DE102010049550A1

DE102010049550A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010049550A1
Application number: DE102010049550A
Authority: DE
Inventors: Thorsten BIERMANN; Dr. Smetana Tomas
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Es ist ein Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsmotor (3), einem um eine Achse (7) angeordneten Elektromotor (5) und einem Differenzialgetriebe (9) offenbart, wobei zwischen dem Elektromotor (5) und dem Differenzialgetriebe (9) ein Planetenradgetriebe (13) angeordnet ist, so dass ein Sonnenrad (25) des Planetenradgetriebes (13) über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung (23) mit dem Elektromotor (5) verbindbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die gegenwärtige Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug. Im Besonderen umfasst das Antriebssystem einen Antriebsmotor, einen um eine Achse angeordneten Elektromotor und ein Differenzialgetriebe, wobei der Antriebsmotor und der Elektromotor über das Differenzialgetriebe koppelbar sind.
In der Fahrzeugtechnik werden zunehmend Fahrzeuge mit Hybridgetrieben eingesetzt, um diese mit alternativen Antriebskonzepten im Zuge der Verteuerung und Verknappung fossiler Energieträger anzutreiben, so dass verstärkt Hybridfahrzeuge entwickelt werden.
Unter einem Hybridfahrzeug wird im Folgenden ganz allgemein ein Fahrzeug verstanden, das einen Primärantrieb, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors, aufweist und zusätzlich mindestens eine elektrische Maschine. Die mindestens eine elektrische Maschine ist dazu vorgesehen, in Schubphasen des Fahrzeugs Bremsenergie zu rekuperieren und in manchen Betriebszuständen den Primärantrieb elektromotorisch zu unterstützen bzw. ein rein elektrisches Fahren zu ermöglichen. Bei den meisten bekannten Hybridfahrzeugen wird die in Schubphasen des Fahrzeugs von der elektrischen Maschine rekuperierte Bremsenergie elektrochemisch in einer Batterie oder elektrostatisch in einer Kondensatoranordnung zwischengespeichert. Für Fahrzeuganwendungen geeignete, langlebige Batterien sind teuer. Im Übrigen treten beim Laden der Batterie beträchtliche Energieverluste auf, was den Zusatznutzen im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen zumindest teilweise relativiert.
So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 058 974 A1 ein Hybridgetriebekonzept, das in vielfältiger Weise einsetzbar ist, insbesondere als System, das eine Rekuperation von Bremsenergie ermöglicht bzw. als ein in einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs integrierbares Hybridgetriebe, das eine stufenlose Übersetzungsverstellung ermöglicht. Dabei weist das Hybridgetriebe ein erstes und ein zweites Teilgetriebe mit jeweils einer elektrischen Maschine auf. Das erste Teilgetriebe wiederum weist ein erstes und ein zweites mechanisches Antriebs-/Abtriebselement und ein drittes Antriebs-/Abtriebselement auf, wobei das dritte Antriebs-/Abtriebselement mit einer elektrischen Maschine drehgekoppelt ist. Das zweite Hybridteilgetriebe ist im Wesentlichen identisch aufgebaut, so dass es ein viertes und fünftes mechanisches Antriebs-/Abtriebselement aufweist sowie ein sechstes Antriebs-/Abtriebselement, das mit einer zweiten elektrischen Maschine drehgekoppelt ist.
Zudem steigen die Leistungsanforderungen in Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff weiterhin an, so dass man Getriebe mit Leistungsaufteilungen als Differenzialanordnungen verwendet, um ein kontinuierlich veränderliches oder stufenlos verstellbares Drehmoment- und Drehzahlverhältnis zwischen dem Antrieb und Abtrieb zu erzielen, ohne die gesamte Leistung über die verstellbaren Elemente laufen zu lassen.
Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug anzugeben, das einen multifunktionalen hybriden Antriebsstrang aufweist, der aus einer verringerten Anzahl von Aggregaten besteht und im Gewicht reduziert ist.
Die Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.
Ein Antriebssystem, wie es gemäß der Erfindung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, verfügt über einen Antriebsmotor. Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, dass der Antriebsmotor ein Verbrennungsmotor ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Antriebsmotor ein Elektromotor. Ist der Antriebsmotor ein Verbrennungsmotor, so ist diesem ein Getriebe nachgeschaltet. Ist der Antriebsmotor hingegen ein Elektromotor, so kann diesem ein Getriebe nachgeschaltet sein, wobei der Elektromotor aber auch ohne nachgeschalteten Getriebe im Antriebssystem des Kraftfahrzeugs montiert sein kann. Des Weiteren weist das Antriebssystem einen um eine Achse angeordneten Elektromotor und ein Differenzialgetriebe auf.
