WO2020119850A1 - Koaxialwellenhybrid für einen hybrid getriebestrang, hybrid-getriebestrang, hybrid-antriebsstrang und hybridfahrzeug - Google Patents

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hybrid
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transmission
shaft
gear
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Bernhard Walter
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16H—GEARING
    • F16H48/00—Differential gearings
    • F16H48/06—Differential gearings with gears having orbital motion
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a coaxial shaft hybrid for a hybrid transmission, a hybrid transmission for a hybrid drive train with such
  • Hybrid drivetrain with such a hybrid transmission, as well as a
  • Hybrid vehicle with such a hybrid drive train Hybrid vehicle with such a hybrid drive train.
  • Hybrid drive trains for hybrid vehicles are known.
  • One task with a hybrid drive train is to significantly increase the number of (drive)
  • CVT drive train known, wherein CVT (English: continuous variable transmission) is a belt transmission.
  • CVT American: continuous variable transmission
  • coaxial wave hybrid there is an electrical one
  • the machine is arranged coaxially with a combustion shaft and serves at least one of the following tasks: boosting, starting, starting (cold start), generator operation (like an alternator), recuperation (braking energy recovery) and / or purely electric driving.
  • the coaxial electrical machine and the combustion shaft are connected to an output differential unit via a common gearbox and thus torque is transmitted to vehicle drive wheels of the hybrid vehicle as required.
  • DE 10 2016 222 936 A1 already shows a very compact embodiment of a hybrid transmission, the customer, for example from OEM [original equipment manufacturer; in vehicle construction, this means the well-known brand manufacturers], a further downsizing of the hybrid drive train is desired.
  • the invention relates to a coaxial shaft hybrid for a hybrid transmission train, comprising at least the following components:
  • Transmission side the combustion side being connectable coaxially to a combustion shaft of an internal combustion engine in a torque-transmitting manner; a transmission gear with a transmission input shaft and with a transmission output shaft, wherein the transmission input shaft is arranged coaxially connected torque-transmitting to the electrical machine;
  • the coaxial shaft hybrid is primarily characterized in that the entire output connection is arranged axially overlapping and / or axially on the burner side of the electrical machine.
  • the coaxial wave hybrid proposed here is for use in one
  • the coaxial shaft hybrid comprises an electrical machine which is arranged coaxially with a combustion shaft, for example a crankshaft, and which can be connected to the combustion shaft in a torque-transmitting manner, that is to say is permanently connected in use or is separably connected (by means of a disconnect clutch).
  • a combustion shaft for example a crankshaft
  • at least one device for connecting the combustion shaft in a torque-transmitting manner that is to say is permanently connected in use or is separably connected (by means of a disconnect clutch).
  • Internal combustion engine can be recorded in the electrical machine (for example in generator operation), a torque of the combustion shaft can additionally be supported with a torque (boosting), or a torque to the
  • Internal combustion engine can be specified, that is, the internal combustion engine can be started (for example in the case of automatic start-stop) or can even be started (cold start).
  • a transmission gear is provided on the transmission side of the electrical machine, which is arranged with its transmission input shaft coaxial with the electrical machine and is connected to the transmission side of the electrical machine in a torque-transmitting manner, and (indirectly or directly) can be connected to the combustion shaft in a torque-transmitting manner.
  • the transmission output shaft of the transmission gear is connected to the input side of an output connection.
  • the transmission gear enables the rotational speed or the torque to be adjusted as required for the consumer, which is emitted by the electrical machine and / or the internal combustion engine.
  • a consumer is, for example, at least one vehicle drive wheel, preferably a drive axle with at least two vehicle drive wheels.
  • the output connection has an input side and an output side, the output connection in its entirety parallel to the electrical machine is arranged.
  • the output connection is in its entirety to that
  • Transmission gear extends and is not arranged between the transmission gear axially between the transmission gear and the electrical machine.
  • the output connection is therefore directly connected to its input side here, to the transmission output shaft of the transmission.
  • the output side is immediate, that is, with no further torque transmission element
  • Output differential unit can be connected to transmit torque. This means that no torque transmission element is interposed there, for example no further gearwheel and no transmission chain are provided.
  • a differential driven wheel (49) is arranged axially between the pair of conical pulleys on the output side of the belt transmission and the stator of the electrical machine (see FIG. 1)
  • the resulting axial shortening is purchased through an increased radial spacing of the motor axis and the transmission output shaft, or their (output-side) rotation axis.
  • Reduction stage includes, particularly preferably a planetary gear.
  • the additional installation space required for this is small or can be moved to a location which does not lead to a radial or to an axial increase in installation space or, overall, to a reduction in the required radial and / or axial installation space compared to previously known solutions.
  • the transmission gear has a variable transmission ratio.
  • Translation level is, but has a changeable translation.
  • the transmission gear is a discretely switchable
  • Transmission gearbox for example a so-called manual gearbox with a plurality of discrete (spur gear) gear stages.
  • Such a transmission gearbox is automated or switchable by hand, whereby for most hybrid applications an only indirect manual shift specification makes sense because of the complexity of the different operating states of the electrical machine and the
  • the transmission gear is designed as a belt transmission with an input-side cone pulley pair on the one transmission input shaft and with an output-side cone pulley pair on the one transmission output shaft, the two cone pulley pairs using a
  • Belt transmission i.e. as a CVT (continuous variable transmission), for example a continuously variable traction mechanism or as
  • Push link belt transmission is executed.
  • Such a belt transmission has a pair of conical pulleys on the input side, which is connected to the transmission input shaft of the transmission gear in a torque-resistant manner.
  • Embodiment with a planetary gear in the output differential unit it surprisingly allows a reduced
  • Torque reduction ratio and preferably also a reduced one
  • Gearbox input shaft of the transmission gear enables.
  • a smaller center distance between the two conical disk pairs is therefore possible.
  • a preferred reduction ratio is in the range of 3.5 [three-point five] to 4.5.
  • the input side of the output connection is connected to the transmission output shaft in a separable torque-transmitting manner by means of a (first) separating clutch.
  • the output connection in its entirety is designed to rotate continuously with the output differential unit or can be completely decoupled from the torque transmission from the internal combustion engine and / or the electrical machine. So for example with a pure
  • Torque output to the at least one output shaft is set up.
  • the first clutch be positively torque-transmitting.
  • the first separating clutch be a positive one
  • Separating clutch is, for example, a dog clutch or a so-called
  • a wedge clutch has a hub cone and a (rounded) polygonal driver cone, preferably with a solid-body spring
  • Torque-connectable This is particularly simple if a second separating clutch is additionally provided on the combustion side of the electrical machine towards the combustion shaft, so that a
  • the internal combustion engine may slip by means of such a second clutch as a friction clutch
  • the first separating clutch alone is sufficient and no further, for example second, separating clutch is provided in the coaxial shaft hybrid.
  • at least one further or only a differently arranged clutch is provided, for example a clutch between the output differential unit and the output side of the
  • the combustion side of the electrical machine can be connected to a combustion shaft of an internal combustion engine by means of a (second) disconnect clutch, the second disconnect clutch being arranged coaxially and axially overlapping with the electrical machine.
  • the electrical machine is preferably permanently connected to the transmission input shaft in a torque-transmitting manner.
  • Such a second separating clutch is, for example, a friction clutch, so that a slipping operation is possible, with starting or even starting, that is to say a cold start at low temperatures, for example
  • the second separating clutch is arranged centrally within the rotor of the electrical machine.
  • the second one is arranged centrally within the rotor of the electrical machine.
  • Separating clutch arranged radially outside of the rotor, and possibly the stator.
  • the burner side of the electrical machine by means of a freewheel with a burner shaft of an internal combustion engine can be connected to transmit torque, the freewheel being arranged coaxially and axially overlapping with the electrical machine.
  • a one-way clutch is provided instead of a (second) separating clutch, so that torque transmission to the transmission input shaft is only possible when the internal combustion engine is delivering torque, and the internal combustion engine is decoupled when the torque is reversed.
  • a separate starter for the internal combustion engine must therefore be provided.
  • the freewheel is arranged centrally within the rotor of the electrical machine.
  • the freewheel is arranged radially outside the rotor, and possibly the stator.
