WO2019201370A1 - Hybrid-antriebsstrang mit einem verbrennerleistungsstrang und mit einem elektroleistungsstrang - Google Patents

Hybrid-antriebsstrang mit einem verbrennerleistungsstrang und mit einem elektroleistungsstrang Download PDF

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WO2019201370A1
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internal combustion
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Sebastian Köpfler
Bernhard Walter
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K2006/4808—Electric machine connected or connectable to gearbox output shaft
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4825—Electric machine connected or connectable to gearbox input shaft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
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    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/70—Gearings
    • B60Y2400/73—Planetary gearings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/80—Differentials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 with a
  • Combustion power train and with an electric power train both for
  • combustion power train comprises at least the following components:
  • a torque clutch for connecting and disconnecting a
  • the electric power train comprises at least one electric machine
  • the hybrid powertrain further comprises a torque-transmitting reduction gear connected to the output in order to drive down a rotational speed of the internal combustion engine and of the electric machine.
  • the reduction gear has a direct combustion input stage and a direct electric input stage
  • variable transmission offset in parallel and / or arranged in axial overlap with the internal combustion engine
  • Hybrid powertrains for motor vehicles are known from the prior art, in which an internal combustion engine, usually a gasoline engine or Diesel engine, and an electric machine are provided, wherein the electric machine via the output, usually two drive wheels, is arranged for driving the motor vehicle.
  • the electric machine is connected in parallel or in series.
  • a full hybrid or PHEV hybrid designates, an electric machine for autonomous drive of the motor vehicle is set up.
  • an internal combustion engine together with a generator is adapted to generate electrical energy by means of which an accumulator can be loaded.
  • Internal combustion engine and / or from the generator at least to increase the torque of the electric machine, for example, the so-called boosting, can be delivered to the output. It is also known that a
  • Belting for example, a so-called CVT (English: Continuous Variable Transmission), is used as a variator for a continuously variable ratio between the internal combustion engine and the output. This makes it possible to operate the internal combustion engine always at the optimal load point.
  • CVT Continuous Variable Transmission
  • the generator is then coupled to the combustor via a direct connection or via a single gear stage.
  • the burner axis that is to say the (theoretical) axis of the torque output of the internal combustion engine, if the axial direction, radial direction or the circumferential direction and corresponding terms are used without explicitly referring to another flange.
  • the gear ratio is always related to the speed here.
  • the invention relates to a hybrid powertrain, comprising at least the following components:
  • an internal combustion engine having a drive shaft for outputting a torque
  • a belt-type transmission which is adapted to continuously translate a torque of the drive shaft variable
  • a torque clutch for connecting and disconnecting a
  • the hybrid powertrain is mainly characterized in that the arranged after the belt transmission (CVT variator) transmission device
  • hybrid powertrain may include:
  • a toothed chain stage disposed in front of the CVT variator, which may have a ratio of 1;
  • a separating element such.
  • the generator is designed in particular as a motor-generator, which can also generate a torque.
  • the used Planetary gear is a differential (preferred: spur gear) upstream and can be integrated into this.
  • the generator (motor generator) is arranged in front of the CVT variator, so that when
  • the invention further relates, alternatively or additionally, to a hybrid drive train with a combustion power train and with an electric power train, both for providing a torque to an output as required, wherein the combustion power train has at least the following components:
  • an internal combustion engine having a drive shaft for outputting a torque
  • variable transmission configured to variably translate a torque of the drive shaft
  • a torque clutch for connecting and disconnecting a
  • the electric power train comprises at least one electric machine with a rotor shaft for outputting a torque
  • the hybrid powertrain further comprises a torque-transmitting reduction gear connected to the output in order to drive down a rotational speed of the internal combustion engine and of the electric machine.
  • the hybrid powertrain is mainly characterized in that the
  • Electric power line has.
  • the hybrid powertrain is alternatively primarily characterized in that the variable transmission of the combustion engine power train offset in parallel and / or arranged in axial overlap with the internal combustion engine.
  • Torque transmission drive is provided.
  • the hybrid powertrain is formed according to at least two of the alternative embodiments mentioned here.
  • the hybrid powertrain is set up to reduce the available energy under the specification of the lowest possible carbon dioxide emissions
  • switching state 2 internal combustion engine or the Verbrenner sosstrang as a drive without electric machine.
  • switching state 3 electric machine and internal combustion engine form drive.
  • switching state 3 corresponds to switching state 3
  • the generator preferably suitable as a so-called motor generator as an electric machine for torque output
  • switching state 4a pure electric boosting or purely electric driving
  • switching state 4b total system boost or overall system driving
  • switching state 5a charging without combustion-side drive power
  • the output is still driven solely by the electric machine or the output takes up no torque.
  • switching state 5b a torque is additionally delivered from the internal combustion engine to the output
  • the internal combustion engine is preferably a piston engine with a crankshaft as drive shaft.
  • the drive shaft preferably comprises at least one
  • Torque damper for example, a dual-mass flywheel and / or a centrifugal pendulum to the torque output superimposed
  • Such a torque damper is preferably arranged in the torque flow before the belt transmission.
  • the generator is, as is apparent from the above description, adapted to receive a torque via its generator shaft and conversion into electrical energy.
  • the (engine) generator according to switching state 4b via its generator shaft with the output for torque output torque-transmitting connectable.
  • the generator and / or the electric machine of the electric power train for torque absorption is connected to transmit torque, so that the inertia energy of the output or a moving motor vehicle when decelerating converted into electrical energy and fed into an accumulator (switching state 6: recuperation, ie electric braking in electrical energy recovery via the adjustable magnetic resistance in the generator or the electrical machine of the electric power train). It is preferred that
  • Combustion engine decoupled from the output is electrically connected via an inverter directly to the electric machine, so that electrical energy generated at the generator is provided directly for use in the electrical machine.
  • the electrical machine of the electric power train is optimized to deliver the highest possible torque under the most efficient consumption, and preferably for torque absorption, so recuperation set up.
  • the rotor shaft without disconnect clutch is permanently connected to the output.
  • the electric machine is then besc civilet such that it outputs a torque at each power take-off on the output. With a torque strong compared to the electric machine
  • Internal combustion engine is preferably provided between the rotor shaft and the output an additional separating clutch or a freewheel.
  • Such a variable transmission is for example a shiftable gear stage transmission, a belt transmission, such as a chain drive, or other known or yet to be developed transmission.
  • the change of the translation is preferably made with an automatic, because a connection between speed of the motor vehicle and the
  • Engine speed often does not exist.
  • the torque receiving side of the internal combustion engine is referred to, and as the output side of the variable speed transmission, the torque output side is called the output side. This does not exclude that a torque runs in the reverse direction, for example, for recuperation of the output to the generator.
  • the torque clutch is, for example, a friction clutch, so that a relative speed is schlupfend einregelbar, or a dog clutch, with no or only a small relative speed to the output or the input (still to be reduced speed) may be present for the output.
  • the torque coupling is designed as a so-called wedge clutch with a hub cone and a (rounded) polygonal driver cone, preferably with a corresponding designed as a solid-state spring receiving cone. In such a wedge clutch relative speeds of 20 to 30 rev / min [revolutions per minute] are switchable, because the engagement is not purely positive, but frictionally formed.
  • the speed of the generator is freely adjustable and the speed of the drive shaft of the internal combustion engine is relatively accurately einregelbar at least after an annealing.
  • the relative speed can be adjusted to zero or at least sufficiently close to zero, so that switching of such a disconnect clutch in (almost) any state is possible.
  • a torque clutch in which slippage is permitted at high relative speeds is therefore not necessary.
  • Verbrenner insstrang a reduction gear provided by means of which burner-side speeds (halved engine speed after reduction with rigid and / or variable gearbox) in the range of above 250 rpm [two hundred and fifty revolutions per minute] to 3,500 rev / min
  • Driving speeds of about 70 rpm (equivalent to about 10 km / h [ten kilometers per hour] for a tire with a diameter of about 75 cm [seventy-five centimeters]) to about 1,500 rpm (then corresponds to about 200 km / h).
  • the combustion-side shaft for outputting torque at the output is hereinafter referred to as the output shaft.
  • a direct (reduction) stage is a single-stage torque transfer device.
  • Reduction gear on a single take-up shaft for example with a spur gear for the output shaft and a spur gear for the rotor shaft, so that both the Verbrenner orientalsstrang and the electric power train directly acting on the (common) take-up shaft of the reduction gear torque-transmitting.
  • the reduction gear has a take-up shaft and a coaxial reduction stage, preferably designed as one or a
  • the coaxial reduction stage is thus a structural part of the reduction gear and is preferred one Reduction gear as a unit manufacturable and preassembled without the need for a before dismantling in a use case Wiederausrhythmistics.
  • the coaxial reduction stage forms an intermediate receptacle for the
  • Electric power train wherein the electric machine is called high-revving, for example, a speed of up to 18,000 rev / min [eighteen thousand
  • the take-up shaft has a single (receiving) spur gear, wherein an intermediate wheel is preferably provided between the rotor shaft and the take-up spur gear.
  • This intermediate wheel merely forms an intermediate wheel for maintaining a required center distance between the electric machine of the
  • the rotor shaft acts on a separate (first receiving) spur gear of the take-up shaft and the output shaft on another (second
  • a plurality of said embodiment are combined, for example an idler with a coaxial reduction stage for the electric power train, wherein the coaxial reduction stage cooperates with a further reduction stage and the latter further reduction stage for the Verbrenner sosstrang forms a torque absorption.
  • the electric power train thus does not have its own or no off-axis reduction gear in each of the aforementioned embodiments.
  • at least the electrical side radial and / or axial space is saved.
  • the Verbrenner sosstrang preferably has in addition to the variable transmission and a speed-rigid combustion stage, and optionally a speed-rigid
  • variable transmission be torque-tight connected to the drive shaft, so that a torque continuously variable translatable to the output shaft of the
  • Combustion power train is transferable. It is here on a slipping
  • Torque clutch such as a friction clutch dispensed. This additional axial space is gained in the combustion engine power train.
  • Embodiment the variable transmission of the Verbrenner sosstrangs offset parallel and / or arranged in axial overlap with the internal combustion engine.
  • a single-stage speed-torque transmission such as a single-stage traction drive, such as chain drive, or a single gear stage.
  • a single-stage traction drive such as chain drive
  • a single gear stage a single gear stage.
  • the chain drive provides the advantage of a translation-independent distance between the input shaft of the variable transmission and the drive shaft.
  • the gear stage has a possibly even higher efficiency.
  • Torque transmission drive is preferably only a damper, for example, a dual-mass flywheel, provided.
  • a damper for example, a dual-mass flywheel
  • the generator is also parallel to the
  • Internal combustion engine arranged, particularly preferably with the generator shaft directly or via a speed-rigid, preferably single-stage, transmission with the
  • variable transmission for example, a belt drive, both the generator shaft and the drive shaft of the internal combustion engine downstream.
  • the generator and the internal combustion engine are thus in constant speed with each other
  • Torque transmitting connection preferably between the generator and the internal combustion engine is a detachable
  • Torque transfer clutch provided, more preferably between the Drive shaft of the internal combustion engine and the variable transmission, the generator with the variable transmission insoluble and thus permanently
  • Torque transmission clutch is then downstream of the variable transmission on the output side, so that the torque transmission between the output and the combustion engine power train can be interrupted with this additional torque transfer coupling.
  • Torque coupling directly so without further transmission elements, connected to the (single) input shaft of the variable transmission.
  • the shaft of the variable speed transmission which has a variable speed due to its variability in the ratio of the rigidly translated or untranslated speed of the internal combustion engine and / or the generator, is referred to as the output shaft of the variable speed transmission.
  • This output shaft is arranged on the output side of the variable transmission for torque output to the output.
  • the input shaft is configured to receive the torque from the internal combustion engine and / or from the generator.
  • this nominal assignment as input shaft or input side and output shaft or output side is, for example, for recuperation and / or use of the engine brake of the internal combustion engine a
  • the torque clutch comprises a plurality of separating clutches, so that hereby three switching states can be represented.
  • the torque coupling is arranged only at a single location in the torque transmission line, preferably as a structural unit.
