WO2014006016A1 - Hybridantriebsstrang für ein kraftfahrzeug, hybridfahrzeug und verwendung desselben - Google Patents

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WO2014006016A1
WO2014006016A1 PCT/EP2013/063885 EP2013063885W WO2014006016A1 WO 2014006016 A1 WO2014006016 A1 WO 2014006016A1 EP 2013063885 W EP2013063885 W EP 2013063885W WO 2014006016 A1 WO2014006016 A1 WO 2014006016A1
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WO
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output shaft
shaft
combustion engine
drive train
internal combustion
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PCT/EP2013/063885
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Georg-Friedrich LÜHRS
Dirk Zeise
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a hybrid powertrain for a motor vehicle having an internal combustion engine and an electric machine connected to a power electronics and an electrical energy store, which are connectable torque-transmitting with an output shaft.
  • the invention further relates to a motor vehicle with such
  • the invention relates to a particular use of such a hybrid vehicle.
  • Hybrid vehicles with two drive units namely an internal combustion engine and an electric machine, which can be operated in both motor and generator mode
  • an internal combustion engine and an electric machine which can be operated in both motor and generator mode
  • the principle of parallel hybrids is known, in which both the internal combustion engine and the electric machine in torque transmitting manner with the output shaft are connectable. The connection can be made selectively, resulting in a purely electrical or a pure
  • boost mode both drive units deliver positive torque to the
  • recuperation mode the electric machine operates in regenerative mode and takes kinetic energy from the output shaft to convert it into electrical energy. This can be done, for example, in the case of deceleration of the motor vehicle. Alternatively, an excess power provided by the internal combustion engine during operation at the optimum operating point but not required in the current driving situation at the drive wheels can also be recuperated in this way. In all known concepts of the parallel hybrid, the coupling of the two takes place
  • Power-split transmissions always comprise at least two electric machines and a plurality of planetary gear sets, the individual elements of which are connectable via switchable clutches to one another or via brakes to a transmission housing.
  • the above-outlined operating modes and in these possibly different driving levels can be realized, wherein the setting of an appropriate translation in a downstream manual transmission or by correspondingly complex structure of the power-split transmission can be made steplessly in this.
  • the downstream gearbox is often resorted to concepts purely internal combustion engine powertrains, in particular to the dual-clutch transmission, which allows a Switzerlandkraftunterbrechungsbuild circuit.
  • DE 100 21 025 A1 uses the second electric machine instead of a dual-clutch transmission to ensure freedom from traction interruption.
  • Output shaft of the electric machine carry a plurality of output shaft pinions, each with a Sammelwellenritzel a spaced from the output shafts
  • Form-fitting clutches are individually connectable to the respective associated shaft, wherein the output shaft of the internal combustion engine is rigid, without a positive or non-positive coupling, connected to the internal combustion engine.
  • the present invention dispenses with a power-split transmission. Rather, it is provided to connect the output shafts of the electric machine and the internal combustion engine directly via switchable gear pairings with a collecting shaft whose designation already indicates their function (positive and negative) torque entries of both
  • an output shaft to which it is coupled to forward.
  • output shafts for example, the input shaft of a transverse differential of a driven axle or the output shafts of a longitudinal differential at a
  • the three main shafts i. the output shaft of the electric machine, the output shaft of the internal combustion engine and the collecting shaft are preferably parallel to each other, wherein the term "parallel" in the sense of the strictly mathematical definition also includes the alignment along the same straight line, i.e. a coaxial arrangement
  • the output waves to each other and / or the collecting wave to at least one of the output shafts are at a non-zero angle.
  • the gear pairings could then be e.g. be realized by bevel gears.
  • each output shaft is connected to the collecting shaft via one or more gear pairings which realize different gear ratios.
  • each output shaft and the collecting shaft each carry one or more pinions.
  • the direct coupling of the output shafts with the collecting shaft leads to a constant engagement of the output shaft pinions with the corresponding one
  • At least one pinion of each gear pairing is, if necessary, rotatably connected to the associated shaft or separable from this rotationally.
  • each gear pairing is selectively activatable or deactivatable, such that the effective coupling between the collecting shaft and one or both output shafts over individual ones
  • Gear pairs or selected combinations of gear pairs can be done. Specific embodiments will be explained below.
  • the output shafts are arranged radially spaced from each other.
  • the collecting wave is in this case between arranged preferably parallel output shafts. This arrangement is particularly favorable in terms of the axial space, but shows, as explained below, various limitations in functionality.
  • Output shaft pinion own a corresponding collecting shaft pinion must be provided, but at least two output shaft pinion, namely one which is coupled to the internal combustion engine, and one which is connected to the electric
  • the output shafts are arranged coaxially and axially adjacent to each other.
  • This embodiment requires an axially larger space, but is radially much more compact.
  • a plurality of output shaft pinions share a collecting shaft pinion; Therefore, it is preferable for each output shaft pinion own, corresponding
  • Corresponding collecting shaft pinion of a torque transmitting coupled to the output shaft second collecting shaft meshes.
  • the same pinions are preferably involved in these Ritzelcrustation, which also on the
  • the second collection wave is not necessarily a wave that "collects" moments of multiple aggregates in the strict sense of the word
  • Electric machine drive shaft and the engine drive shaft are preferably arranged coaxially with each other, wherein they are particularly preferably arranged through each other.
  • one of the output shafts preferably the output shaft of the electric machine, is designed as a hollow shaft, which from the other output shaft, in particular the
  • Output shaft of the internal combustion engine longitudinally interspersed.
  • This arrangement makes it possible to position the two drive units immediately adjacent to each other and together on one side of the transmission.
  • the electric machine can be arranged flanked on the one hand by the transmission and on the other by the internal combustion engine, wherein the output shaft of the internal combustion engine passes through the electric machine axially.
  • Output shaft coupling can be connected to each other. In this way, a direct torque flow between the internal combustion engine and the electric machine is made possible.
  • This direct penetration can be used for example for the electrical starting of the internal combustion engine by means of the electric machine or for direct drive of the generator-operated electric machine by the internal combustion engine.
  • the form-fitting clutches coupling the output shaft pinion and / or collecting shaft pinion with the respective associated shaft, for example, as synchronizers
  • an embodiment as a dog clutch can also be considered. Compared with the embodiment with synchronizers, this has the advantage of smaller installation space, lower weight and a less complex structure; However, the speed control of the electric and the internal combustion engine in the embodiment with pure dog clutch must be made much more precise and significantly more expensive.
  • the switchable connections between pinions and shafts are reduced to the output shaft pinions and the associated output shafts.
  • the one or more collecting shaft pinions are permanently connected in a rotationally fixed manner to the collecting shaft. This embodiment is especially possible if each output shaft pinion is assigned its own Sammelwellenritzel.
  • the internal combustion engine with a designed as a motor / generator and the power electronics and the
  • the starter unit differs from the electric machine essentially by their much smaller and lower-power construction. It is essentially for starting the
  • the starter unit may preferably be designed as a start / stop unit. This function corresponds to current energy savings concepts would be difficult to implement only with the large electric machine.
  • the present application also seeks to protect the preferred application of such a powertrain, namely a hybrid vehicle, which is characterized in that the drivetrain is designed as a drive train according to the invention.
  • a particular use of such a motor vehicle which in particular implements the above-described embodiment with a switchable output shaft coupling, as well as having an electrical connection interface connected to the power electronics and the electrical energy store, is the electric unit, i. as a so-called “emergency power generator", wherein the output shafts are rotatably connected to each other by means of the output shaft coupling, an electrical load is connected to the connection interface and the electric machine is operated in generator mode, while the internal combustion engine via the power electronics to operate at speeds according to the current power consumption
  • all gear pairs are between any one of the
  • Connection interface such as a mounted on the outer trunk drawer, conducts. At This socket, for example, electrical tools can be connected. To avoid unnecessary energy consumption while the speed of the internal combustion engine, comparable to a commercial emergency generator, according to the current
  • Figure 1 a schematic representation of the powertrain structure gem. a first
  • Figure 2 a schematic representation of the powertrain assembly gem. a second
  • Figure 3 a schematic representation of six hybrid driving stages using the example of
  • FIG. 4 shows a schematic representation of three electrical driving steps using the example of FIG.
