DE19960621A1 - Hybridantrieb für Fahrzeuge - Google Patents
Hybridantrieb für FahrzeugeInfo
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- B60W2540/00—Input parameters relating to occupants
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- F16H3/093—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts characterised by the disposition of the gears with two or more countershafts
- F16H2003/0933—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts characterised by the disposition of the gears with two or more countershafts with coaxial countershafts
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- F16H2200/0052—Transmissions for multiple ratios characterised by the number of forward speeds the gear ratios comprising six forward speeds
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16H—GEARING
- F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
- F16H3/006—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion power being selectively transmitted by either one of the parallel flow paths
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
- F16H3/724—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously using external powered electric machines
- F16H3/725—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously using external powered electric machines with means to change ratio in the mechanical gearing
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Abstract
Hybridantrieb für Fahrzeuge. Ein schaltbares Getriebe enthält ein erstes schaltbares Teilgetriebe (20-1) und ein zweites schaltbares Teilgetriebe (20-2). Das zweite schaltbare Teilgetriebe (20-2) ist antriebsmäßig mit einer elektrischen Maschine (60) verbunden, welche als Elektromotor oder Generator betreibbar ist. Das erste Teilgetriebe (20-1) ist mit einem Brennstoffmotor (50) und/oder mit der elektrischen Maschine (60) wahlweise antriebsmäßig verbindbar.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für Fahrzeuge gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Demgemäß betrifft die Erfindung einen Hybridantrieb für
Fahrzeuge, enthaltend ein schaltbares Getriebe, welches zwei
Teilgetriebe aufweist, wovon ein erstes Teilgetriebe an einem
Getriebeeingang durch eine schaltbare erste Kupplung mit einem
Brennstoffmotor antriebsmäßig verbindbar und dieses erste
Teilgetriebe über schaltbare Getriebegangstufen, welche durch
Schaltelemente schaltbar sind, mit einem Getriebeausgang
antriebsmäßig verbindbar ist, und wovon das zweite Teilgetriebe
eine elektrische Maschine aufweist.
Aus der DE 40 41 117 A1 ist ein Hybridantrieb dieser Art für
Fahrzeuge bekannt. Er enthält eine Wärmekraftmaschine und ein
Klauen- bzw. Synchronschaltgetriebe sowie dazwischen eine erste
Kupplung. Ferner enthält der Hybridantrieb eine alternativ zur
oder gemeinsam mit der Wärmekraftmaschine betreibbare, im
Generatorbetrieb eine Batterie speisende oder als Motor
arbeitende Elektromaschine, deren Welle über einen
Getriebezweig mit einer Eingangswelle des Schaltgetriebes
mindestens in bestimmten Betriebsbereichen verbunden ist.
Zwischen der Welle der Elektromaschine und dem Getriebezweig
befindet sich eine schaltbare zweite Kupplung. Das
Schaltgetriebe enthält eine zur Eingangswelle axial angeordnete
Abtriebswelle, auf welcher Losräder frei drehbar angeordnet
sind, welche über Schaltelemente mit der Abtriebswelle
kuppelbar sind und mit Festrädern in Zahneingriff sind, welche
auf einer Vorgelegewelle drehfest angeordnet sind. Die
Vorgelegewelle ist zur Abtriebswelle parallel angeordnet und
hat ein mit ihr drehfest verbundenes Zahnrad, welches
einerseits mit einem Zahnrad der Eingangswelle und andererseits
mit einem Zahnrad des Getriebezweiges in Zahneingriff ist, der
über die zweite Kupplung mit der elektrischen Maschine
kuppelbar ist. Durch einen Betriebsartenwahlschalter kann
jeweils ausgewählt werden, ob der Fahrzeugantrieb durch die
Wärmekraftmaschine und/oder die elektrische Maschine erfolgt.
Wenn zur Erzeugung von Bremsenergie die elektrische Maschine
als Generator betrieben wird, speist sie Strom in die Batterie.
Ferner ist ein Vorwahlschalter vorgesehen, an welchem ein
Fahrer manuell wählen kann, ob das Getriebe manuell,
teilautomatisch oder vollautomatisch betrieben werden soll.
Aus der DE 42 02 083 C2 ist ein Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge
bekannt, welcher ein Schaltgetriebe mit einer Eingangswelle und
einer dazu axial angeordneten Abtriebswelle und einer parallel
dazu angeordneten Vorgelegewelle aufweist. Auf der
Abtriebswelle frei drehbar angeordnete Losräder sind durch
Schaltelemente mit der Abtriebswelle je nach gewünschtem Gang
kuppelbar und mit Zahnrädern in Eingriff, welche auf der
Vorgelegewelle drehfest angeordnet sind. Die Vorgelegewelle hat
ein mit ihr drehfestes Zahnrad, welches mit einem Zahnrad, das
auf der Eingangswelle drehfest ist, in Zahneingriff ist, so daß
beide Wellen antriebsmäßig miteinander verbunden sind. Die
Eingangswelle ist über eine Kupplung mit einem
Verbrennungsmotor verbindbar. Die Vorgelegewelle ist mit dem
Rotor einer elektrischen Maschine drehfest verbunden. Bei einem
Gangwechsel entstehende positive oder negative Beschleunigungen
der Vorgelegewelle werden von der elektrischen Maschine
unterstützt, so daß sie während des Gangwechsels wirkende
Trägheitsmomente, welche an der Vorgelegewelle wirken,
kompensiert. Die elektrische Maschine ist eine
Wechselstrommaschine. Sie ist über einen Stromumrichter mit
einer Batterie verbunden. Wenn die elektrische Maschine als
Motor arbeitet, wird sie von der Batterie mit Strom versorgt.
