronisationseinrichtungen gewährleisten eine Kopplung zwischen jedem der Primärzahnräder und einer zugeordneten Primärwelle, die von dem Hauptmotor des Fahrzeugs angetrieben werden kann.
  • Vorzugsweise kann die Hybridunterbaugruppe eine Kupplung aufweisen, die durch eine Kupplungsbetätigungseinrichtung gesteuert wird und die Primärzahnräder von dem Hauptmotor des Fahrzeugs entkoppeln kann, wobei die Kupplungsbetätigungseinrichtung durch eine Steuereinheit angesteuert wird.
  • Vorteilhafterweise kann mindestens eine Klaue kinematisch zwischen einem der Sekundärzahnräder und der Sekundärwelle angeordnet sein und die Sekundärwelle an das zugeordnete Sekundärzahnrad koppeln, wobei die Klaue eingerückt ist, wenn die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads und der Sekundärwelle durch Antreiben oder Abbremsen der Zwischenwelle aufgrund der Aktivierung der umkehrbaren elektrischen Maschine synchronisiert sind. Auf diese Weise können die Übergangsphasen beim Schalten der Gänge innerhalb der Hybridunterbaugruppe verkürzt werden. Durch diese Anpassung der Geschwindigkeit der Zwischenwelle können die Eingriffszeiten verkürzt werden, ohne dass eine Getriebebremse oder eine doppelte Auskupplung erforderlich ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zum Einrücken einer Klaue, die eine Sekundärwelle an ein zugeordnetes Sekundärzahnrad innerhalb einer Hybridunterbaugruppe koppeln kann, die alle oder einen Teil der oben genannten Merkmale aufnimmt, mit den folgenden Schritten:
    • - Entkoppeln der Primärzahnräder von dem Hauptmotor des Fahrzeugs;
    • - Einstellen der Hybridunterbaugruppe in die Neutralstellung durch Auskuppeln des Gangs;
    • - Messen der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen der Sekundärwelle und dem zugeordneten Sekundärzahnrad;
    • - Antreiben oder Abbremsen der Zwischenwelle durch Aktivierung der umkehrbaren elektrischen Maschine, so dass die Drehgeschwindigkeiten der Sekundärwelle und des zugeordneten Sekundärzahnrads synchronisiert werden;
    • - Einrücken der Klaue zur Kopplung der Sekundärwelle an das zugeordnete Sekundärzahnrad, wenn die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads und der Sekundärwelle synchronisiert sind.
  • Gemäß dieser Methode des Klaueneingriffs können die Übergangsphasen beim Schalten der Gänge innerhalb der Hybridunterbaugruppe verkürzt werden. Durch diese Anpassung der Geschwindigkeit der Zwischenwelle können die Eingriffszeiten verkürzt werden, ohne dass eine Getriebebremse oder eine doppelte Auskupplung erforderlich ist. So kann beim Schalten in einen höheren Gang die Zwischenwelle der Hybridunterbaugruppe durch Aktivierung der umkehrbaren elektrischen Maschine abgebremst werden. Auch beim Schalten in einen niedrigeren Gang ist es möglich, die Zwischenwelle der Hybridunterbaugruppe durch Aktivierung der umkehrbaren elektrischen Maschine anzutreiben und zu beschleunigen.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
    • 1 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform.
    • 2 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    • 3 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform.
    • 4 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer vierten Ausführungsform.
    • 5 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer fünften Ausführungsform.
    • 6 zeigt eine Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß einer sechsten Ausführungsform.
    • 7 zeigt ein motorisiertes Modul, das in die Hybridunterbaugruppe zum Antreiben eines Fahrzeugs gemäß der ersten Ausführungsform integriert werden kann.
    • 8 zeigt das Verhalten der verschiedenen Organe der Hybridunterbaugruppe und des Fahrzeugs während einer Übergangsphase, in der in einen höheren Gang geschaltet wird.
    • 9 zeigt das Verhalten der verschiedenen Organe der Hybridunterbaugruppe und des Fahrzeugs während einer Übergangsphase, in der in einen niedrigeren Gang geschaltet wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist eine Hybridunterbaugruppe 10 zum Antreiben eines Fahrzeugs dargestellt, die eine Primärwelle 12, die von einem Hauptmotor 14 des Fahrzeugs, z. B. einem Verbrennungsmotor angetrieben werden soll, eine Sekundärwelle 16, die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs (nicht dargestellt) vorgesehen ist, und ein Getriebe 18 umfasst.
  • Die Verbindung des Hauptmotors 14 mit der Primärwelle 12 kann eine Kupplung 20 eines beliebigen geeigneten Typs, z.B. eine Rutschkupplung umfassen. Die Verbindung der Sekundärwelle 16 mit den Fahrzeugrädern kann eine oder mehrere Antriebsachsen umfassen.
  • Die Kupplung 20 wird von einer (in den 1 bis 6 nicht dargestellten) Kupplungsbetätigungseinrichtung gesteuert, die in das Getriebe 18 integriert ist.
