DE19618865A1 - Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug - Google Patents

Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug

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Description

Aus der DE 43 23 601 ist ein mit einem Verbrennungsmotor und einer elektri­ schen Maschine ausgestattetes Hybridfahrzeug, das zumindest während begrenz­ ter Zeitabschnitte wahlweise mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb, mit rein elektromotorischem Antrieb oder gleichzeitig mit verbrennungs- und elektromoto­ rischem Antrieb betreibbar ist, bekannt. Der Verbrennungsmotor und die elektri­ sche Maschine wirken auf eine gemeinsame, zu einem Schaltgetriebe führende Abtriebswelle. Der Rotor der elektrischen Maschine ist drehfest mit dieser Ab­ triebswelle verbunden. Der Stator weist eine bis in die Nähe der Statorwicklun­ gen reichende axiale Ausnehmung auf, innerhalb derer die Kupplung zuminde­ stens teilweise angeordnet ist. Die Kupplung ist als Ein- oder Mehrscheibenkupp­ lung, einen Torsionsschwingungsdämpfer umfassend, ausgebildet. Die von der Zündfolge des Verbrennungsmotors hervorgerufenen Drehmomentschwankungen werden mittels des Torsionsdämpfern gedämpft, indem der Torsionsschwin­ gungsdämpfer aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird.
Nachteilig ist, daß in Folge dieser Dämpfung eine Torsionskraft auf die Kurbelwel­ le wirkt, die sich über den Verbrennungsmotor gegen dessen Lagerung abstützt so daß die Lagerung aufgrund dieser Krafteinwirkung entsprechend zu dimensio­ nieren ist. Es wird somit zumindestens ein Teil der Ungleichförmigkeiten zurück auf den Verbrennungsmotor insbesondere dessen Lagerung übertragen. Dadurch kann es zur Aufschaukelung der von dem Torsionsdämpfer zurückgekoppelten Schwingungen kommen.
Aus der DE 32 30 607 ist eine Antriebsanordnung umfassend einen Verbren­ nungsmotor, eine mit diesem mittels einer Kupplung verbindbare elektrische Ma­ schine, die ihrerseits über eine weitere Kupplung mit dem Getriebe verbindbar ist, bekannt. Bei dieser Antriebsanordnung ist der Rotor schlupffrei mit dem Verbren­ nungsmotor kuppelbar und bildet einen Teil der Schwungmasse des Verbren­ nungsmotors bei geschlossener Kupplung. Die elektrische Maschine wird derart gesteuert, daß mittels des Rotors ein den Ungleichförmigkeiten des Verbren­ nungsmotors entgegenwirkendes Lastmoment aufgebaut wird. Dadurch werden die vom Verbrennungsmotor herrührenden Schwingungen gedämpft.
Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor eine Kupplung angeordnet ist, wodurch die axiale Baulänge dieser Antriebsanordnung vergrößert ist. Hinzu kommt, daß die von dem Ver­ brennungsmotor eingeleiteten Schwingungen nur durch die elektrische Maschine dämpfbar sind, wenn Verbrennungsmotor und elektrische Maschine wirkverbun­ den sind, das heißt, über die Kupplung ein Drehmoment übertragen wird. Ist die Kupplung geöffnet, so ist eine aktive Schwingungsdämpfung durch die elektri­ sche Maschine nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine in axialer Richtung schmal bauende An­ triebsanordnung zu schaffen, bei der die von der Zündfolge des Verbrennungsmo­ tors herrührenden Drehmomentschwankungen durch die elektrische Maschine ausgeglichen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmal gelöst.
