DE102011050232A1 - Antriebsstrang und Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor zum alternativen oder kumulativen Antrieb einer Getriebeeingangswelle und damit des Hybridfahrzeugs. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor eine sperrbare Freilaufeinrichtung mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Freiläufen vorgesehen ist. Hierdurch ist auch ein rein elektromotorisches Fahren bei hohen Geschwindigkeiten möglich.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor zum alternativen oder kumulativen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen Antriebsstrang ausgestattetes Hybridfahrzeug.
  • Aus der DE 10 2006 030 040 A1 ist ein gattungsgemäßer Antriebsstrang bekannt, bei welchem zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor und zwischen dem Elektromotor und einem Abtrieb jeweils eine Schaltelementeinrichtung mit stufenlos variierbarer Übertragungsfähigkeit vorgesehen ist. Die Schaltelementeinrichtung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor weist ein hydraulisches Koppelelement mit drehzahlabhängiger Kennung und ein reibschlüssiges Schaltelement auf, das in einem parallel zum hydraulischen Koppelelement verlaufenden Leistungszweig angeordnet ist. Das reibschlüssige Schaltelement ist dabei hinsichtlich dessen Übertragungsfähigkeit stufenlos einstellbar und mittels dem hydraulischen Koppelelement überbrückbar. Hierdurch soll ein Hybridfahrzeug realisiert werden, dessen Antriebsstrang in allen Betriebssituationen mit möglichst geringen Belastungen der Schaltelementeinrichtungen betrieben werden kann.
  • Aus der DE 10 2007 050 822 A1 ist ein weiterer Antriebsstrang mit einem eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor umfassenden Hybridantrieb bekannt, wobei zwischen dem Hybridantrieb und einem Abtrieb ein Getriebe angeordnet ist. Zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor ist zusätzlich eine Kupplung vorgesehen. Darüber hinaus umfasst der bekannte Antriebsstrang ein mindestens zwei Gänge aufweisendes Hilfsgetriebe, das zwischen der Brennkraftmaschine und zwischen der Kupplung positioniert ist, wobei mit Hilfe des Hilfsgetriebes beim Starten der Brennkraftmaschine über den Elektromotor ein Startmoment der Brennkraftmaschine reduziert werden kann.
  • Moderne Hybridfahrzeuge sollen zunehmend auch ein rein elektromotorisches Fahren in hohen Geschwindigkeitsbereichen ermöglichen, wobei die Drehzahl des Elektromotors in derartigen hohen Geschwindigkeitsbereichen üblicherweise deutlich größer ist, als eine für diese Geschwindigkeit erforderliche und vergleichbare Drehzahl der Brennkraftmaschine. Aus diesem Grund ergibt sich beim rein elektromotorischen Fahren in hohen Geschwindigkeitsbereichen das Problem, dass zwischen dem Elektromotor und der stillstehenden Brennkraftmaschine eine hohe Drehzahldifferenz auftritt, die über entsprechende Freiläufe kompensiert werden muss. Je höher die dabei zu kompensierende Drehzahldifferenz ist, umso größer bzw. stabiler muss jedoch der Freilauf ausgelegt werden, wodurch dieser wiederum konstruktiv aufwändig und teuer wird.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Antriebsstrang der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die vom Freilauf zu kompensierende Drehzahldifferenz reduziert und dadurch diesen kostengünstiger macht.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor zum alternativen oder kumulativen Antrieb einer Getriebeeingangswelle, nicht wie bisher lediglich einen Freilauf vorzusehen, sondern erfindungsgemäß zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor eine sperrbare Freilaufeinrichtung mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Freiläufen, wodurch die einzelnen Freiläufe der Freilaufeinrichtung jeweils für sich genommen deutlich geringere Drehzahldifferenzen kompensieren müssen. Bei einer gesamten Drehzahldifferenz von beispielsweise 5000 Umdrehungen je Minute müssen von der erfindungsgemäßen Freilaufeinrichtung beispielsweise am ersten Freilauf 2500 Umdrehungen je Minute und am zweiten Freilauf ebenfalls 2500 Umdrehungen je Minute kompensiert werden, wodurch die einzelnen Freiläufe der Freilaufeinrichtung konstruktiv einfacher und dadurch kostengünstiger ausgebildet werden können, als ein einziger Freilauf der die gesamte Drehzahldifferenz von 5000 Umdrehungen je Minute kompensieren müsste. Selbstverständlich kann dabei die sperrbare Freilaufeinrichtung nicht nur zwei, sondern auch mehr einzelne und insbesondere individuell sperrbare Freiläufe aufweisen, wodurch die von einem jeweiligen Freilauf zu kompensierende Drehzahldifferenz weiter reduziert werden könnte. Mit der erfindungsgemäßen Freilaufeinrichtung sinkt somit die Belastung für den einzelnen Freilauf deutlich ab, wodurch vor allem höhere Drehzahldifferenzen aufgenommen und kompensiert werden können und an zweiter Stelle auch die einzelnen Freiläufe auch kostengünstiger ausgebildet werden können, da diese jeweils mit lediglich einem Teil der gesamten Drehzahldifferenz rotieren müssen.