WO2021052557A1 - Hybridantriebsanordnung mit schaltgetriebe, antriebsstranganordnung und verfahren zum steuern einer solchen - Google Patents

Hybridantriebsanordnung mit schaltgetriebe, antriebsstranganordnung und verfahren zum steuern einer solchen Download PDF

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clutch
input shaft
arrangement
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Theodor Gassmann
Dirk GÜTH
Maximilian WERKHAUSEN
Jan Haupt
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Gkn Automotive Limited
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    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • Hybrid drive arrangement with manual transmission with manual transmission, drive train arrangement and method for controlling such
  • the invention relates to a hybrid drive arrangement for a drive axle of a motor vehicle, a drive train arrangement with several drive axles, one of which can be driven by such a hybrid drive arrangement, and a method for controlling such a drive train arrangement.
  • a hybrid drive unit is known from WO 2010 063735 A1, which has an internal combustion engine drive, an electric motor drive and a switchable multi-speed transmission.
  • the multi-speed transmission comprises a planetary gear with a sun gear as an input member, into which both the internal combustion engine drive power and the electromotive drive power are introduced.
  • a form-fitting first clutch is provided between the internal combustion engine drive and the sun gear.
  • a second clutch is provided between the sun gear and the planet carrier.
  • a drive arrangement for a motor vehicle with an electric motor, a multi-step gear and a differential gear is known.
  • the multi-step transmission has two transmission stages with a switching unit to drive the differential with different gear ratios.
  • the switching unit comprises an input gear that is connected to the drive shaft in a rotationally fixed manner and two output gears which can be rotated on the drive shaft and which can be selectively connected to the input gear for torque transmission by means of a coupling element.
  • a hybrid drive with an internal combustion engine and an electric motor is known from US 20080223635 A1.
  • the electric motor is arranged between the gearbox and one of the two driven wheels of the motor vehicle, in a parallel orientation to the internal combustion engine and in a coaxial orientation to the differential gear.
  • the electric motor is connected to the differential cage of the differential gear via a gear stage.
  • a countershaft is provided, which is drive-connected to the electric motor via a first gear.
  • a second gear of the countershaft meshes with a ring gear that is firmly connected to the differential basket.
  • a drive arrangement with an electric motor and a differential gear for driving a drive axle of a motor vehicle is known from WO 2011 064364 A1.
  • a clutch is arranged in the drive train between the electric motor and the differential gear, which can be controlled by an actuator in order to selectively transmit torque or to interrupt a torque transmission.
  • a sensor is provided for determining several switching positions of the clutch.
  • a drive train arrangement for a motor vehicle with a first drive train for driving a first drive axle and a second drive train for driving a second drive axle.
  • the first drive train comprises a first drive unit, an axle differential and two sideshafts.
  • the second drive train includes a second drive unit in the form of an electric machine, an axle differential, a clutch and two sideshafts.
  • the first drive train and the second drive train are mechanically separated from one another.
  • the present invention is based on the object of proposing a hybrid drive arrangement with a manual transmission for a drive axle of a motor vehicle, which can be used in various operating modes and which has a simple and compact structure.
  • the task is also to propose a drive train arrangement with two drive axles, which with such a hybrid drive arrangement in different different operating modes can be operated.
  • a method for controlling such a hybrid drive arrangement or drive train arrangement is to be proposed.
  • a hybrid drive arrangement for a drive axle of a motor vehicle comprising: an internal combustion engine; an electric machine; a gearbox that is drive-connected to the internal combustion engine and the electrical Ma machine; a differential gear which is designed to distribute a rotational movement introduced by the gearbox to two output parts; wherein the gearbox has an input shaft with a first drive wheel and a two th drive wheel, which are rotatably mounted on the input shaft, wherein the first drive wheel is drivingly connected to the electric machine, and the input shaft is drivingly connected to the internal combustion engine; a clutch which is arranged axially between the first and second drive wheels and is configured to selectively connect or disconnect the first drive wheel or the second drive wheel to the input shaft; a parallel to the input shaft inter mediate shaft with a first intermediate gear which is in engagement with the first drive gear, and a second intermediate gear which is in engagement with the second drive gear, the intermediate shaft being drivingly connected to the differential gear; and a clutch which is arranged in the power path between the input shaft
  • the hybrid drive arrangement with manual transmission is advantageously constructed in a particularly compact manner.
  • the clutch coaxially to the drive axle between the two drive wheels, the space available can be used very effectively.
  • a drive-related decoupling of the internal combustion engine and the electric machine, or the operation of the hybrid drive arrangement in various different operating modes, is made possible.
  • the transmission input shaft can be driven to rotate both with the internal combustion engine and with the electrical machine.
  • the formulation is intended to be drivable in rotation or antriebsverbun to each include the possibilities that a driving element and a driven element are connected directly to one another, or optionally below Interposition of one or more additional components, for example via a gearwheel or a clutch.
  • the clutch can be controlled by an actuator and can optionally connect the first drive wheel or the second drive wheel to the input shaft in a rotating test or decouple the two drive wheels from the shaft.
  • a first gear stage is formed by the first pair of gears, that is, the first drive gear and the first intermediate gear, so that torque is transmitted from the input shaft to the differential with a first gear ratio (first gear).
  • a second gear stage is formed by the second pair of gears, that is, the second drive gear and the second intermediate gear, with which torque can be transmitted to the differential with a second gear ratio (second gear). In a neutral position, both drive wheels are decoupled from the drive shaft so that no torque is transmitted to the differential.
  • the hybrid drive arrangement can be operated in a parallel mode in which both machines jointly drive the drive axle when the disconnect clutch is closed, which - depending on the gear stage - can take place in first or second gear.
  • the arrangement - in conjunction with a further electric drive axle - can be operated in a serial mode, with the hybrid drive arrangement generating electrical energy when the disconnecting clutch is open and the clutch is in the first switching position, which is then used to drive the drive axle on its drive axle by means of a further electric motor becomes.
  • the arrangement can generate electricity (generator mode), or charge a battery connected to the electric machine.
  • the internal combustion engine can be started by the electric machine when the separating clutch and clutch are in the appropriate position (motor mode).
  • the clutch can have an input part which is connected to the input shaft in a rotationally fixed manner, and a first output part which is connected to the first Drive wheel is connected rotationally test, a second output part that is rotationally connected to the second drive wheel, and have a coupling element which can optionally couple the input part to the first output part or the second output part for transmitting a torque.
  • the coupling element can be designed in the form of a sliding sleeve which is held in a rotationally test manner on the input part and can be axially displaced relative to it by means of an actuator.
  • the sliding sleeve is freely rotatable in a neutral position (PO) with respect to the first and second output part, in the first switching position (P1) with the first output part and in the second switching position (P2) with the second output part.
  • the input shaft of the clutch can be provided with a longitudinal bore and several transverse bores for the supply of lubricant to the bearing sections for the first drive wheel and the second drive wheel.
  • the electrical machine can have a motor shaft with a drive pinion that meshes with the first drive wheel.
  • the motor shaft of the electric motor is arranged parallel to the input shaft.
  • a first pre-translation can be implemented, which makes it easier to use the electrical machine as a starter for the internal combustion engine, or to operate both machines in a favorable efficiency range.
  • the input shaft can be arranged coaxially to the output shaft of the internal combustion engine, in particular it can be permanently connected to it in a torsionally rigid manner.
  • the electrical machine and the internal combustion engine can be arranged on the same or opposite sides with respect to the transmission input shaft.
  • the input shaft, the intermediate shaft and the axis of rotation of the differential can be arranged parallel to one another.
  • the second intermediate gear can be in mesh with a ring gear for driving the differential gear.
  • the ring gear is in particular arranged coaxially to the differential gear and preferably drive-connected to the differential carrier of the differential gear without translation, or drive-connected via the separating clutch.
  • the wheels of the reduction gear can be designed as spur gears, in particular with helical teeth.
  • a first gear ratio (i1) between the first drive wheel and the first intermediate gear can be between 1.5 and 2.5
  • a second gear ratio (i2) between the second drive gear and the second intermediate gear between 1.0 and 2.5 1, 6 lie.
  • a third transmission ratio (i3) between the second intermediate gear and the ring gear can be between 1.5 and 2.5.
  • the ring gear can be firmly connected to a differential housing which is rotatably mounted in a stationary housing.
  • the differential carrier can be arranged coaxially in the differential housing and rotatably mounted relative to this bar.
  • the differential gear has in particular a first differential output part for driving a first side shaft and a second differential output part for driving a second side shaft, the two output parts having a balancing effect with one another.
  • the machines are designed with regard to their performance as required.
  • the internal combustion engine and / or the electrical machine can each have a maximum power of more than 30 kW and / or less than 70 kW.
  • the internal combustion engine can, for example, have a maximum speed of less than 5500 revolutions per minute.
  • the electrical machine can, for example, a have a maximum speed of more than 10,000 and / or less than 13,000 revolutions per minute.
  • the separating coupling is preferably designed as a form-fit coupling that is simple and compact in design, with a friction coupling also being possible in principle.
  • the coupling is effectively arranged between the output member of the reduction gear and the differential carrier.
  • the clutch When the clutch is closed, torque is transmitted from the output member to the differential carrier and when the clutch is open, the torque transmission is interrupted so that the two machines are decoupled from the vehicle axle.
  • the clutch can also be arranged elsewhere in the power path between the transmission input shaft and the drive axle, for example between the input shaft and the intermediate shaft, or on the intermediate shaft or between one of the side shaft gears of the differential and an associated side shaft.
  • a drive train arrangement for a motor vehicle comprising: a primary drive axle which can be driven in rotation by a primary electrical machine as a primary drive; a secondary to drive axle with a hybrid drive arrangement, which is designed according to one or more of the above-mentioned embodiments; wherein the primary drive axle and the secondary drive axle are mechanically separated from one another; a storage arrangement for storing electrical energy, the storage arrangement being electrically connected to the primary electrical machine and to the electrical machine of the hybrid drive arrangement; and a control unit (ECU) for controlling the primary electric machine and the hybrid drive arrangement.
  • ECU control unit
  • the drive train arrangement accordingly has the same advantages as the hybrid drive arrangement, so that reference is made to the above description for abbreviated form. All of the features described in connection with the hybrid drive arrangement can be implemented in the drive train arrangement.
  • the electric machine converts energy and can work as a motor or generator. In motor operation, the electrical machine converts electrical energy into mechanical energy, so that the drive axle of the motor vehicle or the internal combustion engine can be driven. In generator mode, the electrical machine converts mechanical energy into electrical energy, which can then be stored in the battery.
  • a hybrid drive arrangement is provided which has several gear stages and at the same time has a very compact structure.
  • the maximum power of the primary electrical machine can be selected to be greater than the maximum power of at least one of the machines of the hybrid drive arrangement, but without being restricted to this.
