DE102018214793A1 - Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend- eine elektrische Maschine (10),- eine erste Eingangswelle (1), die mittels einer Hauptkupplung (60) mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,- eine mit dem Rotor (12) verbundene, zweite Eingangswelle (2),- eine oder mehrere mit einer Ausgangswelle (4) verbundenen Triebwellen (3; 3a, 3b), die mittels einer Mehrzahl von schaltbaren Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar sind,- einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz (100) mit einer mit dem Rotor (12) verbundenen Sonne (110), einem Hohlrad (120) und einem mit der ersten Eingangswelle (1) verbundenen Steg (130), wobei- mittels einer ersten Schaltkupplung (61) eine erste (31) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) schaltbar ist,- mittels einer zweiten Schaltkupplung (62) das Losrad (322) einer zweiten (32) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist,- mittels einer dritten Schaltkupplung (63) das Losrad (332) einer dritten der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist,- mittels einer vierten Schaltkupplung (64) das Losrad (322) der zweiten Gang-Stirnradstufe (32) oder das Losrad (322') einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe (32') mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist,- mittels einer fünften Schaltkupplung (65) das Losrad (332) der dritten Gang-Stirnradstufe (33) mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist und- mittels einer sechsten Schaltkupplung (66) der Steg (130) mit der Sonne (110) koppelbar ist.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug.
- Zur Emissionsreduzierung von Fahrzeugen kommen verstärkt Hybridantriebskonzepte zum Einsatz. Diese sind allerdings aufgrund ihrer Komplexität meist entweder sehr kostenintensiv oder wenig effizient. Mit sogenannten DHT-Getrieben (Dedicated Hybrid Transmission) versucht man, die Möglichkeiten einer Kombination aus Verbrennungsmotor und elektrischer Traktionsmaschine optimal auszunutzen, anstatt herkömmliche, für rein verbrennungsmotorischen Betrieb ausgelegte Antriebsstränge durch eine oder mehrere elektrische Maschinen und deren Ankopplung zu erweitern.
- Bei der Umsetzung werden unterschiedliche Konzepte verfolgt, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2013 211 975 A1 , derDE 10 2013 223 462 A1 oder derDE 10 2014 214 147 A1 offenbart sind. Nachteilig bei diesen genannten Konzepten ist, dass sie entweder eine vergleichsweise niedrige Anzahl an Betriebsmodi aufweisen oder eine hohe Anzahl an Schaltelementen und großen Bauraum benötigen. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Konzept für einen DHT-Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, bei dem mehrere feste verbrennungsmotorische Gänge, mehrere feste elektrische Gänge sowie mehrere variable Fahrbereiche bei geringem Bauraumbedarf und geringer Komplexität realisiert werden.
- Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung gem. Anspruch 1 gelöst, d.h. eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend
- - eine elektrische Maschine mit einem festen Stator und einem drehbar dazu gelagerten Rotor,
- - eine drehbar gelagerte, erste Eingangswelle, die mittels einer Hauptkupplung mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,
- - eine drehbar gelagerte, mit dem Rotor verbundene, zweite Eingangswelle,
- - eine oder mehrere drehbar in dem Gehäuse gelagerte, mit einer Ausgangswelle verbundenen Triebwellen, die mittels einer Mehrzahl von als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildeten, schaltbaren Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar sind,
- - einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer mit dem Rotor verbundenen Sonne, einem Hohlrad und einem mit der ersten Eingangswelle verbundenen Steg, auf welch letzterem ein Satz Planetenräder, die einerseits mit der Sonne und andererseits mit dem Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind,
- - mittels einer ersten Schaltkupplung eine erste der Gang-Stirnradstufen schaltbar ist,
- - mittels einer zweiten Schaltkupplung das Losrad einer zweiten der Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist,
- - mittels einer dritten Schaltkupplung das Losrad einer dritten der Gang-Stirnradstufen mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist,
- - mittels einer vierten Schaltkupplung das Losrad der zweiten Gang-Stirnradstufe oder das Losrad einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe mit dem Hohlrad koppelbar ist,
- - mittels einer fünften Schaltkupplung das Losrad der dritten Gang-Stirnradstufe mit dem Hohlrad koppelbar ist und
- - mittels einer sechsten Schaltkupplung der Steg mit der Sonne koppelbar ist.
- Wie für Hybridantriebe definitionsgemäß erforderlich, sind eine Verbrennungsmaschine und eine elektrische Maschine vorgesehen. Anders als bei anderen Konzepten kommt die vorliegende Erfindung mit einer einzigen elektrischen Maschine aus. Jedem dieser beiden Antriebsaggregate ist eine eigene Eingangswelle zugeordnet. Die hier als erste Eingangswelle bezeichnete Eingangswelle ist über eine Hauptkupplung mit der Verbrennungskraftmaschine koppelbar. Sie soll daher auch als verbrennungsmotorische Eingangswelle bezeichnet werden. Die hier als zweite Eingangswelle bezeichnete Eingangswelle ist mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden und soll daher auch als elektromotorische Eingangswelle bezeichnet werden. Die Verbindung des Rotors mit der zweiten Eingangswelle kann direkt, über eine feste Stirnradstufe oder über einen (weiteren) Planetensatz erfolgen.
