DE102021106692A1 - Einsatz einer Umschlingungskupplung für Momentübertragung zwischen E-Maschinen in einem Hybridgetriebe - Google Patents

Einsatz einer Umschlingungskupplung für Momentübertragung zwischen E-Maschinen in einem Hybridgetriebe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (1) mit einer ersten Antriebswelle (2), welche einer ersten Elektromaschine (3) zugeordnet ist und mit einer zweiten Antriebswelle (4), welche einer zweiten Elektromaschine (5) zugeordnet ist, wobei eine Kupplung (6) zum drehmomentweitergebenen Verbinden der ersten Antriebswelle (2) mit der zweiten Antriebswelle (4) vorgesehen ist, wobei die Kupplung (6) als Umschlingungskupplung (7) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Antriebsstrang mit einem Hybridgetriebe (1), wobei eine erste Elektromaschine (3) eine zweite Elektromaschine (5), eine Verbrennungskraftmaschine (19) und/oder ein Differentialgetriebe (21) vorhanden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, etwa nach Art eines DHT / dedizierten Hybridgetriebes, eines TwinDrives bzw. eines MultiMode-Aggregats, mit einer ersten Antriebswelle, welche einer ersten Elektromaschine zugeordnet ist und einer zweiten Antriebswelle, welche einer zweiten Elektromaschine zugeordnet ist, wobei eine Kupplung zum drehmomentweitergebenen Verbinden der ersten Antriebswelle und der zweiten Antriebswelle vorgesehen ist. Elektromaschinen können hier auch als E-Maschinen bezeichnet werden und sind als Generatoren oder Elektromotoren nutzbar.
  • Viele Hersteller entwickeln derzeit so genannte Multimode DHTs. Diese weisen zum Teil nur einen (einzigen) Gang im parallelen Betrieb für eine Verbrennungskraftmaschine auf. Es ist ein gewisser Trend erkennbar, DHTs zur Verfügung zu stellen, die (wenigstens / genau) zwei Gänge bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufweisen. Üblicherweise gibt es eine eigene Antriebswelle für die Verbrennungskraftmaschine, auf der dann auch der Rotor einer ersten E-Maschine angebunden ist. Da häufig eine zweite Elektromaschine eingesetzt ist, weist diese auch im Stand der Technik eine zu der genannten Antriebswelle parallele / achsparallele weitere Welle auf. Dazu werden zusätzliche ebenfalls zu beiden Antriebswellen achsparallele Zwischen- und Zusatzwellen eingesetzt. Dies ist allerdings relativ aufwändig. Es kann zwar ein Gang für die zweite Elektromaschine genutzt werden und zwei Gänge für die erste Elektromaschine und die Verbrennungskraftmaschine, doch weist ein solches Getriebe leider relativ viele Gangstufen auf, was kostenintensiv ist. Hier ist es wünschenswert eine Verbesserung zu bewirken. Gerade bei Hybridgetrieben ist so eine Verbesserung wünschenswert.
  • Hybridfahrzeuge, insbesondere Plug-in-Hybridfahrzeuge, verbinden lokal emissionsfreies Fahren mit geringem Verbrauch im Hybridbetrieb und einem hohen Maß an Fahrspaß. Zudem werden durch strengere gesetzliche Anforderungen die Batteriekapazität und mit steigender Performance die elektrische Leistung weiter steigen. Daraus resultieren neue Herausforderungen hinsichtlich der Bauraumintegration und der Gesamtauslegung solcher Antriebstränge. Durch die hohen Kosten der elektrischen Komponenten entsteht weiterhin die Notwendigkeit, alle Möglichkeiten zur technischen Vereinfachung zu nutzen.
  • Die insgesamt noch relativ niedrigen Stückzahlen für Hybridfahrzeuge haben dazu geführt, dass bislang der elektrische Antrieb vorrangig in P2-Anordnung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe angeordnet wurde, wobei die klassischen Triebstrangkomponenten weitgehend unverändert gelassen wurden. Steigende Stückzahlerwartungen führen dazu, dass zunehmend die Optimierung des Gesamtsystems in den Vordergrund rückt. Dazu gehört auch die Möglichkeit, den mechanischen Getriebeteil zu vereinfachen, etwa durch Entfall des Rückwärtsgangs, und stattdessen mindestens eine in das Getriebe integrierte elektrische Maschine zu nutzen, um den vollen Funktionsumfang darzustellen. Solche Getriebekonzepte werden als dedizierte Hybridgetriebe oder Dedicated Hybrid Transmissions (DHT) bezeichnet.
