DE19960621B4

DE19960621B4 - Hybridantrieb für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19960621B4
Application number: DE19960621A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Heinzel; Heinrich Dr. Steinhart
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: DE19960621A1

Abstract

Hybridantrieb für Fahrzeuge, enthaltend ein schaltbares Getriebe (20; 120; 220), welches zwei Teilgetriebe (20-1; 20-2) aufweist, von welchen das eine Teilgetriebe (20-1) eine erste Vorgelegewelle (V1) und das zweite Teilgetriebe (20-2) eine zweite Vorgelegewelle (V2) aufweist, wobei jede Vorgelegewelle (V1, V2) über unterschiedlich zugeordnete Getriebegangstufen (11, 31 ÷ 16, 36; 21, 31; 22, 33; 23, 35; 11', 31 ÷ 14', 34; 16', 36; 22, 33'; 70, 72) mit Schaltelementen (S1-S9) mit einer zu ihnen parallel angeordneten Getriebeabtriebswelle (38) verbindbar ist, und von welchen die erste Vorgelegewelle (V1) über eine eine erste schaltbare Kupplung (46) enthaltende Antriebsverbindung (42, 52) mit einem Brennstoffmotor (50) antriebsmäßig verbindbar ist, und von welchen die zweite Vorgelegewelle (V2) über eine eine schaltbare zweite Kupplung (56) enthaltende zweite Antriebsverbindung (42, 54) mit einem Abtriebsteil (46-2) der schaltbaren ersten Kupplung (46) verbindbar ist, ferner enthaltend eine alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine (60; 160), welche...

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für Fahrzeuge gemäß dem Anspruch 1.

Aus der nachveröffentlichten DE 198 50 549 A1 ist ein mit der Erfindung vergleichbares 3-Wellen-Getriebe bekannt. Es enthält zwei parallel zueinander angeordnete Kupplungen, durch welche je eine von zwei Vorgelegewellen mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbindbar ist.

Aus der DE 4 041 117 A1 ist ein Hybridantrieb 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.

Aus der DE 4202083 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 eingeleitete 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 Drehstrommaschine. 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 19530231 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, einen Hybridantrieb derart auszubilden, daß er eine Vielzahl von Funktionen ausführen kann, wobei der Hybridantrieb konstruktiv einfach und preiswert sein soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Bei der Erfindung ist, im Gegensatz zur nachveröffentlichten DE 198 50 549 A1 , die eine Vorgelegewelle nur über die eine Kupplung und die andere Vorgelegewelle nur durch die Serienschaltung von beiden Kupplungen mit der Kurbelwelle verbindbar. Damit ist der Hybridantrieb in bekannte Antriebssysteme und enge Räume integrierbar, ohne diese wesentlich zu ändern.

Gemäß 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 Antriebe mit Brennstoffzellen oder andere Arten von Brennstoff benötigenden Antriebseinheiten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine Seitenansicht eines Antriebsstranges eines Hybridantriebes,
2 schematisch eine Seitenansicht des Antriebsstranges eines Hybridantriebes gemäß einer weiteren Ausführungsform,
3 schematisch eine Seitenansicht eines Antriebsstranges eines Hybridantriebes gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform,
4 Prinzipschaltbild eines Hybridantriebes.
1 zeigt schematisch die prinzipielle Anordnung eines Hybridantriebes. Der Hybridantrieb enthält ein schaltbares Getriebe 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 doppeltes 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 zweiten 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 Getriebeabtriebswelle 38 drehfest angeordnet sind, die parallel zu den beiden Vorgelegewellen V1 und V2 angeordnet ist.
Dadurch ist jedes feste Zahnrad 31 bis 36 der Getriebeabtriebswelle 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 V2 antriebsmäßig verbindbar. Ein Ende der Getriebeabtriebswelle 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 Antriebsteil 46-2 einer ersten schaltbaren Kupplung 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 eines Antriebes mit Brennstoffzelle oder dergleichen. Die schaltbare erste Kupplung 46 ist von einem Fahrer des Fahrzeuges betätigbar.
Die Getriebeeingangswelle 42 ist über eine erste Getriebestufe 52 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 V2 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 einem Energiespeicher 62, z. B. einer Batterie oder einem Kondensator, elektrische Energie. Wenn die elektrische Maschine 60 als Generator oder Bremse betrieben wird, speist sie den elektrischen Energiespeicher 62 mit elektrischer Energie. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine 60 als Drehstrommaschine ausgebildet. In diesem Falle speist sie den elektrischen Energiespeicher 62 über einen elektrischen Umformer 64. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine Asynchronmaschine, Synchronmaschine, Reduktanzmaschine 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 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 46, 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 Getriebeabtriebswelle 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 Getriebestufen 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 des Energiespeichers: Zum Laden des Energiespeichers 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 Getriebestufe 54, die zweite Kupplung 56 und die zweite Vorgelegewelle V2 an. Zum Laden des Energiespeichers 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 des zweiten Teilgetriebes 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 Getriebeabtriebswelle 38 vorhanden sind, in dem in 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 Getriebeabtriebswelle 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 Getriebeabtriebswelle 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 des Energiespeichers 62 zugeführt. Dafür gibt es zwei mögliche Leistungspfade:

a) Getriebeabtriebswelle 38, erste Vorgelegewelle V1, die beiden konstanten Getriebestufen 52 und 54, die zweite Kupplung 56 zwischen diesen Konstantstufen und der zweiten Vorgelegewelle V2; oder
b) Getriebeabtriebswelle 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 eignet sich insbesondere zur Automatisierung. In diesem Fall werden die erste Kupplung 46 und die zweite Kupplung 56 sowie alle Schaltelemente S1, S3, S5 und S2, S4, S6 der beiden Teilgetriebe 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 Getriebeabtriebswelle 38 angeordnet sein können, wenn die damit gepaarten Zahnräder 31 bis 36 der Getriebeabtriebswelle 38 Losräder sind und die mit diesen jeweils in Zahneingriff befindlichen Zahnräder der beiden Vorgelegewellen V1 und V2 Festräder sind.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes. Er enthält ein schaltbares Getriebe 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 1 entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen und haben die gleiche Funktion. Hierzu wird auf die Beschreibung von 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 160. Die zweite Getriebestufe 54 ist zwischen dieser hohlen Rotorwelle 43 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.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes. Ein schaltbares Getriebe 220 im ersten Teilgetriebe 20-1 ist vorzugsweise ein 6-Langgetriebe und es sind vorzugsweise wieder drei schaltbare Gänge E1, E2 und E3 für den elektrischen Antriebsstrang im zweiten Teilgetriebe 20-2 vorgesehen. 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 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 S2 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 festen Zahnrad 33' bzw. 35 der Getriebeabtriebswelle 38 in Zahneingriff.
Die Getriebeabtriebswelle 38 hat an ihrem den Getriebestufen 52 und 54 zugewandten Ende ein doppeltes Schaltelement S7, mit welchem die Getriebeabtriebswelle 38 alternativ mit der Getriebeeingangswelle 42 oder dem losen Zahnrad 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 doppeltes Schaltelement auf der Getriebeabtriebswelle 38, um diese mit einem losen Zahnrad 34 für den vierten Gang oder mit einem losen Zahnrad 36 für den sechsten Gang zu kuppeln, welche jeweils mit einem festen Zahnrad 14' bzw. 16' der hohlen Vorgelegewelle V1 in Zahneingriff sind.
Ein weiteres doppeltes Schaltelement S9 auf der ersten Vorgelegewelle V1 kann diese Alternative mit einem losen Zahnrad 12' für den zweiten Gang oder einem losen Zahnrad 13' für den dritten Gang kuppeln, welche je mit einem festen Zahnrad 32 bzw. 33 der Getriebeabtriebswelle 38 in Zahneingriff sind.
In 3 kann ähnlich wie in 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 3 sind die gleichen wie bei der Ausführungsform von 1, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.
4 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Hybridantriebes. Es sind die Bezugszahlen von 1 und in Klammern Bezugszahlen von 2 und 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 schaltbares Getriebe 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 Getriebe 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

Hybridantrieb für Fahrzeuge, enthaltend ein schaltbares Getriebe (20; 120; 220), welches zwei Teilgetriebe (20-1; 20-2) aufweist, von welchen das eine Teilgetriebe (20-1) eine erste Vorgelegewelle (V1) und das zweite Teilgetriebe (20-2) eine zweite Vorgelegewelle (V2) aufweist, wobei jede Vorgelegewelle (V1, V2) über unterschiedlich zugeordnete Getriebegangstufen (11, 31 ÷ 16, 36; 21, 31; 22, 33; 23, 35; 11', 31 ÷ 14', 34; 16', 36; 22, 33'; 70, 72) mit Schaltelementen (S1-S9) mit einer zu ihnen parallel angeordneten Getriebeabtriebswelle (38) verbindbar ist, und von welchen die erste Vorgelegewelle (V1) über eine eine erste schaltbare Kupplung (46) enthaltende Antriebsverbindung (42, 52) mit einem Brennstoffmotor (50) antriebsmäßig verbindbar ist, und von welchen die zweite Vorgelegewelle (V2) über eine eine schaltbare zweite Kupplung (56) enthaltende zweite Antriebsverbindung (42, 54) mit einem Abtriebsteil (46-2) der schaltbaren ersten Kupplung (46) verbindbar ist, ferner enthaltend eine alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbare elektrische Maschine (60; 160), welche mit der zweiten Vorgelegewelle (V2) antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor der elektrischen Maschine (60) mit der zweiten Vorgelegewelle (V2) drehfest verbunden ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (160) eine axiale Durchgangsöffnung aufweist und dass sich durch diese Durchgangsöffnung eine Getriebeeingangswelle (42) erstreckt, welche einerseits mit dem Abtriebsteil (46-2) der schaltbaren ersten Kupplung (46) drehfest verbunden ist und andererseits ein gemeinsamer Teil der beiden Antriebsverbindungen (42, 52, 54) von der schaltbaren ersten Kupplung (46) zu den beiden Vorgelegewellen (V1, V2) ist.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Vorgelegewellen (V1, V2) eine Hohlwelle ist und sich die andere Vorgelegewelle(V1, V2) durch diese Hohlwelle erstreckt.
Hybridantrieb nach Anspruch 4, 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.
Hybridantrieb nach Anspruch 5, 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 schaltbare Getriebegangstufen (70, 72, 23, 35, 22, 33') aufweist.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten und zweiten Antriebsverbindungen (42, 52, 54) je eine einzige erste bzw. zweite Getriebestufe (52, 54) mit konstanter Übersetzung enthalten, und dass die erste Kupplung (46) und die Getriebeabtriebswelle (38) axial zueinander angeordnet sind.