- Die verbrennungsmotorische Eingangswelle ist über schaltbare Gang-Stirnradstufen mit einer oder mehreren Triebwellen verbunden, die ihrerseits, z.B. über je eine feste Stirnradstufe, mit der Ausgangswelle verbunden ist bzw. sind, wobei die Ausgangswelle typischerweise mit dem Eingangskorb eines Differenzials verbunden ist. Die Gang-Stirnradstufen sind als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildet, wobei in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung unterschiedliche Verteilungen von Los- und Festrädern auf Eingangs- und Triebwellen realisiert sind.
- Ein Kernstück des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs bildet ein als Plus-Getriebe ausgebildeter Planetensatz, der in üblicher Weise mit Sonne, Hohlrad und Steg ausgebildet sein kann. Sein Steg ist mit der ersten Eingangswelle, d.h. der verbrennungsmotorischen Eingangswelle verbunden. Seine Sonne ist mit der zweiten Eingangswelle, d.h. der elektromotorischen Eingangswelle verbunden. Das bedeutet, dass beide Eingangswellen durch Verblockung des Planetensatzes, wie weiter unten noch näher beschrieben, direkt miteinander gekoppelt werden können.
- Weiter sind sechs Schaltkupplungen vorgesehen, mit welchen die Gang-Stirnradstufen schaltbar sind, d.h. mittels derer das jeweilige Losrad mit der es tragenden Welle und/oder dem Hohlrad des Planetensatzes koppelbar ist. Die erfindungswesentliche, spezielle Anordnung dieser Schaltkupplungen entspricht der obigen Auflistung. Man beachte, dass der Begriff der Schaltkupplung in diesem Zusammenhang rein funktional zu verstehen ist. Insbesondere darf der Begriff hier nicht einschränkend als separate Baueinheit ausgelegt werden. Wie weiter unten noch näher erläutert werden soll, sind Ausführungsformen denkbar und bevorzugt, bei denen mehrere (funktionale) Schaltkupplungen zu einem Modul zusammengefasst sind. Durch geschickte Zusammenfassung von (funktionalen) Schaltkupplungen insbesondere zu (konstruktiven) Doppelkupplungseinheiten mit einem zweiseitig wirksamen, axial verschieblichen, vorzugsweise formschlüssigen Schiebeelement, kann eine erhebliche Teile- und Bauraumeinsparung erzielt werden.
- Die erfindungsgemäße Gestaltung realisiert im Wesentlichen ein einfaches Dreigang-Getriebe, wobei die Übersetzungslücke zwischen je zwei der drei verbrennungsmotorischen Festgänge, in denen die Antriebsübersetzung von der jeweils aktvierten Gang-Stirnradstufe bestimmt wird, durch einen Modus mit variabler Übersetzung überbrückt wird. In diesen beiden variablen Modi wird das Moment der Verbrennungskraftmaschine über den Steg (direkt) in den Planetensatz ein- und über das Hohlrad aus ihm ausgeleitet, wobei die im Planetensatz realisierte Übersetzung durch die Rotation der Sonne mittels der elektrischen Maschine bestimmt wird. Auf diese Weise lassen sich alle Gangwechsel durch Schaltungsvorgänge in relativrotationsfreien Zuständen der betroffenen Schaltkupplungen durchführen. Letztere können deshalb als formschlüssige Kupplungen, insbesondere als einfache Klauenkupplungen, insbesondere ohne mechanische Synchronisationseinrichtungen, ausgestaltet werden. Solche Klauenkupplungen sind mechanisch besonders einfach, robust, platzsparend und kostengünstig. Analoges gilt im Übrigen auch für die Hauptkupplung.
- Weitere Modi, insbesondere drei rein elektrische Betriebsmodi mit denselben drei Festgang-Übersetzungen, die sich von korrespondierenden Hybrid-Modi allein durch den geöffneten Zustand der Hauptkupplung unterscheiden, sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls realisierbar. Die rein verbrennungsmotorischen Modi unterscheiden sich von besagten Hybrid-Modi jeweils nur in der Schaltstellung einer einzigen Schaltkupplung.
- Auch die Ansteuerung der Haupt- und Schaltkupplungen vereinfacht sich durch die Erfindung erheblich: So sind mit Vorteil Systeme realisierbar, bei denen die Hauptkupplung mittels eines ersten Aktors betätigbar ist und sämtliche Schaltkupplungen über eine gemeinsame Schaltwalze mittels eines zweiten Aktors betätigbar sind. Haupt- und Schaltkupplungen müssen unabhängig voneinander schaltbar sein; für die Schaltkupplungen lässt sich ein optimales Schaltverfahren entwerfen, bei dem sämtliche Modi dadurch erreicht werden können, dass bei jedem Übergang nur eine einzige Schaltkupplung betätigt wird. Ein solches Schaltverfahren lässt sich ohne weiteres auf einer einzelnen Schaltwalze realisieren. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Ansteuerungsvarianten denkbar bis hin zu einer individuellen Aktorik für jede funktionale Schaltkupplung, was derzeit jedoch als weitgehend unwirtschaftlich angesehen wird.