  • Dedizierte Hybridgetriebe können aus bekannten Getriebekonzepten hervorgehen, also aus Doppelkupplungsgetrieben, Wandler-Planetengetrieben, stufenlosen Getrieben (CVT) oder automatisierten Schaltgetrieben. Die elektrische Maschine wird dabei zum Teil des Getriebes, wobei ihre Anbindung auf verschiedenen Getriebewellen erfolgen kann. Neben den parallelen (oder seriellen) Hybridmodi können in Kombination mit einem Planetengetriebe auch eine oder mehrere leistungsverzweigte Betriebszustände erzeugt werden.
  • Diesbezüglich bekannte Varianten finden sich beispielsweise auf der im Internet abrufbaren Seite https://schaeffler-events.com/kolloquium/lecture/h6/index.html auf der eine Veröffentlichung zum Kolloquium der Anmelderin aus dem Jahre 2018 publiziert ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist auch bspw. ein Hybridgetriebe nach Art eines DHT bekannt, bspw. aus der DE 10 2019 130 882 B3 . Dort ist ein Schaltgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Antriebswelle offenbart, über welche Drehmoment einleitbar ist, wobei zwischen der Antriebswelle und einer zur Drehmomentausleitung eingesetzten Abtriebswelle eine erste Zwischenwelle und eine zweite Zwischenwelle in Abhängigkeit einer Schaltstellung von Koppelelementen so in den Drehmoment(en)fluss eingebunden sind, dass das Drehmoment über die erste Zwischenwelle und/oder die zweite Zwischenwelle geführt ist, wobei die Koppelelemente bei der Drehmoment(en)übertragung Zahnräder mit der Antriebswelle der ersten Zwischenwelle, der zweiten Zwischenwelle und/oder der Abtriebswelle verbinden, und wobei die Zahnräder in drei voneinander axial beabstandeten Radebenen angeordnet sind.
  • Antriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge sind auf diesem Gebiet auch aus der DE 10 2019 131 754 B3 bekannt.
  • Es befinden sich viele Multimode DHT in der Entwicklung. Diese ermöglichen einen seriellen, parallelen sowie einen elektrischen Betrieb. Es hat sich jedoch gezeigt, dass im rein elektrischen Betrieb der Wirkungsgrad noch zu erhöhen ist. Dabei soll auch Verschleiß vermindert werden und sich auf den Verbrauch negativ auswirkende Trägheitsmomente berücksichtigt werden.
  • Aus der US 10 128 705 B2 bzw. dem europäischen Pendant, nämlich der EP 3 465 889 B1 sind Elektromotoren als solches bekannt. Diese weisen üblicherweise ein Gehäuse auf, einen Stator, der mit dem Gehäuse gekoppelte Statorwicklungen aufweist, einen Rotor, der eine Rotorwelle und Rotorwicklungen aufweist, mindestens zwei Rotorhauptlager, die die Rotorwelle mit dem Gehäuse koppeln, wobei sie mindestens zwei Rotorhauptlager, einen ersten elektrischen Widerstand zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse aufweisen; und ein Rotorentladungslager besitzen, das die Rotorwelle mit dem Gehäuse koppelt, wobei das Rotorentladungslager einen zweiten elektrischen Widerstand zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse aufweist, wobei der zweite elektrische Widerstand kleiner als der erste elektrische Widerstand ist, um eine Rotorentladung durch das Rotorentladungslager zu leiten. Besonders ist in diesem europäischen Patent, dass ein Rotorhauptlager der mindestens zwei Rotorhauptlader eine erste Last aufweist; und das Rotorentladungslager eine zweite Last aufweist, die größer als die erste Last ist, wodurch ein Schmiermittelfilm der die beweglichen Komponenten des Rotorentladungslagers trennt, eine geringere Dicke als ein Schmiermittelfilm, der die beweglichen Komponenten von den stationären Komponenten des Rotorhauptlagers trennt, vorhanden ist.