Wenn die elektrische Maschine als Generator arbeitet, speist
sie Strom in die Batterie.
Aus der DE 195 30 231 A1 ist ein Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge
bekannt, welcher ein Gangschaltgetriebe enthält. Das
Gangschaltgetriebe enthält eine Antriebswelle und eine parallel
dazu angeordnete Abtriebswelle. Zahnräder der einen Welle sind
mit Zahnrädern der anderen Welle in Eingriff. Von den
miteinander in Eingriff befindlichen Zahnradpaaren ist ein
Zahnrad mit seiner Welle drehfest verbunden und das andere
Zahnrad ist über ein Schaltelement mit der anderen Welle
kuppelbar. Die Eingangswelle ist an ihrem einen Ende über eine
erste Kupplung mit einem Verbrennungsmotor kuppelbar und an
ihrem anderen Ende über eine zweite Kupplung mit einem Zahnrad
kuppelbar, welches mit einem Zahnrad einer Rotorwelle einer
elektrischen Maschine in Eingriff ist. Dadurch ist die
Eingangswelle alternativ vom Verbrennungsmotor und/oder von der
elektrischen Maschine antreibbar oder die elektrische Maschine
als Generator nutzbar. Die elektrische Maschine wird während
Gangschaltvorgängen abgekuppelt, um die zu synchronisierenden
Schwungmassen zu reduzieren.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,
Hybridantriebe der vorstehend genannten Art derart auszubilden,
daß sie eine Vielzahl von Funktionen ausführen können, wobei
der Hybridantrieb konstruktiv einfach und preiswert sein soll.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die
kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß ist ein Hybridantrieb gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Teilgetriebe mindestens eine,
durch ein Schaltelement schaltbare Getriebegangstufe aufweist,
durch welche die elektrische Maschine mit dem Getriebeausgang
antriebsmäßig verbindbar ist. Hierbei erfolgt der
Drehmomentfluß der elektrischen Maschine nur über das zweite
Teilgetriebe, jedoch nicht über das erste Teilgetriebe.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine
Kupplungsanordnung vorgesehen, durch welche der Brennstoffmotor
und die elektrische Maschine gleichzeitig oder alternativ mit
dem Getriebeeingang des ersten Teilgetriebes verbindbar sind.
Hierbei erfolgt der Drehmomentfluß nur über das erste
Teilgetriebe, jedoch nicht über das zweite Teilgetriebe.
Der Ausdruck "Brennstoffmotor" beinhaltet im Rahmen der
Erfindung ebenso wie der Ausdruck "Verbrennungsmotor" nicht nur
Ottomotoren und Dieselmotoren, sondern auch sogenannte
Brennstoffzellen oder andere Arten von Brennstoff benötigenden
Antriebseinheiten.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen
anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines Antriebsstranges
eines Hybridantriebes nach der Erfindung,
Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht des Antriebsstranges
eines Hybridantriebes gemäß einer weiteren
Ausführungsform nach der Erfindung,
Fig. 3 schematisch eine Seitenansicht eines Antriebsstranges
eines Hybridantriebes gemäß einer nochmals weiteren
Ausführungsform nach der Erfindung,
Fig. 4 Prinzipschaltbild eines Hybridantriebes nach der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch die prinzipielle Anordnung eines
Hybridantriebes nach der Erfindung. Der Hybridantrieb enthält
eine Gangschaltgetriebe 20, welches ein erstes Teilgetriebe 20-1
und ein zweites Teilgetriebe 20-2 enthält. Das erste
Teilgetriebe 20-1 ist beispielsweise als 6-Ganggetriebe und das
zweite Teilgetriebe 20-2 ist beispielsweise als 3-Ganggetriebe
ausgebildet. Grundsätzlich können auch andere Gangstufenzahlen
realisiert werden.
Das erste Teilgetriebe 20-1 enthält eine erste Vorgelegewelle
V1 mit einer der Anzahl der Gänge 1., 2., 3., 4., 5. und 6. des
ersten Teilgetriebes entsprechenden Anzahl von Losrädern 11,
12, 13, 14, 15 und 16. Die Losräder sind auf der ersten
Vorgelegewelle V1 frei drehbar angeordnete Zahnräder, welche je
über ein Doppel-Schaltelement S1, S2 oder S5 mit der
Vorgelegewelle V1 drehfest verbindbar sind.
Das zweite Teilgetriebe 20-2 enthält eine zweite Vorgelegewelle
V2 mit einer der Anzahl der Gänge E1, E2 und E3 des zweiten
Teilgetriebes entsprechenden Anzahl von Losrädern 21, 22 und
23. Diese Losräder sind auf der zweite Vorgelegewelle V2 frei
drehbar angeordnete Zahnräder, welche mit der zweiten
Vorgelegewelle V2 je durch ein Schaltelement S2, S4 oder S6
kuppelbar sind.
Die Losräder 11 bis 16 und 21, 22 und 23 der beiden
Vorgelegewellen V1 und V2 sind mit Zahnrädern 31, 32, 33, 34,
35 und 36 je paarweise in Eingriff, welche auf einer
Abtriebswelle 38 drehfest angeordnet sind, die parallel zu den
beiden Vorgelegewellen V1 und V2 angeordnet ist.