  • Das Getriebe 18, das in einem Hohlraum 22 eines Getriebegehäuses 24 aufgenommen ist, umfasst eine Zwischenwelle 26, mit der Zwischenzahnräder 28, 30, 32, 34, 36 drehfest verbunden sind. Zwei Primärzahnräder 38, 40, die koaxial zur Primärwelle 12 verlaufen, bilden mit einem entsprechenden Zahnrad 28 bzw. 30 aus den Zwischenzahnrädern jeweils einen Getriebezug. Die Verzahnungen der Getriebezüge 38, 28 und 40, 30 zwischen Primärzahnrädern 38, 40 und den entsprechenden Zwischenzahnrädern 28, 30 sind dauerhaft. Eine Doppelsynchronisationseinrichtung 41 mit drei Stellungen ermöglicht die Kopplung eines der beiden Primärzahnräder 38, 40 an die Primärwelle 12 und bietet eine Neutralstellung, in der keines der Primärzahnräder 38, 40 an die Primärwelle 12 gekoppelt ist.
  • Sekundärzahnräder 42, 44, 46, die koaxial zur Sekundärwelle 16 verlaufen, bilden ebenfalls mit einem entsprechenden Zahnrad 32, 34 bzw. 36 aus den Zwischenzahnrädern jeweils einen Getriebezug, wobei einer der Getriebezüge ein Wendegetriebe ist und ein Zwischenrad 48 aufweist, um einen Rückwärtsgang zu realisieren. Die Verzahnungen der von den Sekundärzahnrädern 42, 44, 46 und den entsprechenden Zwischenzahnrädern 32, 34, 36 gebildeten Getriebezüge sind dauerhaft. Eine Klauenkopplung mit drei Stellungen ohne Synchronisationseinrichtungen 50, die zwischen zwei der Sekundärräder 44, 46 angeordnet ist, ermöglicht entweder eine Kopplung eines der beiden zugeordneten Sekundärräder 44, 46 an die Sekundärwelle 16 oder in einer neutralen Zwischenstellung das Halten der zugeordneten Sekundärzahnräder 44, 46 in einem von der Sekundärwelle 16 entkoppelten Zustand.
  • In dieser Ausführungsform ist die Rotationsachse 100 der Primärwelle 12 auf die Rotationsachse 200 der Sekundärwelle 16 ausgerichtet, wodurch das primäre Endzahnrad 40 alternativ als Primärrad, das über die Synchronisationseinrichtung 41 der Primärwelle 12 zugeordnet ist, oder als Sekundärrad, das der Sekundärwelle 16 zugeordnet ist, verwendet werden kann. Zu diesem Zweck ermöglicht eine Klauenkopplung 52 mit drei Stellungen ohne Synchronisationseinrichtungen, die zwischen dem primären Endrad 40 und dem Sekundärrad 42 angeordnet ist, die Kopplung des primären Endrads 40 oder des Sekundärrrads 42 an die Sekundärwelle 16, und ermöglicht in einer neutralen Zwischenstellung das Halten des primären Endrads 40 und des Sekundärrads 42 in einem von der Sekundärwelle 16 entkoppelten Zustand.
  • Auf diese Weise entsteht ein Getriebe 18 mit sechs Vorwärtsgängen und potenziell zwei Rückwärtsgängen, das gegebenenfalls am Ausgang der Sekundärwelle 16 mit einem (nicht gezeigten) Planetengetriebe gekoppelt sein kann, so dass ein Getriebe mit zwölf Gängen erhalten wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Hybrid-Antriebsunterbaugruppe 10 mit einem motorisierten Modul 5 ausgestattet ist, das eine erste umkehrbare elektrische Maschine 56 zum Antreiben und Abbremsen der Zwischenwelle 26, deren Rotor sich um eine Drehachse 300 dreht, und einen Mechanismus 58 zur Kopplung und Entkopplung der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine 56 an die bzw. von der Zwischenwelle 26 umfasst, mit einem Kopplungsorgan 60, das über einen Reduktionsgetriebezug 62 kinematisch mit der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine 56 verbunden ist, und einem Kopplungsorgan 64, das über eine Verbindungsschnittstelle 164, die beispielsweise aus einem Keilwellenabschnitt oder einer geriffelten Hülse bestehen kann, kinematisch mit der Zwischenwelle 26, in diesem Fall drehfest mit der Zwischenwelle verbunden ist. Der Reduktionsgetriebezug 62 ermöglicht auch die kinematische Verbindung der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine mit einer Zapfwelle 65, die dazu vorgesehen ist, eine Kopplung eines oder mehrerer Zubehörteile des Fahrzeugs, z. B. einer Winde, einer Pumpe oder eines Werkzeugs, zu ermöglichen. Die Zapfwelle 65 kann z.B. eine Getriebewelle sein, die eine äußere Anschlussschnittstelle, z.B. eine Riffelung, aufweist. Die Rotationsachse der Zapfwelle 65 und die der Verbindungsschnittstelle 164 sind vorzugsweise aufeinander ausgerichtet. Zumindest einige Elemente des motorisierten Moduls 5 können in einem Modulgehäuse 155 aufgenommen sein, insbesondere der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58, der Reduktionsgetriebezug 62, ggf. die Verbindungsschnittstelle, die Zapfwelle 65 und die erste umkehrbare elektrische Maschine 56. Letztere kann alternativ, wie in 1 dargestellt, außerhalb des Modulgehäuses 155 angeordnet sein, ggf. am Modulgehäuse 155 befestigt sein.
  • Zur Veranschaulichung kann eine mit 48 Volt gespeiste umkehrbare elektrische Maschine 56 mit einem Untersetzungsverhältnis zwischen dem Rotorausgang der elektrischen Maschine und dem Kopplungsmechanismus zwischen 4 und 6, je nachdem, ob ein hohes Drehmoment oder eine hohe Drehgeschwindigkeit bevorzugt werden soll, vorgesehen sein.