  • Üblicherweise werden bei Hybridgetrieben nasse Kupplungen eingesetzt, um eine erste Antriebswelle mit einer zweiten Antriebswelle, die jeweils einer Elektromaschine zugeordnet sind, zu verbinden. Dies ruft jedoch regelmäßig hohe axiale Kräfte hervor und benötigt diese auch zur Verstellung. Ferner wird eine recht umständliche Betätigungseinheit benötigt, die auch Druck bereitstellen muss. All dies zieht üblicherweise zusätzlichen Bauraum nach sich. Das ist ungewünscht.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder sogar abzustellen.
  • Bei einem gattungsgemäßen Hybridgetriebe wird dies erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kupplung als Umschlingungskupplung ausgebildet ist.
  • Auf völlig anderem technischen Gebiet gibt es schon Umschlingungskupplungen. So beschäftigt sich die DE 10 2009 054 672 A1 mit einer Wankstabilisierung und nutzt dabei eine Umschlingungskupplung. In dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung zur Wankstabilisierung eines Fahrzeuges offenbart. Dabei ist eine Umschlingungskupplung eingesetzt. In diesem abseitigen Stand der Technik ist eine Vorrichtung offenbart, mit einem zumindest bereichsweise als Torsionsstab ausgebildeten Stabilisator, der auf seinen beiden Seiten über Stabilisatorarme mit Radführungen einer Radachse des Fahrzeugs verbunden ist. Dabei ist mindestens eine Feststelleinrichtung vorgesehen, mit welcher zumindest ein Bereich des Stabilisators in Bezug auf eine Karosserie des Fahrzeugs zumindest teilweise arretierbar ist, wobei die Feststelleinrichtung als Umschlingungskupplung ausgebildet ist.
  • Durch den überraschenden Einsatz einer Umschlingungskupplung in der vorliegenden Hybridgetriebe-Anwendung kann nun glücklicherweise eine platzsparende Lösung mit geringen Betätigungs- und Axialkräften vorgestellt werden. Durch die sehr kompakte Anordnung der zwei Elektromaschinen / E-Maschinen übereinander / ineinander ist es auch möglich eine rotorintegrierte Lösung zu stellen. Die Umschlingungskupplung wird anstelle einer nassen Kupplung eingesetzt. Dabei wird die Einheit platzsparend unter/ in dem dem Rotor der Elektromaschine untergebracht. Die Betätigung kann z. B. mittels einer Reibvorrichtung, wie eines Reibkonus, umgesetzt werden. Dadurch entstehen sehr geringe Axialkräfte und die Betätigungseinheit kann auch elektrisch ausgeführt werden. Die Umschlingungskupplung verbindet eine Traktionsmaschine, also eine zweite Elektromaschine / E-Maschine, mit einer ersten Elektromaschine / E-Maschine, die als Generator fungiert, sowie einer Verbrennungskraftmaschine derart, dass alle Betriebspunkte und Fahrsituationen vom Getriebe abgedeckt werden können. Die Betätigung der Umschlingungskupplung wird bspw. mit Hilfe einer Schiebemuffe und eines Reibkonus umgesetzt. Die Schiebemuffe bspw. wird mit Hilfe eines Aktuators axial betätigt.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • So ist es von Vorteil, wenn die Umschlingungskupplung radial und vorzugsweise axial innerhalb eines Rotors der ersten Elektromaschine angeordnet ist und die zweite Antriebswelle umgibt.
  • Dabei hat es sich bewährt, wenn die zweite Antriebswelle konzentrisch zur und innerhalb von der ersten Antriebswelle angeordnet ist. Eine platzsparende Anordnung der beiden Elektromaschinen ist dann möglich.
  • Besonders platzsparend wird der Gesamtaufbau dann, wenn die Umschlingungskupplung radial und vorzugsweise axial innerhalb beider Rotoren der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine angeordnet ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antriebswelle in einem bestimmten Betriebszustand mit einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand ein Differentialgetriebe drehmomentübertragend an die zweite Antriebswelle angeschlossen ist.