- Zum Zwecke der weiteren Erläuterung sei angenommen, dass die erste Gang-Stirnradstufe für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die zweite Gang-Stirnradstufe und die zweite Gang-Stirnradstufe für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die dritte Gang-Stirnradstufe. Mit anderen Worten entspricht die erste Gang-Stirnradstufe einem ersten (Fest-) Gang, die zweite Gang-Stirnradstufe einem zweiten (Fest-) Gang und die dritte Gang-Stirnradstufe einem dritten (Fest-) Gang.
- Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Losräder aller Stirnradstufen auf der ersten Eingangswelle zu lagern. Sämtliche Losräder hier anzuordnen hat den Vorteil, dass auch die zugeordneten Schaltkupplungen in enger Nachbarschaft zueinander positioniert sind, sodass die oben bereits erwähnte Zusammenfassung mehrerer Schaltkupplungen zu komplexeren Baueinheiten erleichtert wird.
- Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Losrad wenigstens einer der Gang-Stirnradstufen auf der ersten Eingangswelle und das Losrad wenigstens einer anderen der Gang-Stirnradstufen auf einer Triebwelle gelagert ist. Eine solche Auslagerung auf die Triebwelle bietet sich insbesondere in Fällen an, in denen eine funktionale Schaltkupplung nicht mit einer anderen funktionalen Schaltkupplung zu einer konstruktiven Baueinheit zusammengefasst werden soll. Eine solche Ausführungsform soll weiter unten beschrieben werden.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Gang-Stirnradstufe verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes und die dritte Gang-Stirnradstufe elektromaschinenseitig des Planetensatzes angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist besonders bauraumgünstig und gewichtssparend, da sie mit nur genau drei Gang-Stirnradstufen auskommt.
- So sind bei einer solchen Ausführungsform mit beidseitig des Planetensatzes verteilter Anordnung der Gang-Stirnradstufen bevorzugt auch tatsächlich genau drei Gang-Stirnradstufen vorgesehen, wobei insbesondere mittels der ersten Schaltkupplung das Losrad der ersten Gang-Stirnradstufe mit der ersten Eingangswelle koppelbar ist. Dies stellt die kompakteste Gestaltung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung dar. Hier lassen sich zum einen die erste und die zweite Schaltkupplung - verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes - und zum anderen die dritte und die sechste Schaltkupplung - elektromaschinenseitig des Planetensatzes - zu je einer Doppelkupplungseinheit zusammenfassen. Tatsächlich sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die erste und die zweite Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die dritte und die sechste Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
- Die Zusammenfassung zweier (funktionaler) Schaltkupplungen zu einer (konstruktiven) Doppelkupplungseinheit bedeutet im Kontext der vorliegenden Beschreibung, dass mit einer solchen Doppelkupplungseinheit genau drei Kopplungszustände einstellbar sind, nämlich ein erster Kopplungszustand, in dem die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet und die andere geschlossen ist, ein zweiter Kopplungszustand, in dem umgekehrt die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geschlossen und die andere geöffnet ist, und ein dritter Kopplungszustand, in dem beide der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet sind. Dies lässt sich beispielsweise durch ein zweiseitig wirksames, axial verschiebliches Kupplungselement realisieren, welches zwischen zwei korrespondierenden Kupplungspartnern angeordnet ist und je nach Axialstellung entweder das eine, das andere oder keines der Partnerelemente - bevorzugt formschlüssig - momentenübertragend kontaktiert.
- Alternativ kann vorgesehen sein, dass alle Gang-Stirnradstufen verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes angeordnet sind. Funktional ist diese Variante gleichwertig mit der zuvor genannten, besonders bevorzugten Ausführungsform. Allerdings benötigt sie eine zusätzliche Gang-Stirnradstufe, die hier als weitere Gang-Stirnradstufe bezeichnet wird und im Grunde eine Verdopplung der zweiten Gangstirnradstufe darstellt, mit der sie übersetzungsgleich ist. Bei verbrennungsmaschinenseitiger Anordnung aller, d.h. auch der dritten Gangs-Stirnradstufe ist das Losrad der nun zwischen der ersten und der dritten Gang-Stirnradstufe angeordneten, zweiten Gang-Stirnradstufe nicht mehr für eine Kopplung mit dem Hohlrad zugänglich. Hierfür muss also eigens die weitere Gang-Stirnradstufe zur Verfügung gestellt werden, die sich ansonsten allerdings nicht von der zweiten Gang-Stirnradstufe unterscheidet. Bei einer solchen Gestaltung sind bevorzugt die erste und die zweite Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