  • Figure 5 a schematic representation of the emergency power operation using the example of
  • Figure 6 a schematic representation of the transmission structure gem.
  • Figure 7 a schematic representation of a development of the transmission structure gem.
  • Figure 8 a schematic representation of an embodiment of the invention with two
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the shaft arrangement in the embodiment according to FIG. 8. Detailed description of preferred embodiments
  • FIG. 1 shows a first preferred embodiment of a hybrid drive train 10 according to the invention.
  • the drive train 10 has two drive units, namely one
  • the output shafts of the drive units i. the engine output shaft 121 and the E engine output shaft 141 are coaxially aligned and disposed axially adjacent one another. What also falls within the scope of this description under the term "parallel.” At their mutually facing ends, the output shafts 121, 141 by means of a switchable
  • Output shaft coupling 16 is not essential to the operation of the invention, but constitutes a particularly preferred optional feature, the effect and advantages of which will be described in detail below.
  • the output shafts 121 and 141 carry pinions. In the case illustrated are on the
  • Engine output shaft 121 three pinion V1, V2 and V3 arranged; on the e-machine output shaft 141, two pinions E1 and E2 are arranged.
  • the pinions are assigned to different speed levels and therefore have different radii or
  • Both the engine output shaft 121 and the E engine output shaft 141 may have more or fewer pinions arranged therein.
  • Internal combustion engine output shaft 141 corresponding to a larger number
  • Internal combustion engine 12 is rigid, so without a positive or non-positive coupling, connected to the internal combustion engine 12. This also applies to the connection of the output shaft 141 of the electric machine 14 with the electric machine 14.
  • the inventive coupling By dispensing with a positive or non-positive coupling, the inventive
  • Hybrid drive train particularly compact and inexpensive to produce. Another advantage that benefits the space is significantly lower heat generation in the system by dispensing with a friction clutch. As will be explained later in detail, the waiver on a positive or non-positive coupling start in forward and reverse directions by means of the electric machine 14th
  • the pinions of the output shafts 121, 141 mesh with corresponding pinions on a parallel to the output shafts arranged collecting shaft 18.
  • the collecting shaft 18 is connected via a gear stage 20 to the output shaft 22, which transmits in a generally known manner an output torque to downstream components of the drive train.
  • Shown in the figures is a transverse differential, via which a drive torque is transmitted to the wheels, not shown, of a driven axle 26. It should be noted that the representation in the figures is not to be understood as true to the scale or in terms of the spatial orientation of the transverse differential. In particular, the axis 26 will generally be arranged perpendicular to the orientation chosen in the figures for reasons of clarity.
  • the sprockets arranged on the output shafts 121, 141 can be connected by means of synchronizers 28, 30, 32 to the respective shaft 121 or 141 carrying them in the embodiment shown.
  • Figure 1 shows all
  • each gear pair includes at least one switchable pinion.
  • the electric machine 14 is connected to a power electronics 36, an electrical energy storage, in particular an accumulator 38.
  • a start-stop unit is additionally provided, which is mechanically connected to the internal combustion engine and electrically connected to the power electronics 36 and the accumulator 38.
  • This start / stop unit the function of which, in particular, the starting of the electric machine and the recuperation of small amounts of kinetic energy, could basically also be met by the electric machine 14, is essentially used when an activation of the "large" "electric
  • FIG. 1 shows another preferred embodiment of the present invention.
  • the drive train 10 'shown here differs from the embodiment of FIG. 1 in FIG.
  • collecting shaft 18 is arranged between the two parallel output shafts 121, 141 and parallel to them.
  • two of the pinions of the collecting shaft 18 serve as corresponding pinions for both the pinions of the engine output shaft 121 and the E engine output shaft 141, so that the number of gears can be reduced as a whole.
  • synchronization 34 on the collecting shaft 18 is required.
  • a higher number of switchable pinion is required.
  • Figure 3 shows six driving levels of the hybrid operation of the drive train 10 gem. 1 are solid lines. The active, i. torque-loaded elements shown. The dotted elements are each disabled, i. they do not transmit a moment.
  • Synchronization 28 rotatably connected to the E-machine output shaft 141. Consequently, a moment is transmitted to the collecting shaft 18 via the corresponding collecting shaft pinion.
  • the following elements of the drive train are not shown to simplify the illustration.
  • the internal combustion engine 12 can be switched on by means of the synchronization 32, the pinion V1 with the
  • Internal combustion engine output shaft 121 is rotatably connected. About the corresponding collecting shaft gear now combustion engine torque is additionally on the
  • boost operation can be implemented, in which both drive units 12, 14 bring positive moment to the collecting shaft 18.
  • the electric machine 14 can also operate in generator mode and for the recuperation of
  • Combustion engine is switched on only at sufficient speed, can be dispensed with a classic starting clutch. Their task is taken over by the electric machine 14, so to speak.
  • Figure 3c illustrates the next higher gear, wherein the synchronization 28 is switched, so that the pinion E1 is released from its rotationally fixed connection with the E-machine output shaft 141 and the pinion E2 is rotatably coupled to the output shaft 141.
  • the driving level acc. FIG. 3c differs from that according to FIG. Figure 3b thus only in a different translation of the entry of the electromotive torque. This transition is traction interruption free, since during the circuit of
  • FIG. 3 e shows a further drive stage which, by disengaging the synchronization 32 and engaging the synchronization 30, again changes the transmission of the internal momentum input of the internal combustion engine, wherein here, too, the electromotive torque
  • Figure 3f shows the highest, purely internal combustion engine gear ratio, in which the internal combustion engine torque with the same translation as in the driving gear gem. 3e registered, but the electric machine 14 is completely decoupled. This speed is suitable, for example, for high-speed cruises in which no recuperable excess torque of the internal combustion engine is generated and the electric machine 14 is also no longer able to boost.
  • FIG. 4 shows three different driving levels in purely electrical operation, for example in city operation.
  • the starting stage shown in Figure 4a corresponds to the starting stage gem.
  • FIG. 3a It is referred to the explained there.
  • the gear stage illustrated in FIG. 4b corresponds to a second electric gear stage with a different gear ratio, which is realized by switching the synchronization 28 from the pinion E1 to the pinion E2. Since the internal combustion engine 12 is not activated in purely electrical operation, a traction interruption must be accepted in this switching operation. However, it is conceivable, by suitable design of the electric machine 14, to cover all speeds required in city traffic with a single gear stage, so that the gear stage shown in FIG. 4b can be eliminated if necessary.
  • FIG. 4c shows the reverse operation, which, like the starting procedure, always takes place purely electrically.
  • the pinion E1 is non-rotatably connected to the E-machine output shaft 141, the electric machine 14, as indicated by the arrow, running backwards.
  • FIG. 5 shows a special switching state, which can not be designated as a driving step, because the synchronizers 28, 30 and 32 are connected such that none of the output shaft pinions is connected in a rotationally fixed manner to its output shaft. This means that no torque is transmitted to the collecting shaft 18 and thus to the further output. Rather, the torque of the internal combustion engine 12 from the output shaft 121 via the output shaft coupling 16 to the output shaft 141 of the electric machine 14th transfer. This runs in generator mode.
  • the switching state shown thus realizes a stationary "emergency power" unit.
  • the energy thus generated can be used, for example, for charging the in-vehicle accumulator when it is empty and no external voltage source is present.
  • namely a startup with the drive train according to the invention is possible only in electrical operation. This requires a minimum of stored electrical energy. In particular, the energy must be sufficient to accelerate the vehicle safely until a connection of the
  • a power socket 42 is provided on the motor vehicle, which is in communication with the power electronics 36 and the accumulator 38, this can be used as a connection interface for the electrical consumers when operated in the "emergency power" mode powertrain.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the invention, with only the transmission structure with the drive units being shown here, similar to FIGS. 3 to 5, for the sake of clarity.