  • a method according to the invention for controlling a said drive train arrangement can comprise the following steps: opening the clutch; Operating the electrical machine's hybrid drive arrangement in generator mode, the internal combustion engine driving the electrical machine when the clutch is open, so that the electrical machine converts the mechanical energy introduced by the internal combustion engine into electrical energy; and storing the generated electrical energy in the storage arrangement.
  • the battery can be charged by means of the internal combustion engine, which is why this mode can also be referred to as charging mode (“Charge mode”).
  • the battery can be charged when the vehicle is at a standstill.
  • the additional electrical energy consequently extends the range (“rlinde extender”) for a purely electric journey.
  • the electrical energy can be used at a later point in time for an emission-free journey using the primary electric drive with the internal combustion engine switched off (“serial mode”) or for a short-term increase in output using the hybrid drive (“boost”). Both electrical machines can consequently access the electrical storage arrangement as required.
  • the main drive can be a powerful electric drive that drives the primary drive axle.
  • the electric machine can briefly drive the internal combustion engine in motor mode in order to start it from standstill ("ICE start”).
  • the separating clutch can be closed and the electric machine of the hybrid drive arrangement can be operated in motor mode in order to convert electrical energy from the storage arrangement into mechanical energy.
  • first gear ratio first gear
  • second gear second gear ratio
  • the drive of the secondary drive axle by means of the hybrid drive arrangement can take place in parallel to the drive of the primary drive axle by means of the primary electric motor.
  • this mode is also referred to as the parallel operating mode.
  • load point shifting By coupling the electric and internal combustion engine, a load point shifting of the internal combustion engine into areas with higher efficiency is possible (“load point shifting”).
  • load point shifting It is also possible that the electrical machine alone drives the input shaft.
  • the separating clutch is closed and the gearbox is transferred to a neutral position, and the electric machine is operated in motor mode.
  • FIG. 1 shows a hybrid drive arrangement for a drive axle of a motor vehicle in longitudinal section
  • FIG. 2 shows the hybrid drive arrangement from FIG. 1 in a perspective illustration
  • FIG. 3 shows the hybrid drive arrangement from FIG. 1 in a perspective illustration, with the housing cut away
  • FIG. 4 the hybrid drive arrangement from FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 5 shows an overview of possible operating modes of the hybrid drive arrangement from FIG. 1, and Figure 6 shows a drive train arrangement of a motor vehicle with a hybrid drive arrangement according to Figure 1 schematically.
  • FIGS 1 to 5 show a hybrid drive arrangement 2 for a drive axle of a motor vehicle.
  • the vehicle can have a primary drive axle, which is driven by a primary electric machine, and a secondary drive axle, which can be equipped with the hybrid drive arrangement 2.
  • the hybrid drive arrangement 2 has an internal combustion engine 3, an electrical machine 4 and a transmission arrangement 5 with a gearbox 6 and a differential gear 7.
  • the electrical machine 4 has, in particular, a stator 10 and a rotor 13 which can be rotated for this purpose and which drives a motor shaft 19 to rotate when the machine is energized.
  • the motor shaft 19 can be mounted rotatably about the axis of rotation A19 in a motor housing 22 by means of bearing means 15, 15 '.
  • the Drehbewe movement of the motor shaft 19 is transmitted to a first input member (23) of the gearbox 6.
  • the electric machine 4 is supplied with electric current by a battery 52, it being possible for the battery to be charged by the electric machine 4 in generator mode.
  • the internal combustion engine 3 is connected to an input shaft 11 of the gearbox 6, which forms a second input element.
  • the gearbox 6 comprises two gear stages, so that the torque introduced can be transmitted from the input shaft 11 to an intermediate shaft 24 with two different gear ratios i 1, i2.
  • the intermediate shaft 24 is drive-connected to a Dif ferential whatsoever 14 of the differential gear 7 to ben this drive.
  • the rotary movement initiated by the gearbox 6 is divided between two output parts 33, 34.
  • Another clutch 8 is provided, which can be controlled by an actuator 9 and is designed to optionally transmit torque to the drive axle or to interrupt a torque transmission.
  • the clutch 8 can also be characterized as a separating clutch.
  • the gearbox 6 comprises a first drive gear 23 and a second drive gear 31, which are rotatably mounted on the input shaft 11, as well as an intermediate shaft 24 parallel to the input shaft 11 with a first intermediate gear 25, which is connected to the first Drive gear 23 is engaged, and a second intermediate gear 26, which is engaged with the second drive gear 31.
  • a clutch 20 is also provided, which is arranged axially between the first and second drive wheels 23, 31 and is designed to selectively connect or disconnect the first drive wheel 23 or the second drive wheel 31 to the input shaft 11.
  • the first drive wheel 23 is drive-connected to the electrical machine 4, in particular permanently, and to this extent forms the first input element of the gearbox 6.
  • the motor shaft 19 of the electrical machine 4 has a drive pinion 21 that is connected to the first drive wheel 23 Intervention is.
  • the motor shaft 19 of the electrical machine 4 and the input shaft 11 are arranged offset parallel to one another.
  • the drive pinion 21 By appropriately designing the drive pinion 21, a first pre-translation can be implemented if required.
  • the input shaft 11 is arranged coaxially to the output shaft of the internal combustion engine (not shown) and can in particular be permanently connected to it in a torsionally rigid manner.
  • the input shaft 11 is rotatably mounted by means of bearing means 16, 17 in a stationary housing 18 about a first axis of rotation A11.
  • the input shaft 11 is preferably provided with a longitudinal bore 75 and a plurality of transverse bores 76, 76 'for the supply of lubricant to bearing sections 77, 77' for the first drive wheel 23 and the second drive wheel 31.
  • An input part 70 is provided axially between the first drive wheel 23 and the second drive wheel 31 and is connected to the input shaft 11 in a rotationally fixed manner.
  • the electric machine 4 and the internal combustion engine 3 are arranged on the same side with respect to the transmission input shaft 11, without being restricted thereto.
  • the clutch 20 can be controlled by an actuator 74. Depending on the switching position of the clutch 20, several switching stages can be implemented.
  • a first gear stage is formed by the first pair of gears, that is to say first drive gear 23 and first intermediate gear 25, so that torque is transmitted from input shaft 11 to differential 7 with a first gear ratio i1 (first gear).
  • a second gear stage is formed by the second pair of gears, that is, second drive gear 31 and second intermediate gear 26, with which torque can be transmitted to differential 7 with a second gear ratio i2 (second gear).
  • a neutral position (PO) both drive wheels 23, 31 are decoupled from the input part 70 or the input shaft 11, respectively.
  • the clutch 20 includes, in particular, a first output part 71, which is connected to the first drive wheel 23 for rotation, a second output part 72, which is connected to the second drive wheel 31 for rotation, and a coupling element 73, which the input part 70 optionally can couple with the first output part 71 or the second output part 72 for transmitting a torque.
  • the coupling element 73 is designed here in the form of a sliding sleeve which is held in a rotationally test manner on the input part 70 and is axially displaceable relative to this by means of the actuator 74.
  • the sliding sleeve is freely rotatable in a neutral position (PO) compared to the first and second output part 71, 72, in the first switching position (P1) with the first output part 71 and in the second switching position (P2) with the second output part 72 rotatably connected .
  • the sliding sleeve is actuated via the actuator 74, which can comprise an electromotive rotary drive 78 and a converter unit 79 which converts a rotary movement into a linear movement.
  • the converter unit 79 has a spindle drive with a rotationally drivable spindle and a spindle sleeve which is moved axially when the spindle is rotated.
  • a shift fork 80 is attached to the spindle sleeve and engages with two sliding blocks in an annular groove of the sliding sleeve 73.
  • the actuator 74 can be controlled by an electronic control unit 53 and can be controlled by this if necessary, depending on the driving state of the motor vehicle. It goes without saying that other electromechanical actuators can also be used, or else electromagnetic, hydraulic or pneumatic actuators.
  • the two intermediate gears 25, 26 are connected to the intermediate shaft 24 in a rotationally fixed manner.
  • the connection can be realized by a form fit, for example by means of a Keilwellever connection, and / or material connection such as a welded connection, with a one-piece design of at least one of the wheels with the shaft is also possible.
  • the intermediate shaft 24 is rotatably supported in the housing 18 by means of bearing means 28, 28 ′ about the axis of rotation A24, which runs parallel to the axis of rotation A11 of the input shaft 11 and to the axis of rotation A7 of the differential gear 7.
  • the input shaft 11, the intermediate shaft 24 and the axis of rotation A7 of the differential 7 are arranged parallel to one another.
  • the second intermediate gear 26 is with a ring wheel 12 for driving the differential gear 7 in engagement.
  • the first drive gear 23 consequently meshes with the drive pinion 21 of the electrical machine 4 and with the first intermediate gear 25.
  • the second intermediate gear 26 meshes with the second drive wheel 31 and with the ring gear.
  • the wheels 23 and 26 each have a dual function, which is favorable in terms of the number of parts and the structural size.
  • the gearbox 6 can be constructed with only six torque-transmitting gears, namely drive pinion 21, first drive gear 23, second drive gear 31, first intermediate gear 25, second intermediate gear 26 and ring gear 12.
  • the mentioned gears of gearbox 6 can, for example, be spur gears with helical teeth be designed.
  • the first gear ratio i1 between the first drive gear 23 and the first intermediate gear 25 can be between 1.5 and 2.5.
  • the second gear ratio i2 between the second drive gear 31 and the second intermediate gear 26 can be between 1.0 and 1.6.
  • the third transmission ratio i3 between the second intermediate gear 26 and the ring gear 12 can be between 1.5 and 2.5. Overall, this results in a total transmission ratio that can be between 2.25 and 6.25 for the first gear, and between 1, 5 and 4 for the second gear.
  • the ring gear 12 is firmly connected to a differential housing 27, which means by means of bearings 29, 29 'is rotatably mounted in the housing 18 about the axis of rotation A7.
  • the connection between ring gear 12 and differential housing 27 is presently a welded connection, other connecting means such as screw connections are also possible, please include.
  • the differential housing 27 can comprise two housing parts which each have a flange section in the area of their openings, with which they are inserted in a corresponding receptacle of the ring gear 12 and connected to the latter.
  • a differential carrier 14 is rotatably mounted about the axis of rotation A7, which divides the initiated rotational movement between a first differential output part 33 for driving a first side shaft and a second differential output part 34 for driving a second side shaft.
  • a pin 30 can be received in the differential carrier 14, on which two differential gears 32 are rotatably mounted about a pin axis.
  • the differential gears 32 are in meshing engagement with the first and second differential output parts 33, 34, which are arranged coaxially with the axis of rotation A7.