- Wie erläutert, ist mit der zusätzlichen Gang-Stirnradstufe ein Zuwachs an axialem Bauraumbedarf verbunden. Um einem solchen Zuwachs an axialem Bauraumbedarf entgegenzuwirken, kann eine zweite Triebwelle Einsatz finden. Mit anderen Worten ist bei einer solchen Ausführungsform vorgesehen, dass zwei parallele Triebwellen mit der Ausgangswelle verbunden sind, deren erste über die erste Gang-Stirnradstufe und deren zweite über die zweite, die dritte und die weitere Gang-Stirnradstufe mit der ersten Eingangswelle koppelbar sind. Das Losrad der die erste Eingangswelle mit der ersten Triebwelle koppelnden, ersten Gang-Stirnradstufe ist bevorzugt auf besagter erster Triebwelle gelagert. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass mittels der ersten Schaltkupplung das Losrad der ersten Gang-Stirnradstufe mit der ihm zugeordneten Triebwelle koppelbar ist. Hierdurch kann der axiale Bauraumbedarf wieder verringert werden. Bei einer solchen Ausführungsform sind bevorzugt die zweite und die dritte Schaltkupplung zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, -
2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, -
3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, - Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
-
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die Topologie einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Diese umfasst eine erste Eingangswelle1 , die über eine Hauptkupplung60 mit der Kurbelwelle einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist. Die erste Eingangswelle1 soll hier auch als verbrennungsmotorische Eingangswelle1 bezeichnet werden. - Verbrennungsmaschinenseitig der Hauptkupplung
60 kann zum unabhängigen Start der Verbrennungskraftmaschine bzw. zur Ausübung der Funktion einer herkömmlichen Lichtmaschine eine Starter/Generator-Einheit70 angekoppelt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Ankopplung über eine Stirnradstufe. Alternativ und sogar bevorzugt ist eine koaxiale Starter/Generator-Einheit einsetzbar. - Weiter umfasst die dargestellte Antriebsanordnung eine zweite Eingangswelle
2 , die über eine feste Stirnradstufe20 mit dem Rotor12 einer elektrischen Maschine10 verbunden ist, deren Stator11 fest in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet ist. Die zweite Eingangswelle2 soll hier auch als elektromotorische Eingangswelle2 bezeichnet werden. Anstatt über die feste Stirnradstufe20 kann die Anbindung der elektrischen Maschine10 beispielsweise über einen Planetensatz erfolgen. - Die Eingangswelle
1 ist bei der dargestellten Ausführungsform über drei schaltbare Gang-Stirnradstufen, nämlich eine erste Gang-Stirnradstufe31 , eine zweite Gang-Stirnradstufe32 und eine dritte Gang-Stirnradstufe33 mit einer Triebwelle3 gekoppelt, die ihrerseits über eine weitere feste Stirnradstufe40 mit der Ausgangswelle4 verbunden ist. Die Ausgangswelle4 führt zu einem Differenzial50 , über welches die Antriebsmomente der Verbrennungskraftmaschine und/oder der elektrischen Maschine10 auf nicht dargestellte, angetriebene Räder übertragbar sind. - Die Gang-Stirnradstufen
31 ,32 ,33 umfassen jeweils ein Festrad311 ,321 bzw.331 und ein Losrad312 ,322 bzw.332 , wobei jedes Festrad311 ,321 ,331 drehfest mit der es tragenden Triebwelle3 verbunden und jedes Losrad312 ,322 ,332 drehbar auf der es tragenden, ersten Eingangswelle1 gelagert und über nachfolgend näher zu erläuternde Schaltkupplungen mit dieser und/oder mit Elementen eines Planetensatzes100 koppelbar ist. - Der Planetensatz
100 ist als ein Plus-Getriebe ausgebildet. Er umfasst eine Sonne110 , ein Hohlrad120 und einen Steg130 , auf dem ein Satz Planetenräder131 gelagert ist. Zur Erzielung der Plus-Wirkung umfasst besagter Satz Planetenräder131 zwei Teilsätze, deren erster einerseits mit der Sonne110 und andererseits mit den Planeten des zweiten Teilsatzes kämmt, und deren zweiter einerseits mit den Planeten des ersten Teilsatzes und andererseits mit dem Hohlrad120 kämmt. Der Steg130 ist fest mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle1 verbunden, die sich beiderseits von ihm erstreckt. Die Sonne110 ist fest mit der elektromotorischen Eingangswelle2 verbunden. Das Hohlrad120 weist keine Festverbindung mit einer der Eingangswellen1 ,2 auf, sondern ist, wie nachfolgend zu erläutern, mit den Losrädern unterschiedlicher Gang-Stirnradstufen und/oder mit dem Steg130 koppelbar. Der Steg130 seinerseits ist alternativ entweder mit dem Hohlrad120 oder mit der Sonne110 koppelbar. - Neben der bereits erwähnten Hauptkupplung