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Brennkraftmaschine über die Freilaufeinrichtung und den Elektromotor mit der Getriebeeingangswelle verbunden. Bei einem rein verbrennungsmotorischen Antrieb treibt somit die Brennkraftmaschine die Getriebeeingangswelle über den Elektromotor an, der in diesem Fall als Generator wirkt. Hierbei ist die Freilaufeinrichtung gesperrt und das Drehmoment der Brennkraftmaschine wird über den Rotor des Elektromotors auf die Getriebeeingangswelle übertragen. Je nach Betriebszustand kann somit ein (im Fahrzeug mitgeführter) elektrischer Energiespeicher über den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor aufgeladen werden, wobei bei steigenden Leistungsanforderungen der Elektromotor zusätzlich als Antriebseinrichtung genutzt werden kann und dann über seinen Rotor ein Antriebsdrehmoment auf die Getriebeeingangswelle überträgt. Beim rein elektromotorischen Fahren hingegen ist die Freilaufeinrichtung nicht gesperrt, das heißt geöffnet, so dass die Brennkraftmaschine beispielsweise stillstehen kann und die Antriebsleistung an der Getriebeeingangswelle ausschließlich vom Elektromotor übertragen wird. Durch die erfindungsgemäße Freilaufeinrichtung ist es dabei möglich, selbst hohe Geschwindigkeiten von beispielsweise 200 km/h im rein elektromotorischen Antriebsmodus zu realisieren, wobei bei diesen hohen Geschwindigkeiten die Drehzahl des Elektromotors mehrere 1000 Umdrehungen je Minute, beispielsweise bis zu 5000 Umdrehungen je Minute aufweisen kann. Über die mehrstufige Freilaufeinrichtung mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Freiläufen kann die dabei auftretende Drehzahldifferenz zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektromotor problemlos aufgenommen werden, da die einzelnen Freiläufe jeweils lediglich einen Teil der Gesamtdrehzahldifferenz zwischen dem Elektromotor und der Brennkraftmaschine kompensieren müssen.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch:
  • 1 einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang eines im Übrigen nicht gezeigten Hybridfahrzeugs,
  • 2 eine erste mögliche Ausführungsform einer Freilaufeinrichtung,
  • 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform.
  • Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Hybridfahrzeugs eine Brennkraftmaschine 2 sowie einen Elektromotor 3 zum alternativen oder kumulativen Antrieb einer Getriebeeingangswelle 4 und damit des Hybridfahrzeugs auf. Der Elektromotor 3 bzw. dessen Rotor 6 ist dabei drehfest mit der Getriebeeingangswelle 4 verbunden. Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Elektromotor 3, das heißt genauer gesagt zwischen einer Motorausgangswelle 5 der Brennkraftmaschine 2 und einem Rotor 6 des Elektromotors 3 ist erfindungsgemäß eine sperrbare Freilaufeinrichtung 7 mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Freiläufen 8 und 9 vorgesehen. Die erfindungsgemäße Freilaufeinrichtung 7 besitzt dabei einen ersten Freilauf 8, der eingangsseitig mit der Brennkraftmaschine 2 bzw. der Motorausgangswelle 5 der Brennkraftmaschine 2 und ausgangsseitig mit einem Zwischenelement 10 verbunden ist. Der zweite Freilauf 9 der Freilaufeinrichtung 7 ist eingangsseitig mit dem Zwischenelement 10 und ausgangsseitig mit dem Rotor 6 des Elektromotors 3 verbunden.
  • Mit der erfindungsgemäßen mehrstufigen Freilaufeinrichtung 7 ist auch ein rein elektromotorisches Fahren in hohen Geschwindigkeitsbereichen, beispielsweise bei ca. 200 km/h möglich, wobei die dabei zwischen dem Elektromotor 3 und der Brennkraftmaschine 2 auftretenden Drehzahldifferenzen über die Freilaufeinrichtung 7 einfach kompensiert werden können, da jeder Freilauf 8, 9 der Freilaufeinrichtung 7 lediglich einen Teil der Gesamtdrehzahldifferenz aufnehmen muss. Besteht somit in den hohen Geschwindigkeitsbereichen beispielsweise eine Gesamtdrehzahldifferenz von 5000 Umdrehungen je Minute zwischen dem Elektromotor 3 und der beispielsweise stillstehenden Brennkraftmaschine 2, so können von beiden Freiläufen 8, 9 jeweils beispielsweise 2500 Umdrehungen je Minute übernommen werden, was im Vergleich zu bisherigen einstufigen Freiläufen einen deutlichen Vorteil bietet.