  • the two differential output parts 33, 34 are designed in particular in the form of sideshaft gears and can have a Wellenver toothing for non-rotatable connection with an associated sideshaft (not shown here).
  • the two sideshaft gears 33, 34 can be axially supported relative to the differential housing 27 via friction-reducing sliding washers.
  • the clutch 8 can be designed as a positive disconnect clutch, in particular as a Zahnkupp ment, other forms of clutches are also conceivable, for example a friction clutch.
  • the clutch 8 comprises a first clutch part 36, which is firmly connected to the differential carrier 14 and, in particular, is made in one piece, as well as a second clutch part 37 which is axially movable with respect to the first clutch part 36 and connected to the differential housing 27 in a rotationally fixed manner.
  • the second coupling part 37 can be engaged to transmit a torque in the first coupling part 36, whereby a positive connection is created between the two coupling parts. By releasing the second clutch part 37, the torque transmission can be interrupted again.
  • the first coupling part 36 has, as a form-fit means, a toothed ring which is integrally formed on one end face of the differential carrier 14.
  • the second coupling part 37 has an opposing toothed ring which is arranged within the differential housing 27 to.
  • the second coupling part 37 has several over the circumference ver divided axial lugs 38 which pass through corresponding openings in the differential housing 27.
  • the electromagnet 39 When the electromagnet 39 is energized, the magnetic piston 40 is acted upon in the direction of the coupling 8, so that it is closed.
  • a sensor disk 35 is attached to the second coupling part 37 and interacts with a sensor (not shown) so that the switching position of the coupling 8 can be identified.
  • a return spring 41 is arranged between the differential housing 27 and the sensor disk 35. If the electromagnet 39 is switched off, the second clutch part 37 is moved into its starting position, so that the clutch 8 is opened again.
  • the differential housing 27 has a first sleeve extension 42 and a second Homme senansatz 43, which are rotatably mounted in the gear housing 18 via the bearings 29, 29.
  • Side shafts can be inserted through the sleeve lugs 42, 43 and connected at their inner ends to an associated side shaft gear 33, 34.
  • a large number of operating modes can be implemented with the hybrid drive arrangement 2, with a switching table for the different switching and operating states being shown in FIG.
  • the clutch 20, designated as C1 in FIG. 5, can be moved into three shift positions P1, PO or P2.
  • the separating clutch 8, denoted as C2 in FIG. 5 various drive states can be realized.
  • shift position P1 or P2 with the electrical machine 4 switched off, it can be driven purely by means of the internal combustion engine 3 in first or second gear (lines “ICE 1” and “ICE 2”).
  • the drive axis can be driven simultaneously by means of both machines 3, 4 (lines “PM 1”, “PM 2”). From the electrical machine 4, torque is introduced to the ring gear 12 via the drive parts 21, 23, 25, 24, 26.
  • the line M1 shows a switching state for a load point shift shifting).
  • switching position PO a drive can take place purely by means of the electric machine 4, line “EV1”.
  • the internal combustion engine 3 is switched off.
  • the hybrid drive arrangement 2 can be operated in a serial mode - in connection with a further electrical drive axle's rule, the arrangement 2 generating electrical energy with the disengaging clutch 8 and the first switching position P1 of the switching clutch 20 applied, which is then used to drive the other Drive axle can be used by means of an additional electric motor (line "M2").
  • the power is transmitted from the internal combustion engine 3 via the components 31, 26, 24, 25, 23, 21 to the electric machine 4. Furthermore, when the vehicle is stationary, the disconnecting clutch 8 is open and the clutch 20 is in the first switching position P1 generate (generator mode) or charge a battery connected to the electric machine (line ,, M3). Conversely, the internal combustion engine 3 can be started by the electric machine 4 when the separating clutch 8 is in the open position and the switching clutch 20 is in the first shift position P1 (motor mode).
  • FIG. 6 shows a drive train arrangement 44 according to the invention with a hybrid drive arrangement 2 according to the invention according to FIG. 1 or FIG. 4 in a schematic representation.
  • the drive train arrangement 44 comprises a first drive train 45 for a first drive axle 46 and a second drive train 47 for a second drive axle 48.
  • the first drive train 45 comprises a first drive unit 49 with an electrical machine 51 and a downstream gear arrangement 50 with which the engine torque is converted into a drive torque or the engine speed is converted into a drive speed.
  • the second drive train 47 comprises the hybrid drive arrangement 2, which can be designed structurally according to FIG.
  • a storage arrangement 52 for storing electrical energy is also provided, which is electrically connected to both the first electrical machine 51 and the electrical machine 3 of the hybrid drive arrangement 2, as well as a control unit 53 for controlling the first drive unit 49 and / or the second drive unit 2 or its machines 3, 4.
  • first drive axle 46 forms the rear axle and the second drive axle 48 forms the front axle of the motor vehicle, a reverse arrangement also being possible.
  • the two drive trains 45, 47 are mechanical separated from each other, that is, no power transmission between the two drive trains is possible.
  • the first drive unit 49 is used for the sole mechanical drive of the first drive axle 46, while the hybrid drive arrangement 2 is used for the sole mechanical drive of the second drive axle 48.
  • the first drive machine 51 for driving the first drive axle 46 can be designed to be more powerful than at least one or both of the drive machines 3, 4 of the hybrid drive arrangement 2.
  • the first drive unit 49 can also be used as the primary drive unit and the first drive axle 46 as the primary drive axle are referred to, while the second drive unit 2 or second drive axle 48 can be referred to as a secondary drive unit or drive axle.
  • the electrical machine 51 of the primary drive unit 49 can have a maximum power of over 60 kW, in particular over 70 kW.
  • the gear arrangement 50 of the primary drive axle 46 comprises a reduction gear 54 for translating the rotational movement introduced by the electric motor 51 into slow speed as well as a downstream differential gear 55. From the differential gear 55, the introduced torque is divided between the two side shaft gears 56, 57 and the drives connected to it Side shafts 58, 59 transmitted. At the ends of the side shafts 58, 59 there are constant velocity joints which enable torque to be transmitted to the vehicle wheels 60, 61 with angular movements.
  • the secondary drive axle 48 is constructed similarly. From the differential gear 7, the torque introduced when the clutch 8 is engaged is transmitted to the two shaft wheels 33, 34. Corresponding output shafts 62, 63 are rotatably inserted into the shaft teeth of the side shaft gears for torque transmission. The output shafts 62, 63 are connected via associated side shafts 64, 65 with constant velocity joints for torque transmission to the wheels 66, 67 of the secondary drive axle 48.
  • the drive train arrangement 44 with a primary drive arrangement 49 and secondary hybrid drive arrangement 2 advantageously allows several operating modes.
  • the hybrid drive arrangement 2 can be operated in a parallel mode in which both machines 3, 4 jointly drive the secondary drive axle 48 with the clutch 8 closed, either in first or second gear.
  • the drive arrangements 2, 49 can be operated in a serial mode, with the hybrid drive arrangement 2 generating electrical energy when the clutch 8 is disengaged, which is then used to drive the primary drive axle 46 by means of the primary electric motor 51. Even when the vehicle is at a standstill, the hybrid drive arrangement 2 can generate electrical energy with the clutch 8 disengaged (generator mode) or charge the storage means 52.
  • the internal combustion engine 3 can be started by the electric machine 4 (engine mode).
  • the hybrid drive arrangement 2 with manual transmission 6 offers a high level of performance with a compact and simple structure at the same time. In cooperation with the primary drive axle 46, the operating possibilities described above result.
  • stator 11 input shaft 12 output link / ring gear
  • Drive train arrangement first drive train, first drive axle, second drive train, second drive axle, first drive unit

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine Brennkraftmaschine (3); eine elektrische Maschine (4); ein Schaltgetriebe (6); ein Differentialgetriebe (7); wobei ein erstes Antriebsrad (23) des Schaltgetriebes (6) mit der elektrischen Maschine (4) antriebsverbunden ist, und die Eingangswelle (11) mit der Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist; eine Schaltkupplung (20), die wahlweise ein erstes oder zweites Antriebsrad (23, 31) mit der Eingangswelle (11) verbinden oder von dieser trennen kann; eine Zwischenwelle (24) mit einem ersten Zwischenrad (25), das mit dem ersten Antriebsrad (23) in Eingriff ist, und einem zweiten Zwischenrad (26), das mit dem zweiten Antriebsrad (31) in Eingriff ist; eine Kupplung (8) im Leistungspfad zwischen der Eingangswelle (11) und einem der Ausgangsteile (33, 34) des Differentialgetriebes (7). Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsstranganordnung (44) sowie in Verfahren zum Steuern einer solchen.

Description

Hybridantriebsanordnung mit Schaltgetriebe, Antriebsstranganordnung und Verfahren zum Steuern einer solchen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebsanordnung für eine Antriebsachse eines Kraft fahrzeugs, eine Antriebsstranganordnung mit mehreren Antriebsachsen, von denen eine Achse von einer solchen Hybridantriebsanordnung antreibbar ist, sowie ein Ver fahren zum Steuern einer solchen Antriebsstranganordnung.
Aus der WO 2010 063735 A1 ist eine Hybrid-Antriebseinheit bekannt, das einen ver brennungsmotorischen Antrieb, einen elektromotorischen Antrieb und ein schaltbares Mehrganggetriebe aufweist. Das Mehrganggetriebe umfasst ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad als Eingangsglied auf, in das sowohl die verbrennungsmotorische Antriebsleistung als auch die elektromotorische Antriebsleistung eingeleitet wird. Zwi schen dem verbrennungsmotorischen Antrieb und dem Sonnenrad ist eine formschlüs sige erste Kupplung vorgesehen. Zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger ist eine zweite Kupplung vorgesehen.
Aus der WO 2015 150 407 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor, einem Stufengetriebe und einem Differentialgetriebe bekannt. Das Stufengetriebe hat zwei Getriebestufen mit einer Schalteinheit, um das Differenti algetriebe mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen anzutreiben. Die Schalt einheit umfasst ein mit der Antriebswelle drehfest verbundenes Eingangsrad und zwei auf der Antriebswelle drehbare Ausgangsräder, die mittels eines Koppelelements se lektiv mit dem Eingangsrad zur Drehmomentübertragung verbindbar sind. Aus der US 20080223635 A1 ist ein Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor bekannt. Der Elektromotor ist zwischen dem Übersetzungsge triebe und einem der beiden angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs angeordnet, und zwar in paralleler Ausrichtung zum Verbrennungsmotor und in koaxialer Ausrichtung zum Differentialgetriebe. Der Elektromotor ist über eine Getriebestufe mit dem Diffe rentialkorb des Differentialgetriebes verbunden. Hierfür ist eine Vorgelegewelle vorge sehen, die über ein erstes Zahnrad mit dem Elektromotor antriebsverbunden ist. Ein zweites Zahnrad der Vorgelegewelle kämmt mit einem Ringrad, das mit dem Differen tialkorb fest verbunden ist.
