WO2009077261A2 - Antriebsstrangmodul und antriebsstrang für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2009077261A2
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internal combustion
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Uwe Tellermann
Kaspar Schmoll Genannt Eisenwerth
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a drive train module and a drive train for a motor vehicle, as well as a motor vehicle with such a drive train.
  • the powertrain of conventionally powered motor vehicles typically includes an internal combustion engine that provides mechanical power generated at a crankshaft by combusting fuel, and a vehicle transmission that translates the speed of the crankshaft to the input speed required to move the wheels and manually or automatically toggles between different gear ratios , Speed differences during start-up and during a shift are compensated by friction clutches or - typically in automatic transmissions - torque converters, which are contained as further components in the drive train.
  • So-called parallel hybrid drives expand the conventional powertrain by an electric machine which is either integrated in a sequential arrangement with a starting element firmly in the drive train (Pl hybrid) or can be connected via an additional friction clutch with the internal combustion engine (P2 hybrid).
  • a suitable control device controls the additional friction clutch in the P2 hybrid, for example, in such a way that purely electric driving or purely electric braking is possible in selected driving situations, when the internal combustion engine is at standstill and disconnected from the electric machine by the opened additional friction clutch. The additional friction clutch is then closed again when the engine is to be restarted.
  • hybrid powertrains have considerable potential for reducing fuel consumption as well as increasing power, especially at low engine speeds, compared with conventional automotive powertrains, it appears desirable to provide a variety of different motor vehicles with such powertrains. In order to keep development and manufacturing costs as low as possible, trying to develop eg a motor vehicle with hybrid drive on the basis of an existing vehicle type with conventional drive and to keep the necessary design changes as low as possible.
  • a drive train module for a motor vehicle which comprises an internal combustion engine and a vehicle transmission.
  • the powertrain module includes a planetary gear with a first, second and third planetary gear shaft, wherein the first planetary gear shaft for rotationally fixed connection with a crankshaft of the internal combustion engine is formed, and the second planetary gear shaft for rotationally fixed connection with an input shaft of the vehicle transmission is formed.
  • the input shaft can in particular also be designed as an input shaft of a starting element provided at the input of the vehicle transmission.
  • the drive train module comprises an electrical machine which is non-rotatably connected to the second planetary gear shaft, and a brake which brakes the third planetary gear shaft when actuated.
  • the drive train module makes it possible, in conjunction with an internal combustion engine and a vehicle transmission, to provide a parallel hybrid drive train which requires an advantageously smaller space compared to conventional hybrid drive trains.
  • a powertrain module can be used with different types of internal combustion engines, such as diesel or gasoline engines, and vehicle transmission types, such as automobile matic transmissions, automated manual transmissions, dual-clutch transmissions or CVT transmissions. It makes it possible to reduce the mechanical complexity of the powertrain, as fewer components in the rotating drive train must be moved translationally to produce traction.
  • the planetary gear in conjunction with the brake when used in a powertrain, releasably couple the engine to the electric machine:
  • the third planetary gear shaft is locked so that the first and second fixed gear ratio planetary gear shafts are coupled together. Since with the first planetary gear shaft, the crankshaft of the internal combustion engine and the second planetary gear shaft, the electric machine are each rotatably connected, this corresponds to a coupling of internal combustion engine and electric machine.
  • the brake is unoperated, however, the third planetary gear shaft can rotate freely, whereby the first and second planetary gear shaft and thus also the internal combustion engine and the electric machine are each decoupled from each other.
  • the brake is unoperated
  • the planetary gear in conjunction with the brake therefore performs a function analogous to the function of the additional friction clutch in a conventional P2 hybrid powertrain.
  • the combination of planetary gear and brake allows the connection to be released and closed without moving a component in a direction parallel to the direction of the transmission, i. in the present case, parallel to the crankshaft and input shaft of the vehicle transmission.
  • the drive train module according to the invention therefore requires less installation space and, in particular, a shorter overall length in the main expansion direction of the drive train than a comparable conventional module, which allows a wider application at low development and production costs.
  • the first planetary gear shaft is rotatably connected to a sun gear of the planetary gear. This advantageously allows the shaft, with which the drive train module is connected to the crankshaft of the internal combustion engine, in a simple manner as massive, i. do not execute hollow shaft.
  • the second planetary gear shaft is rotatably connected to a ring gear of the planetary gear.
  • the electric machine includes a rotor formed on an outer circumference of the ring gear. In this way, a high stability can be achieved and further installation space and driving weight can be saved, in particular by making it possible to form the second planetary gear shaft only implicitly by the direct connection of rotor and ring gear.
  • the third planetary gear shaft rotatably connected to a planet tenradley of the planetary gear.
  • a torsional vibration damper is further provided, which is in particular rotationally fixedly connected to the first planetary gear shaft.
  • the brake is designed as a lamellar, wedge, disc or band brake. The use of conventional brake technologies allows low production costs.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a conventional drive train of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a conventional drive train of a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a drive train with a drive train module according to a further embodiment.
