DE3230121A1 - Hybrid-antriebssystem fuer fahrzeuge - Google Patents

Hybrid-antriebssystem fuer fahrzeuge

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DE3230121A1
DE3230121A1 DE19823230121 DE3230121A DE3230121A1 DE 3230121 A1 DE3230121 A1 DE 3230121A1 DE 19823230121 DE19823230121 DE 19823230121 DE 3230121 A DE3230121 A DE 3230121A DE 3230121 A1 DE3230121 A1 DE 3230121A1
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rotor
drive system
electric motor
internal combustion
combustion engine
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Withdrawn
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DE19823230121
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English (en)
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Paulus Dipl Ing Heidemeyer
Hermann Dr Ing Oetting
Romanus Ing Grad Scholz
Frank Dipl Ing Zimmermann
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Description

  • Rybrid-Antriebssystem für Fahrzeuge
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Rybrid-Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Hybrid-Antriebssysteme, die zum Antrieb des Fahrzeugs neben einem herkömmlichen Rubkolben-Verbrennungsmotor noch einen Elektromotor aufweisen, der entweder anstelle des Hubkolben-Verbrennungsmotors oder auch zusätzlich zu diesem zur Erzeugung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs herangezogen werden kann, weisen im allgemeinen einen Aufbau auf, bei dem beiderseits des Geschwindigkeitswechselgetriebes je ein Motor angeordnet ist, der je über eine Kupplung mit der Eingangswelle des Getriebes kuppelbar ist. Um das Drehkraftdiagramm des Hubkolben-Verbrennungsmotors zu vergleichmäßigen, weist dieser, wie allgemein bekannt ist, üblicherweise ein mit der Kurbelwelle verbundenes Schwungrad auf.
  • Es ist jedoch auch schon ein Rybrid-Antrieb der im Oberbegriff angegebenen Art bekannt geworden (DE-OS 29 43 554), bei dem der Elektromotor zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Getriebeeingangswelle angeordnet ist und bei dem die Schwungmasse der Verbrennungskraftmaschine integrierter Bestandteil des Elektromotors ist.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein solches Hybrid-Antriebssystem weiterzubilden und dabei eine besonders zweckmäßige Bauform vorzuschlagen, die sich durch gute Wirkung und geringen Bauaufwand auszeichnet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach wird erfindungsgemäß die ohne eigenes Schwungrad ausgeführte Kurbelwelle des Hubkolben-Verbrennungsmotors durch direkte Kupplung mit dem Rotor des Elektromotors verbunden, der zumindest teilweise auf einer gegenüber dem Stator radial äußeren Ebene angeordnet ist. Dies bedingt selbst bei kleinen Abmessungen ein großes Schwungmoment und dabei eine günstige Speicherwirkung.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele der die Erfindung darstellenden Zeichnung näher beschrieben.
  • Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems, Figur 2 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemä-Ben Antriebssystems und Figur 3 eine Darstellung des Regelschemas des Hybrid-Antriebssystems.
  • In den Figuren 1 und 2 sind jeweils für gleiche oder vergleichbare Bauteile die gleichen, gegebenenfalls mit einem Strich versehenen Bezugszeichen verwendet worden. So bezeichnet 1 einen beispielsweise vierzylindrigen Hubkolben-Verbrennungsmotor, 2 einen Elektromotor und 3 ein Getriebe. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Kurbelwelle 6 des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 über eine erste Kupplung 4 direkt mit einem an einem Druckplattenträger 7 gehaltenen Rotor 8 des Elektromotors 2 kuppelbar ist, der andererseits über die zweite Kupplung 5 mit der Eingangswelle 14 des Geschwindigkeitswechselgetriebes 3 verbindbar ist.
  • Der Rotor 8 des Elektromotors 2 ist konzentrisch auf einer gegenüber dem Stator 9 des Elektromotors äußeren radialen Ebene angeordnet, um so ein möglichst großes Schwungmoment zu erreichen. Der Stator 9 ist auf einer inneren Radialebene angeordnet und über einen Tragarm 10 an dem feststehenden Gehäuse befestigt.
  • Der Druckplattenträger 7 ist bei der Ausführung nach der Figur 1 einerseits unter Verwendung eines mit einem Lager 11 abgestützten Wellenstumpfes 7a direkt in der Kurbelwelle 6 und andererseits auf der Antriebswelle 14 des Geschwindigkeitswechselgetriebes 3 gelagert, wobei zwischen der Antriebswelle 14 und einem diese konzentrisch übergreifenden Nabenstück 7b des Druckplattenträgers 7 ein Radiallager 12 angeordnet ist. Die Lagerung dieses Nabenstückes könnte übrigens auch auf dem Ralsstück 13a des Getriebegehäuses 13 erfolgen.