Aus der WO 2011 064364 A1 ist eine Antriebsanordnung mit einem Elektromotor und einem Differentialgetriebe zum Antreiben einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs bekannt. Eine Kupplung ist im Antriebsstrang zwischen Elektromotor und Differential getriebe angeordnet, die von einem Aktuator steuerbar ist, um wahlweise Drehmoment zu übertragen oder eine Drehmomentübertragung zu unterbrechen. Ein Sensor ist zum Ermitteln mehrerer Schaltstellungen der Schaltkupplung vorgesehen.
Aus der DE 10 2015 118 759 A1 ist eine Antriebsstranganordnung für ein Kraftfahr zeug bekannt mit einem ersten Antriebsstrang zum Antreiben einer ersten An- triebsachse und einem zweiten Antriebsstrang zum Antreiben einer zweiten An triebsachse. Der erste Antriebsstrang umfasst eine erste Antriebseinheit, ein Achsdif- ferential und zwei Seitenwellen. Der zweite Antriebsstrang umfasst eine zweite An triebseinheit in Form einer elektrischen Maschine, ein Achsdifferential, eine Kupplung und zwei Seitenwellen. Der erste Antriebsstrang und der zweite Antriebsstrang sind mechanisch voneinander getrennt. Es ist eine Steuereinheit zum Steuern der elektri schen Maschine und der Kupplung in Abhängigkeit von der Drehzahl der ersten An triebsachse und der zweiten Antriebsachse vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hybridantriebsanordnung mit Schaltgetriebe für eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs vorzugschlagen, die in verschiedenen Betriebsmodi verwendbar ist und die einen einfachen und kompakten Aufbau hat. Die Aufgabe liegt weiter darin, eine Antriebsstranganordnung mit zwei An triebsachsen vorzuschlagen, die mit einer solchen Hybridantriebsanordnung in ver- schiedenen Betriebsmodi betrieben werden kann. Ferner soll ein Verfahren zur Steu erung einer solchen Hybridantriebsanordnung beziehungsweise Antriebstranganord nung vorgeschlagen werden.
Zur Lösung wird eine Hybridantriebsanordnung für eine Antriebsachse eines Kraftfahr zeugs vorgeschlagen, umfassend: eine Brennkraftmaschine; eine elektrische Ma schine; ein Schaltgetriebe, das mit der Brennkraftmaschine und der elektrischen Ma schine antriebsverbunden ist; ein Differentialgetriebe, das ausgestaltet ist, eine vom Schaltgetriebe eingeleitete Drehbewegung auf zwei Ausgangsteile aufzuteilen; wobei das Schaltgetriebe eine Eingangswelle mit einem ersten Antriebsrad und einem zwei ten Antriebsrad aufweist, die auf der Eingangswelle drehbar gelagert sind, wobei das erste Antriebsrad mit der elektrischen Maschine antriebsverbunden ist, und die Ein gangswelle mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden ist; eine Schaltkupplung, die axial zwischen dem ersten und zweiten Antriebrad angeordnet ist und ausgestaltet ist, um wahlweise das erste Antriebsrad oder das zweite Antriebsrad mit der Eingangs welle zu verbinden oder von dieser zu trennen; eine zur Eingangswelle parallele Zwi schenwelle mit einem ersten Zwischenrad, das mit dem ersten Antriebsrad in Eingriff ist, und einem zweiten Zwischenrad, das mit dem zweiten Antriebsrad in Eingriff ist, wobei die Zwischenwelle mit dem Differentialgetriebe antriebsverbunden ist; und eine Kupplung, die im Leistungspfad zwischen der Eingangswelle und einem der Aus gangsteile des Differentialgetriebes angeordnet ist, um eine Drehmomentübertragung optional herzustellen oder zu unterbrechen.
Die Hybridantriebsanordnung mit Schaltgetriebe ist in vorteilhafter Weise besonders kompakt aufgebaut. Durch die Anordnung der Schaltkupplung koaxial zur An triebsachse zwischen den beiden Antriebsrädern kann der zur Verfügung stehende Bauraum sehr gut ausgenutzt werden. Außerdem wird eine antriebsmäßige Entkopp lung der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine, beziehungsweise das Betreiben der Hybridantriebsanordnung in diversen unterschiedlichen Betriebsmodi ermöglicht. Die Getriebeeingangswelle ist sowohl mit der Brennkraftmaschine als auch mit der elektrischen Maschine drehend antreibbar. Im Rahmen der vorliegenden Of fenbarung soll die Formulierung drehend antreibbar beziehungsweise antriebsverbun den jeweils die Möglichkeiten mit umfassen, dass ein antreibendes Element und ein angetriebenes Element direkt miteinander verbunden sind, oder gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines oder mehrere weitere Bauteile, wie beispielsweise über ein Zahnrad oder eine Kupplung.
Die Schaltkupplung ist von einem Aktuator steuerbar und kann wahlweise das erste Antriebsrad oder das zweite Antriebsrad mit der Eingangswelle drehtest verbinden o- der die beiden Antriebsräder von der Welle entkoppeln. Hierdurch lassen sich mehrere Schaltstufen realisieren. Eine erste Schaltstufe ist durch das erste Räderpaar, das heißt erstes Antriebsrad und erstes Zwischenrad, gebildet, so dass Drehmoment von der Eingangswelle auf das Differential mit einem ersten Übersetzungsverhältnis über tragen wird (erster Gang). Eine zweite Schaltstufe ist durch das zweite Räderpaar, das heißt zweites Antriebsrad und zweites Zwischenrad, gebildet, mit der Drehmoment mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis auf das Differential übertragbar ist (zweiter Gang). In einer neutralen Position sind beide Antriebsräder von der Antriebswelle ent koppelt, so dass kein Drehmoment auf das Differential übertragen wird.
Im Zusammenspiel der Schaltkupplung und der im Antriebsstrang nachgelagerten Kupplung, die auch als Trennkupplung bezeichnet werden kann, ergeben sich in vor teilhafter Weise verschiedene Funktionen der Hybridantriebsanordnung. Beispiels weise kann die Hybridantriebsanordnung in einem parallelen Modus betrieben werden, in dem beide Maschinen bei geschlossener Trennkupplung gemeinsam die An triebsachse antreiben, was - je nach Schaltstufe - im ersten oder zweiten Gang erfol gen kann. Ferner kann die Anordnung - in Verbindung mit einer weiteren elektrischen Antriebsachse - in einem seriellen Modus betrieben werden, wobei die Hybridan triebsanordnung bei geöffneter Trennkupplung und anliegender erster Schaltposition der Schaltkupplung elektrische Energie erzeugt, welche dann zum Antreiben der an deren Antriebsachse mittels eines weiteren Elektromotors verwendet wird. Ferner kann die Anordnung bei stillstehendem Fahrzeug bei geöffneter Trennkupplung und in der ersten Schaltposition der Schaltkupplung Strom erzeugen (Generatormodus), be ziehungsweise eine mit der elektrischen Maschine verbundene Batterie laden. Umge kehrt kann die Brennkraftmaschine von der elektrischen Maschine bei entsprechender Position der Trennkupplung und Schaltkupplung gestartet werden (Motormodus).
Die Schaltkupplung kann nach einer Ausführungsform ein Eingangsteil, das mit der Eingangswelle drehfest verbunden ist, ein erstes Ausgangsteil, das mit dem ersten Antriebsrad drehtest verbunden ist, ein zweites Ausgangsteil, das mit dem zweiten Antriebsrad drehtest verbunden ist, und ein Koppelelement aufweisen, welches das Eingangsteil optional mit dem ersten Ausgangsteil oder dem zweiten Ausgangsteil zur Übertragung eines Drehmoments koppeln kann. Das Koppelelement kann in Form ei- ner Schiebemuffe gestaltet sein, die auf dem Eingangsteil drehtest gehalten und ge genüber diesem mittels eines Aktuators axial verschiebbar ist. Sie Schiebemuffe ist in einer Neutralposition (PO) gegenüber dem ersten und zweiten Ausgangsteil frei dreh bar, in der ersten Schaltposition (P1) mit dem ersten Ausgangsteil und in der zweiten Schaltposition (P2) mit dem zweiten Ausgangsteil drehtest verbunden ist. Die Ein- gangswelle der Schaltkupplung kann mit einer Längsbohrung und mehreren Querboh rungen zur Schmiermittelversorgung von Lagerabschnitten für das erste Antriebsrad und das zweite Antriebrad versehen sein.
Nach einer möglichen Ausführungsform kann die elektrische Maschine eine Motor- welle mit einem Antriebsritzel aufweisen, das mit dem ersten Antriebsrad in Eingriff ist. Dabei ist die Motorwelle des Elektromotors parallel zur Eingangswelle angeordnet. Durch die Drehmomentübertragung über das Ritzel auf das erste Antriebsrad kann eine erste Vorübersetzung realisiert werden, was es vereinfacht, die elektrische Ma schine als Starter für die Brennkraftmaschine zu verwenden, beziehungsweise beide Maschinen in einem günstigen Wirkungsgradbereich zu betreiben. Die Eingangswelle kann koaxial zur Ausgangswelle der Brennkraftmaschine angeordnet sein, insbeson dere mit dieser permanent drehstarr verbunden sein. Die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine können in Bezug auf die Getriebeeingangswelle auf derselben o- der entgegengesetzten Seiten angeordnet sein.
Die Eingangswelle, die Zwischenwelle und die Drehachse des Differentials können parallel zueinander angeordnet sein. Das zweite Zwischenrad kann mit einem Ringrad zum Antreiben des Differentialgetriebes in Eingriff sein. Dadurch, dass das erste An triebsrad mit dem Antriebsritzel der elektrischen Maschine und mit dem ersten Zwi- schenrad kämmt, beziehungsweise, dass das zweite Zwischenrad mit dem zweiten Antriebsrad und mit dem Ringrad kämmt, wird eine Doppelfunktion der genannten Rä der realisiert. Dies führt insgesamt zu einer geringen Teilezahl und ermöglicht, dass das Schaltgetriebe, inklusive Ringrad, nur sechs drehmomentübertragende Räder auf- weisen kann (Antriebsritzel, erstes Antriebsrad, zweites Antriebsrad, erstes Zwischen rad, zweites Zwischenrad).
Das Ringrad ist insbesondere koaxial zum Differentialgetriebe angeordnet und vor zugsweise mit dem Differentialträger des Differentialgetriebes übersetzungslos an triebsverbunden, beziehungsweise über die Trennkupplung antriebsverbindbar. Die Räder des Untersetzungsgetriebes können als Stirnräder gestaltet sein, insbesondere mit einer Schrägverzahnung.