  • FIG. 1 shows, as a comparative example, a schematic representation of a conventional powertrain 80 of a motor vehicle with Pl hybrid drive.
  • the crankshaft 44 of an internal combustion engine 2 is coupled by means of a friction clutch 40 to the shaft 82 of an electric machine 10.
  • the shaft 82 of the electric machine 10 continues in the interior thereof and is fixedly connected to an input shaft 46 of a vehicle transmission 16 on the side facing away from the coupling 40.
  • the vehicle transmission 16 is e.g. designed as an automatic transmission.
  • An output shaft 50 of the vehicle transmission 16 connects this to a differential gear 20 which transmits the driving torque via paired wheel axles 48 to a pair of opposed wheels 18.
  • FIG. 2 shows, as a further comparative example, a schematic representation of a conventional powertrain 80 of a motor vehicle with P2 hybrid drive.
  • the crankshaft 44 of an internal combustion engine 2 by means of a friction clutch 40 coupled to a shaft 82 of an electric machine 10.
  • the shaft 82 is also continued in the interior of the electric machine 10 and is connected on the side remote from the coupling 40 with an input shaft 46 of a vehicle transmission 16.
  • a starting element for. B.
  • a starting clutch or a torque converter is inserted as a starting clutch 42, so that the connection between the electric machine 10 and the vehicle transmission 16 can be separated.
  • the vehicle transmission 16 can be designed as a shift, GVT, ASG, DKG or automatic transmission. As with the Pl hybrid drive shown in FIG. 1, an output shaft 50 of the vehicle transmission 16 connects it to a differential gear 20 which transmits the drive torque via paired wheel axles 48 to a pair of opposed wheels 18.
  • FIG. 3 shows a drive train 80 of a motor vehicle with a drive train module 52 according to an embodiment of the invention.
  • the drivetrain 80 like the comparative example shown in FIG. 2, comprises an internal combustion engine 2 with a crankshaft 44. On the crankshaft 44 is a torsional vibration damper 4, such as a crankshaft 44.
  • the drive train comprises a vehicle transmission 16 with an input shaft 46 and an output shaft 50, the latter 50 driving two wheel axles 48 and respective wheels 18 via a differential gear 20.
  • the number of wheels 18 shown is meant purely by way of example; the motor vehicle may have further driven and non-driven wheels.
  • the drive train module 52 is arranged in the drive train 80, which planetary gear 8, an associated brake 6 and an electric machine 10 comprises.
  • the planetary gear 8 includes a sun gear 26, a ring gear 70 concentrically disposed about the sun gear 26, and three or more planet gears 22 disposed between the sun gear 26 and the ring gear 70, which are supported by a planet carrier 74.
  • a first 54, second 56 and third 58 input planetary gear shaft are each rotatably connected to the sun gear 26, the ring gear 70 and the planet carrier 74 of the planetary gear.
  • the inner members 26, 74, 70 of the planetary gear 8 may be associated with the respective planetary gear shafts 54, 56, 58 in other ways.
  • the brake 6 is fixed to a frame 86 substantially immovable with respect to the body of the motor vehicle, e.g.
  • the brake 6 is arranged on the third planetary gear shaft 58 such that it holds the third planetary gear shaft 58 relative to the frame 86 in the closed state and permits free rotation of the third planetary gear shaft 58 in the open state.
  • the second planetary gear shaft 56 is rotatably connected to the electric machine 10, e.g. by schematically passing the second planetary gear shaft 56 into the shaft 82 of the electric machine 10.
  • the electric machine 10 may be formed concentrically with the planetary gear 8, wherein expediently the ring gear 70 carries the rotor of the electric machine 10.
  • the described drive train module 52 is inserted between the torsional vibration damper 4 and the vehicle transmission 16 in the drive train 80 of the motor vehicle, on the one hand, the crankshaft 44 of the internal combustion engine 2 with the first planetary gear shaft 54 and on the other hand, the input shaft 46 of the vehicle transmission 16 via the shaft 82 of the electric machine 10th are rotatably connected to the second planetary gear shaft 56.
  • the powertrain 80 constructed in this manner enables the main modes of hybrid propulsion depending on the actuation status of the brake 6, i. purely electric driving, driving exclusively with the internal combustion engine 2, hybrid driving with electric machine 10 and internal combustion engine 2, free rolling and electric braking in which kinetic energy is recovered ("recuperated").
  • the brake 6 is opened, for example, when driving electrically.
  • the degrees of freedom of the internal combustion engine 2 and the electric machine 10 are completely decoupled.
  • the internal combustion engine 2 thus does not need to be carried along by the electric machine 10.
  • a starting element such as the coupling 42 shown in Fig. 2 is not required, since the electric machine 10 has no minimum speed and can deliver their maximum torque from the state. This makes it possible to start the motor vehicle from a standstill in the purely electrical operating state. It is also also possible to start the motor vehicle while the internal combustion engine 2 is running by a suitable (not shown) control device controls the brake 6 accordingly.