In diesem Kontext ist erwähnenswert, dass unter dem Begriff Antriebssystem in diesem Zusammenhang alle Komponenten verstanden werden, welche im Kraftfahrzeug das Drehmoment vom Motor bis auf die Straße übertragen, so dass es für einen Fachmann selbstverständlich ist, nicht alle Komponenten explizit aufzuführen, da sie ohnehin bei einem Antriebssystem impliziert sind. Zur Illustration können dazu beispielsweise Kupplungen, Getriebe, Differenziale, Seitenwellen und Räder zählen. Weiter können dann noch bei heckgetriebenen bzw. bei allradgetriebenen Fahrzeugen Gelenkwellen oder Kardanwellen, Viscokupplungen, Übersetzungsgetriebe, Kreuzgelenke oder Gelenkscheiben, Lager, etc. hinzukommen.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Elektromotor und dem Differenzialgetriebe ein Planetenradgetriebe angeordnet, so dass ein Sonnenrad des Planetenradgetriebes über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung mit dem Elektromotor verbindbar ist. Die Vorteile der Erfindung treten besonders stark hervor, wenn die schaltbare Kupplungsvorrichtung ein Freilauf, auch Überholkupplung genannt, ist. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Teil eines Antriebsstranges von der Drehbewegung entkoppeln, wenn sich die Lastverhältnisse ändern, wobei der Freilauf vorzugsweise ein doppelseitig wirkender Freilauf ist.
Anhand der Anordnung von Elektromotor, Differenzialgetriebe und Planetenradgetriebe ist es möglich, dass ein Hohlrad des Planetenradgetriebes über ein Kegelradgetriebe mit dem Antriebsmotor und/oder dem Elektromotor antreibbar ist. Das Kegelradgetriebe weist ein Ritzel und ein Tellerrad auf, die beide derart im Antriebssystem angeordnet sind, dass die Antriebswelle damit mechanisch koppelbar ist. Das Hohlrad des Differentialgetriebes treibt über das Tellerrad und das Ritzel die Antriebswelle an. Die Antriebswelle kann als eine Ritzelwelle ausgebildet sein, so dass an der Welle die Ritzelverzahnung direkt angebracht ist. Ebenso ist eine Steckverzahnung denkbar, so dass die Antriebswelle indirekt an der Ritzelverzahnung angebracht ist.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn das Differenzialgetriebe ein Stirnraddifferenzial ist. Diese Stirnraddifferenziale, im Fachjargon auch Leichtbaudifferenziale genannt, zeichnen sich vor allem aufgrund ihres geringen Bauraumbedarfs und somit aufgrund des reduzierten Gewichts aus.
Aus fertigungstechnologischer Sicht können dank dieser Leichtbaudifferenziale auch Kosten eingespart werden, da die zwei Sonnen des Stirnraddifferenzials aufgrund ihres geringen Einsatzgewichts im Vergleich zu den konventionellen Hohlrädern, die im Stand der Technik bei der nach wie vor gängigsten Bauart, dem Kegelraddifferenzial, verwendet werden, günstiger in der Herstellung sind. Zudem können die zwei Ausgleichsplaneten des Stirnraddifferenzials auf einem vergleichsweise größeren Teilkreisdurchmesser angeordnet werden, wodurch die Kräfte im Verzahnungskontakt zwischen den Ausgleichsplaneten verringert werden. Die eigentliche Innovation dieser Leichtbaudifferenziale liegt hauptsächlich darin, dass mit Hilfe dieser Stirnraddifferenziale unterschiedliche Verzahnungsvarianten möglich sind.
Des Weiteren sieht das erfindungsgemäße Antriebssystem vor, dass ein Planetenträger des Planetenradgetriebes mit einem Differenzialgehäuse des Differenzialgetriebes fest verbunden ist und die Antriebswelle mit einer Kupplung über ein feststehendes Element sperrbar ist, so dass die Antriebswelle über das feststehende Element gehäusefest gesperrt wird.
Die Vorteile der Erfindung treten besonders stark hervor, wenn das Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug so ausgebildet ist, dass das Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsmotor mit einem nachgeschalteten Getriebe und dem Elektromotor ausgestaltet ist, wobei der Elektromotor dazu vorgesehen ist, elektrische Antriebsleistung zu erzeugen und in Schubphasen kinetische Energie des Fahrzeuges zu rekuperieren, d. h. in elektrische Energie umzuwandeln.