  • the torque clutch for the disconnect couplings a common actuator and / or a coaxial hollow shaft guide on.
  • the torque coupling or at least one of the separating clutches is designed as only without a relative speed switchable separating clutch.
  • the separating clutch is designed as a dog clutch.
  • the separating clutch is designed as a so-called wedge clutch with a hub cone and a (rounded) polygonal driving cone, preferably with a designed as a solid-state spring corresponding receiving cone.
  • a wedge clutch with a hub cone and a (rounded) polygonal driving cone, preferably with a designed as a solid-state spring corresponding receiving cone.
  • relative speeds of 20 to 30 rev / min [revolutions per minute] are switchable, because the engagement is not purely positive, but frictionally formed.
  • the speed of the generator is freely adjustable. As a result, the relative speed can be adjusted to zero or at least sufficiently close to zero, so that switching of such a disconnect clutch in (almost) any state is possible.
  • a separating clutch, in which a slip is allowed at high relative speeds, is therefore not necessary.
  • the drive shaft, the generator shaft and the rotor shaft in the same axial
  • An internal combustion engine generally has a single direction of rotation, which is advantageous not only in terms of control but also by mechanical wiring, for example the camshaft for controlling the fuel inlet and exhaust gas outlet. So to avoid an expensive special solution, such an internal combustion engine should be used, which is set up, for example, to the right-handed torque output. Clockwise rotation is counterclockwise rotation when looking from the torque port side to the internal combustion engine.
  • the axial direction of the generator relative to the internal combustion engine, ie the torque port side, is the same here.
  • a return shaft is used in parallel to the drive shaft, while the generator with a single spur gear with this return shaft in the same direction of rotation for a
  • Torque transmission is connected or connected.
  • the internal combustion engine is with knowledge ladem or links embdem
  • Torque-rigid transmission between the variable transmission and the drive shaft and the torque-rigid transmission between the variable transmission and the generator shaft are to be matched according to the desired direction of rotation.
  • Each internal combustion engine optimal efficiency adjustable so that it does not have to be reduced because of space requirements.
  • the torque clutch in the combustion power train is for holding at least two of the following three switching states a. to c. set up:
  • Verbrenner sosstrang provided, so only a single torque clutch for interrupting a torque transmission of the
  • Such a torque clutch comprises two disconnect clutches or forms a disconnect clutch with three different positions.
  • the torque clutch is described here comprehensively as two separate disconnect couplings, wherein a single
  • Disconnect coupling has a switching state less compared to two disconnect couplings. For example, only a first torque connection between a first input shaft and the output shaft or only a second
  • Torque connection between a second input shaft and the output shaft and a disconnected position so no torque transmission, mapped.
  • a torque connection between all three shafts is possible.
  • the torque coupling is set up as a double switching element with three possible switching states, wherein preferably the internal combustion engine can only be connected to the variable transmission if at the same time the generator is also connected to the variable transmission.
  • the internal combustion engine without the generator with the output torque-transmitting connectable, in which case the generator can only be connected to the variable transmission, if at the same time the internal combustion engine is connected to the variable transmission.
  • the double switching element is locally limited and operable with a single supply line and control line. This saves installation space, but also simplifies installation and maintenance.
  • the additional switching state c. is for a separate connection of the internal combustion engine or the generator with the output set up. Thus, all of the aforementioned switching states of the hybrid powertrain can be mapped by means of this double switching element alone.
  • switching state a. is namely a boost, with additional slip clutch to the output also a starting by means of the generator, as well as simultaneously
  • Electric power train for switching in switching state a. is reached. This corresponds to a serial operation.
  • the switching state c.1 is advantageous.
  • the switching state c.1 is advantageous.
  • Machine of the electric power train to the output torque output is only additionally desired by internal combustion engine, without the generator being dragged.
  • a double switching element which four
  • Switching states can map, the switching states a., B., C.1 and c.2 are preferably imaged.
  • the generator shaft is comprised by means of a ring gear
  • Torque transmission unit speed-reducing connected to the variable transmission torque transmitting.
  • a planetary gear is on a small (radial) space a large reduction ratio of the
  • the torque transmission is carried out in one stage by means of the ring gear.
  • the space is particularly low, provided that a gear ratio as it is possible with a Planetenskylzgetriebe is not required. This applies to conventional starter generators, which
  • variable transmission is a belt transmission with a continuously variable
  • variable transmission is designed as a continuously variable belt transmission, for example as so-called CVT [English: continuous variable transmission] or as a thrust member drive.
  • Belting gear is set up to deliver a torque of the drive shaft of the internal combustion engine always with the desired speed to the output.
  • the translation is continuous and preferably adjustable without an additional gearbox.
  • a torque of the output and / or the generator shaft can always be delivered to the internal combustion engine at the desired speed via the belt drive. This is the
  • Reduction gear allows, when the generator coaxial or parallel offset by a single-stage translation is arranged in overlap with the input side of the belt drive.
  • the invariable, so speed-rigid, reduction gear is designed as a differential or structurally integrated into a differential.
  • a differential designed as a reduction gear for example, a differential, in which each stage, including the
  • Differential integrated reduction gear for example, only structurally integrated so that the differential with the balancing stages and the at least one reduction stage form a structural unit.
  • a reduction differential is arranged coaxially with the two driven shafts of the output.
  • the differential is designed as a spur gear differential.
  • a spur gear differential also referred to as planetary differential or Planetenierlzdifferential, has a particularly low space requirement.
  • high torques are transferable at low bearing loads.
  • the power-line-side recording wave or recording stage of the spur gear differential is preferably formed rigidly in one piece for the combustion engine power train and the electric power train.
  • at least one reduction stage can also be integrated into the spur gear differential, with a design which can be achieved with very little space.
  • a high reduction ratio is advantageous, for example, in high-torque drive units with low torque.
  • a motor vehicle which comprises a hybrid drive train according to an embodiment according to the above description, wherein the output comprises at least one drive wheel.
  • the proposed hybrid powertrain is compact design and is particularly flexible in terms of the arrangement of the components.
  • the generator shaft is not arranged in the axial extension of the drive shaft, but preferably the generator is axially overlapping axially parallel to the
  • a simple concept of a torque clutch can be used with which all desired switching states can be adjusted without slip.
  • only the input side of the variable transmission is a
  • torque coupling for example as a double switching element.
  • Passenger cars are assigned to a vehicle class according to, for example, size, price, weight and power, and this definition is subject to constant change according to the needs of the market.
  • cars of the class small cars and microcars are classified according to European classification of the class of Subcompact Car and in the British market they correspond to the class Supermini or the class City Car.
  • Examples of the micro car class are a Volkswagen up! or a Renault Twingo.
  • Examples of the small car class are an Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta or Renault Clio.
  • Well-known full hybrids in the small car class are the BMW i3, the Audi A3 e-tron or the Toyota Yaris Hybrid.
  • mid-range hybrid cars US definition: mid-size car or intermediate car
  • Hybrid cars of the upper class (after
  • Fig. 1 a hybrid drive train in a motor vehicle as a rear-wheel drive
  • FIG. 2 shows a detail of a combustion engine power train with a double switching element
  • 3 shows a detail of a hybrid drive train with a common take-up shaft on the reduction gear
  • Fig. 4 fragmentary a Flybrid powertrain with common
  • Fig. 5 a hybrid powertrain with belt transmission
  • Fig. 7 a hybrid powertrain with ring gear for the generator.
  • Fig. 1 shows a hybrid powertrain 1 in a motor vehicle 24. All components are shown schematically, the generator 8 is as a starter-generator (for driving the internal combustion engine 6) or as a motor-generator (for driving the internal combustion engine 6) or as a motor-generator (for driving the internal combustion engine 6) or as a motor-generator (for driving the internal combustion engine 6) or as a motor-generator (for driving the internal combustion engine 6) or as a motor-generator (for
  • the internal combustion engine 6 (combustion engine, internal combustion engine, VKM) is shown as a 6-cylinder internal combustion engine, but may also have a different number of cylinders.
  • the advantage of the axial compactness of the hybrid powertrain 1 is particularly large when a
  • Internal combustion engine 6 is used, which builds axially relatively long, such as a 6-cylinder in-line engine.
  • the hybrid powertrain 1 is shown in a motor vehicle 24 as a rear wheel drive, ie with a left drive wheel 4 and a right drive wheel 5 of the rear axle 31 as an output.
  • the hybrid drive train 1 is here optionally arranged transversely to the longitudinal axis 26. That is, here are the burner axis 27, the
  • the hybrid drive train 1 is arranged longitudinally or at least one motor axis transversely and at least one other motor axis along. Furthermore optional and independent of the hybrid powertrain 1 is arranged behind the cab 25. Alternatively, the hybrid drive train 1 is arranged at the front, ie in front of the driver's cabin at or above the front axle 32.
  • the hybrid powertrain 1 comprises a combustion power train 2 and an electric power train 3, each of which is shown here with a dashed box
  • the electric power train 3 has an electric machine 13 with a rotor shaft 14 and is by means of an electric input stage 17 permanently transmitting torque with that with a differential 42, for example
  • the combustion engine power train 2 comprises an internal combustion engine 6, which is shown schematically here as a 6-cylinder piston engine with clockwise-rotating drive shaft 7 (see first direction of rotation 20), and furthermore a generator 8 with a counterclockwise rotation
  • the internal combustion engine 6 is by means of a
  • Dual mass flywheel 30 via a here as traction drive with, for example, a chain as traction means 19 running torque transmission drive 18 with the
  • the generator 9 is by means of a single-stage (here Stirnrad-)
  • Torque transmission unit 23 also connected to the input side 33 of the variable transmission 10 to transmit torque.
  • the internal combustion engine 6 is in contrast to the generator 8 by means of a (second)
  • Torque clutch 12 for example, a wedge clutch
  • Input side 33 of the variable transmission 10 separable.
  • the output side 34 of the variable transmission 10 is connected via a combustion input stage 16 with the
  • Reduction gear 15 connectable.
  • This is a (first)
  • Torque clutch 11 is provided so that the combustion engine power train 2 of the output 4, 5 is completely separated. Also, the first torque clutch 11 is preferably designed without slippage, for example as a dog clutch. Optionally, only the first torque clutch 11 or only the second torque clutch 12 is provided.
  • FIG. 1 shows a section of a combustion engine power train 2 of FIG
  • Hybrid powertrain 1 as shown for example in Fig. 1, wherein here on the one hand, a dual switching element, the first torque clutch 11 and the second torque clutch 12 locally summarized.
  • the generator 8 is guided by a formed as Flohlwelle input side 33 of the variable transmission 10 and switchable with the input side 33 and separately switchable with the
  • Internal combustion engine 6 (here is a section of the
  • the variable transmission 10 is here as a belt transmission with a
  • Umschlingstoff 35 indicated, which allows a continuous ratio between the input side 33 and the output side 34 (see FIG. 1), so that the internal combustion engine 6 is operable in an always optimal speed range.
  • Fig. 3 is a section of a flybridge powertrain 1 is shown, in which case the reduction gear 15 is integrated in a differential 42, which here as
  • Spurraddifferential is executed.
  • the differential 42 includes a left balance stage 38 for
  • the balancing stages 38, 39 distribute a torque introduced via the reduction gear 15 to the left drive wheel 4 and the right drive wheel 5, for example conventionally, after respective torque decrease or speed decrease.
  • the balancing stages 38, 39 also a (in this embodiment the same) reduction ratio based on the speed of less than 1 integrated.
  • the balancing stages 38 and 39 are not
  • the reduction gear 15 has here in Fig. 3 a common
  • This pickup shaft 36 forms both the combustion input stage 16 (for example, with the output side 34 of the variable transmission 10, see FIG. 1) and the electric input stage 17.
  • the electric input stage 17 also has an idler 41, which
  • the (here single common first) reduction stage 37 connects, in which purely by way of example a fixed Flohlrad has been selected, the
  • Planet carrier are mitbewegbar.