  • the engine 2 can be started by closing the brake 6. It is so dragged by the rotating electric machine 10 until it reaches a speed that allows the ignition of the fuel.
  • the brake 6 When driving exclusively with the internal combustion engine 2, the brake 6 is closed, whereby between the internal combustion engine 2 and the vehicle transmission, a firm connection is formed at a constant gear ratio. The vehicle can then be operated in a conventional manner. When switching the vehicle transmission 16, the brake 6 is released in the meantime. Also starting from a standing position can be realized with the internal combustion engine 2, by first releasing the brake 6, so that the internal combustion engine 2 rotates at idle. By gradually slipping the brake 6, a desired starting torque on the input shaft 46 of the vehicle transmission 16 can be adjusted.
  • a closed brake 6 allow the interaction of the two drive units 2, 10, which are connected at constant gear ratio via the planetary gear 8.
  • Vehicle transmission 16 converted mechanical power from the electric machine 10 into electrical power and to be able to feed into a battery, not shown. No power is lost by towing the internal combustion engine 2.
  • FIG. 4 shows a drive train 80 with a drive train module 52 according to a further embodiment of the invention.
  • the illustrated drive train 80 differs from the embodiment shown in FIG. 3 on the one hand in that no torsional vibration damper 4 is provided on the crankshaft 44 of the internal combustion engine purely by way of example.
  • Another difference is that, as with the conventional P2- shown in FIG. Hybrid drive train between the electric machine 10 and the vehicle transmission 16 is a starting element, such as a further coupling is inserted, the rotatable connection between the shaft 82 of the electric machine and the input shaft 46 of the vehicle transmission 16 (and thus the non-rotatable connection between the second planetary gearbox shaft 56 and the input shaft 46) is thus made detachable.
  • the additional starting clutch makes it possible to charge a battery (not shown) of the motor vehicle when the vehicle is stationary, by closing the brake 6 and opening the clutch 42. Charging in the state is also possible when transmission in position "neutral".
  • the brake 6 and the clutch 42 can be simultaneously and independently released or completely or partially closed to achieve a desired torque on the input shaft 46 of the vehicle transmission.
  • An undesirable influence of the start of the internal combustion engine 2 on the torque transmitted to the wheels 18 can be avoided by complete or partial release of the clutch.
  • the resulting frictional heat can be removed more easily, since it is distributed in two separate functional elements 6, 42.
  • the illustrated powertrain module 52 which may optionally also include the torsional vibration damper 4, is characterized by an extremely small size and in particular by an extremely short length in the direction of the power flow. It therefore allows a wide application for the design of hybrid drives based on existing or simultaneously developing conventional powertrains.
  • the powertrain module 52 can both - as in the present embodiment - with a. Combined by the underlying conventional powertrain starting element 42 are combined, as well as a starting clutch or a torque converter, which are provided in the underlying conventional drive train replace.
  • the short overall length of the powertrain module 52 makes it possible to use the space available for the provision of a hybrid-powered vehicle that has been freed up by the applicable starting clutch or the torque converter that has no torque converter.

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Antriebsstrangmodul für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem Fahrzeuggetriebe bereit. Das Antriebsstrangmodul umfasst ein Planetengetriebe mit einer ersten, zweiten und dritten Planetengetriebewelle, wobei die erste Planetengetriebewelle zur drehfesten Verbindung mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, und die zweite Planetengetriebewelle zur drehfesten Verbindung mit einer Eingangswelle des Fahrzeuggetriebes ausgebildet ist. Weiterhin umfasst das Antriebsstrangmodul eine elektrische Maschine, die mit der zweiten Planetengetriebewelle drehfest verbunden ist, sowie eine Bremse, welche bei Betätigung die dritte Planetengetriebewelle abbremst. Unter weiteren Gesichtspunkten stellt die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem derartigen Antriebsstrangmodul und ein Kraftfahrzeug mit einem solchermaßen gebildeten Antriebsstrang bereit.

Description

Beschreibung
Titel
Antriebsstrangmodul und Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebsstrangmodul und einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, sowie ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebsstrang.
Der Antriebsstrang konventionell angetriebener Kraftfahrzeuge umfasst typischerweise eine Brennkraftmaschine, die an einer Kurbelwelle durch Verbrennen von Kraftstoff gewonnene mechanische Leistung bereitstellt, und ein Fahrzeuggetriebe, das die Drehzahl der Kurbelwelle auf die zur Bewegung der Räder benötigte Antriebsdrehzahl übersetzt und manuell oder automatisch zwischen unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Dreh- zahlunterschiede beim Anfahren und während eines Schaltvorgangs werden durch Reibkupplungen bzw. - typischerweise bei Automatikgetrieben - Drehmomentwandler ausgeglichen, die als weitere Bestandteile im Antriebsstrangs enthalten sind.