Es versteht sich, dass sich die Achsabstände und die Zähnezahlen der miteinander kämmenden Räder nach den Bauraumverhältnissen und technischen Vorgaben rich ten und entsprechend nach Bedarf angepasst werden können. Beispielsweise kann ein erstes Übersetzungsverhältnis (i1 ) zwischen dem ersten Antriebsrad und dem ers ten Zwischenrad zwischen 1 ,5 und 2,5 liegen, und/oder ein zweites Übersetzungsver hältnis (i2) zwischen dem zweiten Antriebsrad und dem zweiten Zwischenrad zwischen 1 ,0 und 1 ,6 liegen. Ferner kann ein drittes Übersetzungsverhältnis (i3) zwischen dem zweiten Zwischenrad und dem Ringrad zwischen 1 ,5 und 2,5 betragen. Insgesamt ergibt sich dabei ein Gesamtübersetzungsverhältnis, das für den ersten Gang zwi schen 2,25 und 6,25 liegen kann, und für den zweiten Gang zwischen 1 ,5 und 4.
Nach einer Ausführungsform kann das Ringrad mit einem Differentialgehäuse fest ver bunden sein, das in einem ortsfesten Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Differential träger kann koaxial in dem Differentialgehäuse angeordnet und relativ zu diesem dreh bar gelagert sein. Das Differentialgetriebe weist insbesondere ein erstes Differential- Ausgangsteil zum Antreiben einer ersten Seitenwelle und ein zweites Differential-Aus- gangsteil zum Antreiben einer zweiten Seitenwelle auf, wobei die beiden Ausgangs teile untereinander eine ausgleichende Wirkung haben.
Die Maschinen werden hinsichtlich ihrer Leistung nach Bedarf ausgelegt. Beispiels weise können die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Maschine jeweils eine Maximalleistung von mehr als 30 kW und/oder weniger als 70 kW haben. Ferner kann die Brennkraftmaschine beispielsweise eine maximale Drehzahl von weniger als 5500 Umdrehungen pro Minute haben. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine maximale Drehzahl von mehr als 10.000 und/oder von weniger als 13.000 Umdrehun gen pro Minute haben.
Die Trennkupplung ist vorzugsweise als Formschlusskupplung gestaltet, die einfach und kompakt aufgebaut ist, wobei prinzipiell auch eine Reibungskupplung möglich ist. Nach einer möglichen Ausführungsform ist die Kupplung zwischen dem Ausgangsglied des Untersetzungsgetriebes und dem Differentialträger wirksam angeordnet. In ge schlossenem Zustand der Kupplung wird Drehmoment vom Ausgangsglied auf den Differentialträger übertragen und in geöffnetem Zustand der Kupplung wird die Dreh momentübertragung unterbrochen, so dass die beiden Maschinen von der Fahrzeug achse abgekoppelt sind. Es versteht sich, dass die Kupplung auch an anderer Stelle im Leistungspfad zwischen der Getriebeeingangswelle und der Antriebsachse ange ordnet sein kann, beispielsweise zwischen der Eingangswelle und der Zwischenwelle, oder an der Zwischenwelle oder zwischen einem der Seitenwellenräder des Differen tials und einer zugehörigen Seitenwelle.
Die oben genannte Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Antriebsstranganordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine primäre Antriebsachse, die von einer primären elektrischen Maschine als Primärantrieb drehend antreibbar ist; eine sekundäre An triebsachse mit einer Hybridantriebsanordnung, die nach einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen gestaltet ist; wobei die primäre Antriebsachse und die sekundäre Antriebsachse mechanisch voneinander getrennt sind; eine Speicherano rdnung zum Speichern von elektrischer Energie, wobei die Speicheranordnung mit der primären elektrischen Maschine und mit der elektrischen Maschine der Hybridan triebsanordnung elektrisch verbunden ist; und eine Steuereinheit (ECU) zum Steuern der primären elektrischen Maschine und der Hybridantriebsanordnung.
Die Antriebsstranganordnung weist entsprechend dieselben Vorteile auf, wie die Hyb ridantriebsanordnung, so dass abkürzend auf obige Beschreibung verwiesen wird. Alle im Zusammenhang mit der Hybridantriebsanordnung beschriebenen Merkmale kön nen in der Antriebsstranganordnung verwirklicht werden. Die elektrische Maschine wandelt Energie um und kann als Motor oder Generator arbeiten. Im Motorbetrieb wan delt die elektrische Maschine elektrische Energie in mechanische Energie um, so dass die Antriebsachse des Kraftfahrzeugs beziehungsweise die Brennkraftmaschine an getrieben werden kann. Im Generatorbetrieb wandelt die elektrische Maschine mecha nische Energie in elektrische Energie um, welche dann in der Batterie gespeichert werden kann. Insgesamt wird eine Hybridantriebsanordnung bereitgestellt, das meh rere Getriebestufen aufweist und gleichzeitig einen sehr kompakten Aufbau hat. Die Maximalleistung der primären elektrischen Maschine kann größer gewählt werden, als die Maximalleistung von zumindest einer der Maschinen der Hybridantriebsanord nung, ohne jedoch hierauf eingeschränkt zu sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer genannten Antriebsstrangan ordnung kann folgende Schritte umfassen: Öffnen der Kupplung; Betreiben der elektri schen Maschine der Hybridantriebsanordnung im Generatormodus, wobei die Brenn kraftmaschine die elektrische Maschine bei geöffneter Kupplung antreibt, so dass die elektrischen Maschine die von der Brennkraftmaschine eingeleitete mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt; und Speichern der generierten elektrischen Energie in der Speicheranordnung.
In diesem Betriebsmodus kann die Batterie mittels der Brennkraftmaschine aufgeladen werden, weswegen dieser Modus auch als Lademodus („Charge mode“) bezeichnet werden kann. Das Laden der Batterie kann bei stillstehendem Fahrzeug erfolgen. Durch die zusätzliche elektrische Energie wird folglich eine Reichweitenverlängerung („ränge extender“) für eine rein elektrische Fahrt erreicht. Hierfür kann die elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt für eine emissionsfreie Fahrt mittels des primären Elektroantriebs bei abgeschalteter Brennkraftmaschine verwendet werden („serieller Modus“) beziehungsweise für eine kurzfristige Leistungserhöhung mittels des Hybrid antriebs („boost“). Beide elektrische Maschinen können folglich nach Bedarf auf die elektrische Speicheranordnung zugreifen. Der Hauptantrieb kann durch einen leis tungsstarken Elektroantrieb gebildet werden, der die primäre Antriebsachse antreibt.
Nach einer weiteren Verfahrensführung, die bei geöffneter Trennkupplung und einge legtem ersten Gang des Schaltgetriebes durchgeführt wird, kann die elektrische Ma schine im Motormodus die Brennkraftmaschine kurzzeitig antreiben, um diese aus dem Stillstand zu starten („ICE Start“). In einem weiteren Betriebsmodus kann die Trennkupplung geschlossen werden, und die elektrische Maschine der Hybridantriebsanordnung kann im Motormodus betrieben werden, um elektrische Energie aus der Speicheranordnung in mechanische Energie umzuwandeln. In der ersten Schaltposition des Schaltgetriebes wird Drehmoment von der elektrischen Maschine und der Brennkraftmaschine mit einem ersten Überset zungsverhältnis auf die sekundäre Antriebsachse übertragen (erster Gang). In der zweiten Schaltposition überträgt das Schaltgetriebe entsprechend Drehmoment mit ei nem zweiten Übersetzungsverhältnis auf die Antriebsachse (zweiter Gang). Der An trieb der sekundären Antriebsachse mittels der Hybridantriebsanordnung kann dabei parallel zum Antrieb der primären Antriebsachse mittels des primären Elektromotors erfolgen. Insofern wird dieser Modus auch als paralleler Betriebsmodus bezeichnet. Dabei ist mittels der Kopplung von elektrischer und Brennkraftmaschine eine Last punktverschiebung der Brennkraftmaschine in Bereiche mit höherem Wirkungsgrad möglich („load point shifting“). Es ist auch möglich, dass die elektrische Maschine al- leine die Eingangswelle antreibt. Hierfür wird die T rennkupplung geschlossen und das Schaltgetriebe in eine Neutralposition überführt, und die elektrische Maschine wird im Motormodus betrieben.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnungsfigu- ren erläutert. Hierin zeigt:
Figur 1 eine Hybridantriebsanordnung für eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs im Längsschnitt, Figur 2 die Hybridantriebsanordnung aus Figur 1 in perspektivischer Darstellung,
Figur 3 die Hybridantriebsanordnung aus Figur 1 in perspektivischer Darstellung, mit weggeschnittenem Gehäuse,
Figur 4 die Hybridantriebsanordnung aus Figur 1 in schematischer Darstellung,
Figur 5 eine Übersicht von möglichen Betriebsmodi der Hybridantriebsanordnung aus Figur 1 , und Figur 6 eine Antriebsstranganordnung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hybridan triebsanordnung nach Figur 1 schematisch.
Die Figuren 1 bis 5, welche nachstehend gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine Hybridantriebsanordnung 2 für eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs. Das Fahr zeug kann eine primäre Antriebsachse aufweisen, die von einer primären elektrischen Maschine angetrieben wird, sowie eine sekundäre Antriebsachse, die mit der Hybrid antriebsanordnung 2 ausgestattet sein kann.
Die Hybridantriebsanordnung 2 weist eine Brennkraftmaschine 3, eine elektrische Ma schine 4 sowie eine Getriebeanordnung 5 mit einem Schaltgetriebe 6 und einem Dif ferentialgetriebe 7 auf. Die elektrische Maschine 4 weist insbesondere einen Stator 10 und einen hierzu drehbaren Rotor 13 auf, der bei Bestromen der Maschine eine Mo torwelle 19 drehend antreibt. Die Motorwelle 19 kann mittels Lagermitteln 15, 15‘ in einem Motorgehäuse 22 um die Drehachse A19 drehbar gelagert sein. Die Drehbewe gung der Motorwelle 19 wird auf ein erstes Eingangsglied (23) des Schaltgetriebes 6 übertragen. Die elektrische Maschine 4 wird von einer Batterie 52 mit elektrischem Strom versorgt, wobei die Batterie im Generatorbetrieb von der elektrischen Maschine 4 aufgeladen werden kann. Die Brennkraftmaschine 3 ist mit einer Eingangswelle 11 des Schaltgetriebes 6 verbunden, die ein zweites Eingangsglied bildet. Das Schaltge triebe 6 umfasst zwei Schaltstufen, so dass eingeleitetes Drehmoment von der Ein gangswelle 11 auf eine Zwischenwelle 24 mit zwei unterschiedlichen Übersetzungs verhältnissen i 1 , i2 übertragen werden kann. Die Zwischenwelle 24 ist mit einem Dif ferentialträger 14 des Differentialgetriebes 7 antriebsverbunden, um dieses anzutrei ben. Mittels des Differentialgetriebes 7 wird die vom Schaltgetriebe 6 eingeleitete Drehbewegung auf zwei Ausgangsteile 33, 34 aufgeteilt. Es ist eine weitere Kupplung 8 vorgesehen, die von einem Aktuator 9 steuerbar ist und ausgestaltet ist, um wahl weise Drehmoment auf die Antriebsachse zu übertragen oder eine Drehmomentüber tragung zu unterbrechen. Insofern kann die Kupplung 8 auch als Trennkupplung be zeichnet werden.