Durch die Maßnahme, den Rotor mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors fest zu verbinden und den Rotor auf der dem Getriebe zugewandten Seite als Kupplungseingriffsfläche auszubilden, wird eine in axialer Richtung schmal bau­ ende Antriebsanordnung geschaffen. Bei dieser Anordnung wird die Schwung­ masse des Verbrennungsmotors durch den mit der Kurbelwelle fest verbundenen Rotor gebildet. Da zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine keine Kupplung vorgesehen ist, stehen diese ständig in Wirkkontakt. Die vom Verbren­ nungsmotor eingeleiteten Drehmomentschwankungen werden durch geeignete Ansteuerung der elektrischen Maschine aktiv gedämpft bzw. kompensiert, indem bei einer von dem Verbrennungsmotor auf die Kurbelwelle übertragene Drehmo­ mentspitze die elektrische Maschine als Generator betrieben wird. Die über­ schüssige Energie wird in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektri­ sche Energie wird in einem Speicherelement für elektrische Energie, vorzugswei­ se einem Kondensator, zwischengespeichert. Ist der von dem Verbrennungsmo­ tor auf die Kurbelwelle übertragene Drehmomentwert in einer Senke, so wird die elektrische Maschine als Motor betrieben und wandelt gespeicherte elektrische Energie in ein Drehmoment um. Dieses Drehmoment wirkt additiv zu dem von dem Verbrennungsmotor eingeleiteten Drehmoment, so daß das auf die Ab­ triebswelle resultierende Drehmoment nahezu konstant gehalten wird. Durch die­ se aktive Schwingungsdämpfung werden die auf den Verbrennungsmotor zu­ rückwirkenden Kräfte minimiert. Eine Aufschaukelung dieser Drehmoment­ schwankungen wird unterbunden. Somit wird die Lagerung des Verbrennungsmo­ tors entlastet.
Durch die aktive Schwingungsdämpfung wird die Kurbelwelle im Hinblick auf eine auf diese wirkende Torsionskraft entlastet, wodurch insbesondere die Befesti­ gungslager des Verbrennungsmotors entlastet werden.
Durch die Kurbelwelle werden mit derselben wirkverbundene Riemengetriebe, die z. B. für den Antrieb einer Wasserpumpe, Klimakompressor usw. vorgesehen sind, angetrieben. Durch die aktive Schwingungsdämpfung wird der Lauf der Kurbelwelle beruhigt, und damit werden auch die Riemengetriebe entlastet.
Um in axialer Richtung möglichst schmal zu bauen, ist die getriebeseitige Begren­ zungsfläche des Rotors als Kupplungseingriffsfläche ausgebildet. Die Kupplungs­ eingriffsfläche ist dabei derart ausgebildet, daß kein Abrieb von der Kupplung in die elektrische Maschine gelangen kann. Gegebenenfalls kann eine Abschirmplat­ te erforderlich sein. Als vorteilhafte Ausführungsform hat sich herausgestellt, den Stator der elektrischen Maschine mit dem Motorgehäuse so zu verbinden, daß die an Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine anfallende Verlustwärme über ein gemeinsames Kühlsystem abgeführt werden kann. Dieses Kühlsystem weist ein System von Kanälen auf, die von Kühlmittelflüssigkeit durchflossen werden. Diese Kanäle gehen direkt von dem Stator der elektrischen Maschine in das Ge­ häuse des Verbrennungsmotors über, ohne daß gesonderte Verbindungselemente vorzusehen sind. Zweckmäßigerweise wird zuerst die Temperatur empfindlichere elektrisch Maschine und anschließend der Verbrennungsmotor von der Kühlflüs­ sigkeit durchströmt.
Vorteilhaft ist es, die Kolben des Verbrennungsmotors druckfrei zu schalten, wenn das Fahrzeug allein durch den Elektromotor angetrieben wird. Die mit der Kurbelwelle fest verbundenen Kolben werden, da sie über die Kurbelwelle mit dem Rotor fest verbunden sind, angetrieben. Durch die druckfrei geschalteten Zylinder entsteht nur ein geringer Energieverlust durch die feste Verbindung von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine. Es kann auch vorgesehen wer­ den, nur einen Teil der Zylinder des Verbrennungsmotors druckfrei zu schalten, um zur Kraftstoffeinsparung die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors zu re­ duzieren. Durch die Veränderung der Zylinderanzahl wird auch das Schwingungs­ verhalten des Verbrennungsmotors verändert. Dementsprechend wird die elektri­ sche Maschine auf das veränderte Schwingungsverhalten des Verbrennungsmo­ tors abgestimmt, angesteuert, so daß die von dem Verbrennungsmotor eingelei­ teten Schwingungen weiterhin optimal, aktiv durch die elektrische Maschine ge­ dämpft werden. Weiterhin kann ein Schalter vorgesehen werden, mit dem der Fahrer auf die aktive Schwingungsdämpfung durch die elektrische Maschine Ein­ fluß nehmen kann. Der Fahrer wählt, ob ihm die optimale Dämpfung oder ein ge­ ringerer Kraftstoffverbrauch wichtiger ist.