Sogenannte parallele Hybridantriebe erweitern den konventionellen Antriebsstrang um eine elektrische Maschine, die entweder in sequentieller Anordnung mit einem Anfahrelement fest im Antriebsstrang integriert ist (Pl-Hybrid) oder über eine zusätzliche Reibkupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden werden kann (P2-Hybrid). Eine geeignete Steuervorrichtung steuert im P2-Hybrid die zusätzliche Reibkupplung z.B. so, dass in ausgewählten Fahrsituationen auch ein rein elektrisches Fahren oder rein elektrisches Bremsen möglich ist, bei stillste- hender und durch die geöffnete zusätzliche Reibkupplung von der elektrischen Maschine abgekoppelten Brennkraftmaschine. Die zusätzliche Reibkupplung wird dann wieder geschlossen, wenn die Brennkraftmaschine wieder gestartet werden soll. Da Hybridantriebe im Vergleich zu konventionellen Kraftfahrzeugantrieben ein beträchtliches Potenzial zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wie auch zur Leistungssteigerung insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich aufweisen, erscheint es wünschenswert, eine Vielzahl unterschiedlicher Kraftfahrzeuge mit derartigen Antrieben auszurüsten. Um Entwicklungs- und Herstellungskosten möglichst niedrig zu halten, versucht man z.B. ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb auf der Grundlage eines existierenden Fahrzeugtyps mit konventionellem Antrieb zu entwickeln und die dabei notwendigen konstruktiven Veränderungen möglichst gering zu halten.
Um jedoch in den konventionellen Antriebsstrang eines gegebenen Fahrzeugtyps eine elektrische Maschine und eine zusätzliche Reibkupplung einzufügen und auf dieser Grundlage einen P2-Hybridantriebsstrang zu erhalten, muss im Antriebsstrang entsprechend großer Bauraum vorhanden sein oder durch aufwändige Veränderungen der übrigen Bestandteile des Antriebsstrangs geschaffen werden, was die Anwendbarkeit einer solchen Konstruktion erheblich ein- schränkt bzw. erhöhte Entwicklungs- und Herstellungskosten verursacht.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Demgemäß vorgesehen ist ein Antriebsstrangmodul für ein Kraftfahrzeug, das eine Brenn- kraftmaschine und ein Fahrzeuggetriebe umfasst. Das Antriebsstrangmodul umfasst ein Planetengetriebe mit einer ersten, zweiten und dritten Planetengetriebewelle, wobei die erste Planetengetriebewelle zur drehfesten Verbindung mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, und die zweite Planetengetriebewelle zur drehfesten Verbindung mit einer Eingangswelle des Fahrzeuggetriebes ausgebildet ist. Die Eingangswelle kann dabei insbe- sondere auch als Eingangswelle eines am Eingang des Fahrzeuggetriebes vorgesehenen Anfahrelements ausgebildet sein. Weiterhin umfasst das Antriebsstrangmodul eine elektrische Maschine, die mit der zweiten Planetengetriebewelle drehfest verbunden ist, sowie eine Bremse, welche bei Betätigung die dritte Planetengetriebewelle abbremst.
Das erfindungsgemäße Antriebsstrangmodul ermöglicht, in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine und einem Fahrzeuggetriebe einen Parallelhybrid- Antriebsstrang bereitzustellen, der gegenüber herkömmlichen Hybridantriebssträngen einen vorteilhaft geringeren Bauraum benötigt. Ein derartiges Antriebsstrangmodul kann mit unterschiedlichen Brennkraftmaschinentypen wie z.B. Diesel- oder Ottomotoren und Fahrzeuggetriebetypen wie z.B. Auto- matikgetrieben, automatisierten Schaltgetrieben, Doppelkupplungsgetrieben oder CVT- Getrieben eingesetzt werden. Es ermöglicht, die mechanische Komplexität des Antriebsstrangs zu verringern, da weniger Bauteile im drehenden Antriebsstrang translatorisch bewegt werden müssen, um Kraftschluss herzustellen.
Im Einzelnen ermöglicht das Planetengetriebe in Verbindung mit der Bremse, bei Verwendung in einem Antriebsstrang die Brennkraftmaschine trennbar an die elektrische Maschine zu koppeln: Bei betätigter Bremse wird die dritte Planetengetriebewelle festgehalten, so dass die erste und die zweite Planetengetriebewelle mit festem Übersetzungsverhältnis aneinander gekoppelt sind. Da mit der ersten Planetengetriebewelle die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und mit der zweiten Planetengetriebewelle die elektrische Maschine jeweils drehfest verbunden sind, entspricht dies einer Kopplung von Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine. Bei unbetätigter Bremse hingegen kann die dritte Planetengetriebewelle frei rotieren, wodurch die erste und zweite Planetengetriebewelle und damit auch die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine jeweils voneinander entkoppelt sind. Da hierdurch auch die
Brennkraftmaschine vom Fahrzeuggetriebe entkoppelt wird, ermöglicht das erfmdungsgemä- ße Antriebsstrangmodul, die Funktion von in konventionellen Antriebssträngen üblicherweise vorgesehenen Anfahrelementen wie Drehmomentwandlern oder Anfahrkupplungen zu ersetzen, wodurch Bauraum und Herstellungskosten eingespart werden.