  • the left balancing stage 38 and the right balancing stage 39 are drivable via a planet carrier and the left
  • FIG. 4 shows a section of a flybridged drive train 1, which is almost identical to the illustration in FIG. 3 for the sake of clarity, and to that extent reference is made to the preceding description. Flier is unlike the
  • Embodiment of FIG. 3 shows a take-up shaft 36 with two spur gears, wherein one of the spur gears forms the combustion input stage 16 (right in the illustration) and the other spur gear forms the electric input stage 17. On an idler 41 in the electric input stage 17 has been omitted here.
  • FIG. 5 shows a flybridged drive train 1 in which, for the sake of clarity, the part of the detail shown in FIG. 4 is identical to that shown there, and to that extent reference is made to the preceding description.
  • the configuration of the electric power train 3 mirrored identical and the Verbrenner orientalsstrangs 2 similar to that shown in Fig. 1 and in this respect reference is made to the accompanying description.
  • the internal combustion engine 6 and the generator 8 is arranged mirrored, wherein the axial direction 22 of the drive shaft 7 and the generator shaft 9, but also the first rotational direction 20 of Drive shaft 7 and the second direction of rotation 21 of the generator shaft 9 are equal. This is the case because here the torque transmission drive 18 of the
  • variable transmission 10 is here as
  • Fig. 6 the electric power train 3 and the reduction gear 15 and the differential 42 of the flybridged powertrain 1 is shown, as for example in the architecture of the hybrid powertrain 1 according to the embodiment in Fig. 5 substituting the components shown.
  • the electric machine 13 is designed to be highly rotating, so that the speed range is significantly higher than in the common recording wave 36 for an integrated combustion input stage 16 is desired. Therefore, here a second reduction stage 40 is provided as a precursor to the first reduction stage 37, which, however, set up only to reduce the speed of the high-speed electric machine 13 and to the first reduction stage 37 of the reduction gear 15 mediating connected to this torque transmitting.
  • the torque input of the electric machine 13 initially passes through a single-stage electric input stage 17 as in the architecture of the
  • Hybrid drivetrain 1 according to FIG. 4 and FIG. 5 is provided.
  • the torque passes in the second reduction stage 40, in a hemstarr connected (second) sun gear, then on the (second) planet gears, which connected to a rotationally fixed to the common take-up shaft 36
  • Planet carrier are stored, further on a (second) ring gear on the (first) planet carrier of the first reduction stage 37.
  • the first reduction stage 37 is based on the Verbrenner sosstrang 2 identical as in Fig. 4 and Fig. 5 executed.
  • the left compensation stage 38 and the right compensation stage 38 are also implemented as described above.
  • Hybrid powertrain 1 as shown in Fig. 5, in which case in contrast to the generator shaft 9 of the generator 8 via a one-ring gear comprising a ring gear Torque transmission unit 23 underpinned with the input side 33 of the variable transmission 10 is connected to transmit torque. This is the second one

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem Verbrennerleistungsstrang und mit einem Elektroleistungsstrang, beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb, wobei der Verbrennerleistungsstrang zumindest die folgenden Komponenten aufweist: - eine Verbrennungskraftmaschine; - einen Generator; - ein variables Getriebe; und - eine Drehmomentkupplung zum Zuschalten und Abschalten einer Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine auf den Abtrieb, und wobei der Elektroleistungsstrang zumindest eine elektrische Maschine umfasst, und wobei der Hybrid-Antriebsstrang weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine umfasst. Der Hybrid-Antriebsstrang ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass - das Untersetzungsgetriebe eine direkte Verbrennereingangsstufe und eine direkte Elektroeingangsstufe aufweist; - das variable Getriebe parallel versetzt und/oder in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist; und/oder - in axialer Verlängerung der Antriebswelle einzig ein einstufiger drehzahlstarrer Drehmomentübertragungstrieb vorgesehen ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang ist eine äußerst bauraumsparende und flexibel an jeweilige Bauraumbedürfnisse anpassbare Architektur geschaffen.

Description

Hybrid-Antriebsstrang mit einem Verbrennerleistunqsstranq und mit einem
Elektroleistungsstrang
Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem
Verbrennerleistungsstrang und mit einem Elektroleistungsstrang, beide zum
bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb, wobei der Verbrennerleistungsstrang zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
eine Verbrennungskraftmaschine;
einen Generator;
ein variables Getriebe; und
eine Drehmomentkupplung zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine auf den Abtrieb, und wobei
der Elektroleistungsstrang zumindest eine elektrische Maschine umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine umfasst. Der
Hybrid-Antriebsstrang ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass
das Untersetzungsgetriebe eine direkte Verbrennereingangsstufe und eine direkte Elektroeingangsstufe aufweist;
das variable Getriebe parallel versetzt und/oder in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist; und/oder
in axialer Verlängerung der Antriebswelle einzig ein einstufiger drehzahlstarrer Drehmomentübertragungstrieb vorgesehen ist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist alternativ vor allem dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentkupplung mit drei Schaltzuständen eingangsseitig des variablen
Getriebes vorgesehen ist.
Aus dem Stand der Technik sind Hybrid-Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge bekannt, bei welchen eine Verbrennungskraftmaschine, meist ein Otto-Motor oder Diesel-Motor, und eine elektrische Maschine vorgesehen sind, wobei die elektrische Maschine über dessen Abtrieb, in der Regel zwei Antriebsrädern, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Die elektrische Maschine ist dabei parallel oder in Reihe geschaltet. Bei einem Voll-Hybrid oder PHEV-Hybrid bezeichnet, ist eine elektrische Maschine zum eigenständigen Antrieb des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Zudem ist eine Verbrennungskraftmaschine zusammen mit einem Generator dazu eingerichtet, elektrische Energie zu erzeugen, mittels welcher ein Akkumulator beladbar ist. Einige dieser Voll-Hybride sind dazu eingerichtet, dass von der
Verbrennungskraftmaschine und/oder von dem Generator zumindest zur Steigerung des Drehmoments der elektrischen Maschine, beispielsweise zum sogenannten Boosten, an den Abtrieb abgebbar ist. Zudem ist bekannt, dass ein
Umschlingungsgetriebe, beispielsweise ein sogenannter CVT (engl.: continuous variable transmission), als Variator für eine kontinuierlich veränderbare Übersetzung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Abtrieb eingesetzt wird. Dadurch ist es möglich, die Verbrennungskraftmaschine stets am optimalen Lastpunkt zu betreiben.
Im Stand der Technik ist zumindest der Generator in Verlängerung zur
Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Der Generator ist dann mit dem Verbrenner über eine direkte Verbindung oder über eine einzige Zahnradstufe angekoppelt.
Problematisch ist in vielen Anwendungsfällen, dass der Bauraum in einem Motorraum begrenzt ist, weil dieser beispielsweise konventionell ausgeführt ist und daher für einzig eine konventionelle Verbrennungskraftmaschine und eine Lichtmaschine (Generator allein zur Motordrehmomentaufnahme) ausreicht. Daher müssen aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um den benötigten Bauraum der
Aggregate zu verringern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Es wird im Folgenden auf die Verbrennerachse, also die (theoretische) Achse der Drehmomentabgabe der Verbrennungskraftmaschine, Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Flinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und
nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss. Wird im Folgenden von einer Untersetzung gesprochen, so ist damit ein Übersetzungsverhältnis kleiner 1 bezeichnet. Wird hingegen von einer Übersetzung gesprochen, so ist dies nicht auf ein
Übersetzungsverhältnis größer 1 beschränkt, sofern nicht explizit darauf hingewiesen wird oder es als Gegensatz zur Untersetzung genannt ist. Das Übersetzungsverhältnis wird hier stets auf die Drehzahl bezogen.
Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebswelle zur Abgabe eines Drehmoments;
einen Generator mit einer Generatorwelle zur Umwandlung eines
Drehmoments in elektrische Energie;
eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle zur Abgabe eines
Drehmoments;
ein Umschlingungsgetriebe, welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle kontinuierlich veränderbar zu übersetzen;
einen Abtrieb als Verbraucher eines von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine eingegebenen Drehmoments; und
eine Drehmomentkupplung zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung auf den Abtrieb. Der Hybrid-Antriebsstrang ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Umschlingungsgetriebe (CVT-Variator) angeordnete Getriebevorrichtung
(Untersetzungsstufe) des verbrennungsmotorischen Leistungszweigs und die nach der elektrischen Maschine angeordnete Getriebestufe(n) des elektrischen
Leistungszweigs in einer Planetenstufe mit vorgeschalteter Stirnradstufe
zusammengefasst sind, die an das Differential gekoppelt ist.
Weiterhin kann der Hybrid-Antriebsstrang umfassen:
ein Zwischenrad zur flexiblen Anbindung der elektrischen Maschine;
eine vor dem CVT-Variator angeordnete Zahnkettenstufe, wobei diese eine Übersetzung von 1 aufweisen kann;
ein Trennelement wie z. B. eine Kupplung, insbesondere Klauenkupplung zwischen CVT-Variator und Zahnkettenstufe; und
einen vor dem Variator angeordneten Generator mit einer festen Übersetzung zum Verbrenner, wobei der Generator insbesondere als Motor-Generator ausgebildet ist, der auch ein Drehmoment erzeugen kann.
Die hier vorgeschlagene Struktur des Hybrid-Antriebsstrangs weist in der
Verlängerung zum Verbrenner und nach dem Dämpfer/Zweimassenschwungrad nur noch eine Zahnkettenstufe oder eine Stirnradstufe auf. Der Rest des Getriebes ist seitlich an der Verbrennungskraftmaschine (Verbrenner) nach hinten, also parallel zur Längsachse des Verbrenners angeordnet.
Bei den bekannten Hybrid-Antriebssträngen sind üblicherweise separate doppelte Reduzierstufen im Drehmomentfluss vom verbrennungsmotorischen Zweig und vom elektromotorischen Zweig zum Differenzial hin vorgesehen. Auf diese redundanten Reduzierstufen kann nun verzichtet werden, da sie in einem Planetengetriebe und einer einzigen vorgeschalteten Stirnradstufe zusammengefasst sind. Dadurch kann jeweils im verbrennungsmotorischen und elektromotorischen Zweig eine
Untersetzungsstufe entfallen. Damit ergeben sich weniger Wellen und Lagerungen mit der Folge eines verbesserten Wirkungsgrads. Weiterhin kann zur flexibleren
Anbindung der elektrischen Maschine und zur optimalen Dimensionierung aller Stirnradstufen ein zusätzliches Zwischenrad angeordnet werden. Das eingesetzte Planetengetriebe ist einem Differential (bevorzugt: Stirnraddifferenzial) vorgeschaltet und kann in dieses integriert werden.
Durch den Einsatz des integrierten Planetengetriebes und dem damit verbundenen Abbau der redundanten Strukturen ergeben sich Vorteile hinsichtlich Bauraum und weiterer Integration der einzelnen Getriebeelemente in den Gesamtantrieb.