  • the second separating clutch be a positive one
  • Separating clutch is, for example, a dog clutch or a so-called
  • a positively lockable second separating clutch in which case suitable control electronics for controlling the output torque and the output speed of the electrical machine then carry out synchronization on the basis of a speed detection of the combustion shaft.
  • the second separating clutch is axially overlapping and coaxial with the electrical machine and with a part of the transmission input shaft.
  • a flybrid transmission train for one
  • Hybrid powertrain proposed having at least the following
  • the output connection comprises at least one rigid gear stage and the transmission output shaft of the transmission gear is arranged parallel to at least one of the output shafts of the output differential unit.
  • the hybrid transmission includes an output differential unit, by means of which the electrical machine and the
  • Torque introduced into the internal combustion engine can be transmitted to at least a first output shaft and a second output shaft of a common output axis.
  • the output shafts are connected, for example, to a left and a right vehicle drive wheel to transmit torque.
  • Output differential unit takes into account the need for different speeds and torques, for example when cornering a hybrid vehicle, and prevents tensioning of the hybrid transmission or its components or slipping of at least one of the vehicle drive wheels due to drive torque.
  • the output connection be at least a rigid one
  • Gear stage comprises, such a rigid gear stage at least two
  • Gears that is, at least one gear pair or a chain drive.
  • the transmission output shaft is radially spaced, that is offset in parallel, from at least one of the output shafts of the output differential unit. This creates a larger radial distance between the transmission input shaft of the coaxial shaft hybrid and the
  • only two are intermeshing Gears, that is, a single gear pair, of the gear stage comprises or form the gear stage, with a relatively high output speed being accepted under certain circumstances, which is achieved by means of a
  • Reduction gear preferably a planetary gear
  • Output differential unit can be compensated.
  • Hybrid powertrain proposed having at least the following
  • Output differential unit are arranged.
  • Transmission output shaft coaxial with at least one of the output shafts
  • Output differential unit arranged so that the transmission output shaft of the coaxial shaft hybrid is designed as a through shaft or hollow shaft. This will result in an enormous reduction in the radial distance between the
  • Gearbox input shaft of the shaft axis in the at least one output shaft of the output differential unit is reached. Because there is no further reduction by means of a gear stage, as described in the previous 3-shaft concept, it is advantageous to use the output differential unit with a
  • the output differential unit towards the output connection has a planetary gear set for reducing an output speed of the
  • Belt transmission includes.
  • a planetary gear has a small (additional) axial length, namely comparable to a gear stage or, in the case of a larger ratio, with a staggered planetary gear of a corresponding plurality of gear stages arranged axially to one another.
  • a planetary gear has only a small radial expansion (compared with a gear pair having the same reduction ratio).
  • the planetary gear has approximately the same radial extent as the differential of the output differential unit.
  • the output differential unit is preferably in an axial overlap with the internal combustion engine and on the combustion engine side
  • the output differential unit comprises a spur gear differential.
  • the output differential unit comprises a spur gear differential which is similar in structure and dimensions to a two-stage planetary gear and requires approximately the same, often radially somewhat smaller, installation space.
  • a single planet carrier forms the (common) torque input and two sun gears each form an output shaft for the torque output.
  • the planet gears held by the rotating planet carrier are designed from two sets of planet gears such that a first set is connected to the first sun gear of the first output shaft and a second set is connected to the second sun gear of the second output shaft in a torque-transmitting manner.
  • the planet gears of the two Sets are also connected to each other to transmit torque.
  • Embodiment of the wheels of the spur gear differential as gears mesh the torque-connected wheels with each other. This results in a decrease in speed on one output shaft to a proportional increase in speed on the other output shaft and vice versa.
  • Spur gear differential is characterized by its compactness with regard to the transmissible torque.
  • such a spur gear differential can be easily connected to an upstream planetary gear, and this takes up particularly little space.
  • the output differential consists of only one
  • Differential preferably a spur gear differential.
  • a hybrid drive train comprising an internal combustion engine with a combustion shaft, at least one consumer and a hybrid transmission train according to an embodiment as described above, the combustion shaft being used
  • Torque transmission by means of the hybrid gear train is connected to the at least one consumer with variable translation, preferably separable.
  • the hybrid powertrain is set up to be one of the
  • Translation spread can be achieved in a small space or only a very small space is required for a required translation spread. Conversely, a recording of one of, for example, one
  • Vehicle drive wheel introduced inertia energy by means of
  • Belt transmission on the coaxial electrical machine for recuperation and / or on the internal combustion engine for engine braking with one suitably configured hybrid drive train can be implemented. Furthermore, in a preferred embodiment, at least one further electric drive machine is provided, which can be operated in parallel or decoupled from the coaxial shaft hybrid.
  • the hybrid drive train proposed here is particularly compact axially and preferably radially particularly compact, with a high degree of freedom with regard to the operating states of the hybrid machines, that is
  • a hybrid vehicle comprising at least one vehicle drive wheel which can be driven by means of a hybrid drive train according to an embodiment as described above.
  • the axial and / or radial installation space is particularly small, especially in hybrid vehicles, because of the large number of drive components, and it is therefore particularly advantageous to use a hybrid drive train, preferably with a
  • Passenger cars are assigned to a vehicle class according to, for example, size, price, weight and performance, whereby this definition is subject to constant change according to the needs of the market.
  • vehicles of the small car and subcompact class are classified according to the European classification of the subcompact car class and in the British market they correspond to the class Supermini or the City Car class.
  • Examples of the smallest car class are a Volkswagen up! or a Renault Twingo.
  • Examples of the small car class are an Alfa Romeo MiTo, Volkswagen Polo, Ford Ka + 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.
  • FIG. 2 a hybrid vehicle with a hybrid drive train that drives the front axle
  • FIG. 3 a hybrid vehicle with a hybrid drive train that drives the rear axle.
  • Fig. 1 shows in section an advantageous embodiment of a
  • Coaxial shaft hybrid 1 and an output differential unit 14 one
  • Hybrid gear train 41 in which, in the illustration on the left, the combustion side 4 of the coaxial electrical machine 3 as a shaft with splines can be connected to a combustion shaft 6, preferably by means of a dual-mass flywheel 43 (compare FIG. 2 or 3), in a torque-transmitting manner.
  • a dual-mass flywheel 43 (compare FIG. 2 or 3), in a torque-transmitting manner.
  • Torque transmission to the combustion shaft 6 can be interrupted in this embodiment by means of a second clutch 42.
  • the combustion shaft 6 can only be connected indirectly via the rotor 29 of the electrical machine 3 and thus to the transmission side 5 of the electrical machine 3.
  • the second clutch 42 is designed here as a friction plate clutch, which is arranged centrally within the rotor 29 of the electrical machine 3.
  • the rotor 29 of the electrical machine 3 is electromagnetically driven by a stator 28 and transmits its torque directly via the transmission side 5, for example via a spline, to the transmission input shaft 9 of the transmission 8, which is optionally designed as a belt transmission 20 here.
  • the transmission output shaft 10 of the transmission 8 can be separated here (optionally) via a first clutch 19 with an input side 12 of the
  • Claw clutch or as a wedge clutch The illustration shows (indicated by dashed lines) that the electrical machine 3, that is to say the rotor 29 and the stator 28, can be built axially longer in order to be able to deliver a larger torque and / or a torque more efficiently.
  • the output connection 11 is embodied here in the 3-shaft concept and has a gear stage 16 with (optionally) a single gear pair, the input side 12 thus being formed by a gear-side spur gear 34, as well as the
  • Output connection 11 is here with the output differential unit 14 via
  • the spur gear differential 24 is set up to transmit a torque to a left output shaft 17 and a right output shaft 18 as required (not shown here, compare FIG. 2 or 3).
  • the belt transmission 20 forming the transmission gear 8 is designed with a pair of conical pulleys 21 on the combustor side and a pair of conical pulleys 22 on the output side, which is by means of
  • Conical disk pair 21 has (on the left in the illustration) a combustion-side
  • Washer 30 and (on the right in the illustration) a burner-side fixed disk 31 and, with the opposite orientation, the pair of driven conical disks 22 has an output-side fixed disk 32 (on the left in the illustration) and an driven-side washer 33 (in the illustration on the right).