60 weist die dargestellte Antriebsanordnung sechs funktionale Schaltkupplungen auf, nämlich eine erste Schaltkupplung61 , eine zweite Schaltkupplung62 , eine dritte Schaltkupplung63 , eine vierte Schaltkupplung64 , eine fünfte Schaltkupplung65 und eine sechste Schaltkupplung66 . Die erste und zweite Schaltkupplung61 ,62 sind dabei ebenso wie die dritte und sechste Schaltkupplung63 ,66 zu je einer Doppelkupplungseinheit zusammengefasst, mit der genau drei Schaltzustände realisierbar sind, nämlich zwei Schaltzustände mit je einer geschlossenen und einer geöffneten sowie ein Schaltzustand mit zwei geöffneten Schaltkupplungen. Ein gleichzeitiges Schließen beider zusammengefasster Schaltkupplungen61 ,62 bzw.63 ,66 ist nicht vorgesehen. - Die erste und zweite Gang-Stirnradstufe
31 ,32 sind verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes100 angeordnet. die dritte Gang-Stirnradstufe ist elektromaschinenseitig des Planetensatzes100 angeordnet. Die erste Schaltkupplung61 koppelt das Losrad312 der ersten Gang-Stirnradstufe31 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle1 . Die zweite Schaltkupplung62 koppelt das Losrad322 der zweiten Gang-Stirnradstufe32 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle1 . Die dritte Schaltkupplung63 koppelt das Losrad332 der dritten Gang-Stirnradstufe33 mit der verbrennungsmotorischen Eingangswelle1 . Die vierte Schaltkupplung64 koppelt das Losrad322 der zweiten Gang-Stirnradstufe32 mit dem Hohlrad120 . Die fünfte Schaltkupplung65 koppelt das Losrad332 der dritten Gang-Stirnradstufe33 mit dem Hohlrad120 . Die sechste Schaltkupplung66 koppelt den Steg130 des Planetensatzes100 mit dessen Sonne, sodass ein Schließen der sechsten Kupplung zu einer Verblockung des Planetensatzes100 , d.h. zu dessen Umlauf ohne innere Relativrotationen, führt. Zugleich werden durch das Schließen der sechsten Kupplung66 die beiden Eingangswellen1 ,2 drehfest miteinander verbunden. - Die nachfolgende Tabelle zeigt die wesentlichen Betriebsmodi, die mit den in der Tabelle dargestellten Schaltungskonfigurationen der Hauptkupplung
60 und der Schaltkupplungen61 bis66 realisierbar sind. Dabei bedeutet x bzw. X: geschlossene Schaltkupplung, o bzw. O: geöffnete Schaltkupplung. Großbuchstaben zeigen dabei einen im Rahmen eines optimalen Schaltablaufs aktuell vorzunehmenden Schaltvorgang; Kleinbuchstaben zeigen einen im Rahmen eines optimalen Schaltablaufs bestehenbleibenden Schaltzustand an.Modus \ Schaltkupplung 60 61 62 63 64 65 66 Standladen x ο ο ο o ο x Neutral O o ο ο ο ο x E 1 ο X ο ο ο ο x HYB 1 X x ο ο ο ο x VM 1 x x ο ο ο ο O Temp 1 x x ο ο X ο ο Vari 1 x O ο ο x ο ο HYB 2 x o X o x ο ο E 2 O o x o x ο ο HYB 2 X ο x o x ο ο VM 2 x ο x ο O ο ο Temp 2 x ο x ο ο X o Vari 2 x ο O ο ο x o HYB 3 x ο ο X o x o E 3 O ο ο x o x o HYB 3 X ο ο x o x o VM 3 x ο ο x ο O ο - Der Zustand „Standladen“ wird genutzt, wenn bei stehendem Fahrzeug die elektrische Maschine
10 rein generatorisch zum Aufladen der über eine Leistungselektronik mit der elektrischen Maschine10 verbundenen, in1 nicht dargestellten Batterien genutzt wird, wobei die hierfür erforderliche Leistung aus der Verbrennungskraftmaschine entnommen wird. Hierbei sind die Hauptkupplung60 und die sechste Schaltkupplung66 geschlossen. Die geschlossene sechste Schaltkupplung66 bedeutet eine Kopplung zwischen der Sonne110 und dem Steg130 , d.h. eine Verblockung des Planetensatzes100 , der dadurch ohne innere Relativdrehung als Block umläuft. Dieser Umlauf erfolgt aufgrund der geschlossenen Hauptkupplung60 mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine. Über die feste Stirnradstufe20 rotiert der Rotor12 mit entsprechend übersetzter Drehzahl. - Zum Übergang in einen Neutralmodus muss nur die Hauptkupplung
60 geöffnet werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann danach abgeschaltet werden oder weiterlaufen. - Um aus dem Neutralmodus in einen ersten elektrischen Modus
E1 zu gelangen, muss die erste Schaltkupplung61 geschlossen werden. Bei stehender elektrischer Maschine erfolgt dies ohne Relativdrehungen innerhalb der ersten Schaltkupplung61 . Beim Fahren rotieren beide Eingangswellen1 ,2 mit der Drehzahl der elektrischen Maschine10 . Das Moment wird über die erste Gang-Stirnradstufe31 an die Triebwelle3 geleitet. - Zum Übergang in einen ersten hybriden Modus HYB
1 muss lediglich die Hauptkupplung60 geschlossen werden. Dies kann mit einem Anschleppen der Verbrennungskraftmaschine verbunden sein. Diese kann jedoch auch anderweitig, z.B. über die Starter/Generatoreinheit70 gestartet werden. Die Momentenübertragung auf die Triebwelle3 erfolgt nach wie vor über die erste Gang-Stirnradstufe31 . - Um von dem ersten hybriden Modus HYB
1 in einen ersten, rein verbrennungsmotorischen Festgang-Modus VM1 zu gelangen, muss lediglich die sechste Schaltkupplung66 geöffnet werden. Die Momentenübertragung auf die Triebwelle erfolgt im Festgang-Modus VM1 nach wie vor über die erste Gang-Stirnradstufe31 . Da das Hohlrad120 im Modus HYB1 aufgrund der geöffneten vierten und fünften Schaltkupplung64 ,65 frei drehen kann, erfolgt das Öffnen der sechsten Schaltkupplung66 bei Lastfreiheit der elektrischen Maschine10 kräftefrei. - Um vom ersten verbrennungsmotorischen Modus VM