Anhand dieses Antriebssystems, das wahlweise einen Antrieb über den Verbrennungsmotor oder ein rein elektrisches Fahren über den Elektromotor ermöglicht, lassen sich vier unterschiedliche Fahrsituationen ermöglichen, so dass ein multifunktionaler hybrider Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug gegeben ist.
In einer ersten Fahrsituation der Erfindung wird ein Fahrzeug allein über den Verbrennungsmotor, wie bereits oben schon erwähnt, angetrieben, so dass die Kupplung und die Antriebswelle geöffnet sind, um ein Drehmoment des Verbrennungsmotor über die Antriebswelle auf das Tellerrad und dann auf das Hohlrad des Planradgetriebes zu übertragen, wobei in diesem Falle dann aber die schaltbare Kupplungsvorrichtung gesperrt ist. Folgendermaßen wird das Fahrzeug in Sperrrichtung der schaltbaren Kupplungsvorrichtung angetrieben.
Bei einer zweiten Fahrsituation des erfindungsgemäßen Antriebssystems, wie oben ebenfalls schon angeführt, wird das Fahrzeug allein über den Elektromotor entgegen der Sperrrichtung der schaltbaren Kupplungsvorrichtung, d. h. die schaltbare Kupplungsvorrichtung ist geöffnet, angetrieben. Wie in der ersten Fahrsituation müssen auch hier die Kupplung und die Antriebswelle geöffnet sein, so dass das Hohlrad des Planetenradgetriebes auf das Tellerrad und dann auf die Antriebswelle ein Drehmoment des Elektromotors überträgt.
Eine weitere Fahrsituation für einen multifunktionalen hybriden Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug ist dadurch gegeben, wenn der Verbrennungsmotor und der Elektromotor gleichzeitig das Fahrzeug betreiben, so dass dann die Kupplung und die Antriebswelle als auch die schaltbare Kupplungsvorrichtung geöffnet sind. Der Elektromotor kann dann bei einer eingelegten Parksperre als Generator genutzt werden oder auch beim gleichzeitgen Fahren von Verbrennungsmotor und Elektromotor. In diesem Kontext würde dann ein geringerer Anteil der Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Energie umgewandelt werden, d. h. die beim Bremsen frei werdende kinetische Energie kann über den jetzt als Generator wirkenden Elektromotor zum Laden der Batterie verwendet werden, wobei der Lastpunkt des Verbrennungsmotors hingegen angehoben wird.
Bei einer vierten Fahrsituation des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der oben beschriebene Rekuperationsvorang realisiert werden. In diesem Falle ist der Elektromotor lediglich dazu vorgesehen, Bremsenergie in elektrische Leistung zu rekuperieren, wobei dann die schaltbare Kupplungsvorrichtung geöffnet ist, wiederum aber die Kupplung und die Antriebswelle geschlossen sind.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass bei der Erfindung auch andere Betriebsmodi bei einer Ausführungsform als ein Hybridfahrzeug von Relevanz sein können, da weitere für die Erfindung betreibbare Antriebs- bzw. Ansteuermöglichkeiten von Hybrid-Autos im Stand der Technik offenbart sind.
Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figur erläutert werden. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in der Figur dargestellt, die für die Beschreibung der Figur erforderlich sind. Die dargestellte Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel dar, wie das erfindungsgemäße Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet sein kann und stellt keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für mindestens eine Achse 7 eines Kraftfahrzeugs. In der gezeigten Ausprägung umfasst das Antriebssystem 1, einen Antriebsmotor 3, der vorzugsweise einen Verbrennungsmotor mit einem nachgeschalteten Getriebe (nicht dargestellt) vorsieht, einen um die mindestens eine Achse 7 angeordneten Elektromotor 5 und ein Differenzialgetriebe 9. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass bei der Erfindung auch ein Elektromotor als ein Antriebsmotor 3 einsetzbar ist, wobei diesem ein Getriebe nachgeschaltet sein kann. Das Differenzialgetriebe 9 ist vorzugsweise ein Stirnraddifferenzial, da die zwei Sonnen 37 günstig in der Herstellung sind und zudem die zwei Ausgleichsplaneten 39 auf einem größeren Teilkreisdurchmesser angeordnet werden als bei konventionellen Differenzialgetrieben 9.