Das Planetengetriebe in Verbindung mit der Bremse erfüllt daher eine Funktion analog zur Funktion der zusätzlichen Reibkupplung in einem herkömmlichen P2-Hybridantriebsstrang. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kupplung ermöglicht die Kombination aus Planetengetriebe und Bremse jedoch das Lösen und Schließen der betreffenden Verbindung ohne Be- wegung eines Bauteils in einer Richtung, die parallel zur Richtung der Kraftübertragung verläuft, d.h. im vorliegenden Fall parallel zur Kurbelwelle und Eingangswelle des Fahrzeuggetriebes. Das erfmdungsgemäße Antriebsstrangmodul erfordert daher einen geringeren Bauraum und besonders eine geringere Baulänge in der Hauptausdehnungsrichtung des Antriebsstrangs als ein vergleichbares herkömmliches Modul, was eine breitere Anwendung bei gerin- gen Entwicklungs- und Herstellungskosten ermöglicht.
Ein Vorteil besteht schon in geringeren Herstellungskosten einer Kombination aus Planetengetriebe und Bremse selbst im Vergleich zu den Herstellungskosten einer herkömmlichen Kupplung wie z.B. einer Reibkupplung. Die vergleichsweise geringeren Kosten wie auch eine geringere Störanfälligkeit und bessere Wärmeableitung sind u.a. dadurch bedingt, dass eine Reibkupplung eine Vorrichtung zum Trennen und Koppeln zweier rotierender Elemente erfordert, während die Bremse des erfmdungsgemäßen Antriebsstrangmoduls in einfacher, robuster Weise unbewegt montierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Planetengetriebewelle mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden. Dies ermöglicht vorteilhaft, die Welle, mit der das Antriebsstrangmodul an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeschlossen wird, in einfacher Weise als massive, d.h. nicht hohle Welle auszuführen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Planetengetriebewelle mit einem Hohlrad des Planetengetriebes drehfest verbunden. Dies ermöglicht vorteilhaft, die elektrische Maschine Bauraum sparend konzentrisch mit dem Planetengetriebe auszubilden. Vorzugsweise umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, der an einem äußeren Umfang des Hohlrads ausgebildet ist. Hierdurch kann eine hohe Stabilität erreicht sowie weiterer Bauraum und Fahrgewicht eingespart werden, und zwar insbesondere dadurch, dass ermöglicht wird, die zweite Planetengetriebewelle lediglich implizit durch die direkte Verbindung von Rotor und Hohlrad auszubilden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die dritte Planetengetriebewelle mit einem Plane- tenradträger des Planetengetriebes drehfest verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen, der insbesondere mit der ersten Planetengetriebewelle drehfest verbunden ist. Hier- durch wird ein Schutz vor Verschleiß und Vibrationen erreicht. Vorzugsweise ist die Bremse als Lamellen-, Keil-, Scheiben- oder Bandbremse ausgebildet. Die Verwendung herkömmlicher Bremsentechnologien ermöglicht hier geringe Herstellungskosten. ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Antriebsstrangs eines
Kraftfahrzeugs mit Pl -Hybridantrieb; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Antriebsstrangs eines
Kraftfahrzeugs mit P2-Hybridantrieb; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem Antriebsstrangmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem Antriebsstrangmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In allen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Vorteile und Merkmale der in Fig. 3 und 4 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden im FoI- genden anhand einer Kontrastierung mit den Vergleichsbeispielen aus Fig. 1 und 2 erläutert.
Figur 1 zeigt als Vergleichsbeispiel in schematischer Darstellung einen herkömmlichen Antriebsstrangs 80 eines Kraftfahrzeugs mit Pl -Hybridantrieb. Die Kurbelwelle 44 einer Brennkraftmaschine 2 ist mittels einer Reibkupplung 40 an die Welle 82 einer elektrischen Maschi- ne 10 gekoppelt. Die Welle 82 der elektrischen Maschine 10 setzt sich in deren Innerem fort und ist auf der der Kupplung 40 abgewandten Seite fest mit einer Eingangswelle 46 eines Fahrzeuggetriebes 16 verbunden. Das Fahrzeuggetriebe 16 ist z.B. als Automatikgetriebe ausgebildet. Eine Ausgangswelle 50 des Fahrzeuggetriebes 16 verbindet dieses mit einem Differenzialgetriebe 20, das das Antriebsdrehmoment über paarweise vorgesehene Radachsen 48 auf ein Paar sich gegenüber liegender Räder 18 überträgt.