  • the radially outer portions that is to say pointing away from one another, are the portions of Conical disk pairs 21, 22 are shown with a large speed reduction with the maximum speed reduction, so that there the axial distance between the burner-side moving disk 30 and the burner-side fixed disk 31 is maximum and between the driven-side fixed disk 32 and the driven-side moving disk 33 is minimal.
  • the minimum is in each case on the inside, that is to say on the side facing the respective other conical disk pair 21, 22
  • Conical disk pairs 21, 22 are optionally actuated hydrostatically here, optionally for a fallback protection in the event of failure of the hydrostatic pressure in the
  • reset energy storage 44 here designed as a helical compression spring, ensures the maximum reduction when the hydrostatic pressure falls below a predetermined limit.
  • FIG. 2 shows a flybrid vehicle 2 with a hybrid drive train 25 comprising a hybrid drive train 41 in the 2-shaft concept, which is optionally set up here as a front axle drive.
  • the left output shaft 17 and the right output shaft 18 for driving the left vehicle drive wheel 26 and the right vehicle drive wheel 27 are shown here in simplified form, respectively
  • the hybrid transmission 41 here includes a
  • Transmission gear 8 here designed as a belt transmission 20, also an output differential unit 14 comprising a planetary gear 15 and a
  • Spur gear differential 24 and a first clutch 19 which is arranged coaxially to the output shafts 17, 18.
  • Transmission gear 8 is designed as a through shaft or hollow shaft, so that the right output shaft 18 is guided to the right vehicle drive wheel 27 through the pair of conical disks 22 on the output side.
  • the electrical machine 3 is by means of a second clutch 42, for example one
  • Friction clutch here by means of a dual mass flywheel 43, with the Combustion shaft 6, shown here as a 2-cylinder
  • FIG. 1 shows a coaxial wave hybrid 1 in one embodiment, which apart from the implementation of the
  • Output connection 11 and the transmission output shaft 10 can be used here.
  • FIG. 3 shows a flybrid vehicle 2 with a hybrid drive train 25, in which the hybrid transmission train 41 is optionally set up here as a rear axle drive. It should be noted that both that shown in Fig. 3
  • Hybrid gear train 41 and the hybrid gear train 41 shown in FIG. 2 can each be used as a front axle drive and as a rear axle drive.
  • a hybrid transmission train 41 is now shown in the 3-shaft concept, with a first clutch 19 in front of the input side 12 of the output connection 11 and the output connection 11 one (only)
  • Gear stage 16 includes, for example, as shown in Fig. 1.
  • Gearbox 8 here is purely optional a discretely switchable gearbox with a limited number of gear ratios. Incidentally, it is
  • Hybrid gear train 41 for example, as shown in FIG. 2, so that reference is made to the description there.
  • Hybrid gear train is an axially compact structure and preferably also a radially compact structure while ensuring a high degree of freedom with regard to the functions of the coaxial electrical machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Koaxialwellenhybrid (1) für einen Hybrid-Getriebestrang (41), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - eine elektrische Maschine (3) mit einer Verbrennerseite (4) und mit einer Getriebeseite (5), wobei die Verbrennerseite (4) koaxial mit einer Verb rennerwelle (6) einer Verbrennungskraftmaschine (7) drehmomentübertragend verbindbar ist; - ein Übersetzungsgetriebe (8) mit einer Getriebeeingangswelle (9) und mit einer Getriebeausgangswelle (10), wobei die Getriebeeingangswelle (9) koaxial angeordnet drehmomentübertragend mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist; - einen Abtriebsanschluss (11) mit einer Eingangsseite (12) und mit einer Ausgangsseite (13), wobei der Abtriebsanschluss (11) parallel zu der elektrischen Maschine (3) angeordnet ist, wobei die Eingangsseite (12) unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle (10) drehmomentübertragend verbunden ist und die Ausgangsseite (13) unmittelbar mit einer Abtriebsdifferentialeinheit (14) drehmomentübertragend verbindbar ist. Der gesamte Abtriebsanschluss (11) ist axial-überlappend und/oder axial-verbrennerseitig der elektrischen Maschine (3) angeordnet.

Description

KOAXIALWELLENHYBRID FÜR EINEN HYBRID GETRIEBESTRANG, HYBRID-GETRIEBESTRANG, HYBRID-ANTRIEBSSTRANG UND HYBRIDFAHRZEUG
Die Erfindung betrifft einen Koaxialwellenhybrid für einen Hybrid-Getriebestrang, einen Hybrid-Getriebestrang für einen Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen
Koaxialwellenhybrid als 3-Wellen-Konzept und als 2-Wellen-Konzept, einen
Hybrid-Antriebsstrang mit einem solchen Hybrid-Getriebestrang, sowie ein
Hybridfahrzeug mit einem solchen Hybrid-Antriebsstrang.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlichen
Hybrid-Antriebssträngen für Hybridfahrzeuge bekannt. Eine Aufgabenstellung bei einem Hybrid-Antriebstrang ist, die deutlich gestiegene Anzahl von (Antriebs-)
Komponenten auf einem möglichst geringen Bauraum unterzubringen. Beispielsweise aus der DE 10 2016 222 936 A1 ist ein Koaxialwellenhybrid mit einem
CVT-Antriebsstrang bekannt, wobei CVT [engl.: continuous variable transmission] ein Umschlingungsgetriebe ist. Bei einem Koaxialwellenhybrid ist eine elektrische
Maschine koaxial zu einer Verbrennerwelle angeordnet und dient dort zumindest einer der folgenden Aufgaben: Boosten, Anlassen, Anreißen (Kaltstart), Generatorbetrieb (nach Art einer Lichtmaschine), Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) und/oder rein-elektrisches Fahren. Die koaxiale elektrische Maschine und die Verbrennerwelle werden dabei über ein gemeinsames Getriebe mit einer Abtriebsdifferentialeinheit verbunden und so ein Drehmoment bedarfsgerecht auf Fahrzeugantriebsräder des Hybridfahrzeugs übertragen.
Obwohl mit der DE 10 2016 222 936 A1 bereits eine sehr kompakte Ausführungsform eines Hybrid-Getriebestrangs gezeigt ist, wird kundenseitig, beispielsweise von OEM [engl.: original equipment manufacturer; darunter werden im Fahrzeugbau die kundenbekannten Markenhersteller verstanden], eine weitere Verkleinerung des Hybrid-Antriebsstrangs gewünscht.
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.
Die Erfindung betrifft einen Koaxialwellenhybrid für einen Hybrid-Getriebestrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
eine elektrische Maschine mit einer Verbrennerseite und mit einer
Getriebeseite, wobei die Verbrennerseite koaxial mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist; ein Übersetzungsgetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und mit einer Getriebeausgangswelle, wobei die Getriebeeingangswelle koaxial angeordnet drehmomentübertragend mit der elektrischen Maschine verbunden ist;
einen Abtriebsanschluss mit einer Eingangsseite und mit einer Ausgangsseite, wobei der Abtriebsanschluss parallel zu der elektrischen Maschine angeordnet ist,
wobei die Eingangsseite unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle
drehmomentübertragend verbunden ist und die Ausgangsseite unmittelbar mit einer Abtriebsdifferentialeinheit drehmomentübertragend verbindbar ist.
Der Koaxialwellenhybrid ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Abtriebsanschluss axial-überlappend und/oder axial-verbrennerseitig der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Es wird im Folgenden auf die jeweils im Folgenden genannten (Rotations-) Achsen Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Flinweis eine axiale Richtung, radiale Richtung oder eine 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 von einer Untersetzung beziehungsweise einem Untersetzungsverhältnis, also einem Verringerungsverhältnis, gesprochen, so ist hier die Drehzahl gemeint, und damit (reziprok) eine Übersetzung des Drehmoments, also eine Vergrößerung des
Drehmoments.