1 zu einem ersten Modus mit variabler Übersetzung VARI1 zu gelangen, sind im Folgenden zwei Schaltschritte erforderlich. Zunächst wird die vierte Schaltkupplung64 geschlossen. Durch geeignete Wahl der Drehzahl der elektrischen Maschine kann dies ohne Relativdrehung innerhalb der vierten Schaltkupplung64 erfolgen. Der resultierende Durchgangsmodus ist in der Tabelle mit TEMP1 bezeichnet. Sodann wird die erste Schaltkupplung61 geöffnet. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über den Steg130 in den Planetensatz100 ein- und über dessen Hohlrad120 ausgeleitet. Aufgrund der geschlossenen vierten Schaltkupplung64 erfolgt die Momentenübertragung auf die Triebwelle3 über die zweite Gang-Stirnradstufe32 . Die dabei im Planetensatz100 realisierte Übersetzung hängt ab von der Drehzahl der elektrischen Maschine10 , deren Moment über die Sonne110 in den Planetensatz100 eingeleitet wird. Auf diese Weise kann der variable Modus VARI1 trotz Aktivierung der zweiten Gang-Stirnradstufe32 im Zeitpunkt des Modenwechsels dieselbe Gesamtübersetzung realisieren wie der verbrennungsmotorische Festgang-Modus VM1 , sodass das Öffnen der ersten Schaltkupplung61 kräftefrei erfolgen kann. - Durch Schließen der zweiten Schaltkupplung
62 erfolgt der Übergang in den zweiten hybriden Modus HYB2 , in dem sowohl verbrennungsmotorisches als auch elektromotorisches Moment über die zweite Gang-Stirnradstufe32 auf die Triebwelle3 geleitet werden kann. Aufgrund der geschlossenen zweiten und vierten Schaltkupplung62 ,64 sind in diesem Zustand das Hohlrad120 und der Steg130 zusammengekoppelt und der Planetensatz100 dadurch verblockt. Die Übersetzung des zweiten hybriden Modus HYB2 entspricht der Übersetzung der zweiten Gang-Stirnradstufe32 , die im ersten variablen Modus VARI1 durch geeignete Wahl der Drehzahl der elektrischen Maschine10 ebenfalls erreicht werden kann, sodass der Modenübergang ohne Relativdrehung innerhalb der zweiten Schaltkupplung62 erfolgen kann. - Um vom zweiten Hybridmodus HYB
2 in einen zweiten elektromotorischen Modus E 2 zu gelangen, bei dem Moment der elektrischen Maschine10 über die zweite Gang-Stirnradstufe32 auf die Triebwelle3 geleitet wird, muss lediglich die Hauptkupplung60 geöffnet werden. - Soll vom zweiten Hybridmodus HYB
2 stattdessen in einen zweiten, rein verbrennungsmotorischen Modus VM2 übergegangen werden, bedarf es stattdessen der Öffnung der vierten Schaltkupplung64 , was bei lastfreier Momentenregelung der elektrischen Maschine10 kräftefrei erfolgen kann. Auch im Modus VM2 erfolgt die Momentenübertragung über die zweite Gang-Stirnradstufe32 . - Zum Übergang in einen zweiten Modus mit variabler Übersetzung VARI
2 bedarf es erneut zweier Schaltvorgänge. Zunächst wird ein weiterer Durchgangsmodus TEMP2 durch Schließen der fünfen Schaltkupplung65 erreicht. Sodann erfolgt der Übergang in den Zielmodus VARI2 durch Öffnen der zweiten Schaltkupplung62 . Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird über den Steg130 in den Planetensatz101 und über dessen Hohlrad120 ausgeleitet. Aufgrund der geschlossenen fünften Schaltkupplung65 erfolgt die Momentenübertragung auf die Triebwelle3 über die dritte Gang-Stirnradstufe33 . Die im Planetensatz100 realisierte Übersetzung hängt ab von der Drehzahl der elektrischen Maschine10 , deren Moment über die Sonne110 in den Planetensatz100 eingeleitet wird. Analog zu den Erläuterungen weiter oben können auch die hiesigen Schaltvorgänge kräftefrei bzw. ohne Relativdrehung in der betroffenen Schaltkupplung erfolgen, was im Übrigen auch für die nachfolgend beschriebenen Modenübergänge gilt. - Der Übergang in einen dritten hybriden Modus HYB
3 erfolgt durch Schließen der dritten Schaltkupplung63 . Aufgrund der geschlossenen Schaltkupplungen63 ,65 ist der Planetensatz100 verblockt und die Eingangswellen1 ,2 laufen mit derselben Drehzahl, d. h. mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, wobei beide Antriebsaggregate Moment an die dritte Gang-Stirnradstufe31 liefern. - Um vom dritten Hybridmodus HYB
3 in einen dritten rein elektrischen Modus E 3 zu gelangen, bedarf es lediglich der Öffnung der Hauptkupplung60 . - Soll stattdessen vom dritten Hybridmodus HYB
3 in einen dritten verbrennungsmotorischen Festgang-Modus VM3 übergegangen werden, muss die fünfte Schaltkupplung65 geöffnet werden. -
2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Sie soll lediglich im Hinblick auf ihre Unterschiede zur zuvor erläuterten, besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß1 diskutiert werden. - Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform besteht darin, dass sämtliche Gang-Stirnradstufen