  • the drive units 12, 14 together on one side of the transmission include the switchable arranged on the output shafts 121, 141 output shaft pinion positioned.
  • the output shaft 141 of the electric machine 14 is designed as a hollow shaft which is coaxially penetrated by the output shaft 121 of the internal combustion engine.
  • Figure 7 illustrates a development of the embodiment of Figure 6 for vehicles with multiple driven axles.
  • the collecting shaft 18 is formed as a hollow shaft, which is connected to the input shaft of a longitudinal differential 25, in particular with the differential carrier.
  • the two differential output shafts act here as output shafts, which couple the manner not shown, for example, the transverse differentials of the driven axles.
  • an output shaft 22 ' is returned coaxially through the hollow collecting shaft.
  • FIG. 9 shows a schematic cross-sectional representation of an embodiment of the first variant of the invention whose topology is illustrated in the overview sketch of FIG. These two figures will be discussed together below.
  • the arrangement shown will be briefly referred to below as a 3-shaft arrangement.
  • the drive train 10 is a development of the embodiment of Figure 1 with an additional, second collecting shaft 19. This has as well as the first collecting shaft 18 on three Sammelwellenritzel which mesh with the output pinions V1, V2, V3 of the engine output shaft 121, and a Output pinion forming a gear stage 21 with the output shaft 22.
  • connection is indicated by the dashed arrow line in Figure 8, the spatial shaft arrangement being more clearly apparent from Figure 9, where the moment transmitting positions are marked by black squares the second collecting shaft 19 and / or the gear stage 21 in comparison to the Sammelwellenritzeln the first collecting shaft 18 and the gear stage 20 can be the moment of
  • Combustion engine output shaft 121 must be connected, unlike in the embodiment of Figure 1, the collecting shaft pinion of both collecting waves designed as switchable idler sin sin, whereas the output shaft pinion V1, V2, V3 may be formed as fixed wheels.
  • the synchronizers 30, 32 are therefore displaced on the first collecting shaft 18 and serve for switching the collecting shaft pinion of the first collecting shaft 18.
  • corresponding synchronizers 31, 33 are arranged on the second collecting shaft 19, which serve for switching their Sammelwellenritzeln.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einer mit einer Leistungselektronik (36) und einem elektrischen Energiespeicher (38) verbundenen elektrischen Maschine (14), die drehmomentübertragend mit einer Abtriebswelle (22) verbindbar sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ausgangswelle (121) der Verbrennungskraftmaschine (12) und eine Ausgangswelle (141) der elektrischen Maschine (14) jeweils eine Mehrzahl von Ausgangswellenritzeln (V1, V2, V3; E1, E2) tragen, die jeweils mit einem Sammelwellenritzel einer - beabstandet von den Ausgangswellen (121, 141) angeordneten und mit der Abtriebswelle (22) gekoppelten - ersten Sammelwelle (18) kämmen, wobei Ausgangswellenritzel (V1, V2, V3; E1, E2) und/oder Sammelwellenritzel durch schaltbare Formschlusskupplungen einzeln mit der jeweils zugeordneten Welle verbindbar sind, wobei die Ausgangswelle (121) der Verbrennungskraftmaschine (12) starr, ohne eine form- oder kraftschlüssige Kupplung, mit der Verbrennungskraftmaschine (12) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, Hybridfahrzeug und Verwendung desselben
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer mit einer Leistungselektronik und einem elektrischen Energiespeicher verbundenen elektrischen Maschine, die drehmomentübertragend mit einer Abtriebswelle verbindbar sind.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen
Hybridantriebsstrang.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf eine besondere Verwendung eines derartigen Hybridfahrzeugs.
Stand der Technik
Hybridfahrzeuge mit zwei Antriebsaggregaten, nämlich einer Verbrennungskraftmaschine und einer elektrischen Maschine, die sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar ist, sind seit langem bekannt. Insbesondere ist das Prinzip des Parallelhybriden bekannt, bei dem sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch die elektrische Maschine in Drehmoment übertragender Weise mit der Abtriebswelle verbindbar sind. Die Verbindung kann dabei selektiv erfolgen, was zu einem rein elektrischen oder einem rein
verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb führt, oder kombiniert, wobei sowohl die elektrische Maschine als auch die Verbrennungskraftmaschine gleichzeitig mit der Abtriebswelle verbunden sind. Innerhalb des kombinierten Betriebs sind der Boostbetrieb und der Rekuperationsbetrieb bekannt. Im Boostbetrieb liefern beide Antriebsaggregate positives Drehmoment an die
Abtriebswelle; im Rekuperationsbetrieb arbeitet die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb und nimmt von der Abtriebswelle kinetische Energie ab, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Dies kann beispielsweise im Fall des Abbremsens des Kraftfahrzeugs erfolgen. Alternativ kann auch eine von der Verbrennungskraftmaschine bei deren Betrieb im optimalen Betriebspunkt geleistete, in der aktuellen Fahrsituation jedoch an den Antriebsrädern nicht verlangte Überschussleistung auf diese Weise rekuperiert werden. Bei allen bekannten Konzepten des Parallelhybrids erfolgt die Ankopplung der beiden
Antriebsaggregate über mehr oder weniger komplexe leistungsverzweigte
Getriebeanordnungen. Beispielhaft seien hier die DE 100 21 025 A1 sowie die
WO 2008/046185 A1 angegeben. Leistungsverzweigte Getriebe umfassen stets wenigstens zwei elektrische Maschinen und eine Mehrzahl von Planetensätzen, deren einzelne Elemente über schaltbare Kupplungen miteinander oder über Bremsen mit einem Getriebegehäuse verbindbar sind. Auf diese Weise lassen sich die oben skizzierten Betriebsmodi und in diesen ggf. unterschiedliche Fahrstufen realisieren, wobei die Einstellung einer angemessenen Übersetzung in einem nachgeschalteten Schaltgetriebe oder durch entsprechend komplexen Aufbau des leistungsverzweigten Getriebes stufenlos in diesem erfolgen kann. Im Fall des nachgeschalteten Schaltgetriebes wird häufig auf Konzepte rein verbrennungsmotorischer Antriebsstränge zurückgegriffen, wie insbesondere auf das Doppelkupplungsgetriebe, welches eine Zugkraftunterbrechungsfreie Schaltung ermöglicht. In der oben genannten
DE 100 21 025 A1 wird anstelle eines Doppelkupplungsgetriebes zur Sicherstellung der Zugkraftunterbrechungsfreiheit die zweite elektrische Maschine verwendet.
Diese bekannten Konzepte sind komplex und aufwendig im Aufbau, nachteilig im Hinblick auf den benötigten Bauraum und wegen der zweiten elektrischen Maschine auch teuer.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen im Wesentlichen
zugkraftunterbrechungsfrei schaltbaren Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug zur
Verfügung zu stellen, der einfacher im Aufbau und günstiger im Hinblick auf den
Bauraumbedarf ausgebildet ist.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine und eine
Ausgangswelle der elektrischen Maschine eine Mehrzahl von Ausgangswellenritzeln tragen, die jeweils mit einem Sammelwellenritzel einer beabstandet von den Ausgangswellen
angeordneten und mit der Abtriebswelle gekoppelten Sammelwelle kämmen, wobei
Ausgangswellenritzel und/oder die Sammelwellenritzel durch schaltbare
Formschlusskupplungen einzeln mit der jeweils zugeordneten Welle verbindbar sind, wobei die Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine starr, ohne eine form- oder kraftschlüssige Kupplung, mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. In grundlegender Abkehr von den bekannten Hybridantriebsstrang-Konzepten verzichtet die vorliegende Erfindung auf ein leistungsverzweigtes Getriebe. Vielmehr ist vorgesehen, die Ausgangswellen der elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine direkt über schaltbare Zahnradpaarungen mit einer Sammelwelle zu verbinden, deren Bezeichnung bereits auf ihre Funktion hindeutet, (positive wie negative) Momenteneinträge von beiden
Antriebsaggregaten zu sammeln und in Summe einer Abtriebswelle, mit der sie gekoppelt ist, zuzuleiten. Als Abtriebswellen können beispielsweise die Eingangswelle eines Querdifferentials einer angetriebenen Achse oder die Ausgangswellen eines Längsdifferentials bei einem
Mehrachsantrieb wirken.