Der hier vorgeschlagene Koaxialwellenhybrid ist für den Einsatz in einem
Hybrid-Getriebestrang geeignet. Der Koaxialwellenhybrid umfasst eine elektrische Maschine, welche koaxial zu einer Verbrennerwelle, beispielsweise eine Kurbelwelle, angeordnet ist und mit der Verbrennerwelle drehmomentübertragend verbindbar ist, also im Einsatz dauerhaft verbunden ist oder (mittels Trennkupplung) trennbar verbunden ist. In einer Ausführungsform ist zumindest eine Vorrichtung zur
Vergleichmäßigung des Verbrennerdrehmoments, beispielsweise ein
Zweimassenschwungrad und/oder ein Fliehkraftpendel zwischen Verbrennerwelle und Verbrennerseite der elektrischen Maschine zwischengeschaltet. Über die
drehmomentübertragende Verbindung mit der Verbrennerwelle ist von der
elektrischen Maschine beispielsweise ein Drehmoment von der
Verbrennungskraftmaschine in der elektrischen Maschine aufnehmbar (zum Beispiel im Generatorbetrieb), ein Drehmoment der Verbrennerwelle mit einem Drehmoment ergänzend unterstützbar (Boosten), oder ein Drehmoment an die
Verbrennungskraftmaschine angebbar, also die Verbrennungskraftmaschine anlassbar (beispielsweise bei Start-Stopp-Automatik) oder sogar anreißbar (Kaltstart).
Weiterhin ist getriebeseitig der elektrischen Maschine ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen, welches mit seiner Getriebeeingangswelle koaxial zu der elektrischen Maschine angeordnet ist und drehmomentübertragend mit der Getriebeseite der elektrischen Maschine verbunden ist, sowie (mittelbar oder unmittelbar) mit der Verbrennerwelle drehmomentübertragend verbindbar ist. Die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes ist mit der Eingangsseite eines Abtriebsanschlusses verbunden. Das Übersetzungsgetriebe ermöglicht die bedarfsgerechte Anpassung der Drehzahlen beziehungsweise des Drehmoments für den Verbraucher, welches von der elektrischen Maschine und/oder der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird. Ein Verbraucher ist beispielsweise zumindest ein Fahrzeugantriebsrad, bevorzugt eine Antriebsachse mit zumindest zwei Fahrzeugantriebsrädern.
Der Abtriebsanschluss weist eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite auf, wobei der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit parallel zu der elektrischen Maschine angeordnet ist. Dabei ist der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit zu der
elektrischen Maschine axial-überlappend und/oder axial-verbrennerseitig, also von dem Übersetzungsgetriebe gesehen hinter, der elektrischen Maschine angeordnet. Das bedeutet, dass der Abtriebsanschluss sich nicht in den Bereich des
Übersetzungsgetriebes erstreckt und auch nicht zwischen dem Übersetzungsgetriebe axial zwischen dem Übersetzungsgetriebe und der elektrischen Maschine angeordnet ist. Der Abtriebsanschluss ist also hier mit seiner Eingangsseite unmittelbar, mit der Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes verbunden. Die Ausgangsseite ist unmittelbar, also ohne weitere Drehmomentübertragungselement, mit einer
Abtriebsdifferentialeinheit drehmomentübertragend verbindbar. Das bedeutet, dass dort jeweils kein Drehmomentübertragungselement zwischengeschaltet sind, also beispielsweise kein weiteres Zahnrad und keine Getriebekette vorgesehen sind.
Beispielsweise bei der DE 10 2016 222 936 A1 ist ein Differentialabtriebsrad (49) axial zwischen dem ausgangsseitigen Kegelscheibenpaar des Umschlingungsgetriebes und dem Stator der elektrischen Maschine angeordnet (vergleiche Fig. 1 der
DE 10 2016 222 936 A1 ), sodass daraus resultierend das Umschlingungsgetriebe insgesamt axial weiter herausgeschoben werden muss und somit die axiale Baulänge deutlich größer ist. In der Fig. 2 der DE 10 2016 222 936 A1 ist zu erkennen, dass das Differentialabtriebsrad (49) nicht axial-überlappend mit der elektrischen Maschine (20) angeordnet werden kann. Das dort gezeigte Differentialabtriebsrad (49) ist das Rad, welches zwischen dem der Getriebeausgangswelle des Umschlingungsgetriebes und dem Differential das letzte differentialseitige Drehmomentübertragungselement bildet. Dieses Differentialabtriebsrad (49) entspricht somit einer Komponente des
Abtriebsanschlusses gemäß obiger Definition.
In einer Ausführungsform ist die daraus resultierende axiale Verkürzungen durch eine vergrößerte radiale Beabstandung der Motorachse und der Getriebeausgangswelle, beziehungsweise deren (abtriebsseitige) Rotationsachse, erkauft.
In einer anderen Ausführungsform tritt keine Zunahme des radialen Bauraums auf oder ist sogar im Vergleich zu vorbekannten Lösungen der Bauraum reduziert, indem der benötigte radiale Bauraum für den Abtriebsanschluss verringert ist. Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, dass eine verringerte Drehzahluntersetzung erzielt wird, also an der Ausgangsseite des Abtriebsanschlusses eine höhere Drehzahl anliegt als dies für die meisten Anwendungen im Fahrzeugbau üblich oder geeignet ist. Damit sind im Vergleich zu der DE 10 2016 222 936 A1 weniger Zahnräder und/oder kleinere Zahnräder einsetzbar. Die höhere Drehzahl ist, sofern unerwünscht, dadurch kompensierbar, dass die Abtriebsdifferentialeinheit eine weitere
Untersetzungsstufe umfasst, besonders bevorzugt ein Planetengetriebe. Der dafür benötigte zusätzlich Bauraum ist gering oder an eine Stelle verlagerbar, welche weder zu einer radialen noch zu einer axialen Bauraumvergrößerung beziehungsweise im Vergleich zu vorbekannten Lösungen insgesamt zu einer Verringerung des benötigten radialen und/oder axialen Bauraums führt.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe eine veränderbare Übersetzung aufweist.
Hier wird nun vorgeschlagen, dass es Übersetzungsgetriebe keine feste
Übersetzungsstufe ist, sondern eine veränderbare Übersetzung aufweist.
Beispielsweise ist das Übersetzungsgetriebe ein diskret schaltbares
Übersetzungsgetriebe, beispielsweise ein sogenanntes Schaltgetriebe mit einer Mehrzahl diskreter (Stirnrad-) Getriebestufen. Ein solches Übersetzungsgetriebe ist automatisiert oder von Hand schaltbar, wobei für die meisten Hybrid-Anwendungen eine lediglich indirekte manuelle Schaltvorgabe sinnvoll ist, weil die Komplexität der verschiedenen Betriebszustände der elektrischen Maschine und der
Verbrennungskraftmaschine sowie einer gegebenenfalls weiteren vorgesehenen elektrischen Antriebsmaschine einen Fahrzeugführer überfordert.
Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids
vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe als Umschlingungsgetriebe mit einem eingangsseitigen Kegelscheibenpaar an der einer Getriebeeingangswelle und mit einem ausgangsseitigen Kegelscheibenpaar an der einer Getriebeausgangswelle ausgeführt ist, wobei die beiden Kegelscheibenpaare mittels eines
Umschlingungsmittels kontinuierlich veränderbar übersetzend
drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Übersetzungsgetriebe als
Umschlingungsgetriebe, also als CVT [engl.: continuous variable transmission], beispielsweise ein kontinuierlich variables Zugmittelgetriebe oder als
Schubgliederbandgetriebe ausgeführt ist. Ein solches Umschlingungsgetriebe weist ein eingangsseitiges Kegelscheibenpaar auf, welches mit der Getriebeeingangswelle des Übersetzungsgetriebes drehmomentsteif verbunden ist. Bei einer
Ausführungsform mit einem Planetengetriebe in der Abtriebsdifferentialeinheit ist es überraschenderweise ermöglicht ein verringertes
Drehmomentuntersetzungsverhältnis, und bevorzugt zudem eine verringerte
Spreizung zu erreichen, auch wenn (optional) das Untersetzungsverhältnis in dem Abtriebsanschluss verringert ist, um einen geringen radialen Abstand zwischen der Ausgangsseite des Abtriebsanschlusses und der Getriebeeingangswelle des
Übersetzungsgetriebes zu erreichen. Dadurch ist eine Verringerung des
Axialabstands zwischen der Eingangsseite des Abtriebsanschlusses und der
Getriebeeingangswelle des Übersetzungsgetriebes ermöglicht. Es ist also ein geringerer Achsabstand zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren möglich. Ein bevorzugtes Untersetzungsverhältnis liegt im Spreizungsbereich von 3,5 [drei Komma fünf] bis 4,5.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Eingangsseite des Abtriebsanschlusses mittels einer (ersten) Trennkupplung mit der Getriebeausgangswelle trennbar drehmomentübertragend verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der Abtriebsanschluss in seiner Gesamtheit dauerhaft mit der Abtriebsdifferentialeinheit mitrotierend ausgeführt beziehungsweise vollständig von der Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine entkoppelbar. Damit ist beispielsweise bei einem reinen
Generatorbetrieb mit hohem Wirkungsgrad möglich. Ein reiner Generatorbetrieb ist die Verbrennungskraftmaschine von der Abtriebsdifferentialeinheit, und hier eben auch von dem Abtriebsanschluss, entkoppelt und wird zur Erzeugung elektrischer Energie mittels der koaxialen elektrischen Maschine betrieben. Der Abtriebsanschluss wird in seiner Gesamtheit nicht mitgeschleppt. Eine solche erste Trennkupplung ist
besonders vorteilhaft, wenn eine weitere elektrische Antriebsmaschine vorgesehen ist, die über einen weiteren Eingang der Abtriebsdifferentialeinheit zur
Drehmomentabgabe an die zumindest eine Abtriebswelle eingerichtet ist.
Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids
vorgeschlagen, dass die erste Trennkupplung formschlüssig drehmomentübertragend eingerichtet ist.
Hier ist vorgeschlagen, dass die erste Trennkupplung eine formschlüssige
Trennkupplung ist, beispielsweise eine Klauenkupplung oder eine sogenannte
Wedge-Clutch. Eine Wedge-Clutch weist einen Nabenkonus und einen (abgerundet) polygonen Mitnehmerkonus auf, bevorzugt mit einem als Festkörperfeder
ausgeführten korrespondierenden Aufnahmekonus ausgeführt. Bei einer solchen Wedge-Clutch sind Relativdrehzahlen von 20 U/min [zwanzig Umdrehungen pro Minute] bis 30 U/min schaltbar, weil der Eingriff nicht rein formschlüssig, sondern kraftschlüssig gebildet ist. Die elektrische Maschine wird bei einer formschlüssig schließbaren zweiten Trennkupplung beispielsweise erst bei laufender
Verbrennungskraftmaschine mit der Verbrennerwelle synchronisiert. In diesem Fall ist ein separater Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
Bei einer solchen formschlüssig schließbaren ersten Trennkupplung sind die
Eingangsseite des Abtriebsanschlusses die Getriebeausgangswelle des
Übersetzungsgetriebes nur bei ausreichend synchronisierter Drehzahl
drehmomentübertragend miteinander verbindbar. Dies ist besonders einfach, wenn zusätzlich eine zweite Trennkupplung bei der Verbrennerseite der elektrischen Maschine hin zu der Verbrennerwelle vorgesehen ist, sodass eine
Drehzahl-Synchronisation von der Getriebeausgangswelle mit der Eingangsseite des Abtriebsanschlusses einzig mit der koaxialen elektrischen Maschine vorgenommen werden muss. Die Verbrennungskraftmaschine ist gegebenenfalls mittels einer solchen als Reibkupplung ausgeführten zweiten Trennkupplung schlupfend
drehmomentübertragend, also mechanisch geregelt, synchronisierbar und
anschließbar.
Alternativ ist die erste Trennkupplung allein ausreichend und keine weitere, beispielsweise zweite, Trennkupplung in dem Koaxialwellenhybrid vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform ist zumindest eine weitere oder einzig eine anders angeordnete Trennkupplung vorgesehen, beispielsweise eine Trennkupplung zwischen der Abtriebsdifferentialeinheit und der Ausgangsseite des
Abtriebsanschlusses.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels einer (zweiten) Trennkupplung mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist, wobei die zweite Trennkupplung koaxial und axial-überlappend mit der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Hier wird nun vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels einer (zweiten) Trennkupplung mit der Verbrennerwelle
drehmomentübertragend verbindbar ist, sodass eine Drehmomentübertragung einerseits zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennerwelle
unterbrechbar ist und andererseits eine Drehmomentübertragung zwischen der Verbrennerwelle und der Abtriebsdifferentialeinheit damit unterbrechbar ist. Die elektrische Maschine ist dabei bevorzugt dauerhaft mit der Getriebeeingangswelle mitlaufend drehmomentübertragend verbunden.
Eine solche zweite Trennkupplung ist beispielsweise eine Reibkupplung, sodass ein schlupfender Betrieb möglich ist, wobei beispielsweise damit ein Anlassen oder sogar ein Anreißen, also ein Kaltstart bei niedrigen Temperaturen, der
Verbrennungskraftmaschine einfach umsetzbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Trennkupplung zentral innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Alternativ ist die zweite
Trennkupplung radial außerhalb des Rotors, und gegebenenfalls des Stators, angeordnet.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids vorgeschlagen, dass die Verbrennerseite der elektrischen Maschine mittels eines Freilaufs mit einer Verbrennerwelle einer Verbrennungskraftmaschine drehmomentübertragend verbindbar ist, wobei der Freilauf koaxial und axial-überlappend mit der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform ist anstelle einer (zweiten) Trennkupplung ein Freilauf vorgesehen, sodass nur bei Drehmomentabgabe von der Verbrennungskraftmaschine eine Drehmomentübertragung auf die Getriebeeingangswelle möglich ist, und bei einem umgekehrten Drehmomentverlauf die Verbrennungskraftmaschine entkoppelt ist. Hierbei ist also ein separater Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine vorzusehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Freilauf zentral innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Alternativ ist der Freilauf radial außerhalb des Rotors, und gegebenenfalls des Stators, angeordnet.
Es wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des Koaxialwellenhybrids
vorgeschlagen, dass die zweite Trennkupplung formschlüssig
drehmomentübertragend eingerichtet ist.
Hier ist vorgeschlagen, dass die zweite Trennkupplung eine formschlüssige
Trennkupplung ist, beispielsweise eine Klauenkupplung oder eine sogenannte
Wedge-Clutch.
Alternativ ist auch mit einer formschlüssig schließbaren zweiten Trennkupplung ein Anlassen oder Anreißen möglich, wobei dann eine geeignete Steuerungselektronik zum Steuern des abgegebenen Drehmoments sowie der abgegebenen Drehzahl der elektrischen Maschine eine Synchronisation auf Basis einer Drehzahlerfassung der Verbrennerwelle vornimmt. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Trennkupplung axial-überlappend und koaxial mit der elektrischen Maschine, sowie mit einem Teil der Getriebeeingangswelle angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Flybrid-Getriebestrang für einen
Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden
Komponenten:
einen Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung; und
eine Abtriebsdifferentialeinheit mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss zumindest eine starre Zahnradstufe umfasst und die Getriebeausgangswelle des Übersetzungsgetriebes parallel zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet sind.
Hier ist nun ein Hybrid-Getriebestrang in einem 3-Wellenkonzept vorgeschlagen, bei welchem ein Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst ist.
Weiterhin umfasst der Hybrid-Getriebestrang eine Abtriebsdifferentialeinheit, mittels welcher bedarfsgerecht das von der elektrischen Maschine und der
Verbrennungskraftmaschine eingeleitete Drehmoment auf zumindest eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle einer gemeinsamen Abtriebsachse übertragbar ist. Die Abtriebswellen sind beispielsweise mit einem linken und mit einem rechten Fahrzeugantriebsrad drehmomentübertragend verbunden. Die
Abtriebsdifferentialeinheit trägt dabei dem Bedarf unterschiedlicher Drehzahlen und Drehmomente Rechnung, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt eines Hybridfahrzeugs, und verhindert ein Verspannen des Hybrid-Getriebestrangs oder seiner Komponenten beziehungsweise ein antriebsdrehmomentbedingtes Schlupfen zumindest eines der Fahrzeugantriebsräder.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass der Abtriebsanschluss zumindest eine starre
Zahnradstufe umfasst, wobei eine solche starre Zahnradstufe zumindest zwei
Zahnräder, also zumindest eine Zahnradpaarung oder einen Kettentrieb, umfasst.