  • Unterschiedliche Aktoren lassen sich einsetzen, wenn eine Betätigungseinheit der Umschlingungskupplung zugeordnet ist, die mechanischer oder elektrischer Natur ist.
  • So ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn eine Schiebemuffe vorhanden ist, welche so angeordnet und bemessen ist, dass sie bei Aktivierung der Betätigungseinheit ein zunehmendes Festhalten der zweiten Antriebswelle durch eine Feder bewirkt, wobei die Feder schaltbar fest / festlegbar mit der ersten Antriebswelle verbunden / verbindbar ist. Die Feder ist dabei dauerhaft fest mit der zweiten Antriebswelle verbunden, wobei eine zunehmende Verwindung der Feder, d.h. eine zunehmend kleiner werdende Wicklung, zu einer festeren Anlage der Feder an der Außenoberfläche der zweiten Antriebswelle führt, wodurch größere Drehmomente übertragen werden können. Als Federn haben sich Bandfedern oder Drahtfedern bewährt. Geringere Betätigungskräfte und eine platzsparende Rotorintegration sind dadurch möglich. Ein Rotor mit einem Querpressverband auf einem größeren Durchmesser ist wünschenswert.
  • Im Detail ist es von Vorteil, wenn die Schiebemuffe zum Verlagern eines Reibelementes, wie eines Reibkonus ausgelegt ist, und zwar auf ein Gegenreibelement zu, vorzugsweise an einem schiebemuffenseitigen Ende der Feder, wobei dann das Gegenreibelement an der Feder angebracht ist oder von ihr ausgebildet wird.
  • Es hat sich bewährt, wenn die Schiebemuffe verschieblich aber drehfest, etwa über eine Verzahnung, an der ersten Antriebswelle angebunden ist.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Antriebsstrang mit einem erfindungsgemäßen Hybridgetriebe, wobei eine erste Elektromaschine, eine zweite Elektromaschine, eine Verbrennungskraftmaschine und/oder ein Differentialgetriebe vorhanden ist, vorzugsweise all diese Bestandteile. Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Wellen und Drehmomentübertragungsrädern einzusetzen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Layout-Skizze eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes,
    • 2 einen Längsschnitt durch die Umschlingungskupplung, wie es in der Ausführungsform nach 1 eingesetzt ist, und
    • 3 eine isometrische Ansicht auf die Umschlingungskupplung aus 2,
  • Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 1 dargestellt. Es ist eine erste Antriebswelle 2 einer ersten Elektromaschine / E-Maschine 3 zugeordnet. Es gibt auch eine zweite Antriebswelle 4, die einer zweiten Elektromaschine / zweiten E-Maschine 5 zugeordnet ist. Eine Verbrennungskraftmaschine ist mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnet.
  • Es gibt eine Kupplung 6, die als Umschlingungskupplung 7 ausgebildet ist. Die Umschlingungskupplung wird über eine Betätigungseinheit 8 betätigt. Die Betätigungseinheit 8 besitzt eine Schiebemuffe 9. Die Schiebemuffe 9 wird von einem Aktuator 10 axial verlagert.
  • Wie besonders in der 2 gut zu erkennen ist, weist die Umschlingungskupplung 7 eine Feder 11 auf. Die Feder 11 ist an einem ersten Ende 12 an der zweiten Antriebswelle 4 angebunden. Am zweiten Ende 13 der Feder 11 ist ein Gegenreibelement 14 vorhanden. Das Gegenreibelement 14 weist eine konische Außenfläche auf. Auf diese konische Außenfläche kann bei Bewegung der Schiebemuffe 9 eine Reibfläche 15 eines Reibelements / Reibkonus 20 zu bewegt werden. Bei Kontakt der beiden Flächen wird Reibung hervorgerufen, die zu einer zunehmenden Verwindung der Feder 11 führt, mit der Folge, dass (mehr) Drehmoment von der ersten Antriebswelle 2 auf die zweite Antriebswelle 4 übertragbar ist. Für die Aktuierung mittels des Aktuators 10 weist die Schiebemuffe 9 eine Koppelstelle 16 auf. Die Koppelstelle 16 kann als Nut, Rinne, Rille, Mulde, Loch, Sackloch, Durchgangsloch ausgestaltet sein.