Zwischen der Zahnkettenstufe und dem CVT-Variator ist ein Trennelement
angeordnet, damit der Verbrenner abgekoppelt werden kann, während mit der Generator-E-Maschine (Motor-Generator) über den CVT-Variator gefahren wird. Der Generator (Motor-Generator) ist vor dem CVT-Variator angeordnet, damit beim
Generieren elektrischen Stroms der Variator nicht unter Last betrieben werden muss und beim Fahren mit der Generator-E-Maschine die Variatorspreizung genutzt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin alternativ oder ergänzend einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem Verbrennerleistungsstrang und mit einem Elektroleistungsstrang, beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb, wobei der Verbrennerleistungsstrang zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebswelle zur Abgabe eines Drehmoments;
einen Generator mit einer Generatorwelle zum Umwandeln eines
Drehmoments in elektrische Energie;
ein variables Getriebe, welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle veränderbar zu übersetzen; und
eine Drehmomentkupplung zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine auf den Abtrieb, und wobei
der Elektroleistungsstrang zumindest eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle zur Abgabe eines Drehmoments umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine umfasst. Der Hybrid-Antriebsstrang ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass das
Untersetzungsgetriebe eine direkte Verbrennereingangsstufe für den
Verbrennerleistungsstrang und eine direkte Elektroeingangsstufe für den
Elektroleistungsstrang aufweist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist alternativ vor allem dadurch gekennzeichnet, dass das variable Getriebe des Verbrennerleistungsstrangs parallel versetzt und/oder in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist alternativ vor allem dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Verlängerung der Antriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels des variablen Getriebes auf den Abtrieb einzig ein einstufiger drehzahlstarrer
Drehmomentübertragungstrieb vorgesehen ist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist alternativ vor allem dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentkupplung mit drei Schaltzuständen eingangsseitig des variablen
Getriebes vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Hybrid-Antriebsstrang nach zumindest zweien der hier genannten alternativen Ausführungsformen gebildet ist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, die vorhandene Energie unter der Vorgabe eines möglichst geringen Kohlenstoffdioxidausstoßes der
Verbrennungskraftmaschine über einen möglichst langen Zeitraum anzutreiben. Dazu ist meist ein vergleichsweise großer Akkumulator vorgesehen, welcher elektrische Energie speichert. Der Akkumulator soll möglichst von einer externen Energiequelle, als sogenannter Plug-In-Hybrid,„aus der Steckdose“ aufgeladen werden. Von diesem rein elektrischen Betrieb (Schaltzustand 1 : elektrische Maschine beziehungsweise der Elektroleistungsstrang ist und/oder der Motor-Generator sind einziger Antrieb) verspricht man sich einen insgesamt unter Einbeziehung effizienterer (elektrischer) Energieerzeuger, wie konventionelle Großkraftwerke und Erzeuger sogenannter erneuerbarer (elektrischer) Energie, verringerten Kohlenstoffdioxidausstoß und verringerten Ausstoß von gesundheitsgefährdenden Stoffen, wie beispielsweise Stickoxide und Feinstaub, im direkten Umfeld von großen Menschenansammlungen. Erst bei einem niedrigen Ladezustand des Akkumulators oder auch bei einem für die Verbrennungskraftmaschine lastoptimalen Betriebszustand (Überlandfahrt mit gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit) soll die Verbrennungskraftmaschine in Betrieb genommen werden (Schaltzustand 2: Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der Verbrennerleistungsstrang als Antrieb ohne elektrische Maschine). Alternativ wird die Verbrennungskraftmaschine bei einer gleichbleibenden Last unterstützend zugeschaltet (Schaltzustand 3: elektrische Maschine und Verbrennungskraftmaschine bilden Antrieb).
Gemäß einem weiteren Aspekt wird zum Erreichen eines hohen Drehmoments einzig die Verbrennungskraftmaschine (entspricht Schaltzustand 3) oder wird einzig der Generator, bevorzugt als sogenannter Motor-Generator als elektrische Maschine zur Drehmomentabgabe geeignet, (Schaltzustand 4a: rein elektrisches Boosten oder rein elektrisches Fahren) oder werden der (Motor-) Generator und die
Verbrennungskraftmaschine (Schaltzustand 4b: Gesamtsystem-Boosten oder Gesamtsystem-Fahren) zum Boosten der Drehmomentabgabe oder zum
längerzeitigen Anheben der Drehmomentabgabe der elektrischen Maschine zugeschaltet. Weiterhin soll bei einem niedrigen Ladezustand des Akkumulators mittels der Verbrennungskraftmaschine und dem Generator vorsorglich oder zum direkten Verbrauch elektrische Energie erzeugt werden. Dabei wird in einem Fall (Schaltzustand 5a: Aufladen ohne verbrennerseitige Antriebsleistung) weiterhin der Abtrieb allein von der elektrischen Maschine angetrieben oder der Abtrieb nimmt kein Drehmoment auf. In einem anderen Fall wird dabei zusätzlich ein Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine an den Abtrieb abgegeben (Schaltzustand 5b:
Aufladen mit verbrennerseitiger unterstützender Antriebsleistung).
Die Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt ein Kolbenmotor mit einer Kurbelwelle als Antriebswelle. Die Antriebswelle umfasst bevorzugt zumindest einen
Drehmomentdämpfer, beispielsweise ein Zweimassenschwungrad und/oder ein Fliehkraftpendel, um die Drehmomentabgabe überlagernde
Drehmomentschwingungen mit hohem Wirkungsgrad von dem übrigen Antriebsstrang zu entkoppeln. Ein solcher Drehmomentdämpfer ist bevorzugt im Drehmomentfluss vor dem Umschlingungsgetriebe angeordnet. Der Generator ist, wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, zur Aufnahme eines Drehmoments über seine Generatorwelle und Umwandlung in elektrische Energie eingerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der (Motor-) Generator gemäß Schaltzustand 4b über seine Generatorwelle mit dem Abtrieb zur Drehmomentabgabe drehmomentübertragend verbindbar. Weiterhin ist der Generator und/oder die elektrische Maschine des Elektroleistungsstrangs zur Drehmomentaufnahme drehmomentübertragend verbindbar, sodass die Trägheitsenergie des Abtriebs beziehungsweise eines fahrenden Kraftfahrzeugs beim Entschleunigen in elektrische Energie umgewandelt und in einen Akkumulator eingespeist wird (Schaltzustand 6: Rekuperation, also elektrisches Bremsen bei elektrischer Energierückgewinnung über den einregelbaren magnetischen Widerstand im Generator beziehungsweise der elektrische Maschine des Elektroleistungsstrangs). Dabei ist bevorzugt die
Verbrennungskraftmaschine vom Abtrieb abgekoppelt. Alternativ oder zusätzlich ist der Generator über einen Inverter direkt mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden, sodass am Generator erzeugte elektrische Energie direkt zur Nutzung in der elektrischen Maschine bereitgestellt ist.
Die elektrische Maschine des Elektroleistungsstrangs ist zur Abgabe eines möglichst hohen Drehmoments unter einem möglichst effizienten Verbrauch optimiert, und bevorzugt zur Drehmomentaufnahme, also Rekuperation, eingerichtet. Bei einer drehmomentstarken elektrischen Maschine ist die Rotorwelle ohne Trennkupplung dauerhaft mit dem Abtrieb verbunden. Die elektrische Maschine ist dann derart beschältet, dass sie bei jeder Leistungsabnahme am Abtrieb ein Drehmoment abgibt. Bei einer im Vergleich zu der elektrischen Maschine drehmomentstarken
Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt zwischen der Rotorwelle und dem Abtrieb eine zusätzliche Trennkupplung oder ein Freilauf vorgesehen.
Während mittels elektrischen Maschinen oftmals ein benötigter Drehzahlbereich und Drehmomentbereich ohne variable Übersetzung abdeckbar ist, ist der
Drehzahlbereich bei einem nutzbaren Drehmomentbereich einer
Verbrennungskraftmaschine derart begrenzt, dass eine variable Übersetzung notwendig ist. Dazu ist im Verbrennerleistungsstrang ein variables Getriebe
vorgesehen. Dieses ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment der Antriebswelle veränderbar zu übersetzen. Ein solches variables Getriebe ist beispielsweise ein schaltbares Zahnradstufengetriebe, ein Umschlingungsgetriebe, beispielsweise ein Schubkettentrieb, oder andere bekannte oder noch zu entwickelnde Getriebe. Die Veränderung der Übersetzung ist bevorzugt mit einer Automatik vorgenommen, weil ein Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und der
Motordrehzahl oftmals nicht besteht. Als Eingangsseite des variablen Getriebes wird die Seite zur Drehmomentaufnahme von der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet und als Ausgangsseite des variablen Getriebes wird die Seite zur Drehmomentabgabe an den Abtrieb bezeichnet. Dies schließt mitnichten aus, dass ein Drehmoment in umgekehrter Richtung verläuft, beispielsweise zur Rekuperation von dem Abtrieb auf den Generator.
Außerdem ist in dem Verbrennerleistungsstrang eine Drehmomentkupplung
vorgesehen, welche das Zuschalten und Abschalten einer Leistungsabgabe an den Abtrieb ermöglicht. Die Drehmomentkupplung ist beispielsweise eine Reibkupplung, wobei also eine Relativdrehzahl schlupfend einregelbar ist, oder eine Klauenkupplung, wobei keine oder nur eine geringe Relativdrehzahl zum Abtrieb beziehungsweise dem Eingang (noch zu untersetzender Drehzahl) zum Abtrieb vorliegen darf. Gemäß einer Ausführungsform ist die Drehmomentkupplung als eine sogenannte Wedge Clutch mit einem Nabenkonus und einem (abgerundet) polygonen Mitnehmerkonus, bevorzugt mit einem als Festkörperfeder ausgeführten korrespondierenden Aufnahmekonus ausgeführt. Bei einer solchen Wedge Clutch sind Relativdrehzahlen von 20 bis 30 U/min [Umdrehungen pro Minute] schaltbar, weil der Eingriff nicht rein formschlüssig, sondern kraftschlüssig gebildet ist. Die Drehzahl des Generators ist frei einregelbar und die Drehzahl der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine ist zumindest nach einem Anlassen relativ genau einregelbar. Dadurch ist die Relativdrehzahl auf null regelbar oder zumindest ausreichend nah an Null heranführbar, sodass ein Schalten einer solchen Trennkupplung in (nahezu) jedem Zustand möglich ist. Eine Drehmomentkupplung, bei welcher ein Schlupf bei großen Relativdrehzahlen zulässig ist, ist daher nicht notwendig.
Zum Abtrieb ist sowohl für den Elektroleistungsstrang als auch für den
Verbrennerleistungsstrang ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen, mittels welchem verbrennerseitige Drehzahlen (halbierte Motordrehzahl nach Untersetzung mit starrem und/oder variablem Vorgetriebe) im Bereich von oberhalb von 250 U/min [zweihundertfünfzig Umdrehungen pro Minute] bis 3.500 U/min
[dreitausendfünfhundert Umdrehungen pro Minute] oder mehr auf erforderliche
Drehzahlen von Antriebsrädern, beispielsweise Reifen, von etwa 70 U/min (entspricht etwa 10 km/h [zehn Kilometer pro Stunde] bei einem Reifen mit einem Durchmesser von etwa 75 cm [fünfundsiebzig Zentimeter]) bis etwa 1.500 U/min (entspricht dann etwa 200 km/h).
Weil die elektrische Maschine des Elektroleistungsstrangs in der Regel eine stark unterschiedliche Drehzahl zu der verbrennerseitigen Welle zur Drehmomentabgabe am Abtrieb aufweist, wurde bisher ein separates Getriebe für die elektrische Maschine vorgesehen. Die der verbrennerseitigen Welle zur Drehmomentabgabe am Abtrieb wird hier im Weiteren als Abtriebswelle bezeichnet.
Hier ist aber nun vorgeschlagen, auf ein elektroseitiges separates Getriebe zu verzichten. Stattdessen weist das Untersetzungsgetriebe eine direkte
Verbrennereingangsstufe für den Verbrennerleistungsstrang und eine direkte
Elektroeingangsstufe für den Elektroleistungsstrang auf. Eine direkte (Untersetzungs-) Stufe ist eine Einrichtung zur einstufigen Drehmomentübertragung.
In einer Ausführungsform ist also beispielsweise kein weiteres Zahnrad zwischen der Abtriebswelle des Verbrennerleistungsstrangs und dem Untersetzungsgetriebe und/oder kein weiteres Zahnrad zwischen der Rotorwelle der elektrischen Maschine und dem Untersetzungsgetriebe vorgesehen. Vielmehr weist das
Untersetzungsgetriebe eine einzige Aufnahmewelle auf, beispielsweise mit einem Stirnrad für die Abtriebswelle und einem Stirnrad für die Rotorwelle, sodass sowohl der Verbrennerleistungsstrang als auch der Elektroleistungsstrang direkt auf die (gemeinsame) Aufnahmewelle des Untersetzungsgetriebes drehmomentübertragend einwirken.