Dadurch ist jedes Festrad 31 bis 36 der Abtriebswelle 38 über
eines der Losräder 11 bis 16 und das zugehörige Schaltelement
mit der ersten Vorgelegewelle V1 verbindbar und/oder über die
Losräder 21, 22 oder 23 mit der zweiten Vorgelegewelle 2
antriebsmäßig verbindbar. Ein Ende der Abtriebswelle 38 bildet
einen Getriebeausgang 40.
Der Getriebeeingang an dem vom Getriebeausgang 40 entfernten
Ende enthält eine Getriebeeingangswelle 42, welche an ihrem vom
Getriebe abgewandten Ende mit dem Abtriebsteil 46-2 einer
ersten Schaltkupplung 46 drehfest verbunden ist, deren
Antriebsteil 46-1 mit einem Brennstoffmotor 50 antriebsmäßig
verbunden ist, beispielsweise einem Verbrennungsmotor in Form
eines Ottomotors oder eines Dieselmotors, oder in Form einer
Brennstoffzelle oder dergleichen. Die schaltbare erste Kupplung
46 ist von einem Fahrer des Fahrzeuges betätigbar.
Die Getriebeeingangswelle 42 ist über eine erste Getriebestufe
42 mit konstanter Übersetzung mit der ersten Vorgelegewelle V1
antriebsmäßig verbunden.
Ferner ist die Getriebeeingangswelle 42 über eine zweite
Getriebestufe 54 mit konstanter Übersetzung mit einem
Kupplungsteil 56-2 einer schaltbaren zweiten Kupplung 56
antriebsmäßig verbunden. Ein mit diesem Kupplungsteil 56-2
kuppelbarer weiterer Kupplungsteil 56-1 dieser zweiten Kupplung
56 ist mit dem, dem Getriebeeingang zugewandten, Ende der
zweiten Vorgelegewelle V 2 antriebsmäßig verbunden ist.
Das andere, auf der Seite des Getriebeausganges 40 gelegene
Ende der zweiten Vorgelegewelle V2 ist mit dem Rotor einer
elektrischen Maschine 60 drehfest verbunden.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine 60 als Elektromotor
erhält sie von einer Stromquelle 62, z. B. einer Batterie oder
einem Kondensator, elektrische Energie. Wenn die elektrische
Maschine 60 als Generator oder Bremse betrieben wird, speist
sie die elektrische Stromquelle 62 mit elektrischer Energie.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine 60 als
Drehstrommaschine ausgebildet. In diesem Falle speist sie die
elektrische Stromquelle 62 über einen elektrischen Umformer 64.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine
Asynchronmaschine, Synchronmaschine, Reduktansmaschine oder
eine andere bekannte Art sein.
Wenn die Schaltelemente S2, S4 und S6 der zweiten
Vorgelegewelle V2 und auch deren zweite Kupplung 56 geöffnet
sind, kann der Brennstoffmotor 50 über die erste Kupplung 46
und über die erste Vorgelegewelle V1 sowie deren Losräder 11
bis 16 durch Schließen eines der Schaltelemente S1, S3 oder S5
in Abhängigkeit von der von einem Fahrer gewünschten
Getriebeübersetzung oder in Abhängigkeit von einer
automatischen Fahrzeugsteuerung mit der Getriebeabtriebswelle
38 antriebsmäßig verbunden werden.
Die zweite Vorgelegewelle V2 kann durch Schließen eines ihrer
Schaltelemente S2, S4 oder S6 ebenfalls mit der
Getriebeabtriebswelle 38 antriebsmäßig verbunden werden oder
durch Schließen der zweiten Kupplung 56 auf der
Getriebeeingangsseite mit der ersten Vorgelegewelle V1
antriebsmäßig verbunden werden.
Dadurch ergibt sich sowohl für den Brennstoffmotor 50 als auch
für die elektrische Maschine 60 eine Vielzahl von gegenseitig
benutzbaren Übersetzungsverhältnissen und ihre Antriebs- und
Bremsleistungen können wahlweise einzeln oder in Kombination
benutzt werden.
Die Schaltelemente S1, S3, S5, S2, S4 und S6 der beiden
Teilgetriebe 20-1 und 20-2 können synchronisierende Kupplungen
sein oder formschlüssige Kupplungen, z. B. Klauenkupplungen. In
letzterem Falle ist eine zusätzliche Synchronisiervorrichtung
erforderlich oder es kann die elektrische Maschine 60 als
Synchronisiervorrichtung benutzt werden, um während
Schaltvorgängen den erforderlichen Synchronlauf zwischen den zu
kuppelnden Elementen herzustellen.
Der Hybridantrieb nach der Erfindung hat folgende Vorteile:
Impulsstart des Verbrennungsmotors; Boost-Funktion, d. h. der Brennstoffmotor und die elektrische Maschine als Elektromotor übertragen gleichzeitig Antriebs-Drehmoment zum Getriebeausgang; Laden eines Stromspeichers, z. B. einer Batterie, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Generator; Erzeugen eines Füllmomentes zur mindestens teilweisen Kompensierung der bei Schaltvorgängen entstehenden Zugkraftunterbrechungen; regeneratives Bremsen, d. h. Benutzung der elektrischen Maschine als Bremse; Verwendung der elektrischen Maschine als elektrischer Motor. Diese Funktionen werden nachfolgend im Detail beschrieben.