Das Schaltgetriebe 6 umfasst ein erstes Antriebsrad 23 und ein zweites Antriebsrad 31 , die auf der Eingangswelle 11 drehbar gelagert sind, sowie eine zur Eingangswelle 11 parallele Zwischenwelle 24 mit einem ersten Zwischenrad 25, das mit dem ersten Antriebsrad 23 in Eingriff ist, und einem zweiten Zwischenrad 26, das mit dem zweiten Antriebsrad 31 in Eingriff ist. Es ist ferner eine Schaltkupplung 20 vorgesehen, die axial zwischen dem ersten und zweiten Antriebrad 23, 31 angeordnet ist und ausgestaltet ist, um wahlweise das erste Antriebsrad 23 oder das zweite Antriebsrad 31 mit der Eingangswelle 11 zu verbinden oder von dieser zu trennen. Das erste Antriebsrad 23 ist mit der elektrischen Maschine 4 antriebsverbunden, insbesondere permanent, und bildet insofern das erste Eingangsglied des Schaltgetriebes 6. Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass die Motorwelle 19 der elektrischen Maschine 4 ein Antriebsritzel 21 aufweist, das mit dem ersten Antriebsrad 23 in Eingriff ist. Die Motorwelle 19 der elektrischen Maschine 4 und die Eingangswelle 11 sind parallel versetzt zueinander angeordnet. Durch entsprechende Ausgestaltung des Antriebsritzels 21 kann nach Be darf eine erste Vorübersetzung realisiert werden. Die Eingangswelle 11 ist vorliegend koaxial zur Ausgangswelle der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angeordnet und kann mit dieser insbesondere permanent drehstarr verbunden sein. Die Eingangswelle 11 ist mittels Lagermitteln 16, 17 in einem ortsfesten Gehäuse 18 um eine erste Dreh achse A11 drehbar gelagert. Die Eingangswelle 11 ist vorzugsweise mit einer Längs bohrung 75 und mehreren Querbohrungen 76, 76‘ zur Schmiermittelversorgung von Lagerabschnitten 77, 77‘ für das erste Antriebsrad 23 und das zweite Antriebrad 31 versehen. Axial zwischen dem ersten Antriebsrad 23 und zweiten Antriebsrad 31 ist ein Eingangsteil 70 vorgesehen, das drehfest mit der Eingangswelle 11 verbunden ist. Die elektrische Maschine 4 und die Brennkraftmaschine 3 sind in Bezug auf die Ge triebeeingangswelle 11 auf derselben Seiten angeordnet, ohne hierauf eingeschränkt zu sein.
Die Schaltkupplung 20 ist von einem Aktuator 74 steuerbar. Je nach Schaltstellung der Kupplung 20 lassen sich mehrere Schaltstufen realisieren. Eine erste Schaltstufe ist durch das erste Räderpaar, das heißt erstes Antriebsrad 23 und erstes Zwischenrad 25, gebildet, so dass Drehmoment von der Eingangswelle 11 auf das Differential 7 mit einem ersten Übersetzungsverhältnis i1 übertragen wird (erster Gang). Eine zweite Schaltstufe ist durch das zweite Räderpaar, das heißt zweites Antriebsrad 31 und zweites Zwischenrad 26, gebildet, mit der Drehmoment mit einem zweiten Überset zungsverhältnis i2 auf das Differential 7 übertragbar ist (zweiter Gang). In einer neut ralen Position (PO) sind beide Antriebsräder 23, 31 von dem Eingangsteil 70 bezie hungsweise der Eingangswelle 11 abgekoppelt. Die Schaltkupplung 20 umfasst neben dem Eingangsteil 70 insbesondere ein erstes Ausgangsteil 71 , das mit dem ersten Antriebsrad 23 drehtest verbunden ist, ein zwei tes Ausgangsteil 72, das mit dem zweiten Antriebsrad 31 drehtest verbunden ist, und ein Koppelelement 73, welches das Eingangsteil 70 optional mit dem ersten Aus gangsteil 71 oder dem zweiten Ausgangsteil 72 zur Übertragung eines Drehmoments koppeln kann. Das Koppelelement 73 ist hier in Form einer Schiebemuffe gestaltet, die auf dem Eingangsteil 70 drehtest gehalten und gegenüber diesem mittels des Aktua tors 74 axial verschiebbar ist. Die Schiebemuffe ist in einer Neutralposition (PO) ge genüber dem ersten und zweiten Ausgangsteil 71 , 72 frei drehbar, in der ersten Schalt position (P1 ) mit dem ersten Ausgangsteil 71 und in der zweiten Schaltposition (P2) mit dem zweiten Ausgangsteil 72 drehtest verbunden.
Die Betätigung der Schiebemuffe erfolgt über den Aktuator 74, der einen elektromoto rischen Drehantrieb 78 und eine Wandlereinheit 79 umfassen kann, welche eine Dreh bewegung in eine Linearbewegung umwandelt. Die Wandlereinheit 79 weist vorlie gend einen Spindeltrieb auf mit einer drehend antreibbaren Spindel und einer Spindel hülse, die bei Drehung der Spindel axial bewegt wird. An der Spindelhülse ist eine Schaltgabel 80 befestigt, die mit zwei Gleitsteinen in eine Ringnut der Schiebemuffe 73 eingreift. Der Aktuator 74 ist von einer elektronischen Regeleinheit 53 ansteuerbar und kann von dieser bedarfsweise, in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Kraftfahr zeugs angesteuert werden. Es versteht sich, dass auch andere elektromechanische Aktuatoren verwendet werden können, oder auch elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Aktuatoren.
Die beiden Zwischenräder 25, 26 sind drehfest mit der Zwischenwelle 24 verbunden. Die Verbindung kann durch Formschluss, beispielsweise mittels einer Keilwellenver bindung, und/oder Stoffschluss wie einer Schweißverbindung realisiert werden, wobei auch eine einteilige Ausgestaltung zumindest eines der Räder mit der Welle möglich ist. Die Zwischenwelle 24 ist in dem Gehäuse 18 mittels Lagermitteln 28, 28‘ um die Drehachse A24 drehbar gelagert ist, die parallel zur Drehachse A11 der Eingangswelle 11 und zur Drehachse A7 des Differentialgetriebes 7 verläuft. Die Eingangswelle 11 , die Zwischenwelle 24 und die Drehachse A7 des Differentials 7 sind parallel zueinander angeordnet. Das zweite Zwischenrad 26 ist mit einem Ring rad 12 zum Antreiben des Differentialgetriebes 7 in Eingriff. Das erste Antriebsrad 23 kämmt folglich mit dem Antriebsritzel 21 der elektrischen Maschine 4 und mit dem ersten Zwischenrad 25. Das zweite Zwischenrad 26 kämmt mit dem zweiten Antriebs rad 31 und mit dem Ringrad. Hierdurch ist jeweils eine Doppelfunktion der Räder 23 und 26 gegeben, was hinsichtlich Teilezahl und Baugröße günstig ist. Insbesondere kann das Schaltgetriebe 6 mit nur sechs drehmomentübertragenden Rädern konstru iert werden, nämlich Antriebsritzel 21 , erstes Antriebsrad 23, zweites Antriebsrad 31, erstes Zwischenrad 25, zweites Zwischenrad 26 und Ringrad 12. Die genannten Räder des Schaltgetriebes 6 können beispielsweise als Stirnräder mit Schrägverzahnung ge staltet sein.
Die konkrete Ausgestaltung der Räder beziehungsweise Zähnezahlen richtet sich nach den technischen Anforderungen und Bauraumverhältnissen. Beispielsweise kann das erste Übersetzungsverhältnis i1 zwischen dem ersten Antriebsrad 23 und dem ersten Zwischenrad 25 zwischen 1 ,5 und 2,5 liegen. Das zweite Übersetzungs verhältnis i2 zwischen dem zweiten Antriebsrad 31 und dem zweiten Zwischenrad 26 kann zwischen 1 ,0 und 1 ,6 liegen. Ferner kann das dritte Übersetzungsverhältnis i3 zwischen dem zweiten Zwischenrad 26 und dem Ringrad 12 zwischen 1 ,5 und 2,5 betragen. Insgesamt ergibt sich dabei ein Gesamtübersetzungsverhältnis, das für den ersten Gang zwischen 2,25 und 6,25 liegen kann, und für den zweiten Gang zwischen 1 ,5 und 4. Das Ringrad 12 ist fest mit einem Differentialgehäuse 27 verbunden, das mittels La germitteln 29, 29‘ im Gehäuse 18 um die Drehachse A7 drehbar gelagert ist. Die Ver bindung zwischen Ringrad 12 und Differentialgehäuse 27 ist vorliegend eine Schweiß verbindung, wobei andere Verbindungsmittel wie Schraubverbindungen ebenso mög lich sind. Das Differentialgehäuse 27 kann zwei Gehäuseteile umfassen, die im Be- reich ihrer Öffnungen jeweils einen Flanschabschnitt aufweisen, mit dem sie in einer entsprechenden Aufnahme des Ringrads 12 eingesetzt und mit diesem verbunden sind. In dem Differentialgehäuse 27 ist ein Differentialträger 14 um die Drehachse A7 dreh bar gelagert, der die eingeleitete Drehbewegung auf ein erstes Differential-Ausgangs- teil 33 zum Antreiben einer ersten Seitenwelle und einem zweiten Differential-Aus- gangsteil 34 zum Antreiben einer zweiten Seitenwelle aufteilt. Konkret kann in dem Differentialträger 14 ein Bolzen 30 aufgenommen sein, auf dem zwei Differentialräder 32 um eine Bolzenachse drehbar gelagert sind. Die Differentialräder 32 sind mit dem ersten und zweiten Differential-Ausgangsteil 33, 34 in Verzahnungseingriff, die koaxial zur Drehachse A7 angeordnet sind. Die beiden Differential-Ausgangsteile 33, 34 sind insbesondere in Form von Seitenwellenrädern gestaltet und können eine Wellenver zahnung zur drehfesten Verbindung mit einer zugehörigen Seitenwelle (hier nicht dar gestellt) haben. Die beiden Seitenwellenräder 33, 34 können gegenüber dem Differen tialgehäuse 27 über reibmindernde Gleitscheiben axial abgestützt sein.