Dies hat den Vorteil, dass eine weitere Untersetzung zuzüglich zu der Untersetzung mittels des Übersetzungsgetriebes des Koaxialwellenhybrids erreichbar ist. Indem zumindest einen Zahnradpaarung vorgesehen ist, ist die Getriebeausgangswelle radial beabstandet, also parallel versetzt, zu zumindest einer der Abtriebswellen der Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet. Dadurch entsteht ein größerer radialer Abstand zwischen der Getriebeeingangswelle des Koaxialwellenhybrids und der
Abtriebsdifferentialeinheit als bei dem nachfolgend beschriebenen 2-Wellenkonzept.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind lediglich zwei miteinander kämmende Zahnräder, also eine einzige Zahnradpaarung, von der Zahnradstufe umfasst beziehungsweise bilden die Zahnradstufe, wobei unter Umständen eine relativ hohe Ausgangsdrehzahl in Kauf genommen ist, welche mittels eines
Untersetzungsgetriebes, bevorzugt einem Planetengetriebe, in der
Abtriebsdifferentialeinheit ausgleichbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybrid-Getriebestrang für einen
Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden
Komponenten:
einen Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung; und
eine Abtriebsdifferentialeinheit mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss und die Getriebeausgangswelle des
Übersetzungsgetriebes koaxial zu zumindest einer der Abtriebswellen der
Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet sind.
Hier ist nun ein Hybrid-Getriebestrang in einem 2-Wellenkonzept vorgeschlagen, bei welchem ein Koaxialwellenhybrid nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst ist.
Bei dieser Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs ist die
Getriebeausgangswelle koaxial zu zumindest einer der Abtriebswellen der
Abtriebsdifferentialeinheit angeordnet, sodass also die Getriebeausgangswelle des Koaxialwellenhybrids als Durchgangswelle beziehungsweise Hohlwelle ausgeführt ist. Dadurch wird eine enorme Verringerung des radialen Abstands zwischen der
Getriebeeingangswelle der Wellenachse in der zumindest ein Abtriebswelle der Abtriebsdifferentialeinheit erreicht. Weil hier nun eine weitere Untersetzung mittels einer Zahnradstufe entfällt, wie sie bei dem vorhergehenden 3-Wellenkonzept beschrieben ist, ist es vorteilhaft, die Abtriebsdifferentialeinheit mit einem
untersetzenden Planetengetriebe auszuführen, welches die geringere Untersetzung für die meisten Anwendungsfälle eines solchen Hybrid-Getriebestrangs zumindest kompensieren kann. Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs vorgeschlagen, dass die Abtriebsdifferentialeinheit hin zum Abtriebsanschluss ein Planetengetriebe zum Untersetzen einer Ausgangsdrehzahl des
Umschlingungsgetriebes umfasst.
Ein Planetengetriebe weist eine geringe (zusätzliche) axiale Baulänge auf, nämlich vergleichbar mit einer Zahnradstufe oder bei größerer Übersetzung mit einem gestaffelten Planetengetriebe einer entsprechenden Mehrzahl von axial zueinander angeordneten Zahnradstufen. Gleichzeitig weist ein Planetengetriebe auch nur eine (mit einer Zahnradpaarung gleichem Untersetzungsverhältnis verglichen) geringe radiale Ausdehnung auf. Beispielsweise weist das Planetengetriebe eine etwa gleiche radiale Ausdehnung aus wie das Differential der Abtriebsdifferentialeinheit auf.
Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt die Abtriebsdifferentialeinheit in axialer Überlappung mit der Verbrennungskraftmaschine und verbrennerseitig der
elektrischen Maschine angeordnet, also von dem Übersetzungsgetriebe gesehen hinter der elektrischen Maschine. Dadurch ist eine zusätzliche Reduzierung des radialen Abstands zwischen der Getriebeeingangswelle des Koaxialwellenhybrids und der Wellenachse der zumindest einen Abtriebswelle der Abtriebsdifferentialeinheit erreicht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Hybrid-Getriebestrangs vorgeschlagen, dass die Abtriebsdifferentialeinheit ein Stirnraddifferential umfasst.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Abtriebsdifferentialeinheit ein Stirnraddifferential, welches in seinem Aufbau und seinen Abmessungen einem zweistufigen Planetengetriebe ähnelt und einen etwa gleichen, oftmals radial etwas geringeren, Bauraum benötigt. Bei einer Ausführungsform eines Stirnraddifferentials bildet ein einziger Planetenträger den (gemeinsamen) Drehmomenteingang und zwei Sonnenräder jeweils zu einer Abtriebswelle den Drehmomentausgang. Die von dem umlaufenden Planetenträger gehaltenen Planetenräder sind derart aus zwei Sätzen von Planetenrädern ausgeführt, dass ein erster Satz mit dem ersten Sonnenrad der ersten Abtriebswelle und ein zweiter Satz mit dem zweiten Sonnenrad der zweiten Abtriebswelle drehmomentübertragend verbunden ist. Die Planetenräder der beiden Sätze sind zudem drehmomentübertragend miteinander verbunden. Bei einer
Ausführungsform der Räder des Stirnraddifferentials als Zahnräder kämmen die drehmomentübertragend miteinander verbundenen Räder miteinander. Somit resultiert eine Drehzahlabnahme an der einen Abtriebswelle zu einer proportionalen Drehzahlzunahme an der anderen Abtriebswelle und umgekehrt. Ein solches
Stirnraddifferential kennzeichnet sich durch seine Kompaktheit hinsichtlich des übertragbaren Drehmoments. Zudem ist ein solches Stirnraddifferential einfach mit einem vorgeschalteten Planetengetriebe verbindbar, und dies bei besonders geringem Bauraumbedarf.
In einer Ausführungsform besteht das Abtriebsdifferential einzig aus einem
Differential, bevorzugt einem Stirnraddifferential. In einer anderen Ausführungsform ist einzig zusätzlich ein einziges, bevorzugt ein einstufiges, Planentengetriebe
vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybrid-Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Verbrennerwelle, zumindest einen Verbraucher und einen Hybrid-Getriebestrang nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei die Verbrennerwelle zur
Drehmomentübertragung mittels des Hybrid-Getriebestrangs mit dem zumindest einen Verbraucher mit veränderbarer Übersetzung, bevorzugt trennbar, verbunden ist.
Der Hybrid-Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von der
Verbrennungskraftmaschine und/oder von der koaxialen elektrischen Maschine, bereitgestelltes Drehmoment für eine Nutzung bedarfsgerecht zu übertragen, also unter Berücksichtigung der benötigten Drehzahl und des benötigten Drehmoments.
Die Verwendung des oben beschriebenen Umschlingungsgetriebes als
Übersetzungsgetriebe ist besonders vorteilhaft, weil eine große
Übersetzungsspreizung auf geringem Bauraum erzielbar beziehungsweise für eine geforderte Übersetzungsspreizung nur ein sehr geringer Bauraum erforderlich ist. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem
Fahrzeugantriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie mittels des
Umschlingungsgetriebes auf die koaxiale elektrische Maschine zur Rekuperation und/oder auf die Verbrennungskraftmaschine zum Motorbremsen mit einem entsprechend eingerichteten Hybrid-Antriebsstrang umsetzbar. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine weitere elektrische Antriebsmaschine vorgesehen, welche parallelgeschaltet beziehungsweise von dem Koaxialwellenhybrid entkoppelt betreibbar ist.
Der hier vorgeschlagene Hybrid-Antriebsstrang baut axial besonders kompakt und bevorzugt zudem radial besonders kompakt, wobei ein großer Freiheitsgrad hinsichtlich der Betriebszustände der Hybridmaschinen, also der
Verbrennungskraftmaschine und der koaxialen elektrische Maschine, erreichbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hybridfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend zumindest ein Fahrzeugantriebsrad, welches mittels eines Hybrid-Antriebsstrangs nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
Der axiale und/oder radiale Bauraum ist gerade bei Hybridfahrzeugen aufgrund der hohen Anzahl von Antriebskomponenten besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, einen Hybrid-Antriebsstrang, bevorzugt mit einem
Umschlingungsgetriebe, kleiner Baugröße zu verwenden.
Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem
Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Bei dem hier vorgeschlagenen Hybridfahrzeug mit dem oben beschriebenen Hybrid-Antriebsstrang wird ein derart geringer Bauraum benötigt, dass der Hybrid-Antriebsstrang nicht nur hinsichtlich seines Platzbedarfs, sondern auch hinsichtlich seines Wirkungsgrads über den Gesamtdrehzahlbereich einen konventionellen Hybrid-Antriebsstrang übertrifft.