Die drei Hauptwellen, d.h. die Ausgangswelle der elektrischen Maschine, die Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine und die Sammelwelle liegen vorzugsweise parallel zueinander, wobei der Begriff„parallel" im Sinne der streng mathematischen Definition auch die Ausrichtung entlang derselben Gerade, d.h. eine koaxiale Anordnung einschließt. Unterschiedliche
Ausführungsbeispiele hierzu sollen weiter unten erläutert werden. Es ist jedoch auch möglich dass die Ausgangswellen zueinander und/oder die Sammelwelle zu wenigstens einer der Ausgangswellen in einem von Null verschiedenen Winkel stehen. Die Zahnradpaarungen könnten dann z.B. durch Kegelräder realisiert sein.
Um unterschiedliche Übersetzungsstufen zu realisieren ist jede Ausgangswelle über ein oder mehrere Zahnradpaarungen, welche unterschiedlich Übersetzungsverhältnisse realisieren, mit der Sammelwelle verbunden. Hierzu tragen jede Ausgangswelle und die Sammelwelle jeweils ein oder mehrere Ritzel. Die direkte Kopplung der Ausgangswellen mit der Sammelwelle führt zu einem ständigen Eingriff der Ausgangswellenritzel mit dem jeweils korrespondieren
Sammelwellenritzel. Daher sind sämtliche Zahnradpaarungen schaltbar gestaltet, d.h.
wenigstens ein Ritzel jeder Zahnradpaarung ist bedarfsweise mit der zugehörigen Welle drehfest verbindbar bzw. von dieser rotatorisch trennbar. Dies führt im Ergebnis dazu, dass jede Zahnradpaarung selektiv aktivierbar oder deaktivierbar ist, sodass die effektive Kopplung zwischen der Sammelwelle und einer oder beiden Ausgangswellen über einzelne
Zahnradpaarungen oder ausgewählte Kombinationen von Zahnradpaarungen erfolgen kann. Konkrete Ausführungsbeispiele sollen weiter unten erläutert werden.
Mit dem vorgeschlagenen Konzept lassen sich alle bekannten Hybrid-Betriebsmodi realisieren ohne dass dem gewichts-, bauraum- und wegen der notwendigen zwei elektrischen Maschinen auch kostennachteiligen Ansatz leistungsverzweigter Getriebe gefolgt werden müsste.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangswellen radial beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Sammelwelle ist in diesem Fall zwischen den vorzugsweise parallelen Ausgangswellen angeordnet. Diese Anordnung ist im Hinblick auf den axialen Bauraum besonders günstig, zeigt jedoch, wie weiter unten erläutert, diverse Beschränkungen in der Funktionalität. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sammelwellenritzel sowohl mit einem von der
Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine als auch mit einem von der Ausgangswelle der elektrischen Maschine getragenen Ausgangswellenritzel kämmt. Dies bedeutet (was grundsätzlich auch für andere Ausführungsformen gilt), dass nicht für jedes
Ausgangswellenritzel ein eigenes korrespondierendes Sammelwellenritzel vorgesehen sein muss, vielmehr können sich wenigstens zwei Ausgangswellenritzel, nämlich eines, welches mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, und eines, welches mit der elektrischen
Maschine gekoppelt ist, ein Sammelwellenritzel, mit welchem sie beide kämmen, teilen. Diese Anordnung ist axial besonders kompakt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangswellen koaxial und einander axial benachbart angeordnet sind. Diese Ausführungsform benötigt einen axial größeren Bauraum, ist jedoch radial deutlich kompakter. Bei dieser Ausführungsform ist nicht vorgesehen, dass sich mehrere Ausgangswellenritzel ein Sammelwellenritzel teilen; daher ist bevorzugt für jedes Ausgangswellenritzel ein eigenes, korrespondierendes
Sammelwellenritzel vorgesehen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein
Ausgangswellenritzel der Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine mit einem
korrespondieren Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle gekoppelten zweiten Sammelwelle kämmt. Auf Seiten der Verbrennungsmotor-Ausgangswelle sind an diesen Ritzelpaarungen bevorzugt dieselben Ritzel beteiligt, die auch an den
Ritzelpaarungen mit der ersten Sammelwelle beteiligt sind. Dies bedeutet, dass zumindest für die Verbrennungskraftmaschine das Konzept der Sammelwelle ein weiteres Mal realisiert ist. Hierdurch wird weiterer axialer Bauraum eingespart, da jedes Ausgangswellenritzel der Verbrennungsmotor-Ausgangswelle sowohl mit einem Sammelwellenritzel der ersten
Sammelwelle als auch mit einem Sammelwellenritzel der zweiten Sammelwelle kämmt und somit je eine drehmomentübertragende Ritzelpaarung mit einzigartiger Übersetzung bildet. So können pro Ausgangswellenritzel der Verbrennungsmotor-Ausgangswelle zwei Gänge realisiert werden, was erneut eine erhebliche axiale Bauraumeinsparung bedeutet. Man beachte, dass es sich bei der zweiten Sammelwelle nicht zwingend um eine Welle handeln, die im strengen Wortsinn Momente mehrerer Aggregate„sammelt". Vielmehr liegt eine nur mit der
Verbrennungskraftmaschine interagierende Zwischenwelle vor, die jedoch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung analog zur ersten Sammelwelle ebenfalls an der Sammelwelle angesprochen werden soll. Die erläuterte Ausgestaltung, die zu einer auch radial extrem kompakten Bauform führt, lässt sich insbesondere dann realisieren, wenn, wie bevorzugt vorgesehen, die Abtriebswelle sowohl zu den Antriebswellen von Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine als auch zu jeder Sammelwelle parallel und radial beabstandet angeordnet ist. Lediglich die
Elektromaschinen-Antriebswelle und die Verbrennungsmotor-Antriebswelle sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet, wobei sie besonders bevorzugt einander durchgreifend angeordnet sind.
Bei einer Variante der Erfindung, die eine koaxiale Anordnung der beiden Ausgangswellen vorsieht, sind diese wenigstens bereichsweise einander umgreifend angeordnet. Das bedeutet, dass eine der Ausgangswellen, vorzugsweise die Ausgangswelle der elektrischen Maschine, als Hohlwelle ausgebildet ist, die von der anderen Ausgangswelle, insbesondere der
Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine, längs durchsetzt wird. Diese Anordnung gestattet es, die beiden Antriebsaggregate unmittelbar benachbart zueinander und gemeinsam auf einer Seite des Getriebes zu positionieren. Insbesondere kann die elektrische Maschine einerseits von dem Getriebe und andererseits von der Verbrennungskraftmaschine flankiert angeordnet sein, wobei die Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine axial durchsetzt.
Günstigerweise ist vorgesehen, dass die Ausgangswellen mittels einer schaltbaren
Ausgangswellenkupplung miteinander verbindbar sind. Hierdurch wird nämlich ein direkter Momentenfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine ermöglicht. Dieser direkte Durchgriff kann beispielsweise zum elektrischen Anlassen der Verbrennungskraftmaschine mittels der elektrischen Maschine oder zum direkten Antrieb der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine durch die Verbrennungskraftmaschine benutzt werden.