Weiterhin hat sich als vorteilhaft erwiesen, die elektrische Maschine auf der dem Getriebe abgewandten Seite des Verbrennungsmotors vorzusehen. Damit ist eine Veränderung des herkömmlichen Antriebsstranges bestehend aus Verbren­ nungsmotor, Kupplung und Getriebe nicht erforderlich. Die elektrische Maschine ist räumlich getrennt von der Kupplung angeordnet. Somit ist sie auch gleich durch die räumliche Trennung bedingt gegen Abrieb der Kupplung geschützt. Auf der dem Getriebe abgewandten Seite des Verbrennungsmotors sind normalerweise Riemengetriebe, mittels derer eine Wasserpumpe, ein Nockenwellenantrieb und ein Klimakompressor antreibbar sind, vorgesehen. Diese Riemengetriebe, soweit die von ihnen angetriebenen Aggregate nicht durch die elektrische Maschine an­ treibbar sind, werden vorzugsweise auf der dem Verbrennungsmotor abgewand­ ten Seite der elektrischen Maschine angeordnet. Für die aktive Schwingungs­ dämpfung ist es egal, auf welcher Seite des Verbrennungsmotors die elektrische Maschine angeordnet ist.
Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung der Antriebsanordnung; stark vereinfacht;
Fig. 2 Anordnung einer elektrischen Maschine mit Kupplung;
Fig. 3 Anordnung einer elektrischen Maschine mit Kupplung;
Fig. 4 schematische Darstellung einer Antriebsanordnung.
In Fig. 1 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung dargestellt. Der Verbrennungsmotor 3 ist mit der elektrischen Maschine 5, wobei der elektrischen Maschine 5 eine Speicherelement 15 zugeordnet ist, verbunden. An der elektrischen Maschine 5 schließt sich gleich die Kupplung 7 an, wobei die Kupplungseingriffsfläche 35 der Kupplung Bestandteil der elektrischen Maschi­ ne 5 ist. An die Kupplung 7 schließt sich ein Getriebe 9 an, wobei das Getriebe 9 über eine Getriebeeingangswelle 14 mit der Kupplung 7 verbunden ist. Die elek­ trische Maschine 5 umfaßt ihrerseits einen Rotor 21 und einen Stator 19, wobei der Rotor drehfest mit der Kurbelwelle 11 des Verbrennungsmotors 3 und der Stator 19 mit dem Verbrennungsmotorgehäuse 4 verbunden ist.
Die elektrische Maschine 5 ist so gesteuert, daß sie den Drehmomentschwan­ kungen des Verbrennungsmotors 3 entgegenwirkt. Wird von dem Verbren­ nungsmotor 3 ein großes Drehmoment (zünden) auf die Abtriebswelle 13 über­ tragen, so wird die elektrische Maschine 5 als Generator 45 betrieben und wirkt der von der Kurbelwelle 11 eingeleiteten Rotationsbewegung entgegen, indem ein Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, die in einem Speicherelement 15, das vorzugsweise einen Zwischenspeicher 16 um­ faßt, gespeichert wird. Durch die hohe Zündfrequenz des Verbrennungsmotors ist die Anzahl der Auflade- und Entladeprozesse gegeben. Dieser Zwischenspei­ cher 16 muß also eine hohe Lebensdauer, bezogen auf die Auf- und Entladungs­ prozesse, haben, weshalb sich eine Kondensator 17 als Zwischenspeicher 16 besonders gut eignet. Gibt der Verbrennungsmotor 3 ein kleineres als das mittlere Drehmoment ab, so wird die elektrische Maschine 5 als Elektromotor 47 betrieben und wandelt im Speicherelement 15 zwischengespeicherte Energie in ein Drehmoment um, das zu dem von dem Verbrennungsmotor 3 abgegebenen Drehmoment hinzuaddiert wird.