Impulsstart: Beim Impulsstart eines als Ottomotor oder Dieselmotor ausgebildeten Brennstoffmotors 50 sind alle Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 der beiden Teilgetriebe 20-1 und 20-2 sowie die erste Kupplung 46 zwischen dem Brennstoffmotor 50 und dem Getriebeeingang offen. Die zweite Kupplung 56, durch welche der Getriebeeingang mit der zweiten Vorgelegewelle V2 kuppelbar ist, ist geschlossen. Dann wird die elektrische Maschine 60 auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt. Der Start des Brennstoffmotors erfolgt dann durch "impulsförmiges" Schließen der ersten Kupplung 1, so daß der Brennstoffmotor 50 mit der Getriebeeingangswelle 42 antriebsmäßig verbunden wird.
Boost-Funktion: Während des Boostens wirkt die elektrische Maschine 60 als Elektromotor und ihre Antriebsleistung wird zusätzlich zur Antriebsleistung des Brennstoffmotors 50 auf die Antriebsstrang 38 übertragen. Hiermit bezieht die elektrische Maschine 60 Leistung aus dem Energiespeicher 62. Im Boost-Modus überträgt die elektrische Maschine 60 ein Drehmoment auf die zweite Vorgelegewelle V2. Dieses Drehmoment kann von der zweiten Vorgelegewelle V2 über die zweite Kupplung 56, die Konstantstufen 52 und 54 und einen der Radsätze 11/31, 12/32, 13/33, 14/34, 15/35 oder 16/36 des betreffenden eingelegten Ganges 1. bis 6. der ersten Vorgelegewelle V1 des ersten Teilgetriebes 20-1 auf die Getriebeabtriebswelle 38 übertragen werden. Ferner kann stattdessen oder zusätzlich das Drehmoment der elektrischen Maschine 60 über einen der Radsätze 21/31, 22/33 oder 23/35 der zweiten Vorgelegewelle V2 durch Schließen einer der zugehörigen Schaltelemente S2, S4 oder S6 auf die Getriebeabtriebswelle 38 übertragen werden. Dadurch stehen an der Getriebeabtriebswelle 38 die kombinierten Drehmomente sowohl vom Brennstoffmotor 50 als auch von der als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine 60 gleichzeitig zur Verfügung, z. B. für eine besonders starke Zugkraft oder Beschleunigung des Kraftfahrzeuges.
Laden der Batterie: Zum Laden der Batterie 62 bei stehendem Fahrzeug müssen die erste Kupplung 46 des Brennstoffmotors 50 und die zweite Kupplung 56 der elektrischen Maschine 60 geschlossen werden. Der Brennstoffmotor 50 treibt die elektrische Maschine 60 über die geschlossene erste Kupplung 46, die zweite Konstantstufe 54, die zweite Kupplung 56 und die zweite Vorgelegewelle V2 an. Zum Laden der Batterie 62 bei fahrendem Fahrzeug kann der Brennstoffmotor 50 ebenfalls über die gerade beschriebene mechanische Verbindung Leistung zur elektrischen Maschine 60 übertragen. Ferner ist es möglich, die erste Kupplung 46 des Brennstoffmotors 50 zu öffnen und eines der Schaltelemente S2, S4 oder S6 der Radsätze 21/31, 22/33 oder 23/35 des zweiten Teilgetriebes 20-2 zu schließen. In diesem Fall ist die elektrische Maschine 60 mit der Getriebeabtriebswelle 38 über einen dieser Radsätze direkt verbunden. Dabei kann durch Auswahl des betreffenden Radsatzes der zweiten Getriebestufe 20-2 die Drehzahl der elektrischen Maschine in soviel verschiedenen Stufen der Fahrzeuggeschwindigkeit angepaßt werden, wie kuppelbare Radsätze zwischen der zweiten Vorgelegewelle V2 und der Abtriebswelle 36 vorhanden sind, in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel somit in drei verschiedenen Stufen.
Erzeugung eines Füllmomentes, wenn auf der ersten Vorgelegewelle V1 ein Getriebegang gewechselt wird: Wenn bei einem Radsatz der ersten Vorgelegewelle V1 ein Gangwechsel zwischen einem der Gänge 1. bis 6. durchgeführt wird, kann eine Zugkraftunterbrechung oder ein Absinken des übertragbaren Drehmomentes entstehen. Zur Erzeugung eines dieses abfallende Drehmoment oder die entstehende Zugkraftunterbrechung mindestens teilweise ersetzenden Füllmomentes muß die zweite Kupplung 56 der zweiten Vorgelegewelle V2 geöffnet sein. Die elektrische Maschine 60 wird über eines der Schaltelemente S2, S4 oder S6 des zweiten Teilgetriebes mit der Abtriebswelle verbunden. Die Schalthandlung beginnt jetzt, indem der Fahrer oder eine Automatik die erste Kupplung 46 öffnet. Damit das Drehmoment an der Abtriebswelle während des Gangwechselvorganges konstant bleibt, prägt die elektrische Maschine 60 ein Kompensationsmoment über die zweite Vorgelegewelle V2 und eines von deren Schaltelemente S2, S4, oder S6 auf die Abtriebswelle 38 ein. Wenn die Schalthandlung auf der ersten Vorgelegewelle V1 abgeschlossen ist und die erste Kupplung 46 geschlossen wird, wird das Kompensationsmoment der elektrischen Maschine zurückgenommen.
Impulsstart des Verbrennungsmotors; Boost-Funktion, d. h. der Brennstoffmotor und die elektrische Maschine als Elektromotor übertragen gleichzeitig Antriebs-Drehmoment zum Getriebeausgang; Laden eines Stromspeichers, z. B. einer Batterie, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Generator; Erzeugen eines Füllmomentes zur mindestens teilweisen Kompensierung der bei Schaltvorgängen entstehenden Zugkraftunterbrechungen; regeneratives Bremsen, d. h. Benutzung der elektrischen Maschine als Bremse; Verwendung der elektrischen Maschine als elektrischer Motor. Diese Funktionen werden nachfolgend im Detail beschrieben.