Figur 2 zeigt als weiteres Vergleichsbeispiel in schematischer Darstellung einen herkömmlichen Antriebsstrangs 80 eines Kraftfahrzeugs mit P2-Hybridantrieb. Wie beim Pl- Hybridantrieb ist die Kurbelwelle 44 einer Brennkraftmaschine 2 mittels einer Reibkupplung 40 an eine Welle 82 einer elektrischen Maschine 10 gekoppelt. Die Welle 82 setzt sich ebenfalls im Inneren der elektrischen Maschine 10 fort und ist auf der der Kupplung 40 abgewandten Seite mit einer Eingangswelle 46 eines Fahrzeuggetriebes 16 verbunden. Im Unterschied zum Pl -Hybridantrieb ist jedoch zwischen der elektrischen Maschine 10 und dem Fahrzeug- getriebe 16 ein Anfahrelement, z. B. eine Anfahrkupplung oder ein Drehmomentwandler als Startkupplung 42 eingefügt, so dass die Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 10 und dem Fahrzeuggetriebe 16 getrennt werden kann. Das Fahrzeuggetriebe 16 kann als Schalt-, GVT-, ASG-, DKG- oder Automatikgetriebe ausgeführt sein. Wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Pl -Hybridantrieb verbindet eine Ausgangswelle 50 des Fahrzeuggetriebes 16 die- ses mit einem Differenzialgetriebe 20, das das Antriebsdrehmoment über paarweise vorgesehene Radachsen 48 auf ein Paar sich gegenüber liegender Räder 18 überträgt.
Figur 3 zeigt einen Antriebsstrang 80 eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebsstrangmodul 52 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Antriebsstrang 80 umfasst wie das in Fig. 2 gezeigte Vergleichsbeispiel eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Kurbelwelle 44. Auf der Kurbelwelle 44 befindet sich ein Torsionsschwingungsdämpfer 4 wie z.B. ein Zweimassenschwungrad 4. Weiterhin übereinstimmend mit dem in Fig. 2 gezeigten Vergleichsbeispiel umfasst der Antriebsstrang ein Fahrzeuggetriebe 16 mit einer Eingangswelle 46 und einer Ausgangswelle 50, wobei die letztere 50 über ein Differenzialgetriebe 20 zwei Radachsen 48 und an diesen jeweils angeordnete Räder 18 antreibt. Die Zahl der gezeigten Räder 18 ist dabei rein beispielhaft gemeint; das Kraftfahrzeug kann weitere angetriebene und nicht angetriebene Räder aufweisen.
Zwischen der mit dem Torsionsschwingungsdämpfer 4 versehenen Kurbelwelle 44 der Brennkraftmaschine 2 und der Eingangswelle 46 des Fahrzeuggetriebes 16 ist im Antriebsstrang 80 das Antriebsstrangmodul 52 angeordnet, welches Planetengetriebe 8, eine zugehörige Bremse 6 und eine elektrische Maschine 10 umfasst.
Das Planetengetriebe 8 umfasst ein Sonnenrad 26, ein um das Sonnenrad 26 konzentrisch angeordnetes Hohlrad 70, sowie drei oder mehr zwischen dem Sonnenrad 26 und dem Hohlrad 70 angeordnete Planetenräder 22, die von einem Planetenträger 74 getragen werden. Eine erste 54, zweite 56 und dritte 58 Eingangsplanetengetriebewelle sind jeweils drehfest mit dem Sonnenrad 26, dem Hohlrad 70 bzw. dem Planetenträger 74 des Planetengetriebes verbunden. In alternativen Ausführungsformen können die inneren Elemente 26, 74, 70 des Planetengetriebes 8 den jeweiligen Planetengetriebewellen 54, 56, 58 auf andere Weise zugeordnet sein.
Die Bremse 6 ist an einem gegenüber der Karosserie des Kraftfahrzeugs im Wesentlichen unbeweglichen Rahmen 86 befestigt, z.B. an einem das Antriebsstrangmodul 52 einschließenden Gehäuse 86. Die Bremse 6 ist dabei derart an der dritten Planetengetriebewelle 58 angeordnet, dass sie in geschlossenem Zustand die dritte Planetengetriebewelle 58 gegenüber dem Rahmen 86 festhält und in geöffnetem Zustand eine freie Rotation der dritten Planetengetriebewelle 58 zulässt.
Die zweite Planetengetriebewelle 56 ist mit der elektrischen Maschine 10 drehfest verbunden, z.B. indem wie schematisch gezeigt die zweite Planetengetriebewelle 56 in die Welle 82 der elektrischen Maschine 10 übergeht. Alternativ kann z.B. die elektrische Maschine 10 konzentrisch mit dem Planetengetriebe 8 ausgebildet sein, wobei zweckmäßiger Weise das Hohlrad 70 den Rotor der elektrischen Maschine 10 trägt.
Das beschriebene Antriebsstrangmodul 52 ist zwischen dem Torsionsschwingungsdämpfer 4 und dem Fahrzeuggetriebe 16 in den Antriebsstrang 80 des Kraftfahrzeugs eingefügt, wobei einerseits die Kurbelwelle 44 der Brennkraftmaschine 2 mit der ersten Planetengetriebewelle 54 und andererseits die Eingangswelle 46 des Fahrzeuggetriebes 16 über die Welle 82 der elektrischen Maschine 10 mit der zweiten Planetengetriebewelle 56 drehfest verbunden sind.