  • Die Feder 11 ist radial und axial innerhalb eines Rotors 17 der ersten Elektromaschine 3 angeordnet.
  • Unter Rückgriff auf 1 sei erläutert, dass die zweite Elektromaschine 5, anders als die erste Elektromaschine 3 nicht als Innenläufer, sondern als Außenläufer ausgebildet ist, so dass der diesbezügliche Rotor 18 ganz außerhalb des radial und axial geschachtelten Elektromotorenpaketes angeordnet ist. Ein Differentialgetriebe 21 wird zum Ausleiten des Drehmoments eingesetzt. Im Rekuperationsbetrieb oder beim Starten der Verbrennungskraftmaschine 19 über eine der Elektromaschinen 5 und/oder 3 ist der Drehmomentenverlauf auch vice versa zum vorab ausführlich beschriebenen normalen Drehmomentenverlauf. Dies ist auch so gewünscht.
  • Die 3 dient vor allem zum Visualisieren der Bandartigkeit der Feder 11.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybridgetriebe
    2
    erste Antriebswelle
    3
    erste E-Maschine / erste Elektromaschine
    4
    zweite Antriebswelle
    5
    zweite E-Maschine / zweite Elektromaschine
    6
    Kupplung
    7
    Umschlingungskupplung
    8
    Betätigungseinheit
    9
    Schiebemuffe
    10
    Aktuator
    11
    Feder
    12
    erstes Ende der Feder
    13
    zweites Ende der Feder
    14
    Gegenreibelement
    15
    Reibfläche
    16
    Koppelstelle
    17
    Rotor der ersten E-Maschine
    18
    Rotor der zweiten E-Maschine
    19
    Verbrennungskraftmaschine
    20
    Reibelement / Reibkonus
    21
    Differentialgetriebe
  • 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 102019130882 B3 [0007]
    • DE 102019131754 B3 [0008]
    • US 10128705 B2 [0010]
    • EP 3465889 B1 [0010]
    • DE 102009054672 A1 [0014]

Claims (10)

  1. Hybridgetriebe (1) mit einer ersten Antriebswelle (2), welche einer ersten Elektromaschine (3) zugeordnet ist und mit einer zweiten Antriebswelle (4), welche einer zweiten Elektromaschine (5) zugeordnet ist, wobei eine Kupplung (6) zum drehmomentweitergebenen Verbinden der ersten Antriebswelle (2) mit der zweiten Antriebswelle (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (6) als Umschlingungskupplung (7) ausgebildet ist.
  2. Hybridgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschlingungskupplung (7) radial innerhalb eines Rotors (17) der ersten Elektromaschine (3) angeordnet ist und die zweite Antriebswelle (4) umgibt.
  3. Hybridgetriebe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antriebswelle (4) konzentrisch zu und innerhalb von der ersten Antriebswelle (2) angeordnet ist.
  4. Hybridgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschlingungskupplung (7) radial innerhalb beider Rotoren (17, 18) der ersten Elektromaschine (3) und der zweiten Elektromaschine (5) angeordnet ist.
  5. Hybridgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antriebswelle (2) in einem Betriebszustand mit einer Verbrennungskraftmaschine (19) verbunden ist.
  6. Hybridgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand ein Differentialgetriebe (21) drehmomentübertragend an die zweite Antriebswelle (4) angeschlossen ist.
  7. Hybridgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigungseinheit (8) der Umschlingungskupplung (7) zugeordnet ist, die mechanischer oder elektrischer Natur ist.
  8. Hybridgetriebe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schiebemuffe (9) vorhanden ist, welche so angeordnet und bemessen ist, dass sie bei Aktivierung der Betätigungseinheit (8) ein zunehmendes Festhalten der zweiten Antriebswelle (4) durch eine Feder (11) bewirkt.
  9. Hybridgetriebe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (9) zum Verlagern eines Reibelementes (20) auf ein Gegenreibelement (14) an der Feder (11) ausgelegt ist.
  10. Antriebsstrang mit einem Hybridgetriebe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Elektromaschine (3) eine zweite Elektromaschine (5), eine Verbrennungskraftmaschine (19) und/oder ein Differentialgetriebe (21) vorhanden ist.
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