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 Ka+ oder Renault Clio. Bekannte Voll-Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3, der Audi A3 e-tron oder der Toyota Yaris Hybrid.
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 : eine Schnittansicht eines Hybrid-Getriebestrangs im 3-Wellenkonzept;
Fig. 2: ein Hybridfahrzeug mit vorderachsantreibendem Hybrid-Antriebsstrang; und Fig. 3: ein Hybridfahrzeug mit hinterachsantreibendem Hybrid-Antriebsstrang.
Fig. 1 zeigt im Schnitt eine vorteilhaften Ausführungsform eines
Koaxialwellenhybrids 1 und einer Abtriebsdifferentialeinheit 14 eines
Hybrid-Getriebestrangs 41 , bei welchem in der Darstellung links die Verbrennerseite 4 der koaxialen elektrische Maschine 3 als Welle mit Steckverzahnung mit einer Verbrennerwelle 6, bevorzugt mittels eines Zweimassenschwungrads 43, (vergleiche Fig. 2 oder Fig. 3) dauerhaft drehmomentübertragend verbindbar ist. Eine
Drehmomentübertragung zu der Verbrennerwelle 6 ist in dieser Ausführungsform mittels einer zweiten Trennkupplung 42 unterbrechbar. Die Verbrennerwelle 6 ist einzig mittelbar über den Rotor 29 der elektrischen Maschine 3 und damit mit der Getriebeseite 5 der elektrischen Maschine 3 verbindbar. Die zweite Trennkupplung 42 ist hier als Reiblamellenkupplung ausgeführt, welche zentral innerhalb des Rotors 29 der elektrischen Maschine 3 angeordnet ist. Der Rotor 29 der elektrischen Maschine 3 wird von einem Stator 28 elektromagnetisch angetrieben und gibt sein Drehmoment unmittelbar über die Getriebeseite 5, beispielsweise über eine Steckverzahnung, auf die Getriebeeingangswelle 9 des Übersetzungsgetriebes 8 weiter, welches hier optional als Umschlingungsgetriebe 20 ausgeführt ist. Die Getriebeausgangswelle 10 des Übersetzungsgetriebes 8 ist hier (optional) über eine erste Trennkupplung 19 trennbar mit einer Eingangsseite 12 des
Abtriebsanschlusses 11 verbunden, wobei die erste Trennkupplung 19 hier als
Klauenkupplung oder als Wedge-Clutch ausgeführt ist. Die Darstellung zeigt (mit gestrichelten Linien angedeutet), dass die elektrische Maschine 3, also der Rotor 29 und der Stator 28 axial durchaus länger gebaut werden können, umso ein größeres Drehmoment und/oder ein Drehmoment effizienter abgeben zu können.
Der Abtriebsanschluss 11 ist hier im 3-Wellenkonzept ausgeführt und weist eine Zahnradstufe 16 mit (optional) einer einzigen Zahnradpaarung auf, wobei also die Eingangsseite 12 von einem getriebeseitigen Stirnrad 34 gebildet ist, sowie die
Ausgangsseite 13 von einem Wellenanschluss beziehungsweise einer
Differentialeingangswelle 36, mit welcher ein abtriebsseitiges Stirnrad 35
drehmomentsteif verbunden ist, gebildet ist. Die Ausgangsseite 13 des
Abtriebsanschlusses 11 ist hier mit der Abtriebsdifferentialeinheit 14 über ein
Sonnenrad 40 über eine Mehrzahl von in einem umlaufenden Planetenträger 39 gehaltenen Planetenrädern 38, welche auf einem stehenden Hohlrad 37 ablaufen, und somit über den Planetenträger 39 untersetzt mit einem Differential verbunden, welches hier als Stirnraddifferential 24 ausgeführt ist. Das Stirnraddifferential 24 ist zur bedarfsgerechten Übertragung eines Drehmoments auf eine linke Abtriebswelle 17 und eine rechte Abtriebswelle 18 eingerichtet (hier nicht dargestellt vergleiche Fig. 2 oder Fig. 3).
In der gezeigten Ausführungsform ist das das Übersetzungsgetriebe 8 bildende Umschlingungsgetriebe 20 mit einem verbrennerseitigen Kegelscheibenpaar 21 und einem abtriebsseitigen Kegelscheibenpaar 22 ausgeführt, welche mittels eines
Umschlingungsmittels 23 mit kontinuierlich veränderbarer Übersetzung
drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Das verbrennerseitige
Kegelscheibenpaar 21 weist (links in der Darstellung) eine verbrennerseitige
Wegscheibe 30 und (rechts in der Darstellung) eine verbrennerseitige Festscheibe 31 auf und mit umgekehrter Ausrichtung weist das abtriebsseitige Kegelscheibenpaar 22 eine abtriebsseitige Festscheibe 32 (in der Darstellung links) und eine abtriebsseitige Wegscheibe 33 (in der Darstellung rechts) auf. In der Darstellung sind die jeweils radial außenliegenden, also voneinander wegzeigenden, Anteile der Kegelscheibenpaare 21 , 22 mit einer großen Drehzahluntersetzung mit der maximalen Drehzahluntersetzung dargestellt, sodass also dort der axiale Abstand zwischen der verbrennerseitigen Wegscheibe 30 und der verbrennerseitigen Festscheibe 31 maximal ist und zwischen der abtriebsseitigen Festscheibe 32 und abtriebsseitigen Wegscheibe 33 minimal ist. Jeweils auf der Innenseite, also auf der dem jeweils anderen Kegelscheibenpaar 21 , 22 zugewandten Seite, ist die minimale
Untersetzungsstellung gezeigt, sodass also hier der axiale Abstand zwischen der verbrennerseitigen Wegscheibe 30 und der verbrennerseitigen Festscheibe 31 minimal ist und zwischen der abtriebsseitigen Festscheibe 32 und der abtriebsseitigen Wegscheibe 33 maximal ist. Diese Darstellung dient einzig der besseren
Anschaulichkeit und stellt keinen realen Betriebszustand dar. Beide
Kegelscheibenpaare 21 , 22 werden hier optional hydrostatisch betätigt, wobei optional für eine Rückfallsicherung bei Ausfall des hydrostatischen Drucks bei dem
abtriebsseitigen Kegelscheibenpaar 22 ein Rückstellenergiespeicher 44, hier als Schraubendruckfeder ausgeführt, die maximale Untersetzung sicherstellt, wenn der hydrostatische Druck einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
In Fig. 2 ist ein Flybridfahrzeug 2 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 25 umfassend einen Hybrid-Getriebestrang 41 im 2-Wellenkonzept gezeigt, welcher hier optional als Vorderachsantrieb eingerichtet ist. Vereinfacht sind hier die linke Abtriebswelle 17 und die rechte Abtriebswelle 18 zum Antreiben des linken Fahrzeugantriebsrads 26 beziehungsweise des rechten Fahrzeugantriebsrads 27 gezeigt, wobei dies
üblicherweise gelenkte Räder sind, wobei das entsprechende Lenkgestänge wie auch andere Komponenten hier einzig der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Der Hybrid-Getriebestrang 41 umfasst hierbei ein
Übersetzungsgetriebe 8, hier ausgeführt als Umschlingungsgetriebe 20, zudem eine Abtriebsdifferentialeinheit 14 umfassend einen Planetengetriebe 15 und ein
Stirnraddifferential 24 sowie eine erste Trennkupplung 19, welche koaxial zu den Abtriebswellen 17, 18 angeordnet ist. Die Getriebeausgangswelle 10 des
Übersetzungsgetriebes 8 ist als Durchgangswelle beziehungsweise Hohlwelle ausgeführt, sodass die rechte Abtriebswelle 18 zum rechten Fahrzeugantriebsrad 27 durch das abtriebsseitige Kegelscheibenpaar 22 hindurchgeführt ist. Die elektrische Maschine 3 ist mittels einer zweiten Trennkupplung 42, beispielsweise einer
Reibkupplung, hier mittels eines Zweimassenschwungrads 43, mit der Verbrennerwelle 6 eines, hier als 2-Zylinder dargestellten,
Verbrennungskraftmaschine 7 trennbar verbunden. Im Übrigen wird auf die
Beschreibung der Fig. 1 verwiesen, welche einen Koaxialwellenhybrid 1 in einer Ausführungsform zeigt, welche abgesehen von der Ausführung des
Abtriebsanschlusses 11 und der Getriebeausgangswelle 10 hier einsetzbar ist.