Der in dieser Weise aufgebaute Antriebsstrang 80 ermöglicht in Abhängigkeit vom Betätigungsstatus der Bremse 6 die hauptsächlichen Betriebsarten eines Hybridantriebs, d.h. rein elektrisches Fahren, Fahren ausschließlich mit der Brennkraftmaschine 2, hybridisches Fahren mit elektrischer Maschine 10 und Brennkraftmaschine 2, freies Rollen und elektrisches Bremsen, bei dem Bewegungsenergie rückgewonnen („rekuperiert") wird.
Im Betrieb ist z.B. beim elektrischen Fahren die Bremse 6 geöffnet. Damit sind die Freiheits- grade der Brennkraftmaschine 2 und der elektrischen Maschine 10 vollständig entkoppelt. Die Brennkraftmaschine 2 braucht somit nicht von der elektrischen Maschine 10 mitgeschleppt zu werden. Ein Anfahrelement wie die in Fig. 2 gezeigte Kupplung 42 ist nicht erforderlich, da die elektrische Maschine 10 keine Mindestdrehzahl besitzt und aus dem Stand ihr maximales Drehmoment abgeben kann. Dies ermöglicht es, das Kraftfahrzeug im rein elektrischen Betriebszustand aus dem Stand anfahren zu lassen. Es ist weiterhin auch möglich, das Kraftfahrzeug bei laufender Brennkraftmaschine 2 anfahren zu lassen, indem eine geeignete (nicht gezeigte) Steuervorrichtung die Bremse 6 entsprechend ansteuert. Während des elektrischen Fahrens kann der Verbrennungsmotor 2 durch Schließen der Bremse 6 gestartet werden. Er wird so von der rotierenden elektrischen Maschine 10 angeschleppt, bis er eine Drehzahl erreicht hat, die das Zünden des Kraftstoffs erlaubt.
Beim Fahren ausschließlich mit der Brennkraftmaschine 2 wird die Bremse 6 geschlossen, wodurch zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Fahrzeuggetriebe eine feste Verbindung bei konstantem Übersetzungsverhältnis entsteht. Das Fahrzeug kann dann auf herkömmliche Art betrieben werden. Beim Schalten des Fahrzeuggetriebes 16 wird die Bremse 6 zwi- schenzeitlich gelöst. Auch das Anfahren aus dem Stand kann mit der Brennkraftmaschine 2 realisiert werden, indem zunächst die Bremse 6 gelöst wird, so dass die Brennkraftmaschine 2 im Leerlauf dreht. Durch allmähliches, schlupfendes Schließen der 6 Bremse lässt sich ein gewünschtes Anfahrdrehmoment an der Eingangswelle 46 des Fahrzeuggetriebes 16 einstellen.
Beim hybridischen Fahren sowohl mit der elektrischen 10 als auch der Brennkraftmaschine 2 ermöglichen eine geschlossene Bremse 6 das Zusammenwirken der beiden Antriebsaggregate 2, 10, die bei konstantem Übersetzungsverhältnis über das Planetengetriebe 8 verbunden sind.
Beim Rekuperieren ist die Bremse 6 geöffnet, um die gesamte über die Räder 18 und das
Fahrzeuggetriebe 16 aufgenommene mechanische Leistung von der elektrischen Maschine 10 in elektrische Leistung umwandeln und in eine nicht gezeigte Batterie einspeisen zu können. Es geht keine Leistung durch Mitschleppen der Brennkraftmaschine 2 verloren.
Figur 4 zeigt einen Antriebsstrang 80 mit einem Antriebsstrangmodul 52 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der gezeigte Antriebsstrang 80 unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einerseits dadurch, dass auf der Kurbelwelle 44 der Brennkraftmaschine rein beispielhaft kein Torsionsschwingungsdämpfer 4 vorgesehen ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass wie bei dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen P2- Hybridantriebsstrang zwischen der elektrischen Maschine 10 und dem Fahrzeuggetriebe 16 ein Anfahrelement, z.B. eine weitere Kupplung eingefügt ist, die die drehfeste Verbindung zwischen der Welle 82 der elektrischen Maschine und der Eingangswelle 46 des Fahrzeuggetriebes 16 (und damit auch die drehfeste Verbindung zwischen der zweiten Planetengetriebe- welle 56 und der Eingangswelle 46) somit lösbar ausgeführt ist.