Die Formschlusskupplungen, die Ausgangswellenritzel und/oder Sammelwellenritzel mit der jeweils zugeordneten Welle koppeln, können beispielsweise als Synchronisierungen
ausgebildet sein. Alternativ kann auch eine Ausgestaltung als Klauenkupplung in Erwägung gezogen werden. Diese hat gegenüber der Ausführungsform mit Synchronisierungen den Vorteil geringeren Bauraums, geringeren Gewichts und eines weniger komplexen Aufbaus; allerdings muss die Drehzahlregelung der elektrischen sowie der Verbrennungskraftmaschine bei der Ausführungsform mit reinen Klauenkupplung deutlich präziser und deutlich aufwendiger gestaltet sein. Günstigerweise reduzieren sich die schaltbaren Verbindungen zwischen Ritzeln und Wellen auf die Ausgangswellenritzel und die zugeordneten Ausgangswellen. Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass das oder die Sammelwellenritzel dauerhaft drehfest mit der Sammelwelle verbunden sind. Diese Ausgestaltung ist vor allem dann möglich, wenn jedem Ausgangswellenritzel ein eigenes Sammelwellenritzel zugeordnet ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einer als Motor/Generator ausgebildeten und mit der Leistungselektronik und dem
Energiespeicher verbundenen Anlassereinheit verbunden ist. Die Anlassereinheit unterscheidet sich von der elektrischen Maschine im Wesentlichen durch ihren deutlich kleineren und leistungsärmeren Aufbau. Sie ist im Wesentlichen zum Anlassen der
Verbrennungskraftmaschine und zur Rekuperation geringer Energiemengen gedacht, wenn sich die Ankopplung der großen elektrischen Maschine energetisch nicht lohnt. Die Anlassereinheit kann bevorzugt als Start/Stop-Einheit ausgestaltet sein. Diese Funktion entspricht aktuellen Energieeinsparungskonzepten wäre jedoch allein mit der großen elektrischen Maschine nur schwer umsetzbar.
Neben dem Hybridantriebsstrang als solchem soll mit der vorliegenden Anmeldung auch die bevorzugte Anwendung eines solchen Antriebsstrangs, nämlich ein Hybridfahrzeug, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Antriebsstrang als ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang ausgebildet ist, unter Schutz gestellt werden.
Eine besondere Verwendung eines derartigen Kraftfahrzeugs, welches insbesondere die oben erläuterte Ausgestaltung mit einer schaltbaren Ausgangswellenkupplung realisiert, sowie eine mit der Leistungselektronik und dem elektrischen Energiespeicher verbundene elektrische Anschlussschnittstellte aufweist, ist die als ein elektrisches Aggregat, d.h. als ein sogenanntes „Notstromaggregat", wobei die Ausgangswellen mittels der Ausgangswellenkupplung drehfest miteinander verbunden werden, ein elektrischer Verbraucher an die Anschlussschnittstelle angeschlossen wird und die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird, während die Verbrennungskraftmaschine über die Leistungselektronik zu einem Betrieb bei Drehzahlen gemäß der aktuellen Leistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers angesteuert wird. Bei dieser Verwendung sind sämtliche Zahnradpaarungen zwischen irgendeiner der
Ausgangswellen und der Sammelwelle deaktiviert, d.h. es existiert kein Momentenfluss von irgendeinem der Antriebsaggregate zur Sammelwelle. Stattdessen treibt die
Verbrennungskraftmaschine über die Ausgangswellenkupplung direkt die elektrische Maschine an, welche die gelieferte mechanische Leistung in elektrische Leistung umsetzt, die von der Leistungselektronik unter Pufferung bei dem elektrischen Energiespeicher an die
Anschlussschnittstelle, z.B. eine an der äußeren Karossiere angebrachte Steckdose, leitet. An diese Steckdose können z.B. elektrische Arbeitsgeräte angeschlossen werden. Zur Vermeidung unnötigen Energieverbrauchs wird dabei die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, vergleichbar einem handelsüblichen Notstromaggregat, entsprechend der aktuellen
Leistungsanforderung des angeschlossen elektrischen Verbrauchers geregelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung des Antriebsstrangaufbaus gem. einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2: eine schematische Darstellung des Antriebsstrangaufbaus gem. einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3: eine schematische Darstellung von sechs Hybrid-Fahrstufen am Beispiel der
Ausführungsform von Figur 1 ,
Figur 4: eine schematische Darstellung von drei elektrischen Fahrstufen am Beispiel der
Ausführungsform von Figur 1 ,
Figur 5: eine schematische Darstellung des Notstrombetriebs am Beispiel der
Ausführungsform von Figur 1 ,
Figur 6: eine schematische Darstellung des Getriebeaufbaus gem. einer dritten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs,
Figur 7: eine schematische Darstellung einer Weiterbildung des Getriebeaufbaus gem.
der Ausführungsform von Figur 6,
Figur 8: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei
Sammelwellen,
Figur 9: eine Querschnittsdarstellung der Wellenanordnung bei der Ausführungsform gemäß Figur 8. Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
Figur 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybrid- Antriebsstrangs 10. Der Antriebsstrang 10 besitzt zwei Antriebsaggregate, nämlich eine
Verbrennungskraftmaschine 12 und eine elektrische Maschine 14. Die Ausgangswellen der Antriebsaggregate, d.h. die Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 121 und die E-Maschinen- Ausgangswelle 141 sind koaxial ausgerichtet und einander axial benachbart angeordnet. Was im Rahmen dieser Beschreibung auch unter den Begriff„parallel" fällt. An ihren aneinander zugewandten Enden sind die Ausgangswellen 121 , 141 mittels einer schaltbaren
Ausgangswellenkupplung 16 drehmomentübertragend miteinander verbindbar. Die
Ausgangswellenkupplung 16 ist für den Betrieb der Erfindung nicht zwingend erforderlich, stellt jedoch ein besonders bevorzugtes optionales Merkmal dar, dessen Wirkung und Vorteile weiter unten ausführlich beschrieben werden sollen.
Die Ausgangswellen 121 und 141 tragen Ritzel. Im dargestellten Fall sind auf der
Verbrennungsmotorausgangswelle 121 drei Ritzel V1 , V2 und V3 angeordnet; auf der E- Maschinen-Ausgangswelle 141 sind zwei Ritzel E1 und E2 angeordnet. Die Ritzel sind unterschiedlichen Fahrstufen zugeordnet und weisen daher unterschiedliche Radien bzw.
Zähnezahlen auf. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ritzelzahlen beschränkt. Sowohl auf der Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 121 als auch auf der E- Maschinen-Ausgangswelle 141 können mehr oder weniger Ritzel angeordnet sein,
entsprechend einer größeren oder kleineren Anzahl von Fahrstufen. Insbesondere bei
Verwendung einer leistungsstarken elektrischen Maschine 14 wird in der Praxis häufig eine einzige elektrische Fahrstufe, d.h. ein einziges Ritzel auf der E-Maschinen-Ausgangswelle 121 genügen. Demgegenüber kann es durchaus sinnvoll sein, mehr als drei Ritzel auf der
Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 141 , entsprechend einer größeren Zahl
verbrennungsmotorischer Fahrstufen, anzuordnen. Die Ausgangswelle 121 der
Verbrennungskraftmaschine 12 ist starr, also ohne eine form- oder kraftschlüssige Kupplung, mit der Verbrennungskraftmaschine 12 verbunden. Dies gilt ebenso für die Verbindung der Ausgangswelle 141 der elektrischen Maschine 14 mit der elektrischen Maschine 14. Durch den Verzicht auf eine form- oder kraftschlüssige Kupplung lässt sich der erfindungsgemäße
Hybridantriebsstrang besonders kompakt und kostengünstig herstellen. Ein weiterer Vorteil, der dem Bauraum zu Gute kommt ist deutlich geringere Wärmeentwicklung im System durch den Verzicht auf eine Reibkupplung. Wie später noch im Detail ausgeführt wird, bedingt der Verzicht auf eine form- oder kraftschlüssige Kupplung ein Anfahren in Vorwärts - und Rückwärtsrichtung mittels der elektrischen Maschine 14.
Die Ritzel der Ausgangswellen 121 , 141 kämmen mit entsprechenden Ritzeln auf einer parallel zu den Ausgangswellen angeordneten Sammelwelle 18. Die Sammelwelle 18 ist über eine Zahnradstufe 20 mit der Abtriebswelle 22 verbunden, die in grundsätzlich bekannter Weise ein Abtriebsmoment an nachgeordnete Komponenten des Antriebsstrangs überträgt. In den Figuren dargestellt ist ein Querdifferential, über das ein Antriebsmoment an die nicht dargestellten Räder einer angetriebenen Achse 26 übertragen wird. Man beachte, dass die Darstellung in den Figuren weder maßstäblich noch im Hinblick auf die räumliche Orientierung des Querdifferentials verbindlich zu verstehen ist. Insbesondere wird die Achse 26 in der Regel senkrecht zu der aus Anschaulichkeitsgründen in den Figuren gewählten Ausrichtung angeordnet sein.