Erfindungsgemäß ist das Antriebssystem 1 für ein Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor als Antriebsmotor 3, einem nachgeschalteten Getriebe und dem Elektromotor 5 ausgestaltet, so dass sich unterschiedliche Fahrsituationen ermöglichen lassen, die einen multifunktionalen hybriden Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug bilden. Da die einzelnen Fahrsituationen bereits in der Beschreibung aufgeführt sind, werden sie an dieser Stelle nicht noch einmal aufgegriffen.
Ferner ist zwischen dem Elektromotor 5 und dem Differenzialgetriebe 9 ein Planetenradgetriebe 13 angeordnet, so dass ein Sonnenrad 25 des Planetenradgetriebes 13 über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung 23 mit dem Elektromotor 5 verbindbar ist. Vorteilhafterweise ist die schaltbare Kupplungsvorrichtung 23 ein aus dem Stand der Technik bekannter schaltbarer doppelseitig wirkender Freilauf. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass bei der Erfindung auch andere Maschinenelemente einsetzbar sind, da diese ebenso die Funktion eines schaltbaren Freilaufs für das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 erfüllen.
Die Anordnung von Elektromotor 5, Differenzialgetriebe 9 und Planetenradgetriebe 13 ermöglicht, dass ein Hohlrad 31 des Planetenradgetriebes 13 über ein Kegelradgetriebe 15 mit dem Antriebsmotor 3 und/oder dem Elektromotor 5 antreibbar ist. Das heißt, dass das Kegelradgetriebe 15 mit einem Ritzel 19 und einem Tellerrad 17 derart mit einer Antriebswelle 21 mechanisch gekoppelt ist, so dass das Hohlrad 31 über das Tellerrad 17 und das Ritzel 19 die Antriebswelle 21 antreibt bzw. die Drehmomente von Antriebsmotor 3 und/oder dem Elektromotor 5 überträgt. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Antriebswelle 21 als eine Ritzelwelle ausgebildet sein. Ebenso ist eine Steckverzahnung denkbar, so dass die Antriebswelle 21 indirekt an dem Ritzel 19 angebracht ist.
Des Weiteren sieht das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 vor, dass ein Planetenträger 29 des Planetenradgetriebes 13 mit einem Differenzialgehäuse 11 des Differenzialgetriebes 13 fest verbunden ist und die Antriebswelle 21 mit einer Kupplung 33 über ein feststehendes Element 35 sperrbar ist, so dass die Antriebswelle 21 über das feststehende Element 35 gehäusefest gesperrt wird.
Die gegenwärtige Erfindung ist in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden. Dennoch können Änderungen und Abwandlungen der hier vorgeschlagenen Gestaltungen des Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug durchgeführt werden, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
3: Antriebsmotor
5: Elektromotor
7: Achse
9: Differenzialgetriebe
11: Differenzialgehäuse
13: Planetenradgetriebe
15: Kegelradgetriebe
17: Tellerrad
19: Ritzel
21: Antriebswelle
23: schaltbare Kupplungsvorrichtung
25: Sonnenrad
27: Planetenrad
29: Planetenträger
31: Hohlrad
33: Kupplung
35: feststehendes Element
37: Sonne
39: Ausgleichsplanet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007058974 A1 [0004]

Claims

Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsmotor (3), einem um eine Achse (7) angeordneten Elektromotor (5) und einem Differenzialgetriebe (9), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (5) und dem Differenzialgetriebe (9) ein Planetenradgetriebe (13) angeordnet ist, so dass ein Sonnenrad (25) des Planetenradgetriebes (13) über eine schaltbare Kupplungsvorrichtung (23) mit dem Elektromotor (5) verbindbar ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein Hohlrad (31) des Planetenradgetriebes (13) über ein Kegelradgetriebe (15), das mit einer Antriebswelle (21) mechanisch gekoppelt ist, mit dem Antriebsmotor (3) und/oder dem Elektromotor (5) antreibbar ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Planetenträger (29) des Planetenradgetriebes (13) mit einem Differenzialgehäuse (11) des Differenzialgetriebes (9) fest verbunden ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (21) mit einer Kupplung (33) über ein feststehendes Element (35) sperrbar ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Differenzialgetriebe (9) ein Stirnraddifferenzial ist.
Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schaltbare Kupplungsvorrichtung (23) ein Freilauf ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, wobei der Freilauf doppelseitig wirkend ausgebildet ist.