Die zusätzliche Startkupplung ermöglicht unter anderem, eine (nicht gezeigte) Batterie des Kraftfahrzeugs bei stillstehendem Fahrzeug aufzuladen, indem die Bremse 6 geschlossen und die Kupplung 42 geöffnet wird. Laden im Stand ist auch möglich, wenn Getriebe in Stellung "neutral". Beim Anfahren können die Bremse 6 und die Kupplung 42 gleichzeitig und unabhängig voneinander gelöst bzw. ganz oder teilweise geschlossen werden, um ein gewünschtes Drehmoment an der Eingangswelle 46 des Fahrzeuggetriebes zu erzielen. Ein unerwünschter Einfluss des Starts der Brennkraftmaschine 2 auf das auf die Räder 18 übertragene Drehmoment kann durch vollständiges oder teilweises Lösen der Kupplung vermieden werden. Insbe- sondere bei schleifendem Betrieb der Bremse 6 und der Kupplung 42 lässt sich die entstehende Reibungswärme leichter abführen, da sie in zwei voneinander getrennten Funktionselementen 6, 42 verteilt entsteht.
Das gezeigte Antriebstrangmodul 52, das wahlweise auch den Torsionsschwingungsdämpfer 4 mit umfassen kann, zeichnet sich durch eine äußerst kleine Baugröße und insbesondere durch eine äußerst kurze Baulänge in Richtung des Kraftflusses aus. Es ermöglicht daher eine breite Anwendung zur Konstruktion von Hybridantrieben auf der Grundlage existierender oder gleichzeitig zu entwickelnder konventioneller Antriebsstränge. Das Antriebsstrangmodul 52 kann dabei sowohl - wie in der vorliegenden Ausführungsform - mit einem z.B. vom zugrundeliegenden konventionellen Antriebsstrang übernommenen Anfahrelement 42 kombiniert werden, als auch eine Startkupplung oder einen Drehmomentwandler, die im zugrundeliegenden konventionellen Antriebsstrang vorgesehen sind, ersetzen. Die kurze Baulänge des Antriebsstrangmoduls 52 ermöglicht dabei, den durch die entfallende Startkupplung oder den entfallenden Drehmomentwandler freigewordenen Bauraum zur Bereitstellung eines Kraft- fahrzeugs mit Hybridantrieb zu nutzen.

Claims

Ansprüche
1. Antriebsstrangmodul (52) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (2) und einem Fahrzeuggetriebe (16), wobei das Antriebsstrangmodul (52) umfasst:
- ein Planetengetriebe (8) mit einer ersten (54), zweiten (56) und dritten (58) Plane- tengetriebewelle, wobei die erste Planetengetriebewelle (54) zur drehfesten Verbindung mit einer Kurbelwelle (44) der Brennkraftmaschine (2) und die zweite Planetengetriebewelle (56) zur drehfesten Verbindung mit einer Eingangswelle (46) des Fahrzeuggetriebes (16) ausgebildet ist;
- eine elektrischen Maschine (10), welche mit der zweiten Planetengetriebewelle (56) drehfest verbunden ist; und
- eine Bremse (6), welche bei Betätigung die dritte Planetengetriebewelle (58) abbremst.
2. Antriebsstrangmodul (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Planetengetriebewelle (54) mit einem Sonnenrad (26) des Planetengetriebes (8) drehfest verbunden ist.
3. Antriebsstrangmodul (52) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Planetengetriebewelle (56) mit einem Hohlrad (70) des Planetengetriebes (8) drehfest verbunden ist.
4. Antriebsstrangmodul (52) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) einen Rotor (30) umfasst, welcher an einem äußeren Umfang des Hohlrads (70) ausgebildet ist.
5. Antriebsstrangmodul (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Planetengetriebewelle (58) mit einem Planetenradträger (74) des Planetengetriebes (8) drehfest verbunden ist.
6. Antriebsstrangmodul (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Torsionsschwingungsdämpfer (4) vorgesehen ist, welcher insbesondere mit der ersten Planetengetriebewelle (54) drehfest verbunden ist.
7. Antriebsstrangmodul (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (6) als Lamellenbremse, Keilbremse, Scheibenbremse oder Bandbremse ausgebildet ist.
8. Antriebsstrang (80) für ein Kraftfahrzeug, mit: - einer Brennkraftmaschine (2), welche eine Kurbelwelle (44) aufweist;
- einem Fahrzeuggetriebe (16), welches eine Eingangswelle (46) aufweist; und
- einem Antriebsstrangmodul (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei die erste Planetengetriebewelle (54) drehfest mit der Kurbelwelle (44) und die zweite Planetengetriebewelle (64) drehfest mit der Eingangswelle (46) verbunden ist.
9. Antriebsstrang (80) für ein Kraftfahrzeug, mit:
- einer Brennkraftmaschine (2), welche eine Kurbelwelle (44) aufweist;
- einem Fahrzeuggetriebe (16), welches eine Eingangswelle (46) aufweist;
- einer Kupplung (42), welche eine erste (90) und eine zweite (92) Kupplungswelle aufweist; und
- einem Antriebsstrangmodul (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; wobei die erste Planetengetriebewelle (54) drehfest mit der Kurbelwelle (44), die zweite Planetengetriebewelle (64) drehfest mit der ersten Kupplungswelle (90), und die zweite Kupplungswelle (92) drehfest mit der Eingangswelle (46) verbunden ist.
10. Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang (80) nach Anspruch 8 oder 9.
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