Zur selektiven Aktivierung der einzelnen Gangstufen sind bei der gezeigten Ausführungsform die auf den Ausgangswellen 121 , 141 angeordneten Ritzel mittels Synchronisierungen 28, 30, 32 mit der sie jeweils tragenden Welle 121 bzw. 141 verbindbar. Figur 1 zeigt sämtliche
Synchronisierungen 28, 30, 32 im ausgerückten Zustand, sodass sämtliche dargestellten Ritzel lose auf ihren zugeordneten Wellen 121 , 141 gelagert sind. Demgegenüber sind die
korrespondierenden Ritzel der Sammelwelle 18 als Festräder ausgestaltet. Der Fachmann wird erkennen, dass alternativ oder zusätzlich auch die Ritzel der Sammelwelle 18 schaltbar ausgestaltet sein können. Wesentlich ist nur, dass jede Zahnradpaarung wenigstens ein schaltbares Ritzel enthält.
Weitere elektrische, Komponenten des Antriebsstrangs 10 sind in sehr grober Schematisierung dargestellt. So ist die elektrische Maschine 14 mit einer Leistungselektronik 36, einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator 38 verbunden. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich eine Start Stopp-Einheit vorgesehen, die mechanisch mit der Verbrennungskraftmaschine und elektrisch mit der Leistungselektronik 36 und dem Akkumulator 38 verbunden ist. Diese Start/Stopp-Einheit, deren Funktion, wie insbesondere das Anlassen der elektrischen Maschine und das Rekuperieren geringer Mengen kinetischer Energie, grundsätzlich auch von der elektrischen Maschine 14 erfüllt werden könnte, kommt im Wesentlichen dann zum Einsatz, wenn sich eine Aktivierung der„großen" elektrischen
Maschine 14 aus energetischen Gründen nicht lohnt. Zwingend erforderlich ist die Start/Stopp- Einheit 40 jedoch nicht. Weiter weist die Ausführungsform von Figur 1 noch eine Steckdose 42 auf, die mit den zuvor erläuterten elektrischen Komponenten in Verbindung steht. Ihre Funktion soll weiter unten noch näher erläutert werden. Figur 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der hier gezeigte Antriebsstrang 10' unterscheidet sich von der Ausführungsform von Figur 1 im
Wesentlichen durch die radiale Beabstandung der Ausgangswellen 121 und 141 . Die
Sammelwelle 18 ist in diesem Fall zwischen den beiden parallelen Ausgangswellen 121 , 141 und parallel zu diesen angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform dienen zwei der Ritzel der Sammelwelle 18 als korrespondierende Ritzel sowohl für Ritzel der Verbrennungsmotor- Ausgangswelle 121 als auch der E-Maschinen-Ausgangswelle 141 , sodass die Anzahl von Zahnrädern insgesamt reduziert werden kann. Allerdings ist zur Realisierung der gleichen Anzahl von Fahrstufen eine Synchronisierung 34 auf der Sammelwelle 18 erforderlich. Auch ist trotz geringerer Gesamtzahl an Ritzeln eine höhere Anzahl schaltbarer Ritzel erforderlich. Eine offensichtliche Einsparung im axialen Bauraum wird durch eine Vergrößerung des radialen Bauraums erkauft. Der Fachmann wird jeweils in Ansehung des Einzelfalls die Vor- und
Nachteile der einzelnen Ausführungsformen abzuwägen haben. Eine wesentliche Folge der radial beabstandeten Anordnung der Ausgangswellen 121 , 141 ist jedoch der Verlust der Möglichkeit einer direkten Kopplung der beiden Wellen mittels der Ausgangswellenkupplung 16, dessen Konsequenzen weiter unten beschrieben werden sollen. Im Übrigen erkennt der Fachmann eine gleiche bzw. analoge Funktionalität der Ausführungsformen von Figur 1 und Figur 2, sodass hier zur Vermeidung von Wiederholungen auf das oben Gesagte verwiesen werden kann.
Figur 3 stellt sechs Fahrstufen des Hybrid-Betriebes des Antriebsstranges 10 gem. Figur 1 dar. Mit durchgezogenen Linien sind jeweils die aktiven, d.h. momentenbelasteten Elemente gezeigt. Die punktiert dargestellten Elemente sind jeweils deaktiviert, d.h. sie übertragen kein Moment.
Das Anfahren erfolgt, wie in Figur 3a dargestellt, stets rein elektrisch. Hierzu ist das Ritzel E1 auf der E-Maschinen-Ausgangswelle 141 durch entsprechendes Einrücken der
Synchronisierung 28 drehfest mit der E-Maschinen-Ausgangswelle 141 verbunden. Folglich wird ein Moment über das korrespondierende Sammelwellen- Ritzel auf die Sammelwelle 18 übertragen. Die nachfolgenden Elemente des Antriebsstrangs sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht mehr dargestellt.
Sobald eine hinreichende Geschwindigkeit erreicht ist, kann die Verbrennungskraftmaschine 12 zugeschaltet werden, indem mittels der Synchronisierung 32 das Ritzel V1 mit der
Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 121 drehfest verbunden wird. Über das korrespondierende Sammelwellen-Zahnrad wird nun verbrennungsmotorisches Moment zusätzlich auf die
Sammelwelle 18 gebracht. Die Verteilung des elektromotorischen und des
verbrennungsmotorischen Momenteneintrags erfolgt gem. einer Regelung, die vom Fachmann im Grunde beliebig nach unterschiedlichen Kriterien und Prioritäten gestaltet sein kann.
Beispielsweise kann ein Boost-Betrieb realisiert sein, in dem beide Antriebsaggregate 12, 14 positives Moment auf die Sammelwelle 18 bringen. Andererseits kann die elektrische Maschine 14 jedoch auch im generatorischen Betrieb arbeiten und zur Rekuperation von
Überschussmoment der in ihrem optimalen Arbeitspunkt betriebenen
Verbrennungskraftmaschine 12 dienen, wenn die in diesem Arbeitspunkt gelieferte kinetische Energie am Abtrieb aktuell nicht benötigt wird. Es ist offensichtlich, dass beim Übergang von der Fahrstufe, gem. Figur 3a zur Fahrstufe gem. Figur 3b keine Zugkraftunterbrechung erfolgt. Da das Anfahren, wie oben erläutert, stets im elektrischen Betrieb erfolgt und die
Verbrennungsmaschine erst bei hinreichender Geschwindigkeit zugeschaltet wird, kann auf eine klassische Anfahrkupplung verzichtet werden. Deren Aufgabe wird sozusagen von der elektrischen Maschine 14 übernommen.
Figur 3c stellt die nächsthöhere Fahrstufe dar, wobei die Synchronisierung 28 umgeschaltet wird, sodass das Ritzel E1 aus seiner drehfesten Verbindung mit der E-Maschinen- Ausgangswelle 141 gelöst und das Ritzel E2 mit der Ausgangswelle 141 drehfest gekoppelt wird. Die Fahrstufe gem. Figur 3c unterscheidet sich von derjenigen gem. Figur 3b somit nur in einer unterschiedlichen Übersetzung des Eintrags des elektromotorischen Momentes. Auch dieser Übergang erfolgt zugkraftunterbrechungsfrei, da während der Schaltung der
Synchronisierung 28 eventuelle Momentenverluste ohne weiteres von der
Verbrennungskraftmaschine 12, die nach wie vor in momentenübertragender Verbindung mit der Sammelwelle 18 steht, ausgeglichen werden können.