Die Kupplung 8 kann als formschlüssige Trennkupplung, insbesondere als Zahnkupp lung gestaltet sein, wobei andere Formen von Kupplungen ebenso denkbar sind, bei spielsweise eine Reibungskupplung. Die Kupplung 8 umfasst ein erstes Kupplungsteil 36, das mit dem Differentialträger 14 fest verbunden und insbesondere einteilig gestal tet ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 37, das gegenüber dem ersten Kupplungsteil 36 axial beweglich und mit dem Differentialgehäuse 27 drehfest verbunden ist. Das zweite Kupplungsteil 37 kann zur Übertragung eines Drehmoments in das erste Kupp lungsteil 36 eingerückt werden, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen entsteht. Durch erneutes Ausrücken des zweiten Kupplungs teils 37 kann die Drehmomentübertragung wieder unterbrochen werden. Das erste Kupplungsteil 36 hat als Formschlussmittel einen Zahnring, der an einer Stirnseite des Differentialträgers 14 einteilig angeformt ist. Entsprechend hat das zweite Kupplungs teil 37 einen gegengleichen Zahnring, der innerhalb des Differentialgehäuses 27 an geordnet ist. Weiter hat das zweite Kupplungsteil 37 mehrere über den Umfang ver teilte axiale Ansätze 38, die durch entsprechende Durchgangsöffnungen des Differen tialgehäuses 27 hindurchtreten. Durch entsprechendes Ansteuern des Aktuators 9 kann das zweite Kupplungsteil 37 relativ zum ersten Kupplungsteil 36 axial bewegt werden, wobei eine Drehmomentübertragung vom Ringrad 12 auf den Differentialträ ger 14 in eingerücktem Zustand hergestellt ist, während die Drehmomentübertragung in ausgerücktem Zustand unterbrochen ist. Der Aktuator 9 umfasst einen Elektromagneten 39 und einen Magnetkolben 40. Bei Bestromen des Elektromagneten 39 wird der Magnetkolben 40 in Richtung zur Kupp lung 8 beaufschlagt, so dass diese geschlossen wird. Am zweiten Kupplungsteil 37 ist eine Sensorscheibe 35 befestigt, die mit einem Sensor (nicht dargestellt) zusammen wirkt, so dass die Schaltstellung der Kupplung 8 identifiziert werden kann. Zwischen dem Differentialgehäuse 27 und der Sensorscheibe 35 ist eine Rückstellfeder 41 an geordnet. Wird der Elektromagnet 39 abgeschaltet, wird das das zweite Kupplungsteil 37 in seine Ausgangsposition bewegt, so dass die Kupplung 8 wieder geöffnet wird.
Das Differentialgehäuse 27 hat einen ersten Hülsenansatz 42 und einen zweiten Hül senansatz 43, welche über die Lager 29, 29‘ im Getriebegehäuse 18 drehbar gelagert sind. Nicht dargestellte Seitenwellen können durch die Hülsenansätze 42, 43 einge steckt und an ihren inneren Enden jeweils mit einem zugehörigen Seitenwellenrad 33, 34 verbunden werden.
Mit der Hybridantriebsanordnung 2 können eine Vielzahl von Betriebsmodi realisiert werden, wobei in Figur 5 eine Schalttabelle für die unterschiedlichen Schalt- und Be triebszustände gezeigt ist. Die Schaltkupplung 20, in Figur 5 als C1 bezeichnet, kann in drei Schaltpositionen P1 , PO oder P2 überführt werden. Bei geschlossener Trenn kupplung 8, in Figur 5 als C2 bezeichnet, können verschiedene Antriebszustände rea lisiert werden. In Schaltposition P1 oder P2 kann, bei abgeschalteter elektrischer Ma schine 4, ein Antrieb rein mittels der Brennkraftmaschine 3 im ersten oder im zweiten Gang erfolgen (Zeilen „ICE 1“ und „ICE 2“). Bei angeschalteter elektrischer Maschine 4 ist ein gleichzeitiger Antrieb der Antriebsachse mittels beider Maschinen 3, 4 möglich (Zeilen „PM 1“, „PM 2“). Von der elektrischen Maschine 4 wird Drehmoment über die Antriebsteile 21 , 23, 25, 24, 26 auf das Ringrad 12 eingeleitet. Von der Brennkraftma schine 3 wird im ersten Gang Drehmoment über die Antriebsteile 21 , 23, 25, 24, 26 auf das Ringrad 12 eingeleitet und im zweiten Gang über die Antriebsteile 31 , 26. Die Zeile M1 zeigt einen Schaltzustand für eine Lastpunktschaltung (load point shifting). In Schaltposition PO kann ein Antrieb rein mittels der elektrischen Maschine 4 erfolgen, Zeile „EV1“. In diesem Fall ist die Brennkraftmaschine 3 ausgeschaltet. Ferner kann die Hybridantriebsanordnung 2 - in Verbindung mit einer weiteren elektri schen Antriebsachse - in einem seriellen Modus betrieben werden, wobei die Anord nung 2 bei geöffneter Trennkupplung 8 und anliegender erster Schaltposition P1 der Schaltkupplung 20 elektrische Energie erzeugt, welche dann zum Antreiben der ande ren Antriebsachse mittels eines weiteren Elektromotors verwendet werden kann (Zeile „M2“). Dabei erfolgt die Leistungsübertragung von der Brennkraftmaschine 3 über die die Komponenten 31 , 26, 24, 25, 23, 21 auf die elektrische Maschine 4. Ferner kann die Anordnung bei stillstehendem Fahrzeug bei geöffneter Trennkupplung 8 und in der ersten Schaltposition P1 der Schaltkupplung 20 Strom erzeugen (Generatormodus), beziehungsweise eine mit der elektrischen Maschine verbundene Batterie laden (Zeile ,,M3). Umgekehrt kann die Brennkraftmaschine 3 von der elektrischen Maschine 4 bei Offenstellung der Trennkupplung 8 und erster Schaltposition P1 der Schaltkupplung 20 gestartet werden (Motormodus).
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung 44 mit einer erfin dungsgemäßen Hybridantriebsanordnung 2 gemäß Figur 1 beziehungsweise Figur 4 in schematischer Darstellung. Die Antriebsstranganordnung 44 umfasst einen ersten Antriebsstrang 45 für eine erste Antriebsachse 46 und einen zweiten Antriebsstrang 47 für eine zweiten Antriebsachse 48.
Der erste Antriebsstrang 45 umfasst eine erste Antriebseinheit 49 mit einer elektri schen Maschine 51 und einer nachgelagerten Getriebeanordnung 50, mit der das Mo tormoment in ein Antriebsmoment beziehungsweise die Motordrehzahl in eine An triebsdrehzahl umgewandelt wird. Der zweite Antriebsstrang 47 umfasst die Hybridan triebsanordnung 2, die konstruktiv gemäß Figur 1 gestaltet sein kann. Es ist ferner eine Speicheranordnung 52 zum Speichern von elektrischer Energie vorgesehen, die so wohl mit der ersten elektrischen Maschine 51 als auch mit der elektrischen Maschine 3 der Hybridantriebsanordnung 2 elektrisch verbunden ist, sowie eine Steuereinheit 53 zum Steuern der ersten Antriebseinheit 49 und/oder der zweiten Antriebseinheit 2 be ziehungsweise dessen Maschinen 3, 4.
Es ist erkennbar, dass die erste Antriebsachse 46 die Hinterachse und die zweite An triebsachse 48 die Vorderachse des Kraftfahrzeugs bildet, wobei auch eine umge kehrte Anordnung möglich ist. Die beiden Antriebsstränge 45, 47 sind mechanisch voneinander getrennt, das heißt, es ist keine Kraftübertragung zwischen den beiden Antriebssträngen möglich. Die erste Antriebseinheit 49 dient zum alleinigen mechani schen Antrieb der ersten Antriebsachse 46, während die Hybridantriebsanordnung 2 zum alleinigen mechanischen Antrieb der zweiten Antriebsachse 48 dient.
Die erste Antriebsmaschine 51 zum Antreiben der ersten Antriebsachse 46 kann leis tungsstärker gestaltet sein, als zumindest eine oder beide der Antriebsmaschinen 3, 4 der Hybridantriebsanordnung 2. Insofern kann die erste Antriebseinheit 49 auch als primäre Antriebseinheit und die erste Antriebsachse 46 entsprechend als primäre An triebsachse bezeichnet werden, während die zweite Antriebseinheit 2 beziehungs weise zweite Antriebsachse 48 entsprechend als sekundäre Antriebseinheit bezie hungsweise Antriebsachse bezeichnet werden können. Nach einer möglichen Ausfüh rungsform kann die elektrische Maschine 51 der primären Antriebseinheit 49 eine Ma ximalleistung von über 60 kW, insbesondere über 70 kW aufweisen.
Die Getriebeanordnung 50 der primären Antriebsachse 46 umfasst ein Untersetzungs getriebe 54 zur Übersetzung der vom Elektromotor 51 eingeleiteten Drehbewegung ins Langsame sowie ein nachgelagertes Differentialgetriebe 55. Von dem Differential getriebe 55 wird das eingeleitete Drehmoment auf die beiden Seitenwellenräder 56, 57 aufgeteilt und auf die hiermit antriebsverbundenen Seitenwellen 58, 59 übertragen. An den Enden der Seitenwellen 58, 59 befinden sich Gleichlaufdrehgelenke, welche eine Drehmomentübertragung auf die Fahrzeugräder 60, 61 unter Winkelbewegungen ermöglichen.
Die sekundäre Antriebsachse 48 ist ähnlich aufgebaut. Von dem Differentialgetriebe 7 wird das bei geschlossener Kupplung 8 eingeleitete Drehmoment auf die beiden Sei tenwellenräder 33, 34 übertragen. In die Wellenverzahnungen der Seitenwellenräder sind entsprechende Ausgangswellen 62, 63 zur Drehmomentübertragung drehfest ein gesteckt. Die Ausgangswellen 62, 63 sind über zugehörigen Seitenwellen 64, 65 mit Gleichlaufgelenken zur Drehmomentübertragung auf die Rädern 66, 67 der sekundä ren Antriebsachse 48 verbunden.