  • Denkbar ist selbstverständlich, dass die einzelnen Freiläufe 8, 9 separat sperrbar ausgebildet sein können und wie dies beispielsweise gemäß der 2 dargestellt ist, koaxial zueinander angeordnet sind. Es kann eine besonders kompakte Bauform mit geringer radialer Ausdehnung erreicht werden, indem die Freiläufe 8, 9 axial versetzt zueinander angeordnet sind. Betrachtet man dazu im Vergleich die 3, so kann man erkennen, dass in diesem Fall das Zwischenelement 10 am ersten Freilauf 8 eine Außenschale und am zweiten Freilauf 9 eine Innenschale bildet, wodurch die einzelnen Freiläufe 8, 9 axial versetzt zueinander angeordnet werden können. Selbstverständlich ist dabei die Anzahl der gezeigten Freiläufe 8, 9 nicht auf zwei begrenzt, sondern es sind auch Freilaufeinrichtungen 7 mit mehr als zwei Freiläufen 8, 9 denkbar, die dann beispielsweise entsprechend der 2 oder der 3 oder entsprechend einer anderen Anordnung zueinander angeordnet werden können.
  • Durch die Reihenschaltung der einzelnen Freiläufe 8, 9 kann eine gesamte Drehzahldifferenz zwischen dem Elektromotor 3 und der Brennkraftmaschine 2 auf einzelne Freiläufe 8, 9 aufgeteilt und dadurch reduziert werden. Das Zwischenelement 10 rotiert dabei mit einem Teil der Drehzahl mit, wodurch die Belastung für die einzelnen Freiläufe 8, 9 absinkt und höhere Drehzahldifferenzen realisiert bzw. kompensiert werden können.
  • Der Antriebsstrang 1 funktioniert dabei prinzipiell wie folgt:
    Bei einem rein verbrennungsmotorischen Antrieb treibt die Brennkraftmaschine 2 über die Motorausgangswelle 5 und die gesperrte Freilaufeinrichtung 7 sowohl den Rotor 6 als auch die Getriebeeingangswelle 4 und damit das Hybridfahrzeug an. In diesem Zustand kann sich der Elektromotor 3 in einem Generatorbetrieb befinden und beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher aufladen. Bei höherer Leistungsanforderung ist auch denkbar, dass sowohl die Brennkraftmaschine 2 als auch der Elektromotor 3 kumulativ ein Antriebsdrehmoment auf die Getriebeeingangswelle 4 übertragen. Soll nun ein rein elektromotorisches Fahren realisiert werden, so wird die Freilaufeinrichtung 7 geöffnet, wodurch die Brennkraftmaschine 2 im günstigsten Fall stillgelegt werden und das Antriebsmoment an der Getriebeeingangswelle 4 ausschließlich vom Elektromotor 3 aufgebracht wird. In diesem Zustand wird die zwischen dem Rotor 6 und der dann stillstehenden Motorausgangswelle 5 auftretende Gesamtdrehzahldifferenz über die Freilaufeinrichtung 7 aufgenommen. Durch die zumindest zwei Freiläufe 8, 9 in der Freilaufeinrichtung 7 ist dies selbst bei hohen Gesamtdrehzahldifferenzen problemlos möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006030040 A1 [0002]
    • DE 102007050822 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Antriebsstrang (1) eines Hybridfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine (2) und einem Elektromotor (3) zum alternativen oder kumulativen Antrieb einer Getriebeeingangswelle (4) und damit des Hybridfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkraftmaschine (2) und dem Elektromotor (3) eine sperrbare Freilaufeinrichtung (7) mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Freiläufen (8, 9) vorgesehen ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (6) des Elektromotor (3) drehfest mit der Getriebeeingangswelle (4) verbunden ist.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorausgangswelle (5) der Brennkraftmaschine (2) über die Freilaufeinrichtung (7) und den Rotor (6) des Elektromotors (3) mit der Getriebeeingangswelle (4) verbunden ist.
  4. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinrichtung (7) zwei in Reihe geschaltete Freiläufe (8, 9) aufweist, wobei ein erster Freilauf (8) eingangsseitig mit der Brennkraftmaschine (5) und ausgangsseitig mit einem Zwischenelement (10) und ein zweiter Freilauf (9) eingangsseitig mit dem Zwischenelement (10) und ausgangsseitig mit dem Elektromotor (3) verbunden sind.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem ersten und zweitem Freilauf (8, 9) das Zwischenelement (10) ca. die halbe Drehzahl des Elektromotors (3) aufweist.
  6. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Freiläufe (8, 9) separat sperrbar ausgebildet sind.
  7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Freiläufe (8, 9) koaxial zueinander angeordnet sind.
  8. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Freiläufe (8, 9) axial versetzt zueinander angeordnet sind.
  9. Hybridfahrzeug mit einem Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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