In einer Ausführungsform weist das Untersetzungsgetriebe eine Aufnahmewelle auf und eine koaxiale Untersetzungsstufe, bevorzugt ausgeführt als eine oder eine
Mehrzahl von Planetenwälzstufen. Die koaxiale Untersetzungsstufe ist damit baulicher Bestandteil des Untersetzungsgetriebes und bevorzugt ist ein solches Untersetzungsgetriebe als eine Baueinheit fertigbar und ohne das Erfordernis eines vor dem Einbau in einem Anwendungsfall Wiederauseinandernehmens vormontierbar. Die koaxiale Untersetzungsstufe bildet eine Zwischenaufnahme für den
Elektroleistungsstrang, wobei deren elektrische Maschine als hochdrehend bezeichnet wird, beispielsweise eine Drehzahl von bis zu 18.000 U/min [achtzehntausend
Umdrehungen pro Minute] oder sogar 25.000 U/min aufbringt. Dies ist vorteilhaft für ein hohes Drehmoment oder eine beispielsweise geringere radiale Ausdehnung der elektrischen Maschine, also eine hohe Leistungsdichte.
In einer Ausführungsform weist die Aufnahmewelle ein einziges (Aufnahme-) Stirnrad auf, wobei zwischen Rotorwelle und Aufnahmestirnrad bevorzugt ein Zwischenrad vorgesehen ist. Dieses Zwischenrad bildet lediglich ein Zwischenrad zum Einhalten eines erforderlichen Achsabstands zwischen der elektrischen Maschine des
Elektroleistungsstrangs und dem Untersetzungsgetriebe beziehungsweise Differential.
In einer Ausführungsform wirkt die Rotorwelle auf ein separates (erstes Aufnahme-) Stirnrad der Aufnahmewelle und die Abtriebswelle auf ein weiteres (zweites
Aufnahme-) Stirnrad der Aufnahmewelle.
In einer Ausführungsform sind mehrere der genannten Ausführungsform miteinander kombiniert, beispielsweise ein Zwischenrad mit einer koaxialen Untersetzungsstufe für den Elektroleistungsstrang, wobei die koaxiale Untersetzungsstufe mit einer weiteren Untersetzungsstufe zusammenwirkt und letztere weitere Untersetzungsstufe zugleich für den Verbrennerleistungsstrang eine Drehmomentaufnahme bildet.
Der Elektroleistungsstrang weist damit in jeder der vorgenannten Ausführungsformen kein eigenes oder kein außeraxiales Untersetzungsgetriebe auf. Damit wird zumindest elektroseitig radialer und/oder axialer Bauraum eingespart. Weiterhin entfallen Wellen und Lagerungen, womit der Wirkungsgrad verbessert ist.
Der Verbrennerleistungsstrang weist bevorzugt neben dem variablen Getriebe und einer drehzahlstarren Verbrennerstufe, sowie optional einer drehzahlstarren
Generatorstufe, kein weiteres eine Drehzahl der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der Generatorwelle des Generators veränderndes Getriebe auf.
Gemäß einem Aspekt ist optional vorgeschlagen, dass das variable Getriebe drehmomentfest mit der Antriebswelle verbunden ist, sodass ein Drehmoment kontinuierlich veränderbar übersetzend auf die Abtriebswelle des
Verbrennerleistungsstrangs übertragbar ist. Es wird hier auf eine schlupfende
Drehmomentkupplung, beispielsweise eine Reibkupplung, verzichtet. Damit ist zusätzlich axialer Bauraum im Verbrennerleistungsstrang gewonnen.
Mit dem Reduzieren der Stufen beziehungsweise dem Integrieren der Stufen in das (gemeinsame) Untersetzungsgetriebe beider Leistungsstränge ist zudem im Vergleich zu einer konventionellen Anordnung ein erhöhter Wirkungsgrad erreichbar.
Bei einem Hybrid-Antriebsstrang in einer alternativen oder ergänzenden
Ausführungsform ist das variable Getriebe des Verbrennerleistungsstrangs parallel versetzt und/oder in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine angeordnet.
Diese Ausführungsform ist unabhängig von der zuvor genannten Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs insofern, dass nicht zwangsläufig das
Untersetzungsgetriebe eine direkte Verbrennereingangsstufe für den
Verbrennerleistungsstrang und eine direkte Elektroeingangsstufe für den
Elektroleistungsstrang aufweisen. Im Übrigen wird auf die vorhergehende
Beschreibung verwiesen.
Für einige Anwendungen ist gerade der axiale Bauraum für die
Verbrennungskraftmaschine, ob nun quer oder längs zur Fahrtrichtung des
Kraftfahrzeugs eingebaut, bereits durch die axiale Baulänge der
Verbrennungskraftmaschine ausgereizt. Hier ist es besonders vorteilhaft, einen Großteil der Aggregate parallel und/oder in axialer Überlappung zu der
Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Bisher war man der Meinung, dass es insgesamt vorteilhafter ist, wenn ein Versatz der drehmomentübertragenden Welle hin zum Abtrieb von dem variablen Getriebe übernommen wird. Es hat sich aber herausgestellt, dass gerade der Bauraum neben der Verbrennungskraftmaschine durchaus bei geschickter Verschachtelung ausreichend Bauraum bereithält, weil die Verbrennungskraftmaschine nicht die Form eines Quaders, sondern teilweise (auch als Reihenmotor) eine V-Form und Rücksprünge aufweist.
Bei einem Flybrid-Antriebsstrang in einer alternativen oder ergänzenden
Ausführungsform ist in axialer Verlängerung der Antriebswelle zur
Drehmomentübertragung mittels des variablen Getriebes auf den Abtrieb einzig ein einstufiger drehzahlstarrer Drehmomentübertragungstrieb vorgesehen.
Hier ist vorgeschlagen, die Drehmomentübertragung hin zu dem variablen Getriebe mittels eines einstufigen drehzahlstarren Drehmomentübertragungstriebs zu bilden, beispielsweise einen einstufigen Zugmitteltrieb, beispielsweise Kettentrieb, oder eine einzige Zahnradstufe. Damit ergeben sich weniger Wellen und Lagerungen mit der Folge eines verbesserten Wirkungsgrads. Bevorzugt ist damit ein paralleler Versatz gebildet. Der Kettentrieb schafft den Vorteil einer übersetzungsunabhängigen Distanz zwischen der Eingangswelle des variablen Getriebes und der Antriebswelle. Die Zahnradstufe weist einen unter Umständen noch höheren Wirkungsgrad auf.
Zwischen der Antriebswelle und dem einstufigen drehzahlstarren
Drehmomentübertragungstrieb ist bevorzugt lediglich ein Dämpfer, beispielsweise ein Zweimassenschwungrad, vorgesehen. Damit ist der benötigte axiale Bauraum in Verlängerung der Verbrennungskraftmaschine sehr gering.
Besonders bevorzugt ist der Generator ebenso parallel zu der
Verbrennungskraftmaschine angeordnet, besonders bevorzugt mit der Generatorwelle direkt oder über ein drehzahlstarres, bevorzugt einstufiges, Getriebe mit der
Eingangswelle des variablen Getriebes verbunden. Somit ist das variable Getriebe, beispielsweise ein Umschlingungsgetriebe, sowohl der Generatorwelle als auch der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltet. Der Generator und die Verbrennungskraftmaschine stehen damit drehzahlstarr miteinander in
Drehmomentübertragender Verbindung. Allerdings ist bevorzugt zwischen dem Generator und der Verbrennungskraftmaschine eine lösbare
Drehmomentübertragungskupplung vorgesehen, besonders bevorzugt zwischen der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und dem variablen Getriebe, wobei der Generator mit dem variablen Getriebe unlösbar und damit dauerhaft
drehmomentübertragend verbunden ist. Eine weitere
Drehmomentübertragungskupplung ist dann dem variablen Getriebe abtriebseitig nachgeschaltet, sodass mit dieser weiteren Drehmomentübertragungskupplung die Drehmomentübertragung zwischen dem Abtrieb und dem Verbrennerleistungsstrang unterbrechbar ist.
Bei einem Hybrid-Antriebsstrang in einer alternativen oder ergänzenden
Ausführungsform ist eine Drehmomentkupplung mit drei Schaltzuständen
eingangsseitig des variablen Getriebes vorgesehen.
Gemäß der hier aufgezeigten Ausführungsform ist die Drehmomentkupplung zwischen dem variablen Getriebe und der Verbrennungskraftmaschine
beziehungsweise dem Generator zwischengeschaltet. Bevorzugt ist die
Drehmomentkupplung direkt, also ohne weitere Übertragungselemente, an die (einzige) Eingangswelle des variablen Getriebes angeschlossen. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Welle des variablen Getriebes, welche eine aufgrund ihrer Variabilität der Übersetzung von der starr übersetzten oder nicht übersetzten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Generators eine variable Drehzahl aufweist, als Ausgangswelle des variablen Getriebes bezeichnet wird. Diese Ausgangswelle ist abtriebsseitig des variablen Getriebes zur Drehmomentabgabe an den Abtrieb eingerichtet. Die Eingangswelle ist zur Aufnahme des Drehmoments von der Verbrennungskraftmaschine und/oder von dem Generator eingerichtet. Trotz dieser nominellen Zuordnung als Eingangswelle beziehungsweise Eingangsseite und Ausgangswelle beziehungsweise Ausgangsseite ist, beispielsweise zur Rekuperation und/oder Nutzung der Motorbremse der Verbrennungskraftmaschine ein
demgegenüber umgekehrter Drehmomentverlauf über das variable Getriebe möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Drehmomentkupplung eine Mehrzahl von Trennkupplungen, sodass sich hiermit drei Schaltzustände abbilden lassen. Allerdings ist gemäß dieser Ausführungsform die Drehmomentkupplung nur an einem einzigen Ort im Drehmomentübertragungsstrang angeordnet, bevorzugt als Baueinheit. Beispielsweise weist die Drehmomentkupplung für die Trennkupplungen eine gemeinsame Betätigungseinrichtung und/oder eine koaxiale Hohlwellenführung auf.
Ganz besonders bevorzugt ist die Drehmomentkupplung oder zumindest eine der Trennkupplungen als nur ohne Relativdrehzahl schaltbare Trennkupplung ausgeführt. Beispielsweise ist die Trennkupplung als Klauenkupplung ausgeführt. Ganz
besonders bevorzugt ist die Trennkupplung als eine sogenannte Wedge Clutch mit einem Nabenkonus und einem (abgerundet) polygonen Mitnehmerkonus, bevorzugt mit einem als Festkörperfeder ausgeführten korrespondierenden Aufnahmekonus ausgeführt. Bei einer solchen Wedge Clutch sind Relativdrehzahlen von 20 bis 30 U/min [Umdrehungen pro Minute] schaltbar, weil der Eingriff nicht rein formschlüssig, sondern kraftschlüssig gebildet ist. Die Drehzahl des Generators ist frei einregelbar. Dadurch ist die Relativdrehzahl auf null regelbar oder zumindest ausreichend nah an Null heranführbar, sodass ein Schalten einer solchen Trennkupplung in (nahezu) jedem Zustand möglich ist. Eine Trennkupplung, bei welcher ein Schlupf bei großen Relativdrehzahlen zulässig ist, ist daher nicht notwendig.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs weisen die Antriebswelle, die Generatorwelle und die Rotorwelle in die gleiche axiale
Richtung.
Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, eine bereits voll entwickelte
Verbrennungskraftmaschine einzusetzen. Eine Verbrennungskraftmaschine weist in der Regel eine einzige Drehrichtung auf, welche nicht nur regelungstechnisch vorteilhaft, sondern durch mechanische Beschaltung, beispielsweise der Nockenwelle zum Steuern des Brennstoffeinlasses und Abgasauslasses, festgelegt ist. Um also eine teure Sonderlösung zu vermeiden, sollte ein solche Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, welche beispielsweise zur rechtsdrehenden Drehmomentabgabe eingerichtet ist. Rechtsdrehend entspricht einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn, wenn man von der Drehmomentanschlussseite auf die Verbrennungskraftmaschine blickt.
Bei der hier vorgeschlagenen Ausführungsform ist nun ein Generator mit jeglicher Ausrichtung bei entgegengesetzter aber auch gleicher Drehrichtung einsetzbar. Somit ist bei entgegengesetzter Drehrichtung beispielsweise bei der
Verbrennungskraftmaschine ein Kettentrieb oder Hohlradtrieb einsetzbar, bei welchen im Gegensatz zu einer (einzigen) Stirnradstufe keine Drehrichtungsumkehr stattfindet, während bei dem Generator eine (einzige) Stirnradstufe vorgesehen ist, oder umgekehrt. Bei gleicher Drehrichtung ist bei beiden eine ungerade oder gerade Anzahl an Stirnradstufen beziehungsweise ein Kettentrieb (bevorzugt an der
Verbrennungskraftmaschine) oder Hohlradtrieb (bevorzugt an dem Generator) eingesetzt.