Die Antriebsstranganordnung 44 mit primärerer Antriebsanordnung 49 und sekundäre Hybridantriebsanordnung 2 erlaubt in vorteilhafter Weise mehrere Betriebsmodi. Beispielsweise kann die Hybridantriebsanordnung 2 in einem parallelen Modus betrie ben werden, in dem beide Maschinen 3, 4 bei geschlossener Kupplung 8 gemeinsam die sekundäre Antriebsachse 48 antreiben, und zwar wahlweise im ersten oder im zweiten Gang. Ferner können die Antriebsanordnungen 2, 49 in einem seriellen Modus betrieben werden, wobei die Hybridantriebsanordnung 2 bei geöffneter Kupplung 8 elektrische Energie erzeugt, welche dann zum Antreiben der primären Antriebsachse 46 mittels des primären Elektromotors 51 verwendet wird. Auch bei stillstehendem Fahrzeug kann die Hybridantriebsanordnung 2 bei geöffneter Kupplung 8 elektrische Energie erzeugen (Generatormodus), beziehungsweise die Speichermittel 52 aufla- den. Umgekehrt kann die Brennkraftmaschine 3 von der elektrischen Maschine 4 ge startet werden (Motormodus). Ferner ist eine Lastpunktanhebung möglich, bei der die Brennkraftmaschine 3 mithilfe der elektrischen Maschine 4 in einem Leistungsbereich mit höherem Wirkungsgrad betrieben wird. Insgesamt bietet die Hybridantriebsanordnung 2 mit Schaltgetriebe 6 eine hohe Leis tungsfähigkeit mit gleichzeitig kompaktem und einfachem Aufbau. Im Zusammenwir ken mit der primären Antriebsachse 46 ergeben sich die oben beschriebenen Betriebs möglichkeiten.
Bezugszeichenliste
2 Hybridantriebsanordnung
3 Brennkraftmaschine
4 elektrische Maschine
5 Getriebeanordnung
6 Schaltgetriebe
7 Differentialgetriebe
8 Kupplung
9 Aktuator
10 Stator 11 Eingangswelle 12 Ausgangsglied / Ringrad
13 Rotor
14 Differentialträger
15, 15‘ Lager 16 Lager
17 Lager
18 Gehäuse
19 Motorwelle
20 Schaltkupplung 21 Antriebsritzel 22 Motorgehäuse
23 erstes Antriebsrad
24 Zwischenwelle
25 erstes Zwischenrad
26 zweites Zwischenrad 27 Differentialgehäuse
28, 28‘ Lagermittel 29, 29‘ Lagermittel
30 Bolzen
31 zweites Antriebsrad
32 Differentialräder Ausgangsteil / Seitenwellenrad
Sensorscheibe erste Kupplungsteil zweites Kupplungsteil
Ansätze
Elektromagnet
Magnetkolben
Rückstellfeder
Hülsenansatz
Hülsenansatz
Antriebsstranganordnung erster Antriebsstrang erste Antriebsachse zweiter Antriebsstrang zweite Antriebsachse erste Antriebseinheit
Getriebeanordnung elektrische Maschine
Speicheranordnung
Steuereinheit
Untersetzungsgetriebe
Differentialgetriebe , 57 Seitenwellenrad , 59 Seitenwelle
Rad
Rad , 63 Ausgangswelle , 65 Seitenwelle , 67 Rad
Eingangsteil erstes Ausgangsteil zweites Ausgangsteil Koppelelement 74 Aktuator
75 Längsbohrung
76, 76‘ Querbohrung
77, 77‘ Lagerabschnitt
78 Drehantrieb
79 Wandlereinheit
80 Schaltgabel
A Drehachse i Übersetzungsverhältnis
M Modus n Drehzahl
P Position

Claims

Hybridantriebsanordnung mit Schaltgetriebe, Antriebsstranganordnung und Verfahren zum Steuern einer solchen Ansprüche
1. Hybridantriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine Brennkraftmaschine (3); eine elektrische Maschine (4); ein Schaltgetriebe (6), das mit der Brennkraftmaschine (3) und der elektrischen Maschine (4) antriebsverbunden ist; ein Differentialgetriebe (7), das ausgestaltet ist, um eine vom Schaltgetriebe (6) eingeleitete Drehbewegung auf zwei Ausgangsteile (33, 34) aufzuteilen; wobei das Schaltgetriebe (6) eine Eingangswelle (11) mit einem ersten An triebsrad (23) und einem zweiten Antriebsrad (31) aufweist, die auf der Ein gangswelle (11 ) drehbar gelagert sind, wobei das erste Antriebsrad (23) mit der elektrischen Maschine (4) antriebsverbunden ist, und die Eingangswelle (11) mit der Brennkraftmaschine (2) antriebsverbunden ist; eine Schaltkupplung (20), die axial zwischen dem ersten und zweiten Antrieb rad (23, 31) angeordnet ist und ausgestaltet ist, um wahlweise das erste An triebsrad (23) oder das zweite Antriebsrad (31) mit der Eingangswelle (11) zu verbinden oder von dieser zu trennen; eine zur Eingangswelle (11 ) parallele Zwischenwelle (24) mit einem ersten Zwi schenrad (25), das mit dem ersten Antriebsrad (23) in Eingriff ist, und einem zweiten Zwischenrad (26), das mit dem zweiten Antriebsrad (31) in Eingriff ist, wobei die Zwischenwelle (24) mit dem Differentialgetriebe (7) antriebsverbun den ist; und eine Kupplung (8), die im Leistungspfad zwischen der Eingangswelle (11) und einem der Ausgangsteile (33, 34) des Differentialgetriebes (7) angeordnet ist, um eine Drehmomentübertragung optional herzustellen oder zu unterbrechen.
2. Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) eine Motorwelle (19) mit einem Antriebsritzel (21) aufweist, das mit dem ersten Antriebsrad (23) in Eingriff ist.
3. Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (11) koaxial zur Ausgangswelle der Brennkraftma schine (3) angeordnet und mit dieser permanent drehstarr verbunden.
4. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zwischenrad (26) mit einem Ringrad (12) in Eingriff ist, das koaxial zu einem Differentialträger (14) des Differentialgetriebes (7) angeordnet und mit diesem übersetzungslos antriebsverbunden ist.
5. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (6), inklusive Ringrad (12), nur sechs drehmomen tübertragende Räder aufweist.
6. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung (20) ein Eingangsteil (70), das mit der Eingangswelle (11) drehfest verbunden ist, ein erstes Ausgangsteil (71), das mit dem ersten Antriebsrad (23) drehfest verbunden ist, ein zweites Ausgangsteil (72), das mit dem zweiten Antriebsrad (31) drehfest verbunden ist, und ein Koppelelement (73) aufweist, mit dem das Eingangsteil (70) optional mit dem ersten Ausgangs teil (71) oder dem zweiten Ausgangsteil (72) zur Übertragung eines Drehmo ments koppelbar ist.
7. Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (73) in Form einer Schiebemuffe gestaltet ist, die auf dem Eingangsteil (70) drehfest gehalten und gegenüber diesem mittels eines Aktuators (74) axial verschiebbar ist, wobei die Schiebemuffe in einer Neutralposition (PO) gegenüber dem ersten und zweiten Ausgangsteil (71 , 72) frei drehbar ist, in einer ersten Schaltposition (P1) mit dem ersten Ausgangsteil (71) und in einer zweiten Schaltposition (P2) mit dem zweiten Ausgangsteil (72) drehfest verbunden ist.
8. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Übersetzung von der Eingangswelle (11) auf die Zwischenwelle (24) zumindest eines von Folgendem gilt: ein erstes Übersetzungsverhältnis (i1) zwischen dem ersten Antriebsrad (23) und dem ersten Zwischenrad (25) liegt zwischen 1 ,5 und 2,5; ein zweites Übersetzungsverhältnis (i2) zwischen dem zweiten Antriebsrad (31 ) und dem zweiten Zwischenrad (26) liegt zwischen 0,7 und 1 ,7.
9. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) im Leistungspfad zwischen dem Ringrad (12) und dem Differentialträger (14) wirksam angeordnet ist, wobei in geschlossenem Zu stand der Kupplung (8) Drehmoment vom Ringrad (12) auf den Differentialträ ger (14) übertragen wird und in geöffnetem Zustand der Kupplung (8) eine Drehmomentübertragung unterbrochen ist.
10. Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringrad (12) mit einem Differentialgehäuse (27) fest verbunden ist, wobei das Differentialgehäuse (27) drehbar in einem ortsfesten Gehäuse (18) gelagert ist, und wobei der Differentialträger (14) im Differentialgehäuse (27) drehbar gelagert ist.
11. Antriebsstranganordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine primäre Antriebsachse (46), die von einer primären elektrischen Maschine (51) als Primärantrieb drehend antreibbar ist; und eine sekundäre Antriebsachse (48) mit einer Hybridantriebsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die primäre Antriebsachse (46) und die sekundäre Antriebsachse (48) mechanisch voneinander getrennt sind; eine Speicheranordnung (52) zum Speichern von elektrischer Energie, wobei die Speicheranordnung (52) mit der primären elektrischen Maschine (49) und mit der elektrischen Maschine (4) der Hybridantriebsanordnung (2) elektrisch verbunden ist; eine Steuereinheit (53) zum Steuern der primären elektrischen Maschine (51) und der Hybridantriebsanordnung (2).
12. Verfahren zum Steuern der Antriebsstranganordnung nach Anspruch 11 derart, dass: die Kupplung (8) geöffnet wird und das Schaltgetriebe (6) in eine erste Schalt position (P1 ) überführt wird, in der das erste Antriebsrad (23) mit der Eingangs welle (11 ) verbunden ist, wobei die Brennkraftmaschine (3) die elektrische Maschine (4) bei geöffneter Kupplung (8) antreibt, wobei die elektrischen Maschine (4) im Generatormodus betrieben wird und die von der Brennkraftmaschine (3) eingeleitete mechanische Energie in elektri sche Energie umwandelt, und die elektrische Energie in der Speicheranordnung (52) gespeichert wird oder der ersten Antriebseinheit (49) zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) geschlossen wird, die elektrische Maschine (4) im Motormodus betrieben wird und elektrische Energie aus der Speicheranordnung (52) in mechanische Energie umwandelt, und das Schaltgetriebe (6) in eine erste Schaltposition (P1), in der das erste An triebsrad (23) mit der Eingangswelle (11) verbunden ist, oder in eine zweite Schaltposition (P2), in der das zweite Antriebsrad (31) mit der Eingangswelle (11 ) verbunden ist, überführt wird, wobei die elektrische Maschine (4) und die Brennkraftmaschine (3) gemeinsam die Eingangswelle (11) antreiben.
14. Verfahren nach Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) geöffnet wird, das Schaltgetriebe (6) in eine erste Schaltposition (P1) überführt wird, in der das erste Antriebsrad (23) mit der Eingangswelle (11) verbunden ist, und die elektrische Maschine (4) im Motormodus betrieben wird und die Brennkraft maschine (3) antreibt, um diese zu starten.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) geschlossen wird und das Schaltgetriebe (6) in eine Neutralposition (PO) überführt wird, und die elektrische Maschine (4) im Motormodus betrieben wird, wobei die elektri sche Maschine (4) alleine die Eingangswelle (11) antreibt.
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