In Fig. 3 ist ein Flybridfahrzeug 2 mit einem Hybrid-Antriebsstrang 25 gezeigt, bei welchem der Hybrid-Getriebestrang 41 hier optional als Hinterachsantrieb eingerichtet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl der in Fig. 3 gezeigte
Hybrid-Getriebestrang 41 als auch der in Fig. 2 gezeigte Hybrid-Getriebestrang 41 jeweils als Vorderachsantrieb, sowie als Hinterachsantrieb einsetzbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist nun also ein Hybrid-Getriebestrang 41 im 3-Wellenkonzept gezeigt, wobei sich eine erste Trennkupplung 19 vor der Eingangsseite 12 des Abtriebsanschlusses 11 befindet und der Abtriebsanschluss 11 eine (einzige)
Zahnradstufe 16 umfasst, beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt. Das
Übersetzungsgetriebe 8 ist hier rein optional ein diskret schaltbares Schaltgetriebe mit einer begrenzten Anzahl an Übersetzungsgängen. Im Übrigen ist der
Hybrid-Getriebestrang 41 beispielsweise wie in Fig. 2 ausgeführt, sodass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Mit dem hier vorgeschlagenen Koaxialwellenhybrid beziehungsweise
Hybrid-Getriebestrang ist ein axial kompakter Aufbau und bevorzugt zudem ein radial kompakter Aufbau unter Sicherstellung eines hohen Freiheitsgrads hinsichtlich der Funktionen der koaxialen elektrischen Maschine vorgeschlagen.
Bezuqszeichenliste
Koaxialwellenhybrid 28 Stator
Hybridfahrzeug 29 Rotor
elektrische Maschine 30 verbrennerseitige Wegscheibe Verbrennerseite 31 verbrennerseitige Festscheibe Getriebeseite 32 abtriebsseitige Festscheibe Verbrennerwelle 33 abtriebsseitige Wegscheibe Verbrennungskraftmaschine 34 getriebeseitiges Stirnrad Übersetzungsgetriebe 35 abtriebsseitiges Stirnrad Getriebeeingangswelle 36 Differentialeingangswelle Getriebeausgangswelle 37 Hohlrad
Abtriebsanschluss 38 Planetenrad
Eingangsseite 39 Planetenträger
Ausgangsseite 40 Sonnenrad
Abtriebsdifferentialeinheit 41 Hybrid-Getriebestrang
Planetengetriebe 42 zweite Trennkupplung
Zahnradstufe 43 Zweimassenschwungrad linke Abtriebswelle 44 Rückstellenergiespeicher rechte Abtriebswelle
erste Trennkupplung
Umschlingungsgetriebe
verbrennerseitiges
Kegelscheibenpaar
abtriebsseitiges
Kegelscheibenpaar
Umschlingungsmittel
Stirnraddifferential
Hybrid-Antriebsstrang
linkes Fahrzeugantriebsrad
rechtes Fahrzeugantriebsrad

Claims

Patentansprüche
1. Koaxialwellenhybrid (1 ) für einen Hybrid-Getriebestrang (41 ), aufweisend
zumindest die folgenden Komponenten:
- eine elektrische Maschine (3) mit einer Verbrennerseite (4) und mit einer Getriebeseite (5), wobei die Verbrennerseite (4) koaxial mit einer
Verbrennerwelle (6) einer Verbrennungskraftmaschine (7)
drehmomentübertragend verbindbar ist;
- ein Übersetzungsgetriebe (8) mit einer Getriebeeingangswelle (9) und mit einer Getriebeausgangswelle (10), wobei die Getriebeeingangswelle (9) koaxial angeordnet drehmomentübertragend mit der elektrischen Maschine (3) verbunden ist;
- einen Abtriebsanschluss (11 ) mit einer Eingangsseite (12) und mit einer Ausgangsseite (13), wobei der Abtriebsanschluss (11 ) parallel zu der elektrischen Maschine (3) angeordnet ist, wobei die Eingangsseite (12) unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle (10) drehmomentübertragend verbunden ist und die Ausgangsseite (13) unmittelbar mit einer Abtriebsdifferentialeinheit (14) drehmomentübertragend verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gesamte Abtriebsanschluss (11 ) axial-überlappend und/oder
axial-verbrennerseitig der elektrischen Maschine (3) angeordnet ist.
2. Koaxialwellenhybrid (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Übersetzungsgetriebe (8) eine veränderbare Übersetzung aufweist,
bevorzugt ausgeführt als Umschlingungsgetriebe (20) mit einem eingangsseitigen Kegelscheibenpaar (21 ) an der Getriebeeingangswelle (9) und mit einem ausgangsseitigen Kegelscheibenpaar (22) an der Getriebeausgangswelle (10), wobei die beiden Kegelscheibenpaare (21 ,22) mittels eines
Umschlingungsmittels (23) kontinuierlich veränderbar übersetzend
drehmomentübertragend miteinander verbunden sind.
3. Koaxialwellenhybrid (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eingangsseite (12) des Abtriebsanschlusses (11 ) mittels einer ersten Trennkupplung (19) mit der Getriebeausgangswelle (10) trennbar drehmomentübertragend verbunden ist, wobei bevorzugt die erste Trennkupplung (19) formschlüssig
drehmomentübertragend eingerichtet ist.
4. Koaxialwellenhybrid (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennerseite (4) der elektrischen Maschine (3) mittels einer zweiten
Trennkupplung (42) und/oder mittels eines Freilaufs mit einer Verbrennerwelle (6) einer Verbrennungskraftmaschine (7) drehmomentübertragend verbindbar ist, wobei die zweite Trennkupplung (42) und/oder der Freilauf koaxial und
axial-überlappend mit der elektrischen Maschine (3) angeordnet ist,
wobei bevorzugt die zweite Trennkupplung (42) formschlüssig
drehmomentübertragend eingerichtet ist.
5. Flybrid-Getriebestrang (41 ) für einen Hybrid-Antriebsstrang (25), aufweisend
zumindest die folgenden Komponenten:
- einen Koaxialwellenhybrid (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und
- eine Abtriebsdifferentialeinheit (14) mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss (11 ) zumindest eine starre Zahnradstufe (16) umfasst und die Getriebeausgangswelle (10) des Übersetzungsgetriebes (8) parallel zu zumindest einer der Abtriebswellen (17,18) der
Abtriebsdifferentialeinheit (14) angeordnet sind.
6. Hybrid-Getriebestrang (41 ) für einen Hybrid-Antriebsstrang (25), aufweisend
zumindest die folgenden Komponenten:
- einen Koaxialwellenhybrid (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und
- eine Abtriebsdifferentialeinheit (14) mit einer ersten Abtriebswelle und mit einer zweiten Abtriebswelle,
wobei der Abtriebsanschluss (11 ) und die Getriebeausgangswelle (10) des Übersetzungsgetriebes (8) koaxial zu zumindest einer der Abtriebswellen (17,) der Abtriebsdifferentialeinheit (14) angeordnet sind.
7. Hybrid-Getriebestrang (41 ) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die
Abtriebsdifferentialeinheit (14) hin zum Abtriebsanschluss (11 ) ein Planetengetriebe (15) zum Untersetzen einer Ausgangsdrehzahl des Umschlingungsgetriebes (20) umfasst.
8. Hybrid-Getriebestrang (41 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die
Abtriebsdifferentialeinheit (14) ein Stirnraddifferential (24) umfasst.
9. Hybrid-Antriebsstrang (25) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (7) mit einer Verbrennerwelle (6), zumindest einen Verbraucher (26,27) und einen Hybrid-Getriebestrang (41 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die
Verbrennerwelle (6) zur Drehmomentübertragung mittels des
Hybrid-Getriebestrangs (41 ) mit dem zumindest einen Verbraucher (26,27) mit veränderbarer Übersetzung, bevorzugt trennbar, verbunden ist.
10. Hybridfahrzeug (2), aufweisend zumindest ein Fahrzeugantriebsrad (26,27),
welches mittels eines Hybrid-Antriebsstrangs (25) nach Anspruch 9 antreibbar ist.
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