31 ,32 ,33 verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes100 angeordnet sind. Entsprechend sind auch die am Losrad der dritten Gang-Stirnradstufe33 ansetzenden Schaltkupplungen63 und65 verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes100 angeordnet. Allerdings wird dadurch eine direkte Kopplung des Losrades322 der zweiten Gang-Stirnradstufe32 mit dem Hohlrad120 (mittels der vierten Schaltkupplung64 ) verunmöglicht. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit einer weiteren Gang-Stirnradstufe32' , die quasi ein Duplikat der zweiten Gang-Stirnradstufe32 darstellt und deren Losrad nun mittels einer axial verlagerten vierten Schaltkupplung64 mit dem Hohlrad120 koppelbar ist. Die zusätzliche Gang-Stirnradstufe32' führt zu einer Vergrößerung des axialen Bauraumbedarfs. - Der Fachmann wird sich aufgrund der Erläuterungen zur Ausführungsform von
1 die realisierbaren Betriebsmodi und zugeordneten Schaltzustände ohne Weiteres durch Analogiebetrachtung herleiten können. -
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, mit der der zuvor erläuterte Nachteil der axialen Bauraumvergrößerung im Kontext der Ausführungsform von2 wenigstens teilweise behoben werden kann. Im Unterschied zur Ausführungsform von2 wird bei der Ausführungsform von3 die erste Gang-Stirnradstufe31 zu einer zusätzlichen Triebwelle hin verlagert. Die Ausführungsform von3 hat somit zwei Triebwellen, nämlich eine erste Triebwelle3a , an der die erste Gang-Stirnradstufe31 ansetzt, und eine zweite Triebwelle3b , an der die zweite, die dritte und die weitere Gang-Stirnradstufe32 ,32' ,33 ansetzen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist auch die Verteilung von Los- und Festrad311 ,312 der ersten Gang-Stirnradstufe31 im Vergleich zu den zuvor erläuterten Ausführungsformen umgekehrt. Hier ist das Festrad311 auf der verbrennungsmotorischen Eingangswelle1 fixiert, während das Losrad312 auf der ersten Triebwelle3a gelagert ist. Folglich ist auch die erste Schaltkupplung31 in den Bereich der ersten Triebwelle3a verlagert. - Die einstellbaren Betriebsmodi und die zugehörigen Schaltkonstellationen wird sich der Fachmann auf Basis der obigen Erläuterungen ohne Schwierigkeiten durch Analogiebetrachtungen herleiten können.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist dem Fachmann die Verteilung der Los- und Festräder der Gang-Stirnradstufen weitgehend freigestellt, wobei jedoch nicht bei allen denkbaren Varianten mehrere funktionale Schaltkupplungen zu vorteilhaften Doppelkupplungseinheiten zusammenfassbar sind. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- erste Eingangswelle
- 2
- zweite Eingangswelle
- 3
- Triebwelle
- 3a
- erste Triebwelle
- 3b
- zweite Triebwelle
- 4
- Ausgangswelle
- 10
- elektrische Maschine
- 11
- Stator von
10 - 12
- Rotor von
10 - 20
- feste Stirnradstufe
- 31
- erste Gangstirnradstufe
- 311
- Festrad von
31 - 312
- Losrad von
31 - 32
- zweite Gangstirnradstufe
- 321
- Festrad von
32 - 322
- Losrad von
32 - 32'
- weitere Gangstirnradstufe
- 321'
- Festrad von
32' - 322'
- Losrad von
32' - 33
- dritte Gangstirnradstufe
- 331
- Festrad von
33 - 332
- Losrad von
33 - 40
- feste Stirnradstufe
- 50
- Differential
- 60
- Hauptkupplung
- 61
- erste Schaltkupplung
- 62
- zweite Schaltkupplung
- 63
- dritte Schaltkupplung
- 64
- vierte Schaltkupplung
- 65
- fünfte Schaltkupplung
- 66
- sechste Schaltkupplung
- 70
- Starter/Generator
- 100
- Planetensatz
- 110
- Sonne von
100 - 120
- Hohlrad von
100 - 130
- Steg von
100 - 131
- Planetenräder auf
130 - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013211975 A1 [0003]
- DE 102013223462 A1 [0003]
- DE 102014214147 A1 [0003]
Claims (15)
- Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend - eine elektrische Maschine (10) mit einem festen Stator (11) und einem drehbar dazu gelagerten Rotor (12), - eine drehbar gelagerte, erste Eingangswelle (1), die mittels einer Hauptkupplung (60) mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist, - eine drehbar gelagerte, mit dem Rotor (12) verbundene, zweite Eingangswelle (2), - eine oder mehrere drehbar in dem Gehäuse gelagerte, mit einer Ausgangswelle (4) verbundenen Triebwellen (3; 3a, 3b), die mittels einer Mehrzahl von als Festrad/Losrad-Kombinationen ausgebildeten, schaltbaren Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar sind, - einen als Plus-Getriebe ausgebildeten Planetensatz (100) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer mit dem Rotor (12) verbundenen Sonne (110), einem Hohlrad (120) und einem mit der ersten Eingangswelle (1) verbundenen Steg (130), auf welch letzterem ein Satz Planetenräder (131), die einerseits mit der Sonne (110) und andererseits mit dem Hohlrad (120) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei - mittels einer ersten Schaltkupplung (61) eine erste (31) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) schaltbar ist, - mittels einer zweiten Schaltkupplung (62) das Losrad (322) einer zweiten (32) der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist, - mittels einer dritten Schaltkupplung (63) das Losrad (332) einer dritten der Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist, - mittels einer vierten Schaltkupplung (64) das Losrad (322) der zweiten Gang-Stirnradstufe (32) oder das Losrad (322') einer übersetzungsgleichen weiteren Gang-Stirnradstufe (32') mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist, - mittels einer fünften Schaltkupplung (65) das Losrad (332) der dritten Gang-Stirnradstufe (33) mit dem Hohlrad (120) koppelbar ist und - mittels einer sechsten Schaltkupplung (66) der Steg (130) mit der Sonne (110) koppelbar ist.