Die axiale Richtung des Generators gegenüber der Verbrennungskraftmaschine, also die Seite des Drehmomentanschlusses, ist hier gleich. Damit ist eine Rückführwelle parallel zu der Antriebswelle einsetzbar, während der Generator mit einer einzigen Stirnradstufe mit dieser Rückführwelle in gleichem Drehsinn für eine
Drehmomentübertragung verbindbar beziehungsweise verbunden ist.
Die Verbrennungskraftmaschine ist mit rechtsweisendem oder linksweisendem
Drehmomentanschluss, also Ausgang der Antriebswelle, ausgeführt. Das
drehmomentstarre Getriebe zwischen dem variablen Getriebe und der Antriebswelle sowie das drehmomentstarre Getriebe zwischen dem variablen Getriebe und der Generatorwelle sind entsprechend dem gewünschten Drehsinn aufeinander abzustimmen.
Mit diesem zusätzlichen Freiheitsgrad ist für einen großen oder kleinen parallelen Versatz der Eingangswelle des variablen Getriebes zu der Antriebswelle der
Verbrennungskraftmaschine jeweils ein optimaler Wirkungsgrad einstellbar, sodass dieser nicht wegen Bauraumvorgaben verringert werden muss.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist die Drehmomentkupplung im Verbrennerleistungsstrang zum Bereithalten von zumindest zwei der folgenden drei Schaltzustände a. bis c. eingerichtet:
a. mit dem Abtrieb sind der Generator und die Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbunden;
b. eine verbrennerseitige Drehmomentübertragung zu dem Abtrieb ist
unterbrochen und der Generator ist einzig mit der Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbunden; und
c. mit dem Abtrieb ist verbrennerseitig einzig der Generator oder einzig die
Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbunden.
Bei dieser Ausführungsform ist nur eine einzige Drehmomentkupplung im
Verbrennerleistungsstrang vorgesehen, also nur eine einzige Drehmomentkupplung zum Unterbrechen einer Drehmomentübertragung von dem
Verbrennerleistungsstrang auf den Abtrieb. Eine solche Drehmomentkupplung umfasst zwei Trennkupplungen oder bildet eine Trennkupplung mit drei verschiedenen Stellungen. Der Übersichtlichkeit halber wird die Drehmomentkupplung hier als zwei separate Trennkupplungen umfassend beschrieben, wobei eine einzige
Trennkupplung im Vergleich zu zwei Trennkupplungen einen Schaltzustand weniger aufweist. Beispielsweise ist einzig eine erste Drehmomentverbindung zwischen einer ersten Eingangswelle und der Ausgangwelle oder einzig eine zweite
Drehmomentverbindung zwischen einer zweiten Eingangswelle und der Ausgangwelle sowie ein Trennstellung, also keine Drehmomentübertragung, abbildbar. Auf Kosten der Trennstellung oder einer der beiden Drehmomentverbindungen ist beispielsweise eine Drehmomentverbindung zwischen allen drei Wellen möglich.
Bevorzugt ist die Drehmomentkupplung als Doppelschaltelement mit drei möglichen Schaltzuständen eingerichtet, wobei bevorzugt die Verbrennungskraftmaschine nur dann mit dem variablen Getriebe verbindbar ist, wenn zugleich auch der Generator mit dem variablen Getriebe verbunden ist. Alternativ ist die Verbrennungskraftmaschine ohne den Generator mit dem Abtrieb drehmomentübertragend verbindbar, wobei dann der Generator nur dann mit dem variablen Getriebe verbindbar ist, wenn zugleich auch die Verbrennungskraftmaschine mit dem variablen Getriebe verbunden ist.
Neben Verbinden (Schaltzustand a.) und Unterbrechen (Schaltzustand b.) einer Drehmomentübertragung ist also ein weiterer (verbrennerseitig intern verzweigender) Schaltzustand c. ermöglicht.
Das Doppelschaltelement ist lokal begrenzt und mit einer einzigen Versorgungsleitung und Steuerleitung betreibbar. Damit wird Bauraum eingespart, aber auch die Montage und Wartung vereinfacht. Der zusätzliche Schaltzustand c. ist für ein separates Verbinden der Verbrennungskraftmaschine oder des Generators mit dem Abtrieb eingerichtet. Somit sind allein mittels dieses Doppelschaltelements alle zuvor genannten Schaltzustände des Hybrid-Antriebsstrangs abbildbar. Für einige
Anwendungen ist es jedoch ausreichend, nur die Schaltzustände b. und a. oder c. abbilden zu können, wobei der Generator und die Verbrennungskraftmaschine dauerhaft drehmomentstarr oder mittels einer (passiven) Rutschkupplung miteinander verbunden sind.
Im Schaltzustand a. ist nämlich ein Boosten, bei zusätzlicher Schlupf-Kupplung hin zum Abtrieb auch ein Anlassen mittels des Generators, sowie gleichzeitiger
Ladebetrieb möglich. Dies entspricht einem Seriell/Parallel-Betrieb.
Im Schaltzustand b. ist ein rein elektrisches Fahren mit einzig dem
Elektroleistungsstrang, ein Ladebetrieb im Verbrennerleistungsstrang
beziehungsweise Verbrennungskraftmaschine und Generator aus, Anlassen per Generator mit oder ohne Schlupf-Kupplung hin zum Abtrieb, wobei in bei einer Ausführungsform ohne Schlupf-Kupplung bis dann die Verbrennungskraftmaschine auf Drehzahl gebracht werden muss, bis eine Drehzahlangleichung an den
Elektroleistungsstrang für das Schalten in Schaltzustand a. erreicht ist. Dies entspricht einem Seriell-Betrieb.
Soll ein Boosten der Leistungsabgabe des Elektroleistungsstrangs einzig per
Generator (rein elektrischer Betrieb mit Boosten und/oder Rekuperation), so ist der Schaltzustand c.1 vorteilhaft. In einer alternativen Ausführungsform ist der
Schaltzustand c.2 vorteilhaft, wenn eine Steigerung des von der elektrischen
Maschine des Elektroleistungsstrangs an den Abtrieb abgegebenen Drehmoments einzig zusätzlich per Verbrennungskraftmaschine erwünscht ist, ohne dass dabei der Generator mitgeschleppt wird. Bei einem Doppelschaltelement, welches vier
Schaltzustände abbilden kann, sind bevorzugt die Schaltzustände a., b., c.1 und c.2 abbildbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist die Generatorwelle mittels einer ein Hohlrad umfassenden
Drehmomentübertragungseinheit drehzahluntersetzend mit dem variablen Getriebe drehmomentübertragend verbunden. Bei dieser Ausführungsform, mit beispielsweise einem Planetenwälzgetriebe, ist auf geringem (radialem) Bauraum ein großes Untersetzungsverhältnis von der
Generatorwelle an den Verbrennerleistungsstrang beziehungsweise an den Abtrieb ermöglicht. Zugleich liegt hier keine Drehzahlumkehr vor, wodurch wie oben beschrieben weitere Freiheitsgrade bei der Ausrichtung und Anordnung der Aggregate des Hybrid-Antriebsstrang erschlossen werden.
Bevorzugt ist die Drehmomentübertragung mittels des Hohlrads einstufig ausgeführt.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Bauraum besonders gering, sofern eine Übersetzungsverhältnis wie es mit einem Planetenwälzgetriebe möglich ist, nicht erforderlich ist. Dies trifft auf konventionelle Starter-Generatoren zu, welche
konventionell als Ersatz für eine konventionelle Lichtmaschine in einen wenig aufwendigen Riementrieb hinsichtlich ihrer Drehzahl und ihres Drehmoments einbindbar sein mussten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist das variable Getriebe als Umschlingungsgetriebe mit einer stufenlos einstellbaren
Übersetzung ausgeführt.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist das variable Getriebe als stufenlos schaltbares Umschlingungsgetriebe eingerichtet, beispielsweise als sogenanntes CVT [engl.: continuous variable transmission] oder als Schubgliedertrieb. Das
Umschlingungsgetriebe ist eingerichtet, ein Drehmoment der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine stets mit der gewünschten Drehzahl an den Abtrieb abzugeben. Dabei ist die Übersetzung kontinuierlich und bevorzugt ohne ein zusätzliches Schaltgetriebe einstellbar. Zudem ist über das Umschlingungsgetriebe ein Drehmoment des Abtriebs und/oder der Generatorwelle stets mit der gewünschten Drehzahl an die Verbrennungskraftmaschine abgebbar. Damit ist die
Verbrennungskraftmaschine über weite Bereiche der erforderlichen Drehzahl am Abtrieb, bevorzugt über den gesamten geforderten Drehzahlbereich, an einem optimalen Lastpunkt betreibbar. Damit ist der Schadstoffausstoß der
Verbrennungskraftmaschine weiter reduzierbar. Der Wirkungsgrad eines Umschlingungsgetriebes ist inzwischen nah an den Wirkungsgrad eines einstufigen Stirnradgetriebes heranführbar, sodass diese Wirkungsgradverluste gegenüber einem nicht optimalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine gering sind.
Bevorzugt sind der Generator und die Verbrennungskraftmaschine
getriebeeingangsseitig drehmomentübertragend verbunden.
Ist der Generator wie hier vorgeschlagen eingangsseitig, also verbrennerseitig, an das Umschlingungsgetriebe angeschlossen, so ist der Generator direkt mit der
vorliegenden Drehzahl der Antriebswelle der Verbrennungskraftmaschine abstimmbar, und zwar ohne Berücksichtigung der eingestellten Übersetzung an dem
Umschlingungsgetriebe. Außerdem ist eine radiale beziehungsweise parallele
Überlappung von der Ausgangsseite des Umschlingungsgetriebes mit dem
Untersetzungsgetriebe ermöglicht, wenn der Generator koaxial oder um eine einstufige Übersetzung parallel versetzt in Überlappung mit der Eingangsseite des Umschlingungsgetriebes angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Antriebsstrangs ist das invariable, also drehzahlstarre, Untersetzungsgetriebe als Differential ausgeführt oder in ein Differential baulich integriert.
Aufgrund der Möglichkeit, zwischen dem Elektroleistungsstrang und dem Abtrieb eine drehzahlstarre Drehmomentübertragung einzurichten, und zugleich einem Bedarf eines großen Untersetzungsverhältnisses zwischen einer konventionellen elektrischen Maschine und dem Abtrieb, ist es bauraumtechnisch vorteilhaft, das
Untersetzungsgetriebe als Differential auszuführen beziehungsweise in das
Differential des Abtriebs zu integrieren. Ein als Untersetzungsgetriebe ausgeführtes Differential ist beispielsweise ein Differential, bei welchem jede Stufe, auch die
Ausgleichsstufen, ein Untersetzungsverhältnis ungleich 1 aufweisen. Ein in ein
Differential integriertes Untersetzungsgetriebe ist beispielsweise lediglich baulich derart integriert, dass das Differential mit den Ausgleichsstufen und die zumindest eine Untersetzungsstufe eine Baueinheit bilden. Besonders bevorzugt ist ein solches Untersetzungsdifferential koaxial zu den beiden angetriebenen Wellen des Abtriebs angeordnet. Bevorzugt ist das Differential als Stirnraddifferential ausgeführt.
Ein Stirnraddifferential, auch als Planetendifferential oder Planetenwälzdifferential bezeichnet, weist einen besonders geringen Bauraumbedarf auf. Zudem sind bei geringen Lagerlasten hohe Drehmomente übertragbar. Die leistungsstrangseitige Aufnahmewelle beziehungsweise Aufnahmestufe des Stirnraddifferentials ist dabei bevorzugt drehmomentstarr einstückig für den Verbrennerleistungsstrang und den Elektroleistungsstrang gebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zudem in das Stirnraddifferential zumindest eine Untersetzungsstufe integrierbar, wobei bei geeigneter Auslegung ein sehr auf äußerst geringem Bauraum erzielbar ist. Ein hohes Untersetzungsverhältnis ist beispielsweise bei hochdrehenden Antriebseinheiten mit geringem Drehmoment vorteilhaft.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches einen Hybrid-Antriebsstrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst, wobei der Abtrieb zumindest ein Antriebsrad aufweist.