Impulsstart: Beim Impulsstart eines als Ottomotor oder Dieselmotor ausgebildeten Brennstoffmotors 50 sind alle Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 der beiden Teilgetriebe 20-1 und 20-2 sowie die erste Kupplung 46 zwischen dem Brennstoffmotor 50 und dem Getriebeeingang offen. Die zweite Kupplung 56, durch welche der Getriebeeingang mit der zweiten Vorgelegewelle V2 kuppelbar ist, ist geschlossen. Dann wird die elektrische Maschine 60 auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt. Der Start des Brennstoffmotors erfolgt dann durch "impulsförmiges" Schließen der ersten Kupplung 1, so daß der Brennstoffmotor 50 mit der Getriebeeingangswelle 42 antriebsmäßig verbunden wird.
Boost-Funktion: Während des Boostens wirkt die elektrische Maschine 60 als Elektromotor und ihre Antriebsleistung wird zusätzlich zur Antriebsleistung des Brennstoffmotors 50 auf die Antriebsstrang 38 übertragen. Hiermit bezieht die elektrische Maschine 60 Leistung aus dem Energiespeicher 62. Im Boost-Modus überträgt die elektrische Maschine 60 ein Drehmoment auf die zweite Vorgelegewelle V2. Dieses Drehmoment kann von der zweiten Vorgelegewelle V2 über die zweite Kupplung 56, die Konstantstufen 52 und 54 und einen der Radsätze 11/31, 12/32, 13/33, 14/34, 15/35 oder 16/36 des betreffenden eingelegten Ganges 1. bis 6. der ersten Vorgelegewelle V1 des ersten Teilgetriebes 20-1 auf die Getriebeabtriebswelle 38 übertragen werden. Ferner kann stattdessen oder zusätzlich das Drehmoment der elektrischen Maschine 60 über einen der Radsätze 21/31, 22/33 oder 23/35 der zweiten Vorgelegewelle V2 durch Schließen einer der zugehörigen Schaltelemente S2, S4 oder S6 auf die Getriebeabtriebswelle 38 übertragen werden. Dadurch stehen an der Getriebeabtriebswelle 38 die kombinierten Drehmomente sowohl vom Brennstoffmotor 50 als auch von der als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine 60 gleichzeitig zur Verfügung, z. B. für eine besonders starke Zugkraft oder Beschleunigung des Kraftfahrzeuges.
Laden der Batterie: Zum Laden der Batterie 62 bei stehendem Fahrzeug müssen die erste Kupplung 46 des Brennstoffmotors 50 und die zweite Kupplung 56 der elektrischen Maschine 60 geschlossen werden. Der Brennstoffmotor 50 treibt die elektrische Maschine 60 über die geschlossene erste Kupplung 46, die zweite Konstantstufe 54, die zweite Kupplung 56 und die zweite Vorgelegewelle V2 an. Zum Laden der Batterie 62 bei fahrendem Fahrzeug kann der Brennstoffmotor 50 ebenfalls über die gerade beschriebene mechanische Verbindung Leistung zur elektrischen Maschine 60 übertragen. Ferner ist es möglich, die erste Kupplung 46 des Brennstoffmotors 50 zu öffnen und eines der Schaltelemente S2, S4 oder S6 der Radsätze 21/31, 22/33 oder 23/35 des zweiten Teilgetriebes 20-2 zu schließen. In diesem Fall ist die elektrische Maschine 60 mit der Getriebeabtriebswelle 38 über einen dieser Radsätze direkt verbunden. Dabei kann durch Auswahl des betreffenden Radsatzes der zweiten Getriebestufe 20-2 die Drehzahl der elektrischen Maschine in soviel verschiedenen Stufen der Fahrzeuggeschwindigkeit angepaßt werden, wie kuppelbare Radsätze zwischen der zweiten Vorgelegewelle V2 und der Abtriebswelle 36 vorhanden sind, in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel somit in drei verschiedenen Stufen.
Erzeugung eines Füllmomentes, wenn auf der ersten Vorgelegewelle V1 ein Getriebegang gewechselt wird: Wenn bei einem Radsatz der ersten Vorgelegewelle V1 ein Gangwechsel zwischen einem der Gänge 1. bis 6. durchgeführt wird, kann eine Zugkraftunterbrechung oder ein Absinken des übertragbaren Drehmomentes entstehen. Zur Erzeugung eines dieses abfallende Drehmoment oder die entstehende Zugkraftunterbrechung mindestens teilweise ersetzenden Füllmomentes muß die zweite Kupplung 56 der zweiten Vorgelegewelle V2 geöffnet sein. Die elektrische Maschine 60 wird über eines der Schaltelemente S2, S4 oder S6 des zweiten Teilgetriebes mit der Abtriebswelle verbunden. Die Schalthandlung beginnt jetzt, indem der Fahrer oder eine Automatik die erste Kupplung 46 öffnet. Damit das Drehmoment an der Abtriebswelle während des Gangwechselvorganges konstant bleibt, prägt die elektrische Maschine 60 ein Kompensationsmoment über die zweite Vorgelegewelle V2 und eines von deren Schaltelemente S2, S4, oder S6 auf die Abtriebswelle 38 ein. Wenn die Schalthandlung auf der ersten Vorgelegewelle V1 abgeschlossen ist und die erste Kupplung 46 geschlossen wird, wird das Kompensationsmoment der elektrischen Maschine zurückgenommen.