  • Mit 15 ist in der Zeichnung die Abtriebswelle des Geschwindigkeitswechselgetriebes 3 bezeichnet, die ein Abtriebsritzel 16 aufweist, das das Tellerrad 17 eines Ausgleichgetriebes 18 antreibt. 19 stellen die beiden, aus dem Ausgleichgetriebe 18 herausragenden Achswellen dar.
  • Schließlich ist in Figur 1 mit 20 noch eine beispielsweise mit einer Abhebevorrichtung versehene Bürstenanordnung bezeichnet, über die im elektromotorischen Betrieb dem Rotor 8 elektrischer Strom zuführbar ist. Bei Ausbildung des Rotors 8 als Kurzschlußläufer könnte auf eine solche Bürstenanordnung auch verzichtet werden In der Figur 2 ist in vergrößertem Maßstab ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems angedeutet, bei dem die Lagerung des Druckplattenträgers 7' beispielhaft in einer anderen Weise ausgeführt ist, indem ein mit dem Druckplattenträger verbundener Lagerhals 36 über Radiallager 39 in einer Lagerhülse 40 des Tragarms 10' konzentrisch innerhalb des Stators 9, abgestützt ist. Gegenüber der Darstellung nach der Figur 1 sind bei dem in der Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Kupplungen 4' und 5' auch nicht direkt nebeneinanderliegend angeordnet, sondern sie sind durch den Elektromotor 2' voneinander getrennt. Die beiden Kupplungen 4' und 5' sowie der Elektromotor 2' stellen dabei eine von einem gemeinsamen Gehäuse 43 umschlossene Baueinheit dar.
  • Ein diese drei Teile miteinander verbindendes Bauelement wird durch den Druckplattenträger 7' gebildet. Dieser weist zum einen eine Rotortragscheibe 38 auf, an dem der Rotor 8 des Elektromotors 2' auf einer äußeren Radialebene befestigt ist.
  • Diese Rotortragscheibe 38 wirkt zugleich auch als Lager für eine von einer Druckstange 24 betätigbare Tellerfeder 23 der ersten Kupplung 4'. Die dieser ersten Kupplung 4' zugeordnete Kupplungsscheibe 21 ist mit der Kurbelwelle 6 des Eubkolben-Verbrennungsmotors direkt verbunden. Die Kupplung 4' weist weiter eine an dem Druckplattenträger 7' starr befestigte Druckplatte 37 und eine von der Tellerfeder 21 axial verschiebbare Druckplatte 22 auf.
  • Die Druckstange 24 zur Betätigung der Kupplung 4' ist so ausgebildet, daß sie zentrisch den hohlen Lagerhals 36 des Druckplattenträgea;7' sowie die als Hohlwelle ausgebildete Getriebeeingangswelle 29 durchdringt und mittels eines Drucklagers 27 an ihrem kupplungsfernen Ende betätigbar ist. Mit 28 ist noch ein Führungslager der Druckstange in dem Lagerhals 36 des Druckplattenträgers 7' bezeichnet, während 25 eine Verzahnung darstellt, mit deren Hilfe die mit dem Druckplattenträger 7' umlaufende Druckstange 24 die an dem motorfernen Ende des Getriebegehäuses 13' angeordnete Ölpumpe 26 antreiben kann. Dabei muß die Verzahnung so ausgebildet sein, daß trotz der Aufrechterhaltung der Antriebsverbindung zur Ölpumpe eine axiale Verschiebung der Druckstange zur Betätigung der ersten Kupplung 4' möglich ist.
  • Die zweite Kupplung 5' zwischen dem Rotor 8 des Elektromotors 2' und der Getriebeeingangswelle 29 weist eine auf der Getriebeeingangswelle 29 unverdrehbar gehaltene Kupplungsscheibe 30, eine an dem Druckplattenträger 7' angeordnete Druckplatte 35 sowie eine zweite, an einer Tellerfeder 32 gehaltene Druckplatte 31 auf. Die Tellerfeder 32 ist dabei an einem ringscheibenförmigen Federlager 34 gelagert, das ebenfalls Teil des Druckplattenträgers 7' ist. Zur Betätigung der zweiten Kupplung 5' dient ein Kupplungsausrücklager 33, das in bekannten Weise am radial inneren Umfang der Tellerfeder 32 angreift.
  • Mit 42 ist ein an dem Lagerhals 36 angeordneter und daher mit relativ geringem Durchmesser versehener Kollektor bezeichnet, dem über Bürsten 41 Strom zur Versorgung des Rotors 8 des Elektromotors 2' zuführbar ist. Die Bürsten können dabei mit einer Abhebevorrichtung versehen sein, um bei Abschaltung des elektromotorischen Betriebes keine zusätzliche Reibung oder Verschleiß zu erzeugen.
  • Die Schwungmasse der schwungradlosen Kurbelwelle 6 des Hubkolben-Verbrennungsmotors 1 wird bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem im wesentlichen durch die Masse des Druckplattenträgers 7' gebildet, der neben den Druckplatten 37 und 35 auch noch den mittleren Lagerhals 36, das Federlager 34 und die Rotortragscheibe 38 aufweist, an der wiederum der Rotor 8 des Elektromotors 2' befestigt ist. Da dieser Rotor 8 auf einer radial äußeren Ebene konzentrisch außerhalb des ringförmigen Stators 9 angeordnet ist, ergibt sich ein relativ großes Schwungaoment, das einerseits eine gute Vergleichmäßigung des relativ ungleichmäßigen Drehkraftdiagramms des Hubkolbenmotors erzeugt, andererseits aber auch nach Ausrücken der beiden Kupplungen 4 und 5 besonders vorteilhaft als Schwungradspeicher zur Speicherung kinetischer Energie des Fahrzeugs wirken kann. Eine solche Betriebsweise ist an sich schon durch die ältere Patentanmeldung P 27 48 697 beschrieben worden, wo das dem Motor zugeordnete Schwungrad zwischen der schwungradlosen Kurbelwelle des Hubkolben-Verbrennungsmotors und der Getriebeeingangswelle angeordnet ist und über je eine Kupplung mit diesen Wellen verbindbar ist.
  • Bei dem in der Figuren 1 und 2 gezeigten Hybridantriebssystem wird nun dieses Schwungrad im wesentlichen durch den Rotor des wahlweise zum Antrieb des Fahrzeugs zuschaltbaren Elektromotors gebildet. Dieser Elektromotor kann dabei entweder zusätzlich zu dem Hubkolben-Verbrennungsmotor oder aber, beispielsweise bei besonders niedrigen Antriebsleistungen, alternativ anstelle dessen eingesetzt werden, um das Fahrzeug anzutreiben.
  • Eine besonders günstige Konstruktion ergibt sich dabei dann, wenn die zur Betätigung der ersten Kupplung vorgesehene, die Getriebeeingangswelle 29 konzentrisch durchdringende Druckstange 24 gleichzeitig eine Verzahnung 25 zum Antrieb der Ölpumpe 26 aufweist. Da diese Druckstange 24 nämlich mit dem Druckplattenträger 7' umläuft, wird auf diese relativ einfache Weise ein Antrieb der Ölpumpe immer dann erreicht, wenn der Druckplattenträger 7' umläuft, Dieser Druckplattenträger läuft aber nicht nur dann um, wenn nach Einrücken der ersten Kupplung 4' der Hubkolben-Verbrennungsmotor im Leerlauf oder nach Einrücken der zweiten Kupplung 5 im Zugbetrieb betrieben wird, sondern auch dann, wenn nach Ausrükken der ersten Kupplung der Elektromotor 2' das Fahrzeug allein antreibt oder aber gar nach Ausrücken der zweiten Kupplung 5' der Druckplattenträger 7' als Schwungspeicher ohne jeden Antrieb von außen umläuft. In dem zuletzt genannten Fall, wenn also nach Ausrücken beider Kupplungen auch der Elektromotor 2' abgeschaltet ist, dient der umlaufende Druckplattenträger 7' als Schwungspeicher, der dann bei ausreichend hoher Drehzahl genügend kinetische Energie zum nachfolgenden Wiederanwerfen des stillgesetzten Hubkolbenmotors 1 bei erneuter Lastanforderung aufweist.
  • In der Figur 3 schließlich ist das Regelschema für das erfindungsgemäße Hybrid-Antriebssystem angedeutet, bei dem mit 50 der Verbrennungsmotor, mit 51 der Elektromotor und mit 52 das beiden nachgeschaltete Geschwindigkeitswechselgetriebe bezeichnet ist, das über ein Achsgetriebe 53 die beiden angetriebenen Räder 54 des Fahrzeugs antreibt. Mit 55 sind die nicht angetriebenen Räder des Fahrzeugs angedeutet, von denen hier eine Information über die Raddrehzahl nRad an eine zentrale Steuereinheit 65 weitergeleitet wird. Diese zentrale Steuereinheit 65, die im übrigen die Information über die Raddrehzahl auch von den angetriebenen Rädern beziehen kann, erhält auch Informationen über die Drehzahlen des Verbrennungsmotors nVM' des Elektromotors nEM sowie des Getriebes nG jeweils von den zugeordneten Aggregaten des Antriebssystems. Darüberhinaus werden diesem Steuersystem Informationen über den Istwert der Getriebeübersetzung ist sowie über den Drosselklappenwinkel der in dem Ansaugsystem des Verbrennungsmotors angeordneten Drosselklappe 58 OCDK ist Informationen über die geforderte Last des Fahrzeugs von dem Gaspedal 63 OSGP sowie eine Information über den Zustand des Bremspedals 64 zugeführt. Aus allen diesen Informationen gewinnt die zentrale Steuereinheit 65 Regelimpulse zur Steuerung des Hybrid-Antriebssystems, wobei es sowohl einen Stellmotor 59 zur Verstellung der Drosselklappe 58 des Verbrennungsmotors beaufschlagt, als auch die Feldbeaufschlagung des Elektromotors 51 und die Verstellung der Übersetzung des Geschwindigkeitswechselgetriebes 52 vornehmen kann. Im letzteren Fall kann einem dem Getriebe 52 zugeordneten Stellmotor 62 der Sollwert der Getriebeübersetzung isoll zur Verstellung des beispielsweise aus einem kontinuierlich veränderbaren Kegelscheibenumschlingungsgetriebe bestehenden Getriebes zugeführt werden.
  • Weiter steuert die zentrale Steuereinheit 65 den Zustand der beiden Kupplungen 56 und 57, indem es die diesen Kupplungen zugeordneten Servomotoren 60 und 61 zur Betätigung mit entsprechenden Steuersignalen beaufschlagt.
  • Abgesehen von den in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispie len sind noch eine Reihe weiterer Anordnungsmöglichkeiten für die beiden Kupplungen und den Elektromotor denkbar, wobei jeweils der Rotor des Elektromotors den wesentlichen Teil der der Kurbelwelle des Hubkolbenmotors zuzuordnenden Schwungmasse bildet. Zu diesem Zweck ist es dabei auch zweckmäßig, den Rotor auf einem gegenüber dem Stator radial größeren Durchmesser anzuordnen. Anstelle des in den Figuren 1 und 2 angedeuteten Stufenschaltgetriebes könnte auch ein kontinuierlich veränderbares Getriebe, z.B. ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, verwendet werden.
  • Es sind auch andere Konfigurationen des Rotors denkbar, bei denen z.B nicht der ganze Rotor, sondern nur Teile davon radial außerhalb des Stators angeordnet sind, So könnte beispielsweise der rotationssymmetrische Rotor einen C-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei ein Schenkel radial innerhalb und ir andere Schenkel radial außerhalb des Stators liegt.

Claims (6)

  1. ANSPRÜCHE Rybrid-Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge, mit einem eine Kurbelwelle aufweisenden Hubkolben-Verbrennungsmotor und einem einen Rotor und einen Stator aufweisenden Elektromotor, die über Kupplungen und ein Geschwindigkeitswechselgetriebe mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs wahlweise verbindbar sind, wobei die schwungradlos ausgeführte Kurbelwelle des Hubkolben-Verbrennungsmotors über eine erste Kupplung (4) mit dem als Schwungmasse wirkenden Rotor des Elektromotors und dieser über eine weitere Kupplung mit der Eingangswelle des Getriebes verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8) und der Stator (9) des Elektromotors (2) im wesentlichen konzentrisch übereinander auf verschiedenen Radialebenen angeordnet sind und daß der Rotor (8) zumindest teilweise auf einer gegenüber dem Stator radial äußeren Ebene angeordnet ist.
  2. 2. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8) mit einem beiden Kupplungen (4, 5) zugeordneten Druckplattenträger (7) starr verbunden ist.
  3. 3. Rybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungen (4, 5) und der Elektromotor (2) zu einer von einem gemeinsamen Gehäuse (43) umschlossenen Baueinheit zusammengefaßt sind.
  4. 4. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kupplung (4) von einer die Getriebeeingangswelle (29) konzentrisch durchdringenden Druckstange (24) betätigbar ist.
  5. 5. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Druckplattenträger (7) umlaufende Druckstange (24) eine Getriebevorrichtung (25) zum Antrieb einer dem Verbrennungsmotor (1) und dem Getriebe (3) zugeordneten Ölpumpe (26) aufweist.
  6. 6. Rybrid-Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebevorrichtung (25) durch eine eine axiale Verschiebung der Druckstange (24) ermöglichende Außenverzahnung gebildet ist, die mit einer entsprechenden Verzahnung der Ölpumpe (26) zum Antrieb derselben zusammenwirkt.
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