Kraftfahrzeuge mit einem Hybrid-Antriebsstrang weisen aufgrund der Vielzahl der einzelnen Antriebskomponenten einen sehr geringen Bauraum auf. Daher ist es besonders vorteilhaft, einen Hybrid-Antriebsstrang kleiner Baugröße beziehungsweise mit einer flexibel gestaltbaren Anordnung der Komponenten zu verwenden.
Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung, aber auch bei Personenkraftwagen der Oberklasse und Mittelklasse, bei welchen eine sehr hohe Reichweite in Verbindung mit einer hohen Leistung verlangt wird. Die verwendeten Funktionseinheiten in einem
Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der hier vorgeschlagene Hybrid-Antriebsstrang ist kompakt gestaltbar und ist besonders flexibel hinsichtlich der Anordnung der Komponenten. Die Generatorwelle ist nicht in axialer Verlängerung der Antriebswelle angeordnet, sondern bevorzugt ist der Generator axial überlappend achsparallel zu der
Verbrennungskraftmaschine angeordnet.
Zudem ist ein einfaches Konzept einer Drehmomentkupplung einsetzbar, mit welchem schlupffrei alle gewünschten Schaltzustände einstellbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist lediglich eingangsseitig des variablen Getriebes eine
Drehmomentkupplung vorgesehen, beispielsweise als Doppelschaltelement.
Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio. Bekannte Voll-Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3, der Audi A3 e-tron oder der Toyota Yaris Hybrid. Hybridwagen der Mittelklasse (nach US-Definition: mid-size car oder intermediate car) sind aktuell beispielsweise der BMW 330e iPerformance (Plug-in Hybrid) und der Prius 1.8 VVT-i. Hybridwagen der Oberklasse (nach
US-Definition: full-size car) sind aktuell beispielsweise der BMW 740e (Plug-in Hybrid) und der Panamera Turbo S E-Hybrid von Porsche.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : ein Hybrid-Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug als Hinterradantrieb;
Fig. 2: ausschnittsweise ein Verbrennerleistungsstrang mit Doppelschaltelement; Fig. 3: ausschnittsweise ein Hybrid-Antriebsstrang mit gemeinsamer Aufnahmewelle an dem Untersetzungsgetriebe;
Fig. 4: ausschnittsweise ein Flybrid-Antriebsstrang mit gemeinsamer
Aufnahmewelle und separater Verbrennereingangsstufe und
Elektroeingangsstufe;
Fig. 5: ein Hybrid-Antriebsstrang mit Umschlingungsgetriebe;
Fig. 6: ausschnittsweise ein Elektroleistungsstrang mit zwei Untersetzungsstufen für die elektrische Maschine; und
Fig. 7: ein Hybrid-Antriebsstrang mit Hohlrad für den Generator.
Fig. 1 zeigt einen Hybrid-Antriebsstrang 1 in einem Kraftfahrzeug 24. Alle Bauteile sind schematisch dargestellt, der Generator 8 ist als Starter-Generator (zum Antreiben der Verbrennungskraftmaschine 6) beziehungsweise als Motor-Generator (zum
Antreiben des Abtriebs 4, 5) ausgebildet, der Verbrennungsmotor 6 (Verbrenner, Verbrennungskraftmaschine, VKM) ist als 6-Zylinder-Verbrennungsmotor dargestellt, kann aber auch eine andere Zylinderzahl aufweisen. Allerdings ist der Vorteil der axialen Kompaktheit des Hybrid-Antriebsstrangs 1 besonders groß, wenn eine
Verbrennungskraftmaschine 6 verwendet wird, die axial verhältnismäßig lang baut, etwa ein 6-Zylinder-Reihenmotor.
In Fig. 1 ist der Hybrid-Antriebsstrang 1 in einem Kraftfahrzeug 24 als Hinterradantrieb gezeigt, also mit einem linken Antriebsrad 4 und einem rechten Antriebsrad 5 der Hinterachse 31 als Abtrieb. Der Hybrid-Antriebsstrang 1 ist hier optional quer zu der Längsachse 26 angeordnet. Das heißt, hier sind die Verbrennerachse 27, die
Generatorwelle 28 und die Rotorachse 29 quer zu der Längsachse 26 und parallel zu der Hinterachse 31 angeordnet. Alternativ ist der Hybrid-Antriebsstrang 1 längs oder zumindest eine Motorachse quer und zumindest eine andere Motorachse längs angeordnet. Weiterhin optional und unabhängig davon ist der Hybrid-Antriebsstrang 1 hinter der Fahrerkabine 25 angeordnet. Alternativ ist der Hybrid-Antriebsstrang 1 vorne, also vor der Fahrerkabine bei oder über der Vorderachse 32 angeordnet.
Der Hybrid-Antriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennerleistungsstrang 2 und einen Elektroleistungsstrang 3, welche hier jeweils mit einem gestrichelten Kasten
eingefasst sind. Der Elektroleistungsstrang 3 weist eine elektrische Maschine 13 mit einer Rotorwelle 14 auf und ist mittels einer Elektroeingangsstufe 17 dauerhaft drehmomentübertragend mit dem mit einem Differential 42, beispielsweise
Kegelraddifferential, baueinheitlich ausgeführten Untersetzungsgetriebe 15 mit dem Abtrieb 4, 5 zu der Hinterachse 31 verbunden. Der Verbrennerleistungsstrang 2 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 6, welche hier schematisch als 6-zylindriger Kolbenmotor mit rechtsdrehender Antriebswelle 7 (vergleiche erste Drehrichtung 20) dargestellt ist, und weiterhin einen Generator 8 mit einer linksdrehenden
Generatorwelle 9 (vergleiche zweite Drehrichtung 21 ), sowie ein variables
Getriebe 10. Die Verbrennungskraftmaschine 6 ist mittels eines
Zweimassenschwungrads 30 über eine hier als Zugmitteltrieb mit beispielsweise einer Kette als Zugmittel 19 ausgeführte Drehmomentübertragungstrieb 18 mit der
Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 drehmomentübertragend verbindbar.
Der Generator 9 ist mittels eines einstufigen (hier Stirnrad-)
Drehmomentübertragungseinheit 23 ebenfalls mit der Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 drehmomentübertragend verbunden. Die Verbrennungskraftmaschine 6 ist im Gegensatz zu dem Generator 8 mittels einer (zweiten)
Drehmomentkupplung 12, beispielsweise einer Wedge Clutch, von der
Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 trennbar. Die Ausgangsseite 34 des variablen Getriebes 10 ist über eine Verbrennereingangsstufe 16 mit dem
Untersetzungsgetriebe 15 verbindbar. Hierbei ist eine (erste)
Drehmomentkupplung 11 vorgesehen, sodass der Verbrennerleistungsstrang 2 von dem Abtrieb 4, 5 vollständig abtrennbar ist. Auch die erste Drehmomentkupplung 11 ist bevorzugt schlupflos ausgeführt, beispielsweise als Klauenkupplung. Optional ist nur die erste Drehmomentkupplung 11 oder nur die zweite Drehmomentkupplung 12 vorgesehen.
In den Figuren 2 bis 7 sind Varianten der Architektur eines Hybrid-Antriebsstrang 1 gezeigt, welche in einem Kraftfahrzeug 24 nach Darstellung in Fig. 1 die dort entsprechenden Komponenten ersetzend einsetzbar sind. Daher wird auf die
Beschreibung zu der Fig. 1 Bezug genommen. Allerdings ist dies nicht beschränkend zu verstehen. Beispielsweise ist der Hybrid-Antriebsstrang 1 zum Antreiben einer Vorderachse 32 oder für einen Allradantrieb einsetzbar. ln Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines Verbrennerleistungsstrang 2 eines
Hybrid-Antriebsstrang 1 wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt dargestellt, wobei hier zum einen ein Doppelschaltelement die erste Drehmomentkupplung 11 und die zweite Drehmomentkupplung 12 örtlich zusammenfasst. Dazu ist der Generator 8 durch eine als Flohlwelle ausgebildete Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 geführt und schaltbar mit der Eingangsseite 33 und separat davon schaltbar mit der
Verbrennungskraftmaschine 6 (hier ist ein Ausschnitt des
Drehmomentübertragungstriebs 18 mit Zugmittel 19 zu sehen) verbindbar oder auch von beiden trennbar. Ebenso ist die Verbrennungskraftmaschine 6 separat mit beiden, also dem Generator 8 und dem variablen Getriebe 10, verbindbar und trennbar. Zum anderen ist das variable Getriebe 10 hier als Umschlingungsgetriebe mit einem
Umschlingmittel 35 angedeutet, welches eine stufenlose Übersetzung zwischen der Eingangsseite 33 und der Ausgangsseite 34 (vergleiche Fig. 1 ) ermöglicht, sodass die Verbrennungskraftmaschine 6 in einem stets optimalen Drehzahlbereich betreibbar ist.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Flybrid-Antriebsstrangs 1 gezeigt, wobei hier das Untersetzungsgetriebe 15 in ein Differential 42 integriert, welches hier als
Stirnraddifferential ausgeführt ist. Bevorzugt bildet das Untersetzungsgetriebe 15, also die Elektroeingangsstufe 17 und die Verbrennereingangsstufe 16, sowie die
zumindest eine (erste) Untersetzungsstufe 37, mit dem Differential 42 eine Baueinheit. Das Differential 42 umfasst eine linke Ausgleichsstufe 38 zur
Drehmomentübertragung auf das linke Antriebsrad 4 (vergleiche Fig. 1 ) und eine rechte Ausgleichsstufe 39 zur Drehmomentübertragung auf das rechte Antriebsrad 5. Die Ausgleichsstufen 38, 39 verteilen ein über das Untersetzungsgetriebe 15 eingebrachtes Drehmoment auf das linke Antriebsrad 4 und das rechte Antriebsrad 5, beispielsweise konventionell, nach jeweiliger Drehmomentabnahme beziehungsweise Drehzahlabnahme. In einer Ausführungsform ist in die Ausgleichsstufen 38, 39 zudem ein (in diesem Ausführungsbeispiel gleiches) Untersetzungsverhältnis bezogen auf die Drehzahl von kleiner 1 integriert. Die Ausgleichsstufen 38 und 39 sind nicht
zwangsläufig identisch und nicht zwangsläufig ist die linke Ausgleichsstufe 38 links der rechten Ausgleichsstufe 39 angeordnet. Das Untersetzungsgetriebe 15 weist hier in Fig. 3 eine gemeinsame
Aufnahmewelle 36 mit einem einzigen Stirnrad auf. Dieses Aufnahmewelle 36 bildet sowohl die Verbrennereingangsstufe 16 (beispielsweise mit der Ausgangsseite 34 des variablen Getriebes 10, vergleiche Fig. 1 ) als auch die Elektroeingangsstufe 17. Die Elektroeingangsstufe 17 weist zudem ein Zwischenrad 41 auf, welches der
Fierstellung eines gewünschten Achsabstands dient. An die Eingangsstufen 16 und 17 schließt sich die (hier einzige gemeinsame erste) Untersetzungsstufe 37 an, bei welcher rein beispielhaft ein feststehendes Flohlrad gewählt worden ist, die
Aufnahmewelle 36 über ein Sonnenrad das Drehmoment einträgt und die linke
Ausgleichsstufe 38 sowie die rechte Ausgleichsstufe 39 jeweils über einen
Planetenträger mitbewegbar sind. Die linke Ausgleichsstufe 38 sowie die rechte Ausgleichsstufe 39 sind über einen Planetenträger antreibbar und das linke
Antriebsrad 4 beziehungsweise das rechte Antriebsrad 5 mittels des jeweiligen
Sonnenrads drehmomentübertragend verbunden. Es sei explizit darauf hingewiesen, dass das gezeigte als Stirnraddifferential ausgeführte Differential 42 lediglich beispielhaft gewählt ist und durch eine andere geeignete Verschaltung ersetzbar ist.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt eines Flybrid-Antriebsstrangs 1 gezeigt, welcher mit der Darstellung in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber fast identisch ist und insofern wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Flier ist im Unterschied zu der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine Aufnahmewelle 36 mit zwei Stirnrädern gezeigt, wobei eines der Stirnräder die Verbrennereingangsstufe 16 bildet (rechts in der Darstellung) und das andere Stirnrad die Elektroeingangsstufe 17 bildet. Auf ein Zwischenrad 41 in der Elektroeingangsstufe 17 ist hier verzichtet worden.