Regeneratives Bremsen: Beim regenerativen Bremse prägt die
elektrische Maschine 60 ein negatives Drehmoment an der ersten
Vorgelegewelle V1 ein. Dabei wird die Bremsenergie über diese
elektrische Maschine 60 und ein Stellglied der Batterie 62
zugeführt. Dafür gibt es zwei mögliche Leistungspfade:
- a) Getriebeabtriebswelle 38, erste Vorgelegewelle V1, die beiden konstanten Stufen 52 und 54, die zweite Kupplung 56 zwischen diesen Konstantstufen und der zweiten Vorgelegewelle V2; oder
- b) Getriebeausgangswelle 38, einer der Radsätze 21/31, 22/33 oder 23/35 mit den Schaltelementen S2, S4 oder S6, die zur zweiten Vorgelegewelle V2 des zweiten Teilgetriebes 20-2 gehören. Dabei ist die zweite Kupplung 56 geöffnet, welche zwischen der zweiten Vorgelegewelle V2 und der zweiten Getriebestufe 54 des Getriebeeinganges angeordnet ist.
Reiner elektrischer Betrieb: Im reinen elektrischen Betrieb ist
die zweite Kupplung
56
geöffnet. Alle Schaltelemente S1, S3 und
S5 der Gänge 1. bis 6. des ersten Teilgetriebes
20-1
sind
geöffnet. Die elektrische Maschine
60
treibt das Fahrzeug über
einen der Radsätze
21
/
31
,
22
/
33
oder
23
/
35
des zweiten
Teilgetriebes
20-2
, welches die zweite Vorgelegewelle V2
enthält.
Die dargestellte Getriebeanordnung nach der Erfindung eignet
sich insbesondere zur Automatisierung. In diesem Fall werden
die erste Kupplung 46 und die zweite Kupplung 56 sowie alle
Schaltelemente S1, S3, SS und S2, S4, S6 der beiden
Getriebestufen 20-1 und 20-2 durch Aktoren betätigt. Die
Aktoren können elektrische, pneumatische oder hydraulische
Stellelemente sein. Eine übergeordnete elektronische
Steuereinheit steuert die elektrische Maschine 60 sowie alle
Aktoren und gewünschtenfalls auch den Brennstoffmotor.
Wenn das Fahrzeug in Bewegung ist, dann wird von der
Steuereinheit die zweite Kupplung 56 des zweiten Teilgetriebes
20-2 geöffnet und auf der zweiten Vorgelegewelle V2 ein Gang
eingelegt, der die Drehzahl der elektrischen Maschine 60
optimal an die Fahrzeuggeschwindigkeit anpasst. Die
Steuereinheit sorgt dafür, daß die Schalthandlungen auf den
beiden Vorgelegewellen V1 und V2 immer zeitlich versetzt
ausgeführt werden, da nur so die elektrische Maschine 60 ein
Füllmoment während Gangschaltvorgängen erzeugen kann. Da die
elektrische Maschine 60 sowohl ein positives als auch ein
negatives Drehmoment erzeugen kann, kann sie zur
Synchronisierung der Rotationsteile der Schaltelemente S2, S4
und S6 der zweiten Vorgelegewelle V2 benutzt werden. Somit
lassen sich diese Schaltelemente S2, S4 und S6 der zweiten
Vorgelegewelle V2 als Klauenkupplungen ausführen. Die zweite
Kupplung 56 kann ebenfalls als Klauenkupplung ausgeführt
werden. Wenn der Brennstoffmotor 50 ebenfalls zum
Synchronisieren benutzt wird, dann können auch die
Schaltelemente S1, S3 und S5 der ersten Vorgelegewelle V1 als
Klauenkupplungen ausgebildet werden. Für andere Fälle sind
diese Schaltelemente als Rutschkupplungen oder
Synchronisierelemente auszuführen.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß einige oder alle
Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 auf der Abtriebswelle
38 angeordnet sein können, wenn die damit gepaarten Zahnräder
31 bis 36 der Abtriebswelle 38 Losräder sind und die mit diesen
jeweils in Zahneingriff befindlichen Zahnräder der beiden
Vorgelegewellen V1 und V2 Festräder sind.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes
nach der Erfindung. Er enthält ein Gangschaltgetriebe 120 mit
z. B. 6 Gängen im ersten Teilgetriebe 20-1, eine elektrische
Maschine 160 in Hohlwellenausführung, und ein
Gangschaltgetriebe mit z. B. 3 Gängen im zweiten Teilgetriebe
20-2. Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile sind mit gleichen
Bezugszahlen versehen und haben die gleiche Funktion. Hierzu
wird auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen.
Die elektrische Maschine 160 ist konzentrisch zur
Getriebeeingangswelle 42 zwischen der ersten Kupplung 46 und
der ersten Getriebestufe 52 angeordnet. Die
Getriebeeingangswelle 42 erstreckt sich axial durch eine hohle
Rotorwelle 43 der elektrischen Maschine 60. Die zweite
Getriebestufe 54 ist zwischen dieser hohlen Rotorwelle 42 und
der zweiten Vorgelegewelle V2 gebildet und räumlich zwischen
der elektrischen Maschine 160 und der ersten Getriebestufe 52
angeordnet.
