DE4211586A1 - Antriebsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug - Google Patents

Antriebsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug

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DE4211586A1
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drive device
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Fritz Dr Ing Naumann
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Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Hybrid­ fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Antriebsvorrichtung zeigt die DE 40 05 623. Bei dieser Antriebsvorrichtung kann die angetriebene Achse des Hy­ bridfahrzeuges entweder über die Brennkraftmaschine und das Wechselgetriebe oder aber in einem direkten Durchtrieb von dem Elektromotor beaufschlagt werden. Auch ein gleichzeitiger An­ trieb über beide Maschinen ist möglich, insbesondere wenn die dazu vorgesehenen Kupplungen hydraulisch betätigte Reibungskup­ plungen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Antriebsanord­ nung bei zuverlässiger Betriebsweise derart weiterzubilden, daß der Einsatz- und Betriebsbereich des Elektromotors verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte und be­ sonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, in den Antriebsfluß des Elektromotors ein Planetengetriebe mit zumindest zwei Über­ setzungsstufen einzuschalten. Das Planetengetriebe kann durch einen einfachen Planetensatz gebildet sein, über den be­ vorzugt hydraulisch zumindest zwei Übersetzungsstufen schaltbar sind. So kann das Planetengetriebe im unteren Geschwindigkeits­ bereich des Hybridfahrzeuges als Untersetzungsstufe geschaltet sein und damit ein hohes Antriebsmoment z. B. zum Anfahren oder bei Steigungen sicherstellen. Im höheren Geschwindigkeitsbereich kann durch eine Übersetzung 1:1 der Elektromotor direkt durch­ treiben, wodurch das Planentengetriebe für sich ohne Wirkungs­ gradverlust ist.
Die Schaltung der Übersetzungsstufen kann mittels einer Band­ bremse oder einer Lamellenbremse und einer Lamellenkupplung hydraulisch bewirkt sein. Dabei ist durch die Merkmale des An­ spruches 5 sichergestellt, daß die 1:1 Übersetzung des Plane­ tengetriebes ohne hydraulische Druckbeaufschlagung gegeben ist. Daraus resultiert eine weitere Wirkungsgradverbesserung in die­ sem Geschwindigkeitsbereich (Hydraulikpumpe kann leerlaufen); ferner ist bei Ausfall des Hydrauliksystems ein Notlaufbetrieb über den Elektromotor möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeich­ nung zeigt das Antriebsaggregat eines Hybridfahrzeuges mit einem einem Elektromotor vorgeschalteten Planetengetriebe.
Das dargestellte Antriebsaggregat 10 für ein Hybridfahrzeug weist als erste Antriebsquelle eine Hubkolben-Brennkraftmaschi­ ne 12 auf, an die ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 14 mit integriertem Differentialgetriebe 16 angeflanscht ist. Das Dif­ ferentialgetriebe 16 treibt über Antriebswellen 18, 20 die Vor­ derräder 22 des Hybridfahrzeuges an.
Ferner ist ein Elektromotor 24 vorgesehen, der über eine Kar­ danwelle 26 in noch zu beschreibender Weise mit dem Wechselge­ triebe 14 trieblich verbunden ist. Die beschriebene Antriebs­ vorrichtung ist über nicht dargestellte Triebwerkslager und Radführungen mit der Aufbaustruktur des Hybridfahrzeuges ver­ bunden.
Das Wechselgetriebe 14 und das Differential 16 sind in einem Gehäuse 48 angeordnet, in dem auch eine Zahnkupplung 28 zum Umschalten auf die eine oder andere Antriebsquelle angeordnet ist. Das Wechselgetriebe 14 weist eine Antriebswelle 30 und eine Hohlwelle 32 auf, die jeweils miteinander in Eingriff be­ findliche Zahnräder zur Schaltung verschiedener Geschwindig­ keits-Übersetzungsstufen tragen. Durch die Hohlwelle 32 hin­ durch verläuft eine Welle 34, die einerseits das Antriebsritzel 36 für das Differential 16 und andererseits ein außenverzahntes Schaltzahnrad 38 trägt. Auch die Hohlwelle 32 trägt an ihrem abtriebsseitigen Ende ein außenverzahntes Schaltzahnrad 40; ein weiteres Schaltzahnrad 42 befindet sich auf einer Welle 44, die aus dem Gehäuse 48 des Wechselgetriebes 14 herausgeführt ist und die trieblich mit einem zwischen Elektromotor 24 und Wech­ selgetriebe 14 vorgesehenen Planetengetriebe 50 verbunden ist.