Die nächsthöhere Fahrstufe ist in Figur 3d dargestellt, wobei die Übersetzung des Eintrags des verbrennungsmotorischen Momentes durch Umschalten der Synchronisierung 32 vom Ritzel V1 zum Ritzel V2 verändert wird. Die Unterbrechung des Eintrags verbrennungsmotorischen Momentes wird durch den fortbestehenden Eintrag elektromotorischen Momentes kompensiert.
Figur 3e zeigt eine weitere Fahrstufe, die durch Ausrücken der Synchronisierung 32 und Einrücken der Synchronisierung 30 erneut die Übersetzung des verbrennungsmotorischen Momenteneintrags verändert, wobei auch hier wegen der elektromotorischen
Momentenkompensation keine Zugkraftunterbrechung eintritt.
In allen vorgenannten Fahrstufen unter Einbeziehung verbrennungsmotorischen Momentes gilt bezüglich der Hybridmodi„Boosten" und„Rekuperieren" das in Verbindung mit Figur 3b gesagte. Figur 3f zeigt die höchste, rein verbrennungsmotorische Gangstufe, bei der das verbrennungsmotorische Moment mit der gleichen Übersetzung wie in der Fahrstufe gem. Figur 3e eingetragen, die elektrische Maschine 14 jedoch vollständig abgekoppelt wird. Diese Fahrstufe ist beispielsweise für Höchstgeschwindigkeitsfahrten geeignet, in denen kein rekuperierbares Überschussmoment der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird und die elektrische Maschine 14 auch nicht mehr zum Boosten in der Lage ist. Um hier
Wirkungsgradverluste durch das Mitschleppen der elektrischen Maschine, insbesondere bei Verwendung permanentmagneterregter elektrischer Maschinen, zu verhindern, erfolgt eine vollständige Abkopplung des elektrischen Antriebsaggregates, sodass dieses nicht mitrotieren muss. Es ist offensichtlich, dass auch beim Übergang in diese höchste Gangstufe keine Zugkraftunterbrechung erfolgt.
Aus dem oben erläuterten wird der Fachmann unschwer die Einzelheiten einer Schaltung in umgekehrter Schaltrichtung ableiten können.
Figur 4 zeigt drei unterschiedliche Fahrstufen im rein elektrischen Betrieb, beispielsweise im Stadtbetrieb. Die in Figur 4a dargestellte Anfahrstufe entspricht der Anfahrstufe gem. Figur 3a. Es wird auf das dort erläuterte verwiesen.
Die in Figur 4b dargestellte Fahrstufe entspricht einer zweiten elektrischen Fahrstufe mit anderer Übersetzung, die durch Umschalten der Synchronisierung 28 vom Ritzel E1 zum Ritzel E2 realisiert wird. Da im rein elektrischen Betrieb die Verbrennungskraftmaschine 12 nicht zugeschaltet ist, muss bei diesem Schaltvorgang eine Zugkraftunterbrechung in Kauf genommen werden. Allerdings ist es denkbar, durch geeignete Auslegung der elektrischen Maschine 14 sämtliche im Stadtverkehr erforderlichen Geschwindigkeiten mit einer einzigen Gangstufe abzudecken, sodass die in Figur 4b gezeigte Gangstufe ggf. entfallen kann.
Figur 4c zeigt den Rückwärtsbetrieb, der wie der Anfahrvorgang stets rein elektrisch erfolgt. Hierbei ist mittels der Synchronisierung 28 das Ritzel E1 drehfest mit der E-Maschinen- Ausgangswelle 141 verbunden, wobei die elektrische Maschine 14, wie durch den Pfeil angedeutet, rückwärts läuft.
Figur 5 schließlich zeigt einen besonderen Schaltzustand, der nicht als Fahrstufe bezeichnet werden kann, weil die Synchronisierungen 28, 30 und 32 so geschaltet sind, dass keines der Ausgangswellenritzel drehfest mit seiner Ausgangswelle verbunden ist. Dies bedeutet, dass kein Drehmoment auf die Sammelwelle 18 und somit auf den weiteren Abtrieb übertragen wird. Vielmehr wird das Moment der Verbrennungskraftmaschine 12 von deren Ausgangswelle 121 über die Ausgangswellenkupplung 16 auf die Ausgangswelle 141 der elektrischen Maschine 14 übertragen. Diese läuft im generatorischen Betrieb. Der gezeigte Schaltzustand realisiert somit ein ortsfestes„Notstrom' -Aggregat. Die so erzeugte Energie kann beispielsweise zum Aufladen des fahrzeuginternen Akkumulators verwendet werden, wenn dieser leer und keine externe Spannungsquelle vorhanden ist. Wie oben erläutert, ist nämlich ein Anfahren mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang nur im elektrischen Betrieb möglich. Dies setzt ein Minimum an gespeicherter elektrischer Energie voraus. Insbesondere muss die Energie ausreichen, um das Fahrzeug sicher solange zu beschleunigen, bis ein Zuschalten der
Verbrennungskraftmaschine 12 möglich wird. Liegt also der Ladezustand des Akkumulators unterhalb eines vorgegebenen Mindestmaßes kann der Antriebsstrang zunächst solange im „Notstrom' -Betriebszustand arbeiten, bis die erforderliche Akkumulatorladung erreicht ist.
Andererseits ist es jedoch auch möglich, den„Notstrom"-Betriebszustand zum stationären Betrieb externer elektrischer Verbraucher zu nutzen. Dies ist beispielsweise bei land-, garten- und forstwirtschaftlich genutzten Fahrzeugen von Interesse, wo der Einsatz leistungsstarker elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise Motorsägen, Motorsensen etc. in abgelegenen Gebieten erforderlich ist, wo keine elektrische Energieversorgung zur Verfügung steht. Ist, wie in den Figuren 1 und 2 bereits gezeigt, am Kraftfahrzeug eine Steckdose 42 vorgesehen, die mit der Leistungselektronik 36 und dem Akkumulator 38 in Verbindung steht, kann diese bei im „Notstrom' -Betriebszustand betriebenem Antriebsstrang als Anschlussschnittstelle für die elektrischen Verbraucher genutzt werden.
Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei hier der Anschaulichkeit halber ähnlich wie in den Figuren 3 bis 5 nur der Getriebeaufbau mit den Antriebsaggregaten gezeigt ist. Bezüglich der übrigen Komponenten wird auf Figur 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Bei dieser Ausgestaltung sind die Antriebsaggregate 12, 14 gemeinsam einseitig des Getriebes, umfassen insbesondere die schaltbar auf den Ausgangswellen 121 , 141 angeordneten Ausgangswellenritzel, positioniert. Die Ausgangswelle 141 der elektrischen Maschine 14 ist dabei als Hohlwelle ausgebildet, die koaxial von der Ausgangswelle 121 der Verbrennungskraftmaschine durchsetzt wird. Im Übrigen wird bzgl. des Aufbaus und der Funktionalität vollumfänglich auf das zu den Figuren 1 und 3 bis 5 erläuterte verwiesen.
Figur 7 stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform von Figur 6 für Fahrzeuge mit mehreren angetriebenen Achsen dar. Hierbei ist auch die Sammelwelle 18 als Hohlwelle ausgebildet, die mit der Eingangswelle eines Längsdifferentials 25, insbesondere mit dessen Differentialkorb verbunden ist. Die beiden Differentialausgangswellen wirken hier als Abtriebswellen, die nicht dargestellter Weise z.B. die Querdifferentiale der angetriebenen Achsen ankoppeln. Hierzu wird die eine Abtriebswelle 22' koaxial durch die hohle Sammelwelle zurückgeführt. Der Fachmann wird erkennen, dass dieses Konzept auch auf alle anderen gezeigten Ausführungsformen zur Realisierung eines Mehrachsantriebs übertragbar ist.