Die zweite schaltbare Kupplung 56 ist so angeordnet, daß durch
sie die hohle Rotorwelle 43 mit der Getriebeeingangswelle 42
kuppelbar ist. Diese zweite Kupplung 56 ist räumlich im
Abstandsbereich zwischen den beiden Getriebestufen 52 und 54
angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes
nach der Erfindung. Ein Gangschaltgetriebe 220 im ersten
Teilgetriebe 20-1 ist vorzugsweise ein 6-Ganggetriebe und es
sind vorzugsweise wieder drei schaltbare Gangstufen E1, E2 und
E3 für den elektrischen Antriebsstrang im zweiten Teilgetriebe
20-2 vorgesehen. Fig. 1 entsprechende Teile sind mit den
gleichen Bezugszahlen versehen.
Die beiden Vorgelegewellen V1 und V2 sind koaxial ineinander
angeordnet. Beispielsweise ist die erste Vorgelegewelle V1 eine
Hohlwelle, durch welche sich die zweite Vorgelegewelle V2 axial
hindurch erstreckt und dabei an beiden Enden aus der ersten
Vorgelegewelle V1 hinausragt.
Die elektrische Maschine 160 hat, wie auch in Fig. 2, eine
hohle Rotorwelle 43, durch welche sich die
Getriebeeingangswelle 42 axial hindurcherstreckt. Sie ist
zwischen der ersten schaltbaren Kupplung 46 des
Brennstoffmotors 50 und der zweiten Getriebestufe 54
angeordnet.
Die erste Getriebestufe 52 mit konstantem
Übersetzungsverhältnis befindet sich räumlich zwischen der
zweiten Getriebestufe 54 und der Getriebeabtriebswelle 38 und
verbindet die Getriebeeingangswelle 42 antriebsmäßig mit der
ersten Vorgelegewelle V1, welches die Hohlwelle ist.
Die zweite Vorgelegewelle V2 ist an ihrem von der zweiten
Getriebestufe 54 abgewandten Ende mit einem an ihr drehfest
verbundenen Festrad 70 versehen, welches mit einem Losrad 72
auf der Getriebeabtriebswelle 38 in Zahneingriff ist. Dieses
Losrad 72 ist durch ein Schaltelement 52 mit der
Getriebeabtriebswelle kuppelbar zur Einschaltung eines ersten
elektrischen Ganges E1.
Die beiden weiteren Schaltelemente S4 und S6 der zweiten
Vorgelegewelle V2 bilden zusammen ein Doppel-Schaltelement, mit
welchem alternativ ein auf der zweiten Vorgelegewelle V2 frei
drehbar angeordnetes Losrad 22 zum Einlegen eines zweiten
elektrischen Ganges E2 mit der zweiten Vorgelegewelle V2
kuppelbar ist oder ein anderes auf der zweiten Vorgelegewelle
V2 frei drehbar angeordnetes Losrad 23 mit der zweiten
Vorgelegewelle V2 kuppelbar ist zum Einlegen eines dritten
elektrischen Ganges E3. Die beiden Losräder 22 und 23 sind je
mit einem Festrad 33 bzw. 35 der Getriebeabtriebswelle 38 in
Zahneingriff.
Die Getriebeabtriebswelle 38 hat an ihrem den Konstant-
Getriebestufen 52 und 54 zugewandten Ende ein Doppel-
Kupplungselement S7, mit welchem die Getriebeabtriebswelle 38
alternativ mit der Getriebeeingangswelle 42 oder einem Losrad
31 kuppelbar ist, welches mit einem Festrad 11 der ersten
Vorgelegewelle V1 in Zahneingriff ist und einen ersten Gang des
ersten Teilgetriebes 20-1 bildet.
Ein weiteres Schaltelement S8 ist ein Doppelschaltelement auf
der Getriebeabtriebswelle 38, um diese mit einem Losrad 34 für
den vierten Gang oder mit einem Losrad 36 für den sechsten Gang
zu kuppeln, welche jeweils mit einem Festrad 14 bzw. 16 der
hohlen Vorgelegewelle V1 in Zahneingriff sind.
Ein weiteres Doppelschaltelement S9 auf der ersten
Vorgelegewelle V1 kann diese Alternative mit einem Losrad 12
für den zweiten Gang oder einem Losrad 13 für den dritten Gang
kuppeln, welche je mit einem Festrad 32 bzw. 33 der
Getriebeabtriebswelle 38 in Zahneingriff sind.
In Fig. 3 kann ähnlich wie in Fig. 2 die zweite schaltbare
Kupplung 56 auf der Getriebeeingangswelle 42 angeordnet sein,
um diese mit der Rotorwelle 43 der elektrischen Maschine 160 zu
kuppeln.
Die Funktionen und möglichen Betriebsarten der Ausführungsform
von Fig. 3 sind die gleichen wie bei der Ausführungsform von
Fig. 1, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden
kann.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Hybridantriebes. Es
sind die Bezugszahlen von Fig. 1 und in Klammern Bezugszahlen
von Fig. 2 und Fig. 3 verwendet. Der Brennstoffmotor 50 und die
elektrische Maschine 60 (160) sind über die erste Kupplung 46
bzw. zweite Kupplung 56 mit dem Gangschaltgetriebe 20 (120, 220)
antriebsmäßig verbindbar. Die elektrische Maschine ist an den
elektrischen Energiespeicher 62, z. B. eine Batterie oder ein
Doppelschichtkondensator, elektrisch angeschlossen und speist
diesen mit elektrischer Energie oder enthält aus diesem
elektrische Energie gesteuert oder geregelt durch ein
Stellglied 61.