- Antriebsanordnung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gang-Stirnradstufe (31) für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die zweite Gang-Stirnradstufe (32) und die zweite Gang-Stirnradstufe (32) für eine höhere Momentenübersetzung ausgelegt ist als die dritte Gang-Stirnradstufe (33). - Antriebsanordnung nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Gang-Stirnradstufe (31, 32) verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes (100) und die dritte Gang-Stirnradstufe (33) elektromaschinenseitig des Planetensatzes (100) angeordnet sind. - Antriebsanordnung nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass genau drei Gang-Stirnradstufen (31, 32, 33) vorgesehen sind, wobei mittels der ersten Schaltkupplung (61) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist. - Antriebsanordnung nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32', 33) verbrennungsmaschinenseitig des Planetensatzes (100) angeordnet sind. - Antriebsanordnung nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass genau vier Gang-Stirnradstufen (31, 32, 32' 33) vorgesehen sind, wobei mittels der ersten Schaltkupplung (31) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist. - Antriebsanordnung nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Triebwellen (3a, 3b) mit der Ausgangswelle (4) verbunden sind, deren erste (3a) über die erste Gang-Stirnradstufe (31) und deren zweite (3b) über die zweite (32), die dritte (33) und die weitere Gang-Stirnradstufe (32') mit der ersten Eingangswelle (1) koppelbar ist. - Antriebsanordnung nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten Schaltkupplung (61) das Losrad (312) der ersten Gang-Stirnradstufe (31) mit der ihm zugeordneten Triebwelle (3b) koppelbar ist. - Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) konstruktiv zu einer Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind, mittels derer genau drei Kopplungszustände einstellbar sind, nämlich ein erster Kopplungszustand, in dem die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet und die andere geschlossen ist, ein zweiter Kopplungszustand, in dem umgekehrt die eine der zusammengefassten Schaltkupplungen geschlossen und die andere geöffnet ist, und ein dritter Kopplungszustand, in dem beide der zusammengefassten Schaltkupplungen geöffnet sind.
- Antriebsanordnung nach den
Ansprüchen 3 und9 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schaltkupplung (61, 62) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die dritte und die sechste Schaltkupplung (63, 66) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind. - Antriebsanordnung nach den
Ansprüchen 6 und9 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schaltkupplung (61,62) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung (64, 65) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind. - Antriebsanordnung nach den
Ansprüchen 8 und9 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Schaltkupplung (62, 63) zu einer ersten Doppelkupplungseinheit sowie die vierte und die fünfte Schaltkupplung (64, 65) zu einer zweiten Doppelkupplungseinheit zusammengefasst sind. - Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) als formschlüssige Schaltkupplungen ausgebildet sind.
- Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkupplung (60) als formschlüssige Hauptkupplung ausgebildet sind.
- Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkupplung (60) mittels eines ersten Aktors betätigbar ist und sämtliche Schaltkupplungen (61, 62, 63, 64, 65, 66) über eine gemeinsame Schaltwalze mittels eines zweiten Aktors betätigbar sind.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102019134950A1 (de) * | 2019-05-21 | 2020-11-26 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug und Hybridfahrzeug |
DE102019134951A1 (de) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug und Hybridfahrzeug |
DE102022126798A1 (de) | 2022-10-13 | 2024-04-18 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Hybridantriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug |
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