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des motorisierten Moduls 5, das als einheitliches Modul ausgeführt ist, das in die Hybrid-Antriebsunterbaugruppe 10 integriert sein kann. Das motorisierte Modul 5 weist ferner ein Gehäuse 155 zur Aufnahme des Reduktionsgetriebes 62 und des Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 auf. In diesem Beispiel ist die umkehrbare elektrische Maschine 56 am Gehäuse 155 befestigt. Die umkehrbare elektrische Maschine 56 hat eine Rotationsachse, die parallel zur Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle 164 verläuft und von der Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle 164 beabstandet ist. Die Verbindungsschnittstelle 164 ist eine zylindrische Welle, die mit einem Keil versehen ist.
  • In dieser Ausführungsform kann die Hybrid-Antriebsunterbaugruppe 10 außerdem optional mit einem zweiten motorisierten Modul 6 ausgestattet sein, das eine zweite umkehrbare elektrische Maschine 66 zum Antreiben und Abbremsen der Zwischenwelle 26, deren Rotor sich um eine Rotationsachse 400 dreht, und einen Mechanismus 68 zur Kopplung und Entkopplung der zweiten umkehrbaren elektrischen Maschine 66 an die bzw. von der Zwischenwelle 26 umfasst, mit einem Kopplungsorgan 70, das über einen Reduktionsgetriebezug 72 kinematisch mit der zweiten umkehrbaren elektrischen Maschine 66 verbunden ist, und einem Kopplungsorgan 74, das über eine zweite Verbindungsschnittstelle 174 kinematisch mit der Zwischenwelle 26 verbunden ist, in diesem Fall zumindest drehfest mit der Zwischenwelle 26 verbunden ist. Die zweite umkehrbare elektrische Maschine 66 wird hier dazu verwendet, die zum Antreiben oder Abbremsen der Zwischenwelle 26 verfügbare elektrische Leistung zu erhöhen, wodurch gegebenenfalls zwei kleine elektrische Maschinen 56 66 verwendet werden können, die einen geringeren radialen Platzbedarf haben als eine einzelne elektrische Maschine mit gleicher Leistung. Gegebenenfalls können zumindest einige der Elemente des motorisierten Moduls 5 in einem Modulgehäuse 165 aufgenommen sein, insbesondere der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 68, der Reduktionsgetriebezug 72, gegebenenfalls die Verbindungsschnittstelle 174 und die erste umkehrbare elektrische Maschine 56, wobei letztere alternativ außerhalb des Modulgehäuses 165 angeordnet sein kann, vorzugsweise an diesem befestigt sein kann.
  • Die motorisierten Module 5, 6 sind vorzugsweise außerhalb des Haupthohlraums 22 des Getriebegehäuses 24 angeordnet, wodurch diese Unterbaugruppe als optionale Ausstattung eines herkömmlichen Getriebes angeboten werden kann. Die Rotationsachsen 300, 400 der beiden elektrischen Maschinen 56, 66 können gegebenenfalls aufeinander ausgerichtet sein und sind vorzugsweise parallel zu den Rotationsachsen 100, 200 der Primärwelle 12 und der Sekundärwelle 16, die parallel zueinander verlaufen. Die Rotationsachse 300 der elektrischen Maschine 56 ist von der Rotationsachse 500 der Zwischenwelle beabstandet. Dies gilt auch für die Rotationsachse 400 der elektrischen Maschine 56, sofern diese Maschine vorhanden ist.
  • Eine Steuereinheit 76 ermöglicht die Steuerung der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine 56 und ihres Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 sowie gegebenenfalls der zweiten umkehrbaren elektrischen Maschine 66 und ihres Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 68. Mit dieser Steuereinheit sind Sensoren 78, 80, 82 verbunden für die Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Zwischenwelle 26 und die Messung einer Umdrehungsgeschwindigkeit, die für jede der umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 charakteristisch ist, die eine Geschwindigkeit der Abtriebswelle jeder umkehrbaren Maschine 56, 66 oder eine Umdrehungsgeschwindigkeit eines Elements des zugeordneten Getriebezugs 62, 72 sein kann. Diese Steuereinheit 76 kann in eine automatisierte Steuerung des Getriebegehäuses 18 integriert sein, die das Öffnen und Schließen der Synchronisationseinrichtungen 41, der Klauenmechanismen 50, 52 und gegebenenfalls der Hauptkupplung 20 steuert, um auf einen Drehmoment- oder Drehgeschwindigkeitssollwert zu reagieren.
  • Durch die erste elektrische Maschine 56 und die optionale zweite elektrische Maschine 66 können mehrere Betriebsarten in Betracht gezogen werden.
  • Eine erste Verwendung zielt auf die Übergangsphasen beim Schalten der Gänge des Getriebes 18 ab. Während dieser Übergangsphasen ermöglicht eine der beiden elektrischen Maschinen 56, 66 oder beide die Anpassung der Drehgeschwindigkeit der Zwischenwelle an die Synchronisationsanforderungen beim Schalten der Klauenmechanismen 50, 52 oder der Synchronisationseinrichtungen 41, wobei die elektrische(n) Maschine(n) abwechselnd als Elektromotor zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Zwischenwelle 26 oder als elektrodynamische Bremse zur Verringerung dieser Drehgeschwindigkeit verwendet werden kann (können). Durch diese Anpassung der Geschwindigkeit der Zwischenwelle 26 können die Eingriffs- oder Synchronisationszeiten verkürzt werden, ohne dass eine Getriebebremse benötigt wird.