Der Verbrennungsmotor 50 und das Gangschaltgetriebe 20
(120, 220) werden von einer computerisierten Steuereinheit 80
über Aktoren 82 gesteuert oder geregelt in Abhängigkeit von
einem manuellen Fahrwählelement 84, der jeweiligen Stellung
eines Fahrpedals 86 und/oder der jeweiligen Stellung eines
Bremspedals 88.
Der Steuereinheit 80 werden alle fahrzeugrelevanten Daten und
Messgrößen, wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit,
Fahrpedalstellung, Bremspedalstellung, Drehzahl der
elektrischen Maschine 60 (160), Drehzahl des Brennstoffmotors
50, Energieinhalt des Energiespeichers 62 usw. zugeführt. Die
Steuereinheit 80 betätigt mit Hilfe von Kupplungsaktoren die
erste Kupplung 46 und/oder die zweite Kupplung 56 und über
Schaltaktoren die Schaltelemente S1 bis S9 zum Einlegen und
Herausnehmen der gewünschten Gänge. Dabei kann das
Gangschaltgetriebe 20 (120, 220) jeweils in einem von drei
verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden: manuell durch
einen Fahrer, halbautomatisch oder vollautomatisch. Im
halbautomatischen Betrieb löst der Fahrer, z. B. durch zwei
Tipschalter, einen gewünschten Gangwechsel aus, welcher dann
selbsttätig durchgeführt wird. Im vollautomatischen Betrieb
wechselt die Steuereinheit 80 die Getriebegänge selbständig.
Claims (14)
1. Hybridantrieb für Fahrzeuge, enthaltend ein schaltbares
Getriebe (20; 120; 220), welches zwei Teilgetriebe (20-1; 20-2)
aufweist, wovon ein erstes Teilgetriebe (20-1) an einem
Getriebeeingang (42) durch eine schaltbare erste Kupplung
(46) mit einem Brennstoffmotor (50) antriebsmäßig
verbindbar ist und dieses erste Teilgetriebe durch
Schaltelemente schaltbare Getriebegangstufen aufweist, und
wovon das zweite Teilgetriebe (20-2) eine elektrische
Maschine (60; 160) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Teilgetriebe (20-2) mindestens eine durch
Schaltelemente schaltbare Getriebegangstufe (21, 31 bzw.
22, 33 bzw. 23, 35) aufweist, durch welche die elektrische
Maschine (60; 160) mit dem Getriebeausgang (38)
antriebsmäßig verbindbar ist.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Teilgetriebe (20-2) mindestens zwei
verschiedene, durch Schaltelemente (S2, S4, S6) schaltbare
Getriebegangstufen (E1, E2, E3) aufweist, durch welche die
elektrische Maschine (60; 160) mit dem Getriebeausgang (38)
je antriebsmäßig verbindbar ist.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Maschine (60; 160) durch eine zweite
schaltbare Kupplung (56) mit einem Getriebeeingangselement
des ersten Teilgetriebes (20-1) antriebsmäßig verbindbar
ist.
4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Getriebeeingang (42) einen ersten Getriebezweig
(52) aufweist, über welchen er mit einem
Getriebeeingangselement (V1) des ersten Teilgetriebes (20-1)
antriebsmäßig verbunden ist.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite schaltbare Kupplung (56) am Ende eines
zweiten Getriebezweiges (54) vorgesehen ist, der eine
konstante Übersetzung aufweist.
6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Getriebeausgang eine Abtriebswelle (38) aufweist,
daß das erste Teilgetriebe (20-1) eine erste Vorgelegewelle
(V1) und das zweite Teilgetriebe (20-2) eine zweite
Vorgelegewelle (V2) aufweisen, daß diese drei Wellen
parallel zueinander angeordnet sind, und daß auf diesen
drei Wellen die Getriebegangstufen der beiden Teilgetriebe
vorgesehen sind.
7. Hybridantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Vorgelegewelle (V1) mit dem Getriebeeingang
(42) antriebsmäßig verbunden ist.
8. Hybridantrieb nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Vorgelegewellen (V1, V2)
Getriebeeingangselemente der beiden Teilgetriebe (20-1,20-2)
sind.
9. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Rotor der elektrischen Maschine (60) mit der
zweiten Vorgelegewelle (V2) drehfest verbunden ist.
10. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Kupplung (56) an der zweiten Vorgelegewelle
(V2) vorgesehen ist.
11. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Maschine (160) eine axiale
Durchgangsöffnung aufweist, daß sich eine
Getriebeeingangswelle (42) des Getriebeeinganges durch
diese Durchgangsöffnung erstreckt, und daß die zweite
schaltbare Kupplung (56) koaxial zu dieser
Getriebeeingangswelle (42) angeordnet ist.
12. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der beiden Vorgelegewellen (V1, V2) eine Hohlwelle
ist und sich die andere Vorgelegewelle durch diese
Hohlwelle erstreckt.
13. Hybridantrieb nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Vorgelegewelle (V1) die Hohlwelle ist, und
daß sich die zweite Vorgelegewelle (V2) axial durch diese
hohle erste Vorgelegewelle (V1) erstreckt.
14. Hybridantrieb nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Vorgelegewelle (V2) an einem aus der hohlen
ersten Vorgelegewelle (V1) herausragenden Endabschnitt mit
der elektrischen Maschine (160) antriebsmäßig verbunden
oder verbindbar ist und an ihrem anderen, ebenfalls aus der
hohlen ersten Vorgelegewelle (V1) herausragenden
Endabschnitt die schaltbaren Getriebegangstufen
(70, 72, 23, 35, 22, 33) aufweist.
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