In Fig. 5 ist ein Flybrid-Antriebsstrang 1 gezeigt, bei welchem der Übersichtlichkeit halber der Teil des in Fig. 4 gezeigten Ausschnitts mit dem dort gezeigten identisch ist, und insofern wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Weiterhin ist hier die Konfiguration des Elektroleistungsstrangs 3 gespiegelt identisch und des Verbrennerleistungsstrangs 2 ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt und in insofern wird auf die zugehörige Beschreibung verwiesen. Im Unterschied zu der Konfiguration des Verbrennerleistungsstrangs 2 gemäß Fig. 1 ist hier die Verbrennungskraftmaschine 6 sowie der Generator 8 gespiegelt angeordnet, wobei die axiale Richtung 22 der Antriebswelle 7 und der Generatorwelle 9, aber auch die erste Drehrichtung 20 der Antriebswelle 7 und die zweite Drehrichtung 21 der Generatorwelle 9 gleich sind. Dies ist der Fall, weil hier der Drehmomentübertragungstrieb 18 der
Verbrennungskraftmaschine 6 wie auch die Drehmomentübertragungseinheit 23 als einstufiges Stirnradgetriebe ausgeführt sind. Somit wird an der Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 eine gleichsinnige Drehrichtung bei der
Drehmomentübertragung eingegeben. Das variable Getriebe 10 ist hier als
Umschlingungsgetriebe, bevorzugt als CVT, ausgeführt.
In Fig. 6 ist der Elektroleistungsstrang 3 und das Untersetzungsgetriebe 15 sowie das Differential 42 des Flybrid-Antriebsstrang 1 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Architektur des Hybrid-Antriebsstrang 1 gemäß der Ausführungsform in Fig. 5 die gezeigten Komponenten ersetzend einsetzbar ist. Die elektrische Maschine 13 ist hier hochdrehend ausgeführt, sodass der Drehzahlbereich deutlich höher liegt als bei der gemeinsamen Aufnahmewelle 36 für eine integrierte Verbrennereingangsstufe 16 erwünscht ist. Daher ist hier eine zweite Untersetzungsstufe 40 als Vorstufe zu der ersten Untersetzungsstufe 37 vorgesehen, welche jedoch einzig zum Untersetzen der Drehzahl der hochdrehenden elektrische Maschine 13 eingerichtet und dazu zu der ersten Untersetzungsstufe 37 des Untersetzungsgetriebes 15 vermittelnd mit dieser drehmomentübertragend verbunden ist. In der gewählten Konfiguration läuft die Drehmomenteingabe der elektrischen Maschine 13 zunächst über eine einstufige Elektroeingangsstufe 17 wie sie beispielsweise in der Architektur des
Hybrid-Antriebsstrangs 1 gemäß Fig. 4 und Fig. 5 vorgesehen ist. Darüber läuft das Drehmoment in die zweite Untersetzungsstufe 40, und zwar in ein drehstarr verbundenes (zweites) Sonnenrad, dann auf die (zweiten) Planetenräder, welche an einem drehstarr mit der gemeinsamen Aufnahmewelle 36 verbundenen
Planetenträger gelagert sind, weiter auf ein (zweites) Hohlrad auf den (ersten) Planetenträger der ersten Untersetzungsstufe 37. Die erste Untersetzungsstufe 37 ist bezogen auf den Verbrennerleistungsstrang 2 identisch wie in Fig. 4 und Fig. 5 ausgeführt. Der Übersichtlichkeit halber sind auch die linke Ausgleichsstufe 38 und die rechte Ausgleichsstufe 38 wie zuvor beschrieben ausgeführt.
In Fig. 7 ist der Übersichtlichkeit halber eine fast identische Konfiguration des
Hybrid-Antriebsstrang 1 wie in Fig. 5 gezeigt, wobei hier im Unterschied dazu die Generatorwelle 9 des Generators 8 über eine ein Hohlrad umfassende einstufige Drehmomentübertragungseinheit 23 untersetzt mit der Eingangsseite 33 des variablen Getriebes 10 drehmomentübertragend verbunden ist. Damit ist die zweite
Drehrichtung 21 der Generatorwelle 9 zu der ersten Drehrichtung 20 der
Antriebswelle 7 entgegengesetzt.
Mit dem hier vorgeschlagenen Hybrid-Antriebsstrang ist eine äußerst
bauraumsparende und flexibel an jeweilige Bauraumbedürfnisse anpassbare
Architektur geschaffen.
Bezuqszeichenliste
Antriebsstrang
Verbrennerleistungsstrang
Elektroleistungsstrang
linkes Antriebsrad
rechtes Antriebsrad
Verbrennungskraftmaschine
Antriebswelle
Generator
Generatorwelle
variables Getriebe
erste Drehmomentkupplung
zweite Drehmomentkupplung
elektrische Maschine
Rotorwelle
Untersetzungsgetriebe
Verbrennereingangsstufe
Elektroeingangsstufe
Drehmomentübertragungstrieb
Zugmittel
erste Drehrichtung
zweite Drehrichtung
axiale Richtung
Drehmomentübertragungseinheit
Kraftfahrzeug
Fahrerkabine
Längsachse
Verbrennerachse
Generatorachse
Rotorachse
Zweimassenschwungrad
Hinterachse Vorderachse
Eingangsseite
Ausgangsseite
Umschlingmittel
Aufnahmewelle
erste Untersetzungsstufe linke Ausgleichsstufe rechte Ausgleichsstufe zweite Untersetzungsstufe Zwischenrad
Differential

Claims

Patentansprüche
1. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) mit einem Verbrennerleistungsstrang (2) und mit einem Elektroleistungsstrang (3), beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb (4,5), wobei
der Verbrennerleistungsstrang (2) zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- eine Verbrennungskraftmaschine (6) mit einer Antriebswelle (7) zur Abgabe eines Drehmoments;
- einen Generator (8) mit einer Generatorwelle (9) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;
- ein variables Getriebe (10), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (7) veränderbar zu übersetzen; und
- eine Drehmomentkupplung (11 ) zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine (6) auf den
Abtrieb (4,5), und wobei
der Elektroleistungsstrang (3) zumindest eine elektrische Maschine (13) mit einer Rotorwelle (14) zur Abgabe eines Drehmoments umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang (1 ) weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb (4,5) verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe (15) zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (6) und der elektrischen Maschine (13) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Untersetzungsgetriebe (15) eine direkte Verbrennereingangsstufe (16) für den Verbrennerleistungsstrang (2) und eine direkte Elektroeingangsstufe (17) für den Elektroleistungsstrang (3) aufweist.
2. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) mit einem Verbrennerleistungsstrang (2) und mit einem Elektroleistungsstrang (3), beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb (4,5), wobei
der Verbrennerleistungsstrang (2) zumindest die folgenden Komponenten aufweist: - eine Verbrennungskraftmaschine (6) mit einer Antriebswelle (7) zur Abgabe eines Drehmoments;
- einen Generator (8) mit einer Generatorwelle (9) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;
- ein variables Getriebe (10), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (7) veränderbar zu übersetzen; und
- eine Drehmomentkupplung (11 ) zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine (6) auf den Abtrieb (4,5), und wobei
der Elektroleistungsstrang (3) zumindest eine elektrische Maschine (13) mit einer Rotorwelle (14) zur Abgabe eines Drehmoments umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang (1 ) weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb (4,5) verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe (15) zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (6) und der elektrischen Maschine (13) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das variable Getriebe (10) des Verbrennerleistungsstrangs (2) parallel versetzt und/oder in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine (6) angeordnet ist.
3. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) mit einem Verbrennerleistungsstrang (2) und mit einem Elektroleistungsstrang (3), beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb (4,5), wobei
der Verbrennerleistungsstrang (2) zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- eine Verbrennungskraftmaschine (6) mit einer Antriebswelle (7) zur Abgabe eines Drehmoments;
- einen Generator (8) mit einer Generatorwelle (9) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;
- ein variables Getriebe (10), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (7) veränderbar zu übersetzen; und
- eine Drehmomentkupplung (11 ) zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine (6) auf den Abtrieb (4,5), und wobei
der Elektroleistungsstrang (3) zumindest eine elektrische Maschine (13) mit einer Rotorwelle (14) zur Abgabe eines Drehmoments umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang (1 ) weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb (4,5) verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe (15) zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (6) und der elektrischen Maschine (13) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
in axialer Verlängerung der Antriebswelle (7) zur Drehmomentübertragung mittels des variablen Getriebes (10) auf den Abtrieb (4,5) einzig ein einstufiger drehzahlstarrer Drehmomentübertragungstrieb (18,19) vorgesehen ist.
4. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) mit einem Verbrennerleistungsstrang (2) und mit einem Elektroleistungsstrang (3), beide zum bedarfsgerechten Bereitstellen eines Drehmoments an einen Abtrieb (4,5), wobei
der Verbrennerleistungsstrang (2) zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- eine Verbrennungskraftmaschine (6) mit einer Antriebswelle (7) zur Abgabe eines Drehmoments;
- einen Generator (8) mit einer Generatorwelle (9) zum Umwandeln eines Drehmoments in elektrische Energie;
- ein variables Getriebe (10), welches dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Antriebswelle (7) veränderbar zu übersetzen; und
- eine Drehmomentkupplung (11 ) zum Zuschalten und Abschalten einer
Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine (6) auf den Abtrieb (4,5), und wobei
der Elektroleistungsstrang (3) zumindest eine elektrische Maschine (13) mit einer Rotorwelle (14) zur Abgabe eines Drehmoments umfasst,
und wobei
der Hybrid-Antriebsstrang (1 ) weiterhin ein drehmomentübertragend mit dem Abtrieb (4,5) verbundenes drehzahlstarres Untersetzungsgetriebe (15) zum Untersetzen einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (6) und der elektrischen Maschine (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Drehmomentkupplung (11 ) mit drei Schaltzuständen eingangsseitig des variablen Getriebes (10) vorgesehen ist.
5. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach zumindest zweien der Ansprüche 1 bis 4.
6. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (7), die Generatorwelle (9) und die Rotorwelle (14) in die gleiche axiale Richtung (22) weisen.
7. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehmomentkupplung (12) im Verbrennerleistungsstrang (2) zum Bereithalten von zumindest zwei der folgenden drei Schaltzustände a. bis c. eingerichtet ist:
a. mit dem Abtrieb (4,5) sind der Generator (8) und die
Verbrennungskraftmaschine (6) drehmomentübertragend verbunden;
b. eine verbrennerseitige Drehmomentübertragung zu dem Abtrieb (4,5) ist unterbrochen und der Generator (8) ist einzig mit der
Verbrennungskraftmaschine (6) drehmomentübertragend verbunden; und
c. mit dem Abtrieb (4,5) ist verbrennerseitig einzig der Generator (8) oder einzig die Verbrennungskraftmaschine (6) drehmomentübertragend verbunden.
8. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Generatorwelle (9) mittels einer ein Hohlrad umfassenden
Drehmomentübertragungseinheit (23), bevorzugt einstufig, drehzahluntersetzend mit dem variablen Getriebe (10) drehmomentübertragend verbunden ist.
9. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das variable Getriebe (10) als Umschlingungsgetriebe mit einer stufenlos einstellbaren Übersetzung ausgeführt ist,
wobei bevorzugt der Generator (8) und die Verbrennungskraftmaschine (6) getriebeeingangsseitig drehmomentübertragend verbunden sind.
10. Hybrid-Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drehzahlstarre Untersetzungsgetriebe (15) als Differential (42), bevorzugt als Stirnraddifferential, ausgeführt oder in ein Differential (42) baulich integriert ist.
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