  • Es wird nun im Zusammenhang mit einer Hybridunterbaugruppe 10, die Klauenmechanismen 50, 52 umfasst, die Übergangsphase beim Schalten in einen höheren Gang beschrieben. Die Klauenmechanismen, oder auch Klauen 50, 52 genannt, sind zwischen den Sekundärzahnrädern 42, 44 und der Sekundärwelle 16 angeordnet. Die Kupplung 20 des Getriebes 18 wird von einer automatisierten Kupplungsbetätigungseinrichtung so gesteuert, dass die Gangwechsel beschleunigt werden. Die Kupplungsbetätigungseinrichtung wird von der Steuereinheit 76 angesteuert.
  • 8 veranschaulicht das Verhalten der verschiedenen Organe der Hybridunterbaugruppe und des Fahrzeugs während dieser Übergangsphase des Schaltens in einen höheren Gang. In dieser Figur veranschaulicht die Kurve 83 die Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors 14, die Kurve 84 den offenen oder geschlossenen Zustand der Kupplung 20, die Kurve 85 die neutrale oder eingerückte Stellung des Getriebes 18 und die Kurve 86 den Aktivierungszustand der umkehrbaren elektrischen Maschine 56.
  • Darüber hinaus veranschaulicht in dieser 8 eine erste Phase 87 eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen dem Zeitpunkt t0 und t1, in der das Öffnen der Kupplung 20 eingeleitet wird, wobei das vollständige Öffnen zum Zeitpunkt t3 abgeschlossen ist. Zwischen t2 und t3 wechselt das Getriebe 18 von der eingerückten Stellung in die neutrale Stellung, indem die Klaue 50 ausgerückt wird. Um das Einrücken der Klaue 52 vorzubereiten, wird die relative Drehgeschwindigkeit zwischen der Sekundärwelle 16 und dem zugeordneten Sekundärzahnrad 42 unter Verwendung der verschiedenen im Getriebe vorhandenen Drehgeschwindigkeitssensoren gemessen. Eine zweite Phase 88 veranschaulicht eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen t3 und t4, in der die umkehrbare elektrische Maschine 56 aktiviert wird, um die Zwischenwelle 26 der Hybridunterbaugruppe abzubremsen. In dieser Phase 88 wird die Drehgeschwindigkeit der Zwischenwelle 26 so abgebremst, dass die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads 42 und der Sekundärwelle 16 synchronisiert werden. Zwischen t4 und t5 ist die Klaue 52 in Eingriff, um die Sekundärwelle 16 an das zugeordnete Sekundärzahnrad 42 zu koppeln, wenn ihre Drehgeschwindigkeiten synchronisiert sind. Ebenfalls zwischen t4 und t5 wird das Schließen der Kupplung 20 eingeleitet. Eine dritte Phase 89 veranschaulicht eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen t5 und t6, in der die Kupplung 20 geschlossen ist, bis das Schalten in einen höheren Gang abgeschlossen ist.
  • Aufgrund der umkehrbaren elektrischen Maschine 56 ist es möglich, die Eingriffszeiten zu reduzieren, ohne eine Getriebebremse zu verwenden. Die Zwischenwelle 26 wird abgebremst, bis die Drehgeschwindigkeit des Sekundärzahnrads 42 mit der Drehgeschwindigkeit der Sekundärwelle 16 synchronisiert ist.
  • Es wird nun im Rahmen einer erfindungsgemäßen Hybridunterbaugruppe 10 die Übergangsphase beim Schalten in einen niedrigeren Gang beschrieben.
  • 9 veranschaulicht das Verhalten der verschiedenen Organe der Hybridunterbaugruppe und des Fahrzeugs während dieser Übergangsphase. In dieser Figur veranschaulicht die Kurve 93 die Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors 14, die Kurve 94 den offenen oder geschlossenen Zustand der Kupplung 20, die Kurve 95 die neutrale oder eingerückte Stellung des Getriebes 18 und die Kurve 96 den Aktivierungszustand der umkehrbaren elektrischen Maschine 56.
  • Darüber hinaus veranschaulicht in dieser Figur eine erste Phase 97 eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen dem Zeitpunkt t0 und t1, in der das Öffnen der Kupplung 20 eingeleitet wird, wobei das vollständige Öffnen zum Zeitpunkt t2 abgeschlossen ist. Zwischen t2 und t3 wechselt das Getriebe 18 von der eingerückten Stellung in die neutrale Stellung, indem die Klaue 52 ausgerückt wird. Um das Einrücken der Klaue 50 vorzubereiten, wird die relative Drehgeschwindigkeit zwischen der Sekundärwelle 16 und dem zugeordneten Sekundärzahnrad 44 unter Verwendung der verschiedenen im Getriebe vorhandenen Drehgeschwindigkeitssensoren gemessen. Eine zweite Phase 98 veranschaulicht eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen t3 und t4, in der die umkehrbare elektrische Maschine 56 aktiviert wird, um die Zwischenwelle 26 der Hybridunterbaugruppe anzutreiben und zu beschleunigen, so dass die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads 44 und der Sekundärwelle 16 synchronisiert werden. Zwischen t4 und t5 wird die Klaue 50 eingerückt, so dass die Sekundärwelle 16 an das zugeordnete Sekundärzahnrad 44 gekoppelt wird, wenn die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads und der Sekundärwelle synchronisiert sind. Ebenfalls zwischen t4 und t5 wird das Schließen der Kupplung 20 eingeleitet. Eine dritte Phase 99 veranschaulicht eine Fahrphase des Fahrzeugs zwischen t5 und t6, in der die Kupplung 20 geschlossen ist, bis das Schalten in einen niedrigeren Gang abgeschlossen ist.