In einem rein verbrennungsmotorischen Betrieb wirkt die elektrische Maschine 5 nur schwingungsdämpfend, wie zuvor beschrieben. Umfaßt der Energiespei­ cher 15 eine Batterie 18, wobei dieser Batterie 18 zusätzlich zu einem Kondensa­ tor 17 vorgesehen werden kann, so kann das Fahrzeug in einen Mischbetrieb, das heißt, sowohl Verbrennungsmotor 3, als auch Elektromotor 47 tragen zu dem auf die Abtriebswelle 13 übertragenen Drehmoment bei. Die von dem Ver­ brennungsmotor 3 eingeleiteten Schwingungen werden weiterhin durch auf diese Schwingungen abgestimmte, diesen entgegenwirkenden Drehmomentschwan­ kungen des von dem Elektromotors 47 eingebrachten Drehmomentes kompen­ siert. Die Batterie 18 wird mittels der elektrischen Maschine als vom Verbren­ nungsmotor 3 angetriebenen Generator 45 aufgeladen. Der Ladezustand der Batterie 18 wird überwacht, damit das Speicherelement für elektrische Ener­ gie 15 immer ausreichend geladen ist.
Bei einer ausreichend großen Kapazität des Speicherelementes für elektrische Energie 15, kann das Fahrzeug zumindestens während begrenzter Zeitabschnitt rein elektromotorisch angetrieben werden. Da der Rotor 21 fest mit der Kurbel­ welle 11 des Verbrennungsmotors 3 verbunden ist, wird diese durch den Ro­ tor 21 angetrieben. Deshalb sind in diesem Betriebsmodus des rein elektromo­ torischen Antriebs, die Zylinder druckfrei geschaltet, so daß die mit der Kurbel­ welle fest verbundenen Kolben unter geringen Reibungsverlusten in Laufbüchsen bewegt werden.
Der prinzipielle Aufbau der elektrischen Maschine 5 wird anhand Fig. 2 näher be­ schrieben. Die elektrische Maschine 5 umfaßt einen mit Magneten 25 versehenen Rotor 21 und einen mit Kupferwicklungen 23 versehenen Stator 19. Der Sta­ tor 19 wird von einem Statorträger 20 gehalten, in dem Kühlkanäle 29 für Kühl­ flüssigkeit vorgesehen sind. Dieser Statorträger 20 ist fest mit dem Verbren­ nungsmotorgehäuse 4 verbunden. Der Statorträger 20 kann auch einstückig mit dem Verbrennungsmotorgehäuse 4 ausgebildet sein. Der Rotor 21 ist drehfest mit der Kurbelwelle 11 verbunden. Dieser weist radial innen eine Ausnehmung 39 auf, die z. B. zur Aufnahme einer Kühlmittelpumpe gemäß DE 44 04 791 C2 be­ schrieben vorgesehen sein kann. Die getriebeseitige Begrenzungsfläche 41 ist als Kupplungseingriffsfläche 35 ausgebildet. Direkt im Anschluß ist die mit einer Membranfeder 33 versehene Kupplung 7 angeordnet, die mittels eines Ausrüc­ kers 31 betätigbar ist. Bei geschlossener Kupplung 7 wird ein auf die Abtriebs­ welle 13 übertragenes Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle 14 übertra­ gen. Mittels dieser Kupplung 7 wird der Kraftfluß beim Gangwechsel unterbro­ chen.
Der in Fig. 3 dargestellte Aufbau der elektrischen Maschine 5 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau im wesentlichen in der Anordnung der Kupplung 7, wobei die funktionsweise unverändert ist. Sowohl Rotor 21 als auch Kurbelwelle 11 sind drehfest mit der Abtriebswelle 13 verbunden. Der Statorträ­ ger 20 ist wieder mit dem Verbrennungsmotorgehäuse 4 fest verbunden, wobei durch den Statorträger auch gleich das Elektromotorgehäuse 6 gebildet wird. Der Rotor 21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet, wobei das dem Verbrennungsmotor 3 zugewandten Ende durch einen Zylinderboden 43 geschlossen ist. Dieser Zylinderboden 43 bildet die Kupplungseingriffsfläche 35, an die sich die Kupplung 7 anschließt. Damit ist die Kupplung 7 räumlich axial zwischen Zylinderbodenfläche 43 des Rotors 21 und Stator 19 angeordnet. Die Kupplung 7 wird mittels eines Ausrückers 31 betätigt, der radial innerhalb des Stators 19 in einer Ausnehmung 39 des letztgenannten angeordnet ist. Die Ge­ triebeeingangswelle 14 ist verbrennungsmotorseitig drehbar in der Kurbelwel­ le 11 gelagert, wodurch eine radiale Beweglichkeit der Kurbelwelle 11 einge­ schränkt wird.
Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Antriebsanordnung 1 unterscheidet sich im wesentlichen in der Anordnung der elektrischen Maschine 5. Der Rotor der elektrischen Maschine ist drehfest mit der Kurbelwelle 11 des Verbrennungsmo­ tors verbunden. Die elektrische Maschine wird so angesteuert, daß die von dem Verbrennungsmotor eingeleitete Drehmomentschwankungen durch diese ausge­ glichen werden. Über eine zwischen Verbrennungsmotor 3 und Getriebe 9 ange­ ordnete Kupplung 8 wird das eingeleitete Drehmoment auf die Getriebeein­ gangswelle 14 übertragen, wobei die Kupplung 8 eine beliebige Kupplung, z. B. Ölbadkupplung, Mehrlammellenkupplung sein kann. Durch die andere Anordnung der elektrischen Maschine 5 wird die prinzipielle Funktionsweise nicht verändert. Auch bei dieser Anordnung sind die zuvor beschriebenen Betriebsweisen der An­ triebsanordnung 1 ohne weiteres möglich.
Bezugszeichenliste
1 Antriebsanordnung
3 Verbrennungsmotor
4 Verbrennungsmotorgehäuse
5 elektrische Maschine
6 Gehäuse
7 Kupplung
8 Reibungskupplung
9 Getriebe
11 Kurbelwelle
13 Abtriebswelle
14 Getriebeeingangswelle
15 Speicherelement für elektrische Energie
16 Zwischenspeicher
17 Kondensator
18 Batterie
19 Stator
20 Statorträger
21 Rotor
23 Kupferwicklungen
25 Magnete
27 Kühlsystem
29 Kühlkanäle
31 Ausrücker
33 Membranfeder
35 Kupplungseingriffsfläche
37 Laufbüchsen
39 Ausnehmung
41 Begrenzungsfläche
43 Zylinderbodenfläche
45 Generator
47 Elektromotor
49 Kolben

Claims (5)

1. Antriebsanordnung für ein mit einem Verbrennungsmotor und einer elektri­ schen Maschine ausgestattetes Hybridfahrzeug, das zumindest während be­ grenzter Zeitabschnitte wahlweise mit rein verbrennungsmotorischem An­ trieb, mit rein elektromotorischem Antrieb oder gleichzeitig mit verbrennungs- und elektromotorischem Antrieb betreibbar ist, wobei Verbrennungsmotor und elektrische Maschine auf eine gemeinsame Abtriebswelle wirken und die Drehmomentübertragung zwischen Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Getriebeeingangswelle kupplungstechnisch schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (21) der elektrischen Maschine (5) drehfest mit der Kurbelwel­ le (11) verbunden ist und somit als Schwungmasse des Verbrennungsmo­ tors (3) wirksam ist, und daß der Rotor (21) auf der dem Getriebe (9) zuge­ wandten Seite derart ausgebildet ist, daß diese Begrenzungsfläche (41) des Rotors eine Kupplungsangriffsfläche (35) einer zwischen der elektrischen Ma­ schine (5) und dem Getriebe (9) angeordneten Reibungskupplung (8) ist.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (19) drehfest mit dem Motorgehäuse (6) verbunden ist und die an Verbrennungsmotor (3) und Stator (19) anfallende Wärme mittels eines gemeinsamen Kühlsystems (27) abführbar ist, wobei die Kühlflüssigkeit zu­ erst die temperaturempfindlichere Elektromaschine (5) durchströmt.
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei rein elektromotorischem Antrieb des Fahrzeugs die Zylinder des Ver­ brennungsmotors (3) druckfrei geschaltet sind, so daß die durch die Rotation des Rotors (21) über die Kurbelwelle (11) angetriebenen in Laufbüchsen be­ findlichen Kolben, ohne zu komprimieren, in den Laufbüchsen bewegt wer­ den.
4. Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (5) auf der dem Getriebe (9) abgewandten Seite des Verbrennungsmotors (3) angeordnet ist, wobei die elektrische Maschi­ ne (5) und der Verbrennungsmotor (3) auf eine gemeinsame Antriebswelle (13) wirken.
5. Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (21) drehfest mit der Kurbelwelle (11) verbunden ist und somit als Schwungmasse des Verbrennungsmotors (3) wirksam ist.
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