Figur 9 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der ersten Erfindungsvariante deren Topologie in der Übersichtskizze von Figur 8 verdeutlicht ist. Diese beiden Figuren sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden. Die gezeigte Anordnung soll im Folgenden kurz als 3-Wellen-Anordnung bezeichnet werden. Der Antriebsstrang 10" ist eine Weiterbildung der Ausführungsform von Figur 1 mit einer zusätzlichen, zweiten Sammelwelle 19. Diese weist ebenso wie die erste Sammelwelle 18 drei Sammelwellenritzel auf, die mit den Ausgangsritzeln V1 , V2, V3 der Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 121 kämmen, sowie ein Ausgangsritzel, das mit der Abtriebswelle 22 eine Zahnradstufe 21 bildet. Die Verbindung ist in Figur 8 durch die gestrichelte Pfeillinie angedeutet; die räumliche Wellenanordnung ist aus Figur 9 besser ersichtlich, wo die momentübertragenden Positionen durch schwarze Quadrate markiert sind. Durch die andere Durchmessergestaltung der Sammelwellenritzel der zweiten Sammelwelle 19 und/oder der Zahnradstufe 21 im Vergleich zu den Sammelwellenritzeln der ersten Sammelwelle 18 bzw. der Zahnradstufe 20 lässt sich das Moment der
Verbrennungskraftmaschine 12 auf dem Weg über die erste Sammelwelle 18 mit anderer Übersetzung als auf dem Weg über die zweite Sammelwelle 19 zur Abtriebswelle 22 leiten. Jedem Ausgangswellenritzel V1 , V2, V3 sind somit zwei unterschiedliche Gänge zugeordnet, wodurch sich die Anzahl der realisierbaren verbrennungsmotorischen Gänge bei gleicher axialer Baulänge gegenüber der Ausführungsform von Figur 1 verdoppelt. Da jedoch nur jeweils eine Sammelwelle 18, 19 zu einem Zeitpunkt drehmomentübertragend mit der
Verbrennungsmotor-Ausgangswelle 121 verbunden sein darf, müssen, anders als bei der Ausführungsform von Figur 1 , die Sammelwellenritzel beider Sammelwellen als schaltbare Losräder ausgebildet sin, wohingegen die Ausgangswellenritzel V1 , V2, V3 als Festräder ausgebildet sein können. Die Synchronisierungen 30, 32 sind daher auf die erste Sammelwelle 18 verlagert und dienen zur Schaltung der der Sammelwellenritzel der ersten Sammelwelle 18. Zusätzlich sind entsprechende Synchronisierungen 31 , 33 auf der zweiten Sammelwelle 19 angeordnet, die zur Schaltung von deren Sammelwellenritzeln dienen.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an
Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere stellen die in den Figuren dargestellten Anzahl von Ritzeln und entsprechenden Fahrstufen keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Bezugszeichenliste
10 Antriebsstrang
10' Antriebsstrang
12 Verbrennungskraftmaschine
121 Ausgangswelle von 12
14 elektrische Maschine
141 Ausgangswelle von 14
16 Ausgangswellenkupplung
18 erste Sammelwelle
19 zweite Sammelwelle
20 Zahnradstufe
21 Zahnradstufe
22 Abtriebswelle
22' Abtriebswelle
24 Querdifferential
25 Längsdifferential
26 angetriebene Achse
28 Synchronisierung
30 Synchronisierung
31 Synchronisierung
32 Synchronisierung
32 Synchronisierung
34 Synchronisierung
36 Leistungselektronik
38 Akkumulator
40 Start/Stopp-Einheit
42 Steckdose
E1 , E2 Ausgangswellenritzel auf 141
V1 , V2, V3 Ausgangswellenritzel auf 121

Claims

Patentansprüche
1. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einer mit einer Leistungselektronik (36) und einem elektrischen Energiespeicher (38) verbundenen elektrischen Maschine (14), die drehmomentübertragend mit einer
Abtriebswelle (22) verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Ausgangswelle (121 ) der Verbrennungskraftmaschine (12) und eine
Ausgangswelle (141 ) der elektrischen Maschine (14) jeweils eine Mehrzahl von
Ausgangswellenritzeln (V1 , V2, V3; E1 , E2) tragen, die jeweils mit einem
Sammelwellenritzel einer - beabstandet von den Ausgangswellen (121 , 141 )
angeordneten und mit der Abtriebswelle (22) gekoppelten - ersten Sammelwelle (18) kämmen, wobei Ausgangswellenritzel (V1 , V2, V3; E1 , E2) und/oder Sammelwellenritzel durch schaltbare Formschlusskupplungen einzeln mit der jeweils zugeordneten Welle verbindbar sind, wobei die Ausgangswelle (121 ) der Verbrennungskraftmaschine (12) starr, ohne eine form- oder kraftschlüssige Kupplung, mit der Verbrennungskraftmaschine (12) verbunden ist.
2. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangswellen (121 , 141 ) parallel zueinander angeordnet sind.
3. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Sammelwelle (18) parallel zu wenigstens einer der Ausgangswellen (121 , 141 ) angeordnet ist.
4. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangswellen (121 , 141 ) radial beabstandet voneinander angeordnet sind.
5. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Sammelwellenritzel der ersten Sammelwelle (18) sowohl mit einem von der Ausgangswelle (141 ) der Verbrennungskraftmaschine (12) als auch mit einem von der Ausgangswelle (141 ) der elektrischen Maschine (14) getragenen
Ausgangswellenritzel kämmt.
6. Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangswellen (121 , 141 ) koaxial und einander axial benachbart angeordnet sind.
7. Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangswellen (121 , 141 ) koaxial und wenigstens bereichsweise einander umgreifend angeordnet sind.
8. Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Ausgangswellenritzel (V1 , V2, V3) der Ausgangswelle (121 ) der Verbrennungskraftmaschine (12) mit einem korrespondierenden Sammelwellenritzel einer drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (22) gekoppelten zweiten Sammelwelle (19) kämmt.
9. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangswellen (121 , 141 ) mittels einer schaltbaren Ausgangswellenkupplung (16) miteinander verbindbar sind.
10. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Formschlusskupplungen als Synchronisierungen (28-34) ausgebildet sind.
1 1. Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Formschlusskupplungen als Klauenkupplungen ausgebildet sind.
12. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sammelwellenritzel dauerhaft drehfest mit der jeweils zugeordneten
Sammelwelle (18) verbunden sind.
13. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Sammelwelle (18) als Hohlwelle ausgebildet und mit einer Eingangswelle eines Längsdifferentials (25) verbunden ist, dessen zwei Differentialausgangswellen zwei Abtriebswellen (22, 22') des Antriebsstrangs (10) bilden, wobei eine der Abtriebswellen (22') koaxial innerhalb der hohlen Sammelwelle (18) geführt ist.
14. Hybridantriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbrennungskraftmaschine (12) mit einer als Motor/Generator ausgebildeten und mit der Leistungselektronik (36) und dem elektrischen Energiespeicher (38) verbundenen Anlassereinheit verbunden ist.
15. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anlassereinheit als Start/Stopp-Einheit (40) ausgestaltet ist.
16. Hybridfahrzeugs mit einem Antriebsstrang,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Antriebsstrang als ein Antriebsstrang (10, 10') nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
17. Verwendung eines Hybridfahrzeugs nach Anspruch 16, soweit rückbezogen auf Anspruch 9, welches eine mit der Leistungselektronik (36) und dem elektrischen Energiespeicher (38) verbundene elektrische Anschlussschnittstelle (42) aufweist, als elektrisches
Aggregat, wobei die Ausgangswellen (121 , 141 ) mittels der Ausgangswellenkupplung (16) drehfest miteinander verbunden werden, ein elektrischer Verbraucher an die
Anschlussschnittstelle (42) angeschlossen wird und die elektrische Maschine (14) im Generatorbetrieb betrieben wird, während die Verbrennungskraftmaschine (12) über die Leistungselektronik (36) zu einem Betrieb bei Drehzahlen gemäß der aktuellen
Leistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers angesteuert wird.
18. Verwendung eines Hybridfahrzeugs nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfahren des Kraftfahrzeugs ausschließlich mittels der elektrischen Maschine (14) erfolgt und eine Zuschaltung der Verbrennungskraftmaschine (12) erst ab einer hinreichenden Geschwindigkeit erfolgt.
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