  • Aufgrund der umkehrbaren elektrischen Maschine 56 ist es möglich, die Eingriffszeiten zu reduzieren, ohne dass eine doppelte Ausrückung erforderlich ist.
  • Die Zwischenwelle 26 wird angetrieben und beschleunigt, bis die Drehgeschwindigkeit des Sekundärzahnrads 44 mit der Drehgeschwindigkeit der Sekundärwelle 16 synchronisiert ist.
  • In Übergangsphasen, wenn ein Gang eingelegt ist, können die elektrische(n) Maschine(n) 56, 66 als Stromgenerator verwendet werden, um eine Fahrzeugbatterie aufzuladen oder die Verzögerung der kinematischen Übertragungskette zu modulieren, wenn der Hauptmotor 14 des Fahrzeugs in einen Motorbremszustand übergeht. Immer wenn ein Gang eingelegt ist, kann bzw. können die elektrische(n) Maschine(n) 56, 66, die von einer Fahrzeugbatterie gespeist werden, als Motor für eine zusätzliche Leistungszufuhr zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden.
  • Eine Verwendung der elektrischen Maschinen 56, 66 für einen rein elektrischen Antrieb des Fahrzeugs kann auch in Betracht gezogen werden, indem die Kupplung 20 oder die Synchronisationseinrichtungen 41 zur Entkopplung des Hauptmotors 14 oder der Primärwelle 12 geöffnet werden, während einer der Klauenmechanismen 50, 52 eingerückt bleibt.
  • Die Kopplungs- und Entkopplungsmechanismen 58, 68 werden dazu verwendet, die Verbindung zwischen der Zwischenwelle 26 und den elektrischen Maschinen 56, 66 zu unterbrechen, wenn diese nicht benötigt werden, so dass das Schleppmoment der elektrischen Maschinen 56, 66 begrenzt und der Kraftstoffverbrauch reduziert wird. Sie ermöglichen es auch, mehrere Betriebsarten des Zapfwelle 65 in Betracht zu ziehen, insbesondere wenn das Fahrzeug steht.
  • Durch Öffnen des ersten Kopplungsmechanismus 58 wird die aus der ersten umkehrbaren elektrischen Maschine 56, ihrem Reduktionsgetriebezug 62 und der Zapfwelle 65 bestehende Unterbaugruppe von der Zwischenwelle 26 getrennt, wodurch die Zapfwelle 65 unabhängig von dem Getriebe 18 und dem Hauptmotor 14 des Fahrzeugs mit der als Motor verwendeten umkehrbaren elektrischen Maschine 56 angetrieben werden kann. In dieser Betriebsart kann die umkehrbare elektrische Maschine 56 ausgehend von einer Energiequelle gespeist werden, die von Fahrzeugbatterien oder, falls das Fahrzeug steht, von einer externen elektrischen Energiequelle, an die das Fahrzeug angeschlossen ist, bereitgestellt wird. Diese Betriebsart findet insbesondere dann Anwendung, wenn der Hauptmotor 14 nicht läuft, z.B. weil die Zapfwelle 65 in einer Umgebung angetrieben werden soll, in der Schadstoffemissionen des Hauptmotors des Fahrzeugs vermieden werden sollen. Sie findet auch Anwendung, wenn der Hauptmotor 14 läuft, aber die Zapfwelle mit einer Geschwindigkeit angetrieben werden soll, die unabhängig von der Geschwindigkeit der Zwischenwelle 26 ist, unabhängig davon, ob das Fahrzeug steht oder sich bewegt. Es ist im Übrigen denkbar, dass der Sensor 80 nicht nur eine Geschwindigkeitsmessung, sondern auch eine Messung eines relativen oder absoluten Drehwinkels ermöglicht, so dass es denkbar ist, die Zapfwelle 65 entsprechend einem Sollwert für eine Winkelverschiebung oder eine Winkelstellung anzutreiben.
  • Durch Schließen des Kopplungsmechanismus 58 der ersten elektrischen Maschine kann der Hauptmotor 14 des Fahrzeugs, ggf. zusammen mit der ersten elektrischen Maschine 56, zum Antreiben der Zapfwelle 65 verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch die zweite elektrische Maschine 66 eingesetzt werden, wenn sich zusätzliche Leistung als erforderlich erweist.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, die sich von der vorhergehenden durch die Anordnung der umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 unterscheidet, die parallel auf ein und demselben Mechanismus 58 zur Kopplung und Entkopplung an die bzw. von der Zwischenwelle 26 angeordnet sind und mit diesem gemeinsamen Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 jeweils durch einen Reduktionsgetriebezugs 62, 72 verbunden sind, der auch das Antreiben einer Zapfwelle 65 ermöglicht. Die beiden umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 können die gleichen Eigenschaften haben und parallel oder im Master-Slave-Modus gesteuert werden, oder sie können zusätzliche Eigenschaften haben, um einen größeren Betriebsbereich in Bezug auf Geschwindigkeit und Drehmoment abzudecken. Gegenüber der Ausführungsform von 1 bietet diese Variante den Vorteil, dass nur ein Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 zum Einsatz kommt. Außerdem ist dadurch eine Positionierung der umkehrbaren elektrischen Maschinen an ein und demselben Ende des Getriebegehäuses denkbar, so dass nur ein einziges motorisiertes Modul 5 mit zwei umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 und einem gemeinsamen Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 gebildet wird. Gegebenenfalls können zumindest einige der Elemente des motorisierten Moduls 5 in einem Modulgehäuse 165 aufgenommen sein, insbesondere der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58, die Reduktionsgetriebezüge 62, 72 und gegebenenfalls die Verbindungsschnittstelle 164 und die Zapfwelle 65.
  • Gemäß der Ausführungsform von 2 befindet sich der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 in einer solchen Stellung, dass das Zapfwellenorgan 65 an die umkehrbare elektrische Maschine 56 gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine von der Zwischenwelle 26 entkoppelt ist, und dass das Zapfwellenorgan 65 auch an die umkehrbare elektrische Maschine 56 gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine an die Zwischenwelle 26 gekoppelt ist.
  • Gemäß einer nicht dargestellten Variante der Ausführungsform von 2 kann in Betracht gezogen werden, die Unterbaugruppe, die aus den umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66, ihren möglichen Reduktionsgetriebezügen 62, 72, dem Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 und dem Zapfwellenorgan 65 besteht, am entgegengesetzten Ende der Zwischenwelle anzuordnen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, ist die Zapfwelle 65 an einem Ende der Zwischenwelle 26 angeordnet, das der Unterbaugruppe gegenüberliegt, die aus den umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66, ihren Reduktionsgetriebezügen 62, 72 und dem Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 besteht. Ein rein elektrischer Antrieb der Zapfwelle 65 bleibt über die Zwischenwelle 26 und ohne Antrieb der Primärwelle 12 oder der Sekundärwelle 16 möglich, sofern die Klauenmechanismen 50, 52 und die Synchronisationseinrichtungen 41 geöffnet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine andere relative Positionierung der Komponenten und kann den Zugang zur Zapfwelle 65 erleichtern. In dieser Ausführungsform sind auch der Kopplungsmechanismus 58 und die Reduktionsgetriebe 62, 72 innerhalb des Gehäuses 24 des Getriebes 18 dargestellt, eine Option, die in allen Ausführungsformen denkbar ist.
  • In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, die von der Ausführungsform von 2 abgeleitet ist, jedoch ohne Zapfwelle.
  • In den 3 und 4 wurden zur Vereinfachung der Darstellung die Steuereinheit und die zugeordneten Sensoren absichtlich weggelassen.
  • In den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen wurde(n) der/die Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus(en) 58, 68 der umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 durch Synchronisationseinrichtungen veranschaulicht. Alternativ ist es denkbar, dass diese Mechanismen keine Synchronisationseinrichtungen aufweisen, z.B. Klauenmechanismen. Dazu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 76 in einem Entkopplungszustand des oder der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismen 58, 68 jede umkehrbare elektrische Maschine 56, 66 so steuern kann, dass die relative Drehgeschwindigkeit zwischen dem Kopplungsorgan 60, 70, das kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine 56, 66 verbunden ist, und dem Kupplungsorgan 64, 74, das kinematisch mit der Zwischenwelle 26 verbunden ist, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, und, wenn die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, eine Kopplung des Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58, 68 steuert. Die Bedingung kann z.B. eine Bedingung sein, bei der die Differenzgeschwindigkeit unter einen bestimmten Schwellenwert fällt (der in der Praxis sehr niedrig ist).
  • In 5 ist somit eine Ausführungsform mit einer einzigen umkehrbaren elektrischen Maschine 56 dargestellt, deren Mechanismus 58 zur Kopplung und Entkopplung 58 an die bzw. von der Zwischenwelle 26 durch eine Klauenkupplung mit drei Stellungen ohne Synchronisationseinrichtungen realisiert ist, die es ermöglicht, die umkehrbare elektrische Maschine 58 entweder an die Zwischenwelle 26 unter Zwischenschaltung eines Reduktionsgetriebes 62 zu koppeln, oder an die Zapfwelle 65, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Reduktionsgetriebes 162, und die über eine neutrale Zwischenstellung verfügt, in der weder zwischen der Zwischenwelle 26 und der umkehrbaren elektrischen Maschine 56, noch zwischen der umkehrbaren elektrischen Maschine 56 und der Zapfwelle 65, oder zwischen der Zwischenwelle 26 und der Zapfwelle 65 eine Verbindung besteht. Mit dieser Variante wird sichergestellt, dass das Zapfwellenorgan 65 nur von der umkehrbaren elektrischen Maschine 56 angetrieben werden kann, und zwar nur dann, wenn diese nicht mit der Zwischenwelle 26 verbunden ist. Eine derartige Anordnung wird bevorzugt, wenn ein Antreiben der Zapfwelle 65 durch den Hauptmotor 14 des Fahrzeugs verhindert werden soll. In diesem Fall befindet sich die umkehrbare elektrische Maschine 56 außerhalb des Haupthohlraums 22 des Getriebegehäuses 24.
  • Gemäß der Ausführungsform in 5 ist der Kopplungs- und Entkopplungsmechanismus 58 in einer Stellung, in der das Zapfwellenorgan 65 an die umkehrbare elektrische Maschine 56 gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine von der Zwischenwelle 26 entkoppelt ist, und alternativ in einer Stellung, in der das Zapfwellenorgan 65 nicht an die umkehrbare elektrische Maschine 56 gekoppelt ist, wenn die umkehrbare elektrische Maschine 56 an die Zwischenwelle 26 gekoppelt ist.
  • In 6 ist eine von 1 abgeleitete Ausführungsform dargestellt, die auf ein Getriebe mit zwei Primärwellen 12, 112 angewendet wird, die alternativ über eine Doppelkupplung 120 an den Hauptmotor 14 des Fahrzeugs gekoppelt sein können. Die Primärzahnräder 38, 40 sind jeweils dauerhaft an eine der beiden Primärwellen 12, 112 gekoppelt.
  • Selbstverständlich dienen die in den Figuren dargestellten und oben erläuterten Beispiele nur der Veranschaulichung und sind nicht einschränkend. Es ist ausdrücklich vorgesehen, dass die verschiedenen abgebildeten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen vorzuschlagen.
  • Wie bereits angegeben, ist die zweite umkehrbare elektrische Maschine in allen Ausführungsformen optional. Der Reduktionsgetriebezug kann durch jeden anderen Reduktionsmechanismus ersetzt werden, insbesondere durch ein Planetengetriebe oder einen Riemen- oder Kettenreduktionsmechanismus. Die Eingangs- und Ausgangsorgane des Reduktionsmechanismus können koaxial, parallel oder in einer anderen Ausrichtung angeordnet sein. Die Rotationsachse des Rotors der ersten elektrischen Maschine kann koaxial zur Rotationsachse der Zwischenwelle oder parallel und beabstandet zur Rotationsachse der Zwischenwelle oder in einer anderen Ausrichtung verlaufen. Die umkehrbaren elektrischen Maschinen 56, 66 sind vorzugsweise außerhalb des Getriebegehäuses 24 angeordnet, die Reduktionsgetriebezüge 62, 72 können jedoch innerhalb oder außerhalb des Haupthohlraums 22 des Gehäuses 24 angeordnet sein.
  • Die hier gegebene Beschreibung des Getriebes 18 ist veranschaulichend und soll den Umfang der Lehre der vorliegenden Anmeldung nicht einschränken, die auch auf andere Ausgestaltungen mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Gängen, mit Klauenkupplungen oder mit Synchronisationseinrichtungen anwendbar ist.
  • 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
    • AT 520019 B1 [0002]
    • GB 1435517 A [0004]

Claims (16)

  1. Motorisiertes Modul (5) zum Antreiben und Abbremsen einer Zwischenwelle einer Hybridunterbaugruppe, die mehrere Primärzahnräder (38, 40) aufweist, die von einem Hauptmotor (14) des Fahrzeugs angetrieben werden sollen, eine Sekundärwelle (16), die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs vorgesehen ist, mehrere Sekundärzahnräder (42, 44, 46), die an die Sekundärwelle (16) gekoppelt sein können, und Zwischenzahnräder (28, 30, 32, 34, 36), die drehfest mit der Zwischenwelle (26) verbunden sind, wobei die Primärzahnräder (38, 40) und die Sekundärzahnräder (42, 44, 46) jeweils dauerhaft mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern (28, 30, 32, 34, 36) in Eingriff sind, wobei das motorisierte Modul mindestens eine umkehrbare elektrische Maschine (56), eine Schnittstelle (164) zur drehkinematischen Verbindung mit der Zwischenwelle (26) und ein Reduktionsgetriebe (62), das kinematisch zwischen der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) und der Verbindungsschnittstelle (164) angeordnet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das motorisierte Modul außerdem einen Kopplungsmechanismus (58) aufweist, der ein erstes Kopplungsorgan (60), das kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) verbunden ist, und ein zweites Kopplungsorgan (64) umfasst, das kinematisch mit der Verbindungsschnittstelle (164) verbunden ist, wobei der Kopplungsmechanismus (58) von einem Kopplungszustand zum Koppeln der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) mit der Verbindungsschnittstelle (164) in einen Entkopplungszustand zum Entkoppeln der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) von der Verbindungsschnittstelle (164) übergehen kann.
  2. Motorisiertes Modul (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsmechanismus (58) kinematisch zwischen dem Reduktionsgetriebe (62) und der Verbindungsschnittstelle (164) angeordnet ist.
  3. Motorisiertes Modul (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner ein Zapfwellenorgan (65) aufweist, das kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) verbunden ist, vorzugsweise über das Reduktionsgetriebe und gegebenenfalls über den Kopplungsmechanismus (58), wobei das Zapfwellenorgan (65) vorzugsweise eine Rotationsachse aufweist, die auf eine Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle (164) ausgerichtet ist.
  4. Motorisiertes Modul (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umkehrbare elektrische Maschine (56) eine Rotationsachse aufweist, die parallel zu einer Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle (164) verläuft und vorzugsweise von der Rotationsachse der Verbindungsschnittstelle (164) beabstandet ist.
  5. Motorisiertes Modul (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsmechanismus (58) aus den folgenden Mechanismen ausgewählt ist: - einem Klauenmechanismus, - einem Synchronisationsmechanismus, - einem Kupplungsmechanismus, vorzugsweise einem Reibungskupplungsmechanismus.
  6. Motorisiertes Modul (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine (66) zum Antreiben der Zwischenwelle (26) und ein zusätzliches Reduktionsgetriebe (72) aufweist, das kinematisch zwischen der zusätzlichen umkehrbaren elektrischen Maschine (66) und der Verbindungsschnittstelle (164) angeordnet ist.
  7. Hybridunterbaugruppe (10) zum Antreiben eines Fahrzeugs, die Folgendes aufweist: - mehrere Primärzahnräder (38, 40), die von einem Hauptmotor (14) des Fahrzeugs angetrieben werden sollen, - eine Sekundärwelle (16), die zum Antreiben einer Baugruppe aus einem oder mehreren Antriebsrädern des Fahrzeugs vorgesehen ist, - mehrere Sekundärzahnräder (42, 44, 46), die an die Sekundärwelle (16) gekoppelt sein können, - eine Zwischenwelle (26), mit der Zwischenzahnräder (28, 30, 32, 34, 36) drehfest verbunden sind, wobei die Primärzahnräder (38, 40) und die Sekundärzahnräder (42, 44, 46) jeweils dauerhaft mit einem entsprechenden Zahnrad aus den Zwischenzahnrädern (28, 30, 32, 34, 36) in Eingriff sind, und - mindestens eine umkehrbare elektrische Maschine (56) zum Antreiben und Abbremsen der Zwischenwelle (26), dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner mindestens ein motorisiertes Modul (5, 6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Verbindungsschnittstelle (164, 174) des motorisierten Moduls (5, 6) drehfest mit der Zwischenwelle (26) verbunden ist.
  8. Hybridunterbaugruppe (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Zapfwellenorgan (65) aufweist, das zumindest von der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) angetrieben werden kann.
  9. Hybridunterbaugruppe (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfwellenorgan (65) dauerhaft kinematisch mit der Zwischenwelle (26) verbunden ist und über den Kopplungsmechanismus (58) kinematisch mit der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) verbunden ist.
  10. Hybridunterbaugruppe (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfwellenorgan (65) über den Kopplungsmechanismus (58) kinematisch mit der Zwischenwelle verbunden ist.
  11. Hybridunterbaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine (66) zum Antreiben der Zwischenwelle (26) aufweist.
  12. Hybridunterbaugruppe (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eines der folgenden Merkmale realisiert ist: - die umkehrbare elektrische Maschine (56) kann über den Kopplungsmechanismus (58) an die Zwischenwelle (26) gekoppelt sein; - die zusätzliche umkehrbare elektrische Maschine (66) kann über einen zusätzlichen Kopplungsmechanismus (68) an die Zwischenwelle (26) gekoppelt sein.
  13. Hybridunterbaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Getriebegehäuse (24) aufweist, das einen Hohlraum (22) zur Aufnahme der Primärzahnräder (38, 40), der Sekundärzahnräder (42, 44, 46) und der Zwischenzahnräder (28, 30, 32, 34, 36) begrenzt, wobei die umkehrbare elektrische Maschine (56) außerhalb des Aufnahmehohlraums (24) angeordnet ist.
  14. Hybridunterbaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kupplung (20) aufweist, die von einer Kupplungsbetätigungseinrichtung gesteuert wird und die Primärzahnräder (38, 40) in Bezug auf den Hauptmotor (14) des Fahrzeugs entkoppeln kann, wobei die Kupplungsbetätigungseinrichtung von einer Steuereinheit (76) angesteuert wird.
  15. Hybridunterbaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Klaue (50, 52) aufweist, die kinematisch zwischen einem der Sekundärzahnräder (42, 44, 46) und der Sekundärwelle (16) angeordnet ist und die Sekundärwelle (16) an das zugeordnete Sekundärzahnrad (42, 44, 46) koppeln kann, wobei die Klaue (50, 52) in Eingriff ist, wenn die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads und der Sekundärwelle synchronisiert sind, indem die Zwischenwelle (26) durch die Aktivierung der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) angetrieben oder abgebremst wird.
  16. Verfahren zum Einrücken einer Klaue (50, 52), die eine Sekundärwelle (16) an ein zugeordnetes Sekundärzahnrad (42, 44, 46) innerhalb einer Hybridunterbaugruppe (10) nach Anspruch 15 koppeln kann, das folgendes umfasst: - Entkoppeln der Primärzahnräder (38, 40) von dem Hauptmotor (14) des Fahrzeugs; - Einstellen der Hybridunterbaugruppe (10) in die Neutralstellung durch Auskuppeln des Gangs; - Messen der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen der Sekundärwelle (16) und dem zugeordneten Sekundärzahnrad (42, 44, 46); - Antreiben oder Abbremsen der Zwischenwelle durch Aktivieren der umkehrbaren elektrischen Maschine (56) zum Synchronisieren der Drehgeschwindigkeiten der Sekundärwelle (16) und des zugeordneten Sekundärzahnrads (42, 44, 46); - Einrücken der Klaue (50, 52) zur Kopplung der Sekundärwelle (16) an das zugeordnete Sekundärzahnrad, wenn die Drehgeschwindigkeiten des Sekundärzahnrads und der Sekundärwelle synchronisiert sind.
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