Das Planetengetriebe 50 ist in einem an das Wechselgetriebe 14 angeflanschten Gehäuse 52 drehbar gelagert und besteht aus einem einfachen Planetensatz mit einem Sonnenrad 54, mehreren auf einem Planetenradträger 56 gelagerten Planetenrädern 58 und einem äußeren, innenverzahnten Ringrad 60. Das Sonnenrad 54 als angetriebenes Element des Planetensatzes ist über eine Welle 62 mit der Kardanwelle 26 gekoppelt, während der Planetenradträger 56 als abtreibendes Element mit der Welle 44 des Wechselgetrie­ bes 14 verbunden ist. Das mit den Planetenrädern 58 in Eingriff befindliche Ringrad 60 als Reaktionselement wirkt einerseits mit einer Bandbremse 64 zusammen, die über eine nicht darge­ stellte Kolben-Zylinder-Einheit hydraulisch angezogen werden kann.
Andererseits ist das Ringrad 60 mit dem Planetenradträger 56 bzw. den Planetenrädern 58 über eine hydraulische Lamellenkup­ plung 66 kuppelbar, wobei die entsprechenden Kupplungslamellen durch auf einen Ringkolben 70 wirkende Federn 72 in den einge­ kuppelten Zustand vorgespannt sind. Der Ringkolben 70 und die Federn 72 sind dabei in einem die Kupplungslamellen in bekann­ ter Weise aufnehmenden Gehäuse 68 angeordnet.
Die hydraulische Steuerung der Lamellenkupplung 66 und der Bandbremse 64 weist eine elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe 74 auf, über die aus einem Vorratsbehälter 76 unter Druck stehendes Hydraulikmedium über ein Elektroventil 78 zu der Bandbremse 64 und zu der Lamellenkupplung 66 gefördert wird. Der Brems- bzw. Kupplungsdruck ist durch ein Drucksteuerventil 80 definiert. Über das Elektroventil 78 kann entweder über die Leitungen 82 Druck eingesteuert oder die Hydraulikpumpe 74 über die Rücklaufleitung 84 kurzgeschlossen werden.
Auf den Schaltzahnrädern 38, 40, 42 ist verschiebbar eine innen­ verzahnte Kupplungsmuffe 46 angeordnet, die über eine nicht dargestellte Schaltgabel und eine entsprechende Kupplungsbetä­ tigung auf den Schaltzahnrädern 38, 40, 42 verschiebbar ist, wobei über die Kupplungsmuffe 46 entweder die Schaltzahnräder 38, 42 oder die Schaltzahnräder 38, 40 formschlüssig miteinander kuppelbar sind. Dabei erfolgt im ersteren Falle ein Antrieb über den Elektromotor 24, die Kardanwelle 26, das Planetenge­ triebe 50, die Welle 44, die Kupplungsmuffe 46 und die An­ triebswelle 34 auf das Differential 16 oder aber ein Antrieb über die Brennkraftmaschine 12, die Antriebswelle 30 des Wech­ selgetriebes 14, über die entsprechende Übersetzungsstufe auf die Hohlwelle 32 und schließlich wiederum über die Abtriebswel­ le 34 auf das Differential 16. In beiden Fällen ist jeweils der nichtantreibende Antriebszug vom antreibenden Antriebszug abge­ kuppelt.
Bei einer entsprechenden Ausbildung der Schaltmuffe 46 kann diese auch so geschaltet werden, daß sie in einer dritten Kup­ plungsstellung alle drei Schaltzahnräder 38, 40, 42 drehmoment­ übertragend verbindet, wodurch beide Antriebsquellen 12, 14 an­ triebsmäßig zusammengeschaltet sind. In dieser Schaltstellung ist eine Aufladung der Batterien durch den auf Generatorbetrieb geschalteten Elektromotor 24 bei Fahrt mit Brennkraftmaschine 12 möglich. Anstelle der Zahnkupplung 28 könnten auch ein oder mehrere Lamellenkupplungen vorgesehen sein, die ggf. über die zur Betätigung des Planetengetriebes 50 vorgesehene Steuerung mitversorgt werden könnten.
Bei einem Antrieb über den Elektromotor 24, wobei die Schalt­ muffe 46 in der gezeichneten Position die Schaltzahnräder 38 und 42 verbindet, kann das Planetengetriebe 50 in zwei Überset­ zungsstufen bei dynamischer Umschaltung betrieben werden. Zum Anfahren und beim Befahren von Steigungen ist eine Geschwindig­ keits-Untersetzung wirksam, wobei durch Beaufschlagung mit Hydraulikdruck bei entsprechender Ansteuerung des Elektroventi­ les 78 die hydraulische Lamellenkupplung 66 durch Beaufschla­ gung des Ringkolbens 70 gelöst und die Bandbremse 64 angezogen ist. Dadurch ist das Ringrad 60 am Gehäuse 52 des Planetenge­ triebes 50 festgebremst, so daß der Antrieb über die Kardanwelle 26, die Antriebswelle 62 und das Sonnenrad 54 über die Plane­ tenräder 58 und den Planetenradträger 56 sowie die Welle 44 auf die Antriebswelle 34 verläuft.
Wird über das Elektroventil 78 die Hydraulikpumpe 74 mit dem Rücklauf 84 verbunden, so wird aufgrund des damit verbundenen Druckabfalls die Bandbremse 64 gelöst; zugleich wird die Lamel­ lenkupplung 66 durch die Vorspannkraft der Federn 72 geschlos­ sen, so daß das mit der äußeren Kupplungstrommel 86 verbundene Ringrad 60 mit der inneren Kupplungsnabe 88 des Planetenradträ­ gers 56 gekuppelt wird und somit der Antrieb des Elektromotors 24 im direkten Durchtrieb in der Übersetzung 1:1 von der Welle 62 auf die Welle 44 übertragen wird. Diese Übersetzungsumschal­ tung kann bei entsprechender Auslegung der Lamellenkupplung 66 und der Bandbremse 64 dynamisch während des Fahrbetriebes er­ folgen.
Durch die Vorschaltung des Planetengetriebes 50 kann ein klei­ nerer Elektromotor mit geringerem Gewicht und besserem Wir­ kungsgrad durch höhere Arbeitsdrehzahl eingesetzt werden. Der Energieaufwand für das Schalten und Fahren mit hydraulisch betätigten Schaltgliedern fällt nur im unteren Geschwindig­ keitsbereich an, während in der direkten Übersetzung die hy­ draulische Steuerung drucklos ist. Ferner liegen im Hauptfahr­ gang im oberen Geschwindigkeitsbereich durch den direkten Durchtrieb keine Zahnrad-Übertragungsverluste im Wechselgetrie­ be 14 und im Planetenradgetriebe 50 an. Zudem ergibt sich eine raumsparende Anordnung mit tiefliegender Antriebswelle 34, 42, 62, wodurch sich eine gute Unterbringungsmöglichkeit beispielsweise in einem Mitteltunnel des Hybridfahrzeuges er­ gibt. Die Umschaltung der Übersetzungsstufen in dem Planeten­ getriebe 50 kann sich auch dann anbieten, wenn für eine Strom­ rückgewinnung des Hybridfahrzeuges der Elektromotor 24 im Gene­ ratorbetrieb über die Brennkraftmaschine angetrieben wird. Je nach nachzuladender Kapazität kann dabei der Elektromotor 24 im höheren oder niedrigeren Drehzahlbereich angetrieben werden. Abweichend von der dargestellten Ausführung kann der Elektromo­ tor 24 auch die zweite, nicht gezeichnete Achse des Hybridfahr­ zeuges antreiben oder es kann zur Erzielung eines permanenten Allradantriebes der Elektromotor 24 in die Kardanwelle 26 ein­ gebunden sein, so daß er zusätzlich bei beidseitigem Abtrieb die zweite Achse antreiben würde (ebenso die Brennkraftmaschine 12).

Claims (8)

1. Antriebsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die über ein Wechselgetriebe und ein Differential zumindest eine Achse des Fahrzeugs antreibt und mit einem Elektromotor, der kuppelbar ebenfalls über ein Differential eine Achse antreibt, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Elektromotor (24) und dem Differen­ tial (16) ein Planetengetriebe (50) mit zumindest zwei Übersetzungsstufen geschaltet ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Planetengetriebe (50) ein einfacher Planeten­ satz ist, dessen eines Element (54) mit dem Elektromotor (24), das zweite Element (56, 58) mit der Antriebswelle (44) des Differentiales (16) und das dritte Element (60) entweder festlegbar oder mit einem der anderen Elemente kuppelbar ist.
3. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (24) mit dem Sonnen­ rad (54) und die Antriebswelle (44) des Differentiales (16) mit dem Planetenradträger (56) trieblich verbunden ist.
4. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringrad (60) des Planetengetriebes (50) durch eine Bremse (64) festlegbar ist.
5. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenradträger (56) mit dem Ringrad (60) über eine Lamellenkupplung (66) kuppelbar ist, wobei die Lamellenkupplung (66) durch Federn (72) in die geschlossene Stellung vorgespannt ist.
6. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (64) und die Lamellenkup­ plung (66) hydraulisch betätigt sind.
7. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plane­ tengetriebe (50) an das Wechselgetriebe (14) angebaut ist und abtriebsseitig auf die Getriebeausgangswelle (34) ge­ schaltet ist.
8. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Schaltkupplung (28) zwischen dem Planetengetriebe (50) und dem Wechselgetriebe (14) entweder eine der Antriebsquellen (12, 24) oder